废气门阀的制作方法

本发明涉及通常被称为废气门阀的涡轮增压器涡轮废气门阀。本发明的方面涉及用于内燃发动机的排气系统以及对与内燃发动机相关联的催化转化器进行加热的方法。

背景技术：

众所周知，需要并期望减少来自内燃(IC)发动机动力机动车辆的某些排放物。汽油和柴油的燃烧产生了对环境有害的排放物。通常，这种排放物包括碳氢化合物(HCs)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NO_x)和颗粒物质。

多年来，已对IC发动机进行了各种改进以提高效率并减少有害排放物。减少这种排放物的重要历史发展涉及在配备有IC发动机的机动车辆的排气系统中安装催化转化器。

在汽油动力IC发动机中，现代催化转化器将HCs和CO催化氧化成CO₂和H₂O，同时将NO_x还原成氮气，这些催化转化器是所谓的三元催化转化器。这种转化器通常包括携带起催化作用的贵金属比如铂、钯等的陶瓷载体或者有时是金属箔载体。在柴油动力IC发动机中，通常使用柴油氧化催化器，并且有时为了将NO_x还原成氮气而将柴油氧化催化器与其他处理装置相结合。

为了使汽油动力IC发动机以最佳效率运行，通常使用非化学计量比的燃料和空气。此外，为了使催化效率最佳，催化转化器必须在升高的温度(即，高于环境温度)下进行操作。即便不是所有的，至少大部分催化转化器都具有最佳工作温度，同时它们也具有所谓的“起燃温度”，“起燃温度”是催化化学反应变得自维持时的温度，并且由此产生的热帮助将转化器载体加热达到其最佳温度或朝该组最佳温度加热。因此，在非化学计量的燃烧混合和较低的催化器温度下，存在排放可能增加的风险。

通常使用排气的余热对催化转化器进行加热。显然，在发动机起动时，在排气能够对催化转化器和其他排放部件(这些排放部件具有相当大的热质量)进行充分加热以使催化转化器达到其有效操作温度之前存在一定的时间段。在温度充分升高之前，催化转化器将不是最有效的，因此排放将很可能高于期望。实际上，在IC发动机的预热阶段期间通常经历了最大排放。

在某些车辆中，已知在排气系统中设置涡轮增压器。涡轮增压器通常被设置用来增强发动机性能。然而，为了经受住排气阀紧之后的排气的高温，涡轮增压器的部件比如涡轮壳体可以由具有高热惯性的钢铸成。因此，涡轮增压器通常具有较高的热惯性，并且由于涡轮增压器通常定位于催化转化器的上游，导致在起动状态中或在起动状态紧之后到达催化转化器的排气的温度降低。因此，在整个排气系统达到至少一定程度的热平衡之前，催化转化器可能不会被加热到其最佳操作温度和/或起燃温度，因此将不会有效地减少排放。

来自消费者方面的压力正驱使制造商生产更大的机动车辆，例如运动型多用途车辆(SUV)、越野车辆、货车等，而立法和社会压力正在推动使发动机尺寸减小以试图限制燃料消耗及伴随的排放。然而，发动机尺寸的减小将很可能减少催化器可用的热，而介于其间的部件(包括涡轮增压器，如果存在的话)的热质量可能保持相同或增加，致使进一步加剧该问题。例如，新的排放标准很可能将催化器的尺寸(体积)与车辆的尺寸或重量等级关联起来。因此，较大的SUV将比较小的SUV具有更大的催化器体积，因此较大的SUV将比较小的SUV需要更大量的热能以实现所需的起燃温度。车辆(例如，SUV)的发动机尺寸减小的压力将加剧较大车辆的加热问题。

为了帮助解决催化转化器加热滞后问题，已经提出在催化转化器内设置加热盘管以将催化转化器载体加热达到最佳操作温度或朝该最佳操作温度加热。显然，这种解决方案可能增加排气系统的成本和复杂性。例如，使用这种解决方案在批量生产方面可能是有问题的。此外，在柴油氧化催化器(DOC)与柴油颗粒过滤器(DPF)结合的某些柴油车辆中，DPF的在没有相关联的空气流的情况下的局部加热会导致燃烧风险。

本发明的目的是提供下述装置：该装置用于在不需要在催化转化器内设置加热盘管的情况下确保特别是起动期间IC发动机的低排放量。

技术实现要素：

本发明的方面涉及所附权利要求中所限定的废气门阀、排气系统和加热催化转化器的方法。

根据本发明的方面，提供了一种用于内燃发动机中的涡轮增压器的旁通路径的废气门阀，该废气门阀包括阀座和阀构件，其中，阀座限定了与用于沿着旁通路径流动的气体的主流动轴线非正交的平面，并且阀构件能够从打开位置枢转至关闭位置，其中，在关闭位置中，阀构件座置在阀座上，而在完全打开位置中，阀构件定位成将离开旁通路径的气体引导到催化转化器载体的前部面上以对载体进行加热。

可以提供了一种用于内燃发动机中的涡轮增压器的旁通路径的废气门阀，该废气门阀包括阀座和阀构件，其中，阀座限定了与用于沿着旁通路径流动的气体的主流动轴线非正交的平面，并且阀构件能够从打开位置枢转至关闭位置，其中，在关闭位置中，阀构件座置在阀座上，而在完全打开位置中，阀构件定位成将离开旁通路径的气体朝向催化转化器载体的前部面的中央引导。将理解的是，这是为了根据本文的进一步的说明特别地以有利的方式对载体进行加热。

根据本发明的方面，提供了一种用于内燃发动机中的涡轮增压器的旁通路径的废气门阀，该废气门阀包括阀座和能够在关闭位置与打开位置之间枢转的阀构件，其中，在关闭位置中，阀构件座置在阀座上，而在打开位置中，阀构件被定位成将离开旁通路径的气体引导到催化转换器载体的前部面上以对该载体进行加热，其中，阀座限定了在使用时与载体的前部面非平行的平面，其中当阀座处于打开位置时气体被朝向该前部面引导。

有利地，阀构件例如在发动机循环的起动阶段或早期阶段期间将热气体引导到催化转化器元件的前部面上，以将催化转化器加热至最佳性能温度或朝最佳性能温度加热。

阀构件在其完全打开位置处能够相对于由阀座限定的平面枢转到30°至70°的角度，例如35°至65°的角度，比如36°至63°的角度，优选地40°至60°的角度，比如40°至50°的角度。

本发明的有利特征在于通过限制气体在其离开旁通路径时的重定向来减小气体的动量变化并因此减少气体的焓损失。因此，阀构件的增大的打开角度有助于限制气体方向的变化。

阀构件在其完全打开位置处能够相对于沿着旁通路径的主流动轴线枢转到0°或大于0°至60°或小于60°的角度。当阀构件相对于主流动轴线成0°角时，阀构件将平行于主流动轴线。阀构件可以相对于主流动轴线枢转到5°至35°的角度，可选地10°至30°的角度。替代性地，当阀构件处于其完全打开位置时，阀构件可以相对于主流动轴线枢转到45°至60°的角度。

旁通路径可以由管道限定。旁通路径可以伸入到腔室中或者可以不伸入到腔室中。

废气门可以但不必枢转到腔室的中央以及朝腔室的中央枢转。离开旁通路径的所述气体或至少一些气体可以沿着相对于沿着腔室或所述腔室的主流动路径轴线或所述主流动路径轴线成角度地倾斜的流动路径排出。

在旁通路径朝向腔室的一侧将气体排出到腔室或所述腔室中的情况下，处于其完全打开位置的阀构件可以定位在或位于腔室的中央处或朝腔室的中央定位。因此，在实施方式中，阀构件沿使阀构件远离腔室的壁的方向打开。

阀元件可以布置成使离开旁通路径的气体至少部分地沿着非平行流动路径转向。例如，阀元件可以定位成使得离开旁通流动路径的气体被至少部分地引导至下游主流动轴线或者被朝向下游主流动轴线引导，其中，该下游主流动轴线例如是与腔室的主轴线对准的下游主流动轴线。

根据本发明的方面，提供了一种用于内燃发动机的排气系统，该排气系统包括歧管、涡轮增压器、旁通路径、腔室和催化转化器，其中，旁通路径通过废气门阀选择性地打开及关闭以允许或阻止从歧管流出的排气绕过涡轮增压器并由此进入腔室，其中，当废气门阀打开时，排气通过废气门阀被至少部分地沿着腔室引导以撞击在催化转化器的前部面上。

有利地，允许气体在发动机起动紧之后绕过涡轮增压器确保了催化转化器被排气加热得比以其他方式加热得快。此外，使用废气门阀来影响气体的流动方向确保了热气体尽可能快地到达其目标物(催化转化器)。最优选地，废气门阀能够操作成将离开旁通路径的气体中的至少一些气体引导到前部面上，优选地引导到催化转化器的前部面的中央处(即，大致远离边缘)或者被朝向催化转化器的前部面的中央引导，其中，热通量会径向向外传导。

旁通路径可以具有主流动轴线。旁通路径的主流动轴线或所述主流动轴线可以相对于腔室的主轴线成30°至70°的角度。在示例性实施方式中，该角度为40°。

旁通路径可以伸入到腔室中或者可以不伸入到腔室中。

优选地，旁通阀与设置在旁通路径的一端上的阀座接合或者旁通阀能够与设置在旁通路径的一端上的阀座接合。由阀座在旁通路径的端部处限定的平面可以相对于沿着旁通路径的主流动轴线成小于90°至45°的角度，比如50°至85°的角度，例如55°至80°的角度，60°至75°的角度，比如60°至70°的角度。额外地或替代性地，由阀座限定的平面与载体的前部面可以是非平行的。

旁通阀可以通过电致动器或真空致动器或其他机械致动器致动。

旁通阀可以在其可以是默认位置的打开位置与其关闭位置之间枢转，在关闭位置中，旁通阀接合例如座置在位于旁通路径的端部处的阀座上。

可选地，涡轮增压器可以是双涡旋涡轮增压器。

根据本发明的方面，提供了一种例如在发动机的起动阶段期间将发动机的催化转化器加热到有效温度的方法，该方法包括将来自发动机的气体通过旁通路径引导绕过涡轮增压器叶轮并且将气引导到催化转化器的载体的前部面上。

该方法的优点在于催化转化器达到期望的操作温度的时间减少，从而降低了排放。

为了避免疑问，本文中所描述的任一特征同样适用于本发明的任一方面。

在本申请的范围内，明确的意图是前面的段落、权利要求和/或所附描述和附图中阐述的各个方面、实施方式、示例和替代方案以及特别是其各个特征可以独立地或以任意组合的方式应用。结合一个实施方式描述的特征可应用于所有实施方式，除非这些特征是不相容的。

附图说明

现在将通过参照附图仅借助于示例来对本发明的一个或更多个实施方式进行描述，在附图中：

图1示出了结合本发明的发动机和排气系统的一部分的示意性概图；

图2是图1的发动机的一部分的截面图；

图3是图2的一部分的放大图；

图4是图3的一部分的细部；

图5示出了在使用期间的本发明的涡轮增压器单元；

图6示出了在使用本发明之后的催化载体的热图；以及

图7示出了涡轮增压器单元。

具体实施方式

首先参照图1，其示出了用于机动车辆的发动机E。发动机E设置有涡轮增压器单元T，涡轮增压器单元T以可操作的方式连接并紧固至排气系统ES。涡轮增压器单元T包括涡轮增压器压缩机壳体2和涡轮增压器涡轮壳体3。按流动顺序，以可操作的方式连接至涡轮增压器单元T的排气系统ES包括催化剂入口锥形部4、一级催化转化器5a以及联接至排气系统ES的其余部分的二级催化转化器5b，其中，该其余部分通常将排气排放物引向车辆的后部。催化剂下流管9将一级化转化器5a与二级催化转化器5b互相连接。

涡轮增压器单元T可以包括双涡旋涡轮增压器，但也可以使用任何的涡轮增压器单元。将理解的是，本发明可以特别适用于设置有双涡旋涡轮增压器的车辆，因为这种涡轮增压器通常比单涡旋涡轮增压器具有更高的热质量，因此双涡旋涡轮增压器倾向于使催化转化器的起燃延迟得比单涡旋涡轮增压器大。涡轮增压器单元2包括涡轮(图1中未示出)，涡轮设置在涡轮壳体2内并布置成由从发动机E排出的冲击气体驱动以便以常规方式驱动容置在压缩机壳体2中的压缩机(未示出)。涡轮增压器单元T还包括废气门致动器7a和废气门曲柄7b，其目的将在下文中进行说明。

在使用中，离开发动机1的气体被迫使沿着旁通路径6通过或者被迫使穿过涡轮壳体3以接合涡轮。在任一情况下，气体都将流入入口锥形部4中并接着穿过一级催化转化器5a而流入排气系统ES中并从排气系统ES离开车辆。

图2示出了涡轮增压器单元T的涡轮壳体3的局部剖视图。

涡轮壳体3以可操作的方式连接至排气歧管10，排气歧管10将气体从发动机E引导到涡轮增压器单元T中。流动穿过涡轮壳体3的气体可以流经涡轮蜗壳11以接合涡轮叶轮12或者流经旁通路径6。离开涡轮蜗壳11并随后以可驱动的方式接合涡轮叶轮12的气体将沿主流动轴线FC进入膨胀腔室13。

旁通路径6是具有与涡轮壳体连通的近端6a和与膨胀腔室13连通的远端6b并具有位于近端6a与远端6b之间的主流动轴线FA的管道。旁通路径6伸入到腔室13中并且通过被示出为处于其打开状态的废气门阀8闭塞(或者能够被该废气门阀8闭塞)。当关闭时，废气门阀8座置在位于旁通路径6的远端6b处的废气门阀座6c上。在废气门阀8的打开状态下，废气门阀8绕废气门枢转轴P枢转离开旁通路径6。废气门阀8通过废气门致动器7a的作用而被致动并在废气门阀8的关闭状态与打开状态之间移动，其中，废气门致动器7a优选地是电致动器7(未示出)。致动器7a可以包括一对致动臂。所述臂的往复式线性运动致使以可操作的方式连接至废气门阀8的曲柄7b来回地旋转以使废气门阀8绕枢转点P进行枢转运动，从而使阀8从座部6c枢转至腔室13的中央以及/或者使阀8从座部6c向腔室13的中央枢转。

如示出的，载体M保持在催化转化器单元5a内。载体M具有前部面M_LF，该前部面M_LF是位于腔室13和催化剂入口锥形部4的下游的面。

如上所述，示出了旁通路径6的并沿着旁通路径6的主流动路径轴线FA。同样如上所述，流动路径的远端6b终止于废气门阀8的阀座6c。位于远端6b处的阀座6c位于与旁通路径6的主流动轴线FA非正交且与载体M的前部面M_LF非平行的平面VP中。沿着腔室13的主流动路径轴线FC被示出为从腔室13的近端13a延伸至腔室13的远端13b以接触载体M的前部面M_LF，其中，在腔室13的近端13a处，气体从涡轮叶轮12排出。沿着腔室13的主流动轴线路径FC可以相对于沿着旁通路径6的腔室的主轴线FA成30°与70°之间的角度。在示例性实施方式中，该角度为40°。从涡轮排出的气体被引导至载体M的前部面是有益的，因为这减少了气体在其到达载体M之前所损失的能量的量。尽管流动穿过涡轮的气体可能会比流动穿过旁通路径6的气体损失更多能量，但流动穿过涡轮的气体仍将有用的能量输送至载体M。这在发动机在高载荷条件下运行时会是特别重要的，因为阀8的打开角度可以相对较小以促使更大比例的排出气体流动穿过涡轮12而不是旁通路径6。这使得流动穿过涡轮12的气体在将能量输送至载体M方面是特别重要的。

电致动器7a能够使废气门阀8相对于主流动路径轴线FA打开到较大的角度。该角度可以在小于90°的范围内变化，并且该角度优选地为从55°至75°，比如从60°至70°。

图3示出了旁通路径6的远端6b的放大图，其中，废气门阀8从阀座6c移开并处于打开状态8b。废气门阀8包括安装在臂81上的阀构件80，其中，臂81经由曲柄82连接至绕枢转点P枢转的枢转构件83。如示出的，由阀构件80的基部限定的平面与由阀座的平面VP限定的平面之间的角度“α”为30°至70°、优选地为40°至50°。阀座的平面VP与旁通路径6的壁之间的角度“β”为从大于90°起至135°、优选地为105°至120°。在具体示例中，角度α为45°并且角度β为113°。阀座的平面VP与主流动轴线FA之间的角度“γ”为从小于90°起至45°。在具体示例中，角度γ为67°。由阀构件80限定的平面与主流动轴线FA之间的角度“δ”优选地为从0°或从大于0°起至60°或至小于60°。当阀构件相对于主流动轴线FA成0°角时，阀构件将平行于主流动轴线FA。优选地，阀构件可以枢转至与主流动轴线FA成10°到30°的角度δ。在具体示例中，角度δ可以是从20°至25°，比如23°。

从图4中的视图可以最佳地观察到，位于旁通路径6的远端6b处的阀座6c具有周缘壁61和横向部分62，横向部分62在直径方向上延伸经过旁通路径6以将流动路径分成两个相等的部分。横向部分62的目的是在废气门阀8处于其关闭状态8b时支承阀构件80。

在使用中，并且如图5中所示，例如在发动机E起动时，废气门阀8通过电致动器7(未示出)保持处于其打开状态8a。在该打开状态8a，废气门阀8表示出与平面VP成45°的角度。从发动机1排出的气体流入涡轮增压器单元2中并且可以经由涡轮12或经由旁通路径6流动。通常，气体的大约10v/v％至80v/v％比如大约30v/v％至70v/v％，例如55v/v％至65v/v％将流经旁通路径6，剩余部分将流经涡轮12。沿着主流动轴线FA流动穿过旁通路径6的热气体将经过旁通路径6的远端6b流出并通过处于其打开状态8a的旁通阀8的阀构件80沿着主流动轴线FA’朝向载体M的前部面M_LF转向。

因此，旁通阀8促使离开旁通路径6的远端6b的气体FA’沿着主流动路径轴线FC或平行于主流动路径轴线FC流动并与载体M接触。因为气体被促使沿着主流动路径轴线FC或平行于主流动路径轴线FC朝向载体M流动，所以气体不与腔室13的壁接触并且因此将最佳量的热传递至载体M。这导致将载体M快速加热到载体起燃温度或朝该载体起燃温度快速加热，从而减少了排放。此外，由于较大部分的气体通过涡轮增压器涡轮12转向，因此这些部件也被从发动机排出的气体加热，从而确保位于发动机1下游但位于催化转化器单元4上游的部件中没有部件成为散热件。

图6提供了使用了本发明的旁通阀8之后的载体M的前部面M_LF的热图。影线越密，温度越高。热图清楚地示出了在前部面M_LF的中央处或朝向前部面M_LF的中央感觉到最强的加热，从而指示出气体被有效地朝向载体M的中央而不是朝向壳体13的壁和/或锥形部14的壁引导。

为了进行对比，参照图7，其示出了下述废气门阀设计：该废气门阀设计具有与穿过腔室的气体的主流动方向FC”正交的阀座平面VP”以及打开到小角度的废气门阀8”(与现有技术废气门阀中的情况一样)。如通过箭头清楚地看到的，气体FA”的流动方向是朝向腔室的壁并且因此朝向载体M”的一侧，因而浪费了有价值的热能并且未使热流最大化以将载体朝起燃温度加热。

再参照图1至图6，一旦催化转化器单元4的载体M已经被加热至其最佳操作温度(或可能被定义的其他温度)，废气门阀8就会被通过电致动器10的作用而带到处于其关闭状态8a(即，使阀构件80与阀座6c相接触)以确保从发动机1排出的所有气体被经由涡轮叶轮12引导。电致动器7可以将废气门阀8间歇地打开及关闭以确保相关车辆的有效操作(例如，有时可以优选地从叶轮路径泄掉排气以确保涡轮增压器单元T的最佳操作效率)。

贯穿前面的描述，已在图中示出并描述了二维角度。本领域技术人员将理解，尽管已经使用了二维角度，但是所描述的部件是三维的，因此部件之间的角度是复合角度。因此，三维几何形状的变化会影响所提及的二维角度。

在本申请的范围内，明确的意图是在前面的段落、权利要求以及/或者所附描述和附图中阐述的各个方面、实施方式、示例和替代方案以及特别是其各个特征可以独立地或以任意组合的方式应用。结合一个实施方式描述的特征可应用于所有实施方式，除非这些特征是不相容的。

在下述编号段落中描述了本发明的其他方面：

1.一种用于内燃发动机中的涡轮增压器的旁通路径的废气门阀，所述废气门阀包括阀座和阀构件，其中，所述阀座限定了与用于沿着所述旁通路径流动的气体的主流动轴线非正交的平面，并且所述阀构件能够从打开位置枢转至关闭位置，其中，在所述关闭位置中，所述阀构件座置在所述阀座上，而在完全打开位置中，所述阀构件定位成将离开所述旁通路径的气体引导到催化转化器载体的前部面上以对所述载体进行加热。

2.根据段落1所述的废气门阀，其中，所述阀构件在其完全打开位置处能够相对于由所述阀座限定的平面枢转到30°至70°的角度，例如35°至65°的角度，比如36°至63°的角度，优选地40°至60°的角度，比如40°至50°的角度。

3.根据段落1所述的废气门阀，其中，所述阀构件在其完全打开位置处能够相对于沿着所述旁通路径的主流动轴线枢转到0°或大于0°至60°的角度。

4.根据段落1所述的废气门阀，其中，所述阀构件能够相对于沿着所述旁通路径的主流动轴线枢转到10°至30°的角度。

5.根据段落1所述的废气门阀，其中，所述旁通路径至少部分地由管道提供，所述阀座设置在所述管道的远端上。

6.根据段落5所述的废气门阀，其中，所述旁通路径布置成伸入到位于所述旁通路径下游的腔室中。

7.根据段落1所述的废气门阀，其中，所述阀构件枢转到位于所述旁通路径下游的腔室或所述腔室的中央以及/或者朝向位于所述旁通路径下游的腔室或所述腔室的中央枢转。

8.根据段落1所述的废气门阀，其中，离开所述旁通路径的所述气体或至少一些气体沿着相对于沿着腔室或所述腔室的主流动路径轴线或所述主流动路径轴线成角度地倾斜的流动路径排出。

9.一种用于内燃发动机的排气系统，所述排气系统包括涡轮增压器、旁通路径、腔室和催化转化器，其中，所述旁通路径能够通过废气门阀元件选择性地打开及关闭以允许或阻止从所述发动机流出的排气绕过所述涡轮增压器并由此进入所述腔室，其中，所述废气门阀元件在关闭状态下座置在阀座上，并且当废气门阀打开时，排气通过所述废气门阀元件被沿着所述腔室至少部分地引导以撞击到所述催化转化器的前部面上。

10.根据段落9所述的排气系统，其中，所述旁通路径由管道限定，并且所述管道的远端伸入到所述腔室中。

11.根据段落10所述的排气系统，其中，所述管道的远端提供所述阀座。

12.根据段落9所述的排气系统，其中，由所述阀座在所述旁通路径的端部处限定的平面能够相对于沿着所述旁通路径的主流动轴线成小于90°至45°的角度，比如50°至85°的角度，例如55°至80°的角度，60°至75°的角度，比如60°至70°的角度。

13.根据段落9所述的排气系统，其中，由所述阀座限定的平面与所述载体的前部面是非平行的。

14.根据段落9所述的排气系统，包括用以打开及关闭所述废气门阀元件的致动器。

15.根据段落14所述的排气系统，其中，所述致动器选自电致动器、真空致动器和机械致动器。

16.一种例如在发动机的起动阶段期间将所述发动机的催化转化器加热至有效温度的方法，所述方法包括使来自所述发动机的气体中的至少一些气体沿着旁通路径绕过涡轮增压器涡轮并且将离开所述旁通路径的气体引导到所述催化转化器的载体的前部面上。