本发明涉及一种采用双废气门阀的涡轮增压器。
背景技术：
内燃机(ice)通常需要在可靠的基础上长时间地生成相当大水平的动力。许多此类ice组件采用诸如废气涡轮驱动式涡轮增压器的增压装置以在空气流进入发动机的进气歧管之前将该空气流压缩以提高动力和效率。
具体地，涡轮增压器是离心式气体压缩机，其与在环境大气压力下可实现的空气和氧气相比，强制更多空气和因此更多氧气进入ice的燃烧室。被强制进入ice的含氧空气的附加质量提高了发动机的体积效率，允许其在给定循环中燃烧更多燃料，且由此产生更多动力。通常，此类涡轮增压器是由发动机的废气驱动。
典型的废气驱动式涡轮增压器包括中心轴，其由一个或多个轴承支撑并且在涡轮叶轮与空气压缩机叶轮之间传输旋转运动。涡轮和压缩机叶轮均固定至轴，这些叶轮结合各种轴承部件构成涡轮增压器的旋转组件。涡轮增压器通常采用废气门阀来限制旋转组件的操作速度，以将涡轮增压器升压保持在规定范围内并且防止旋转组件超速。
技术实现要素：
本发明的一个实施例涉及一种配置成将空气流加压以输送至生成后燃烧气体的内燃机的涡轮增压器。该涡轮增压器包括压缩机叶轮，该压缩机叶轮配置成将该空气流加压。该涡轮增压器还包括涡轮叶轮，该涡轮叶轮配置成由这些后燃烧气体驱动并且驱动该压缩机叶轮。该涡轮增压器另外包括废气门组件。该废气门组件包括第一废气门阀和第二废气门阀，其中该第一废气门阀和该第二废气门阀中的每一个配置成选择性地将这些后燃烧气体的至少一部分重定向远离该涡轮叶片而进入排气通道中。
该涡轮增压器可以包括涡轮壳体，该涡轮壳体限定第一旁路和第二旁路。在此情况中，该涡轮叶轮可设置在该涡轮壳体内部，且该第一旁路和该第二旁路中的每一个可生成相应的第一流体路径和第二流体路径用于将这些后燃烧气体的至少一部分重定向远离该涡轮叶轮。另外，该第一废气门阀可配置成选择性地打开和关闭该第一旁路，而该第二废气门阀可配置成选择性地打开和关闭该第二旁路。
该第一旁路可具有第一横截面面积且该第二旁路可具有第二横截面面积。该第一横截面面积可大于该第二横截面面积。
该第一废气门阀特征可在于第一阀直径且该第二废气门阀特征可在于第二阀直径。该第一阀直径可大于该第二阀直径。
该涡轮增压器可以另外包括配置成操作该第一废气门阀的第一致动器和配置成操作该第二废气门阀的单独第二致动器。
该第一废气门阀可配置成绕第一轴线枢转，且该第二废气门阀可配置成绕不同于该第一轴线的第二轴线枢转。
该涡轮增压器还可以包括单个公共致动器和连杆机构，该单个致动器和该连杆机构一起配置成选择性地操作该第一废气门阀和该第二废气门阀。
该第一废气门阀和该第二废气门阀均可配置成绕单个公共轴线枢转。
本发明的另一个实施例涉及一种具有操作地连接至如上所述的涡轮增压器的内燃机的车辆。该车辆还包括配置成识别该发动机的冷启动的控制器。该控制器配置成响应于所识别的发动机的冷启动而打开该第一废气门阀和该第二废气门阀。该控制器还配置成识别该发动机的升压操作。该控制器另外配置成响应于所识别的升压发动机操作而调节该第一废气门阀和该第二废气门阀中的至少一个。
上述特征和优点以及本发明的其它特征和优点从实施例的以下详述和用于实行结合附图和随附权利要求书取得的本发明的最佳模式将容易地显而易见。
附图说明
图1是具有动力系的机动车的示意平面图，该动力系包括具有根据本发明的涡轮增压器的发动机。
图2是具有图1中所示的涡轮增压器的发动机的透视图。
图3是图1中所示的涡轮增压器的部分横截面视图，其示出了根据本发明的废气门组件的一个实施例。
图4是根据本发明的图1中所示的涡轮增压器中的废气门组件的另一个实施例的部分透视图。
图5是根据另一个实施例的图3中所示的废气门组件的示意性部分近视横截面侧视图。
图6是根据另一个替代实施例的图3中所示的废气门组件的示意性部分近视横截面侧视图。
图7是根据又一替代实施例的图3中所示的废气门组件的示意性部分近视横截面侧视图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记指代全部几个视图中的相同部件，图1示意性地描绘了车辆10。车辆10采用动力系12。动力系12包括内燃机14、变速器16以及驱动轮18，其中发动机配置成凭借通过变速器将发动机转矩发送至驱动轮来为车辆提供动力。发动机14可以是柴油(即，压燃式)或汽油(即，火花点火式)发动机。虽然车辆10被描绘为具有标准动力系12(其中主动力装置是发动机14)，但是车辆也可以是混合动力式(其中一个或多个电动马达(未示出)用于为车辆提供动力)。
如图2中所示，发动机14包括其中设置有多个汽缸22的汽缸体20。发动机14还可以包括安装在汽缸体20上的汽缸盖24。每个汽缸22均包括配置成在其中往复运动的活塞26。燃烧室28形成在汽缸22内介于汽缸盖24的底表面与活塞26的顶部之间。如本领域技术人员已知，每个燃烧室28均经由汽缸盖24接收燃料和空气，这些燃料和空气形成燃料空气混合物用于在目标燃烧室内进行随后的燃烧。汽缸盖24还配置成将后燃烧气体30作为生成的发动机动力的副产物从燃烧室28中排出。
在空气燃料混合物在具体的燃烧室28内部燃烧之后，特定的活塞26的往复运动用于从相应的汽缸22中排出后燃烧气体30。如图1和2中所示，发动机14流体地连接至涡轮增压器34。在每个燃烧事件之后，由发动机14的个别汽缸释放的后燃烧气体30的流动激励涡轮增压器34。涡轮增压器34连接至排气系统36(通常在车辆10的侧面或尾部)的排气通道36a，该排气系统接收后燃烧气体30并且最终将废气排放至环境。涡轮增压器34接收空气流38、对接收到的空气流加压并且将加压的空气流38a排放至发动机14。接着将加压的空气流38a分配至汽缸22以与适量燃料混合并且随后燃烧该汽缸中的所产生的燃料空气混合物。
如图3中所示，涡轮增压器34包括旋转组件39。旋转组件39包括具有第一端40a和第二端40b的轴40。旋转组件39还包括涡轮叶轮46，其安装在轴40上靠近第一端40a并且配置成通过从汽缸22中排放的后燃烧气体30与轴40一起绕轴线44旋转。涡轮叶轮46设置在包括至少一个涡轮蜗壳或涡卷50的涡轮壳体48内部。涡轮涡卷50接收后燃烧废气30并且将废气引导至涡轮叶轮46。涡轮涡卷50配置成实现涡轮增压器34的具体性能特性，诸如效率和响应。
如图3中进一步所示，旋转组件39还包括压缩机叶轮52，其安装并且保持在轴40上靠近第二端40b。压缩机叶轮52配置成将从环境中接收的空气流38加压以最终输送至汽缸14。压缩机叶轮52设置在包括压缩机蜗壳或涡卷56的压缩机盖54内部。压缩机涡卷56接收空气流38并且将空气流38引导至压缩机叶轮52。压缩机涡卷56配置成实现具体性能特性，诸如涡轮增压器34的峰值空气流和效率。因此，通过后燃烧废气30激励涡轮叶轮46对轴40赋予旋转并且由于压缩机叶轮52固定在轴上而又将旋转传达至该压缩机叶轮。
整个旋转组件39被支撑用于经由轴颈轴承58绕轴线44旋转，该轴颈轴承是由油润滑并且另外由大量发动机冷却剂进行冷却。在涡轮增压器34的操作期间，旋转组件39通常可以超过100,000转/分钟(rpm)的速度操作并同时为发动机14生成升压。如本领域技术人员所理解，后燃烧废气30的可变流量和力影响在发动机14的整个操作范围内可以由压缩机叶轮52生成的升压的量。
如图3至6中所示，涡轮增压器34包括废气门组件60。废气门组件60包括第一废气门阀62和第二废气门阀64。第一废气门阀62配置成通过选择性地打开和关闭第一旁路66来选择性地将后燃烧气体30的至少一部分重定向远离涡轮涡卷50和涡轮叶轮46而进入排气通道36a中。类似地，第二废气门阀64配置成通过选择性地打开和关闭第二旁路68来选择性地将后燃烧气体30的至少一部分重定向远离涡轮叶轮46而进入排气通道36a中。通过将后燃烧废气30的某个部分重定向远离涡轮叶轮46，废气门组件60限制旋转组件39的转速和空气流38被涡轮增压器34加压的程度。如所示，废气门组件60可经由涡轮壳体出口48a将后燃烧气体30重定向至排气通道36a。
涡轮壳体48可配置成限定第一旁路66和第二旁路68。第一旁路66生成第一流体路径70，而第二旁路68生成从涡轮叶轮46进入排气通道36a的相应的第二流体路径72。在涡轮壳体48限定一个以上涡卷50的情况下，每个涡卷均可配置成限定一个第一旁路66和一个第二旁路68。如图3和4中所示，第一旁路66具有第一横截面面积66a且第二旁路具有第二横截面面积68a。第一横截面积66a可大于第二横截面积68a。另外，第一废气门阀62可由第一阀直径d1限定且第二废气门阀64可由第二阀直径d2限定。因此，第一阀直径d1可大于第二阀直径d2。
如图1、3以及6至7中所示，车辆10还包括控制器74。控制器74可为例如配置成调节发动机14和变速器16的操作的动力系控制器。另外，控制器74配置成调节废气门组件60，如下面详细讨论。为了适当地控制废气门组件60的操作，控制器74包括存储器，其中至少某些是有形的且非暂时的。存储器可以是参与提供计算机可读数据或处理指令的任何可记录介质。这种介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。
用于控制器74的非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其它持久存储器。易失性存储器可以包括(例如)可以构成主存储器的动态随机访问存储器(dram)。此类指令可以由一种或多种传输介质(包括同轴电缆、铜线以及光纤(包括具有联接至计算机的处理器的系统总线的导线))传输。控制器74的存储器还可以包括软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其它磁性介质、cd-rom、dvd、任何其它光学介质等。控制器74可被配置或配备有其它所需计算机硬件，诸如高速时钟、必需品模数(a/d)和/或数模(d/a)电路、任何必要的输入/输出电路和装置(i/o)以及适当的信号调节和缓存电路。控制器74需要或由此可存取的任何算法可以存储在存储器中并且自动地执行以提供所需功能性。
再次参考图1，用于发动机14的排气系统36包括总体由标记78指示的至少一个排气后处理(at)装置。如所示，排气通道36a配置成将后燃烧气体30引导至排气后处理装置78。在发动机14是汽油发动机的情况下，如图1中所示，at装置78可以是三元催化转换器。如本领域技术人员所理解，三元催化转换器是排气后处理装置，其同时执行三项任务：i)氮氧化物的氧化、ii)一氧化碳的氧化，以及iii)未燃烧碳氢化合物的氧化。可以再生三元催化转换器以卸除沉积的碳氢化合物排放物以预先防止催化剂中出现高温，该高温最终可能对催化剂造成损害。上述前两项任务采用选择性催化还原(scr)方法用于借助于催化剂将氮氧化物(也称为nox)转换为双原子氮、n2以及水、h2o。通常采用scr来减少用于对机动车提供动力的内燃机排气中的nox排放。汽油和柴油发动机二者的废气排放均可以通过scr改进。
在发动机14是柴油发动机(未示出)的情况下，排气系统36可以包括一系列at装置78。柴油发动机14中的此类at装置78可包括柴油氧化催化剂、选择性催化还原(scr)催化剂和柴油颗粒过滤器，其中没有一个被示出但是为本领域技术人员所知。此类排气后处理装置可用于减少柴油发动机的各种废气排放。具体地，scr催化剂用于经由上文关于汽油发动机专用的三元催化转换器的scr方法来减少nox的排放，并且被定位为发动机14下游的第一at装置78。
在发动机14的冷启动之后(即，当发动机以其环境温度或接近环境温度启动时)，发动机经过“预热”周期，在该预热周期期间，发动机的操作温度稳定上升。在从冷启动以来的内燃机的前几分钟的操作期间，废气排放量可明显高于发动机的稳定状态操作期间的排放。在冷发动机中，燃料不会完全汽化，因此需要更富的空气燃料比。富空气燃料比继而又生成较高的碳氢化合物、氮氧化物以及一氧化碳的排放，这些排放只有当发动机达到操作温度时才会减少。具有冷发动机的车辆还生成增加的废气排放，这是因为典型的at装置在冷的条件下效率较低且直至目标at装置达到点火为止，即，达到其有效操作温度为止。减少at装置点火所花费的时间的一种方法是将目标at装置安装在主车辆10的发动机舱内，即，将其紧密联接至发动机14、刚好在涡轮增压器34之后。
控制器74配置成识别发动机14的冷启动。如本领域技术人员所理解，发动机冷却剂80可用于除去发动机14中的热能。车辆10还可包括与控制器74进行电子通信的冷却剂传感器82。因此，控制器74可配置成通过由冷却剂传感器82检测发动机冷却剂80的温度来识别发动机14的事件。
具体地，发动机14的冷启动的识别可基于冷却剂传感器82检测到发动机冷却剂80的温度低于预定温度值84a，诸如基本上等于环境温度。环境温度可经由专用温度传感器(未示出)检测并且被传达至控制器74。控制器74还配置成响应于所识别的发动机的冷启动而打开第一废气门阀62和第二废气门阀64。因此，在发动机14的冷启动操作期间，控制器74可选择性地将相应的第一旁路66和第二旁路68的两个横截面积66a、68a所允许的后燃烧气体30的最大部分重定向远离涡轮叶轮46而进入排气通道36a中。控制器74配置成响应于所识别的发动机的冷启动而经由第一废气门阀62打开第一旁路66并且经由第二废气门阀64打开第二旁路68，由此加速触发at装置78的点火。
控制器74还配置成具体当发动机已经预热至高于预定发动机操作温度84b时识别发动机14的升压操作。控制器74还配置成响应于所识别的升压发动机操作(诸如，高于预定发动机操作温度84b)而选择性地调节第一废气门阀62和/或第二废气门阀64，以将后燃烧气体30的至少一部分重定向远离涡轮叶轮46而进入排气通道36a中。在超过预定发动机操作温度84b下，后燃烧气体30远离涡轮叶轮46的这种重定向旨在限制涡轮增压器34的升压操作期间该压缩机叶轮52的转速。
图5示意地表示图3中所示的具体实施例。如图3和5中的每一个图中所示，涡轮增压器34包括配置成操作第一废气门阀62的第一致动器86和配置成操作第二废气门阀64的单独的第二致动器88。如图5中所示，第一致动器86和第二致动器88中的每一个致动器经由相应的力f操作相应的第一废气门阀62和第二废气门阀64。在此实施例中，控制器74可配置成协调第一致动器86和第二致动器88的操作。另外，在具有单独的第一致动器86和第二致动器88的图3和5的实施例中，第一废气门阀62可配置成绕第一轴线x1枢转，而第二废气门阀64可配置成绕不同于第一轴线的第二轴线x2枢转。因此，在图3和5的实施例中，控制器74可配置成调节第一致动器86的操作以在发动机14的升压操作期间主要操作第一废气门阀62。另外，控制器74可配置成经由第二致动器88接合第二废气门阀64以响应于所识别的发动机14的冷启动而操作废气门阀62、64二者，以由此加速触发at装置78的点火。
在图4中所示的单独实施例中，涡轮增压器34可包括单个公共致动器90，其结合总体上由标记92指示的连杆机构操作第一废气门阀62和第二废气门阀64。此连杆机构92可以被配置为一对协调的突片：第一突片92a和第二突片92b。如所示，第一突片92a固定至第一废气门阀62，而第二突片92b固定至第二废气门阀64。在此实施例中，控制器74调节公共致动器90的操作。在废气门组件60的操作期间，最初，第一废气门阀62将被打开，接着在第一废气门阀的某个预定旋转角度θ之后，第一突片92a将接触第二突片92b并且开始打开第二废气门阀64。如图4的实施例中所示，第一废气门阀62和第二废气门阀64配置成绕公共轴线x3枢转。因此，在图4和6的实施例中，旋转角度θ被预设以促进在所识别的发动机14的冷启动期间打开第二废气门阀64，以由此加速触发at装置78的点火。
图6示意地表示采用公共致动器90和连接机构92操作第一废气门阀62和第二废气门阀64的涡轮增压器34的另一个实施例。如图6中所示，连接机构92可以被配置为平衡杆92c。根据本发明，平衡杆92c被配置为运动连杆，其中一个致动点94用于第一废气门阀62且另一个致动点96用于第二废气门阀64。在此实施例中，第一废气门阀62和第二废气门阀64均可配置成绕公共轴线x3枢转。致动器90可设置成在设置于点94和96之间的点98处对平衡杆92c施加力f。
与点94相比，点98可以稍微更靠近点96，以由此促进在打开第二废气门阀64之前打开第一废气门阀62。平衡杆92c的行程可由位于关闭位置处的第一废气阀62来限制。第二废气门阀64可由弹簧99预装载，使得致动器90可最初操作平衡杆92c以将第二废气门阀处的点96作为枢轴来打开第一废气门阀62。当第一废气门阀62在其最大行程下到达挡板93a时，第二废气门阀64将开始打开。因此，在此实施例中，控制器74可调节公共致动器90以按循序顺序打开第一废气门阀62和第二废气门阀64。
如图7中所示，连杆机构92还可以被配置为由螺线管100操作的锁定销92d以选择性地将单个致动器90连接至第二废气门阀64。在此实施例中，第一废气门阀62和第二废气门阀64也均可配置成绕公共轴线x3枢转。致动器90可设置成在偏心成形的表面102处对第一废气门阀62施加力f并且在偏心成形的表面104处对第二废气门阀64施加力f。螺线管100可由控制器74调节或激励以使锁定销92d延伸，并且由此将第二废气门阀64连接至第一废气门阀62用于同时致动。因此，控制器74可配置成调节致动器90和锁定销92d的操作以在发动机14的升压操作期间主要操作第一废气门阀62。
控制器74可进一步配置成经由锁定销92d接合第二废气门阀64以响应于所识别的发动机14的冷启动来操作废气门阀62、64二者，并且由此加速触at装置78的点火。对于配置成在第一废气门阀62已经打开之后经由锁定销92d接合第二废气门阀64的实施例，偏心成形的表面102、104可以设置有不同的轮廓以与第一废气门阀62相比促进第二废气门阀64的更快速的打开动作。
详述和附图或图支持并且描述本发明，但是本发明的范围仅仅是由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于实行本发明的某些最佳模式和其它实施例，但是也存在用于实践所附权利要求书中限定的本发明的各种替代设计和实施例。另外，附图中所示的实施例或本描述中提及的各个实施例的特性不一定被理解为实施例彼此独立。实情是，可行的是，实施例的一个实例中描述的每个特性可与来自其它实施例的一个或多个其它期望特性组合，从而产生没有以文字描述或没有通过参考图式描述的其它实施例。因此，这些其它实施例落在随附权利要求书的范围的框架内。