专利名称：具有改进的流通量和控制的圆锥形空气流量阀的制作方法
具有改进的流通量和控制的圆锥形空气流量阀
背景技术：
技术领域大体而言涉及空气流量阀，其用于控制与内燃机操作有关的气态流。内燃机具有各种气态流，其中需要对流的流率加以控制。例如，可需要对排气再循环(EGR)流加以控制来满足排放目标、且改进发动机操作和响应。近来，用于控制EGR的许多可用的阀具有一些缺点。例如，提升阀具有随着以早期打开值打开的急剧的流率增加，且通过大部分移动范围，提升阀对于通过该阀的流率具有很小影响。蝶形阀同样通过较大阀移动范围提供较差的可控制性。已使用了旋转阀，其提供良好的可控制性，但阀的设计需要该阀保持对受控制的流动流的很大限制，即使当完全打开时。因此，在此领域中需要进一步的科技发展。
发明内容
一个实施例为独特的圆锥形旋转阀，其具有穿过它的可变流通面积。从下文的描 述和附图，另外的实施例、形式、目的、特点、优点、方面和益处将会变得显然。
图I为包括至少一个圆锥形旋转阀的系统的说明性视图。图2为具有阀促动器的圆锥形旋转阀的说明性视图。图3为圆锥形旋转阀的截面侧视剖视图。图4为具有高纵横比/深宽比的第一流体通路的圆锥形旋转阀的说明性视图。图5为具有单调增加的值δ/\ ·/δθν的圆锥形旋转阀的说明性视图，其中Af为可变流通面积且θν为旋转角。图6为图5所示的圆锥形旋转阀的另一视图。图7为针对包括圆锥形旋转阀的若干阀的特征性流动行为的说明。图8为用于控制通过阀的流动的控制器的示意说明。
具体实施例方式为了促进理解本发明的原理，现将参考在附图中所示的实施例，且将使用具体的语言来描述这些实施例。不过将会理解，由此预期到本发明的范围没有限制，在本发明中设想到对图示实施例的任何更改和进一步修改、以及如本文中例解的本发明的原理的任何另外的应用，如本发明相关领域的技术人员通常将会想到的那些。图I为包括至少一个圆锥形旋转阀126的系统100的示意图。在系统100中，示出了在每个位置处的圆锥形旋转阀126，包括了在进气流104上、在EGR流108上、在压缩机旁通流110上、在涡轮旁通流114上、在后处理构件旁通流118上、以及在排气流106上的阀126。所图示的圆锥形旋转阀126的位置只是示例性的、且系统100可在除了图I所描绘的那些位置之外的位置具有圆锥形旋转阀126，且可不具有所描绘的圆锥形旋转阀126中的某些。图示的系统100包括压缩机112和涡轮116，为了简化图示，其被图示为离散装置，但其可容纳于与轴杆相连接的一个物理装置内。所图示的系统还包括后处理构件120，其可为本领域中已知的任何类型的后处理构件，包括下列中的至少一个柴油氧化催化剂、NOx吸附催化剂、贫NOx转换催化剂、微粒过滤器和/或选择性还原催化剂。该系统100包括内燃机102，内燃机102具有气态流体流和置于气态流体流中的圆锥形旋转阀126。发动机气态流体流可为发动机排气流106、发动机进气流104、排气再循环(EGR)流110、EGR冷却器旁通流(未图示)、压缩机旁通流110、涡轮旁通流114、和/或后处理构件旁通流118。圆锥形旋转阀126具有作为圆锥形旋转阀126的旋转角函数的穿过它的可变流通面积。参看图2，圆锥形旋转阀126包括阀促动器202，其旋转所述圆锥形旋转阀126以调制可变流通面积。图2中的阀促动器202被图示为电子阀促动器202，但阀促动器202可为本领域中了解的任何类型，包括至少气动和液压。在某些实施例中，阀促动器202沿着圆锥形阀体204的外圆周而接合圆锥形阀体204 (如在图3中所示的那样)。参看图3，圆锥形旋转阀126包括圆锥形阀体204，圆锥形阀体204包括至少圆锥 的截头椎体，其中圆锥形阀体204置于发动机气态流体流中、且具有第一流体通路410 (参看图4)。圆锥形旋转阀126还包括圆锥形接合体206，圆锥形接合体206至少部分地覆盖圆柱形阀体204，且包括第二流体通路412 (参看图4)。阀促动器202旋转所述圆柱形阀体204以提供穿过它的可变流通面积210，其中可变流通面积包括第一流体通路410与第二流体通路412的相交区域。圆锥形接合体206可在圆锥形阀体204的上游或下游，且圆锥形旋转阀126的圆锥的截头椎体可指向上游或下游。圆锥形接合体206可作为外覆盖物(如图3所示)或者内部覆盖物而至少部分地覆盖圆锥形阀体204。在某些实施例中，圆锥形旋转阀126具有作为圆锥形旋转阀126的旋转角的基本上线性函数的穿过它的有效流通面积。在某些备选或额外实施例中，圆锥形旋转装置126
被结构化使得值调增加，其中~为可变流通面积210且θν为旋转角。例如，
参看图5，看出第一流体通路410的形状使得当圆锥形阀体204在方向502上旋转时，对于所有θ ν值而言，由于第一流体通路410与第二流体通路412的相交所造成的可变流通面积210的递增增加速率发生了增加。参看图6，可看出，在方向502上的递增旋转导致了可变流通面积210的变化的速率增加，因为当圆锥形阀体204旋转时，第一流体通路410暴露了一种递增地更大的面积。在某些另外的实施例中，第一流体通路110和第二流体通路412
被结构化从而使得对于θν的值的一部分而言，§Α卩单调增加。虽然设想到旋转值的
任何部分，在某些实施例中，对于在刚打开之后的θν值而言、或者对于小于30度的07值
而言，值δ a『通ν单调增加。另外，本领域技术人员将会意识到对于具体的圆锥形阀体204和圆锥形接合体206而言，第一流体通路410和/或第二流体通路412可成形为(大约如图所示)使得圆锥形旋转阀126的有效流通面积作为旋转角θν的函数基本上为线性的。可对于特定值利用经验分析、或者经由计算流体动力学，来做出对于形状的确定以实现线性流动、或任何其它所需流动特征。圆锥形旋转阀126可被设计为在值的整个范围是线性的，或者在需要为线性的范围内的具体位置处为线性的。
参看图7,示出了多个阀的示例性流动曲线。图7中的曲线表示所指示的阀的总体流动特性但并非从具体系统的实际数据来确定。提升阀的曲线702示出了阀的位置为以高流量值通过阀的流率的弱杠杆，且该阀并不允许高流率。旋转阀的曲线704示出了利用旋转阀不能实现如对于蝶形阀所观察到的那些一样高的流率，且曲线704的部分是高度非线性的。蝶形阀的曲线706允许高流率，但包括作为阀打开的函数的一种高度非线性的流率。曲线708示出了可利用圆锥形旋转阀126实现的一个曲线，其具有成形的流体通路410、412从而使得流体流率相对于旋转角为线性化的。在一示例中，误差带710、712限定了一区域，其中如果流率相对于旋转角在误差带内，那么圆锥形旋转阀被认为是基本上线性的。根据具体应用所需的易于控制性，从误差带710、712到线性曲线708的 距离可比图示更大或更小。误差带710、712可被限定为绝对带(S卩，在具体旋转角，在线性函数的绝对流率量内)或者为相对带(即，在具体旋转角，在线性函数的百分比数值内)。在某些实施例中，流体通路410、412为矩形的，虽然在圆锥的截头椎体的表面上经历非欧几里得矩形(例如，如图4所示)。具有矩形流体通路410、412的圆锥形旋转阀对于旋转阀展现出具有曲线704形状的流动曲线，除了圆锥形旋转阀在完全打开时提供比平板旋转阀更高的流率。圆锥形旋转阀可提供类似于蝶形阀流率的流率，且对于可压缩的低密度流体，诸如与内燃机相关联的气态流体中的那些，圆锥形旋转阀可提供甚至高于蝶形阀流率的流率。在某些实施例中，第一流体通路410是具有大于I的纵横比的槽。参看图4，纵横比为沿着与圆锥的轴线402平行的圆锥形阀体的平均长度406除以沿着圆锥形阀体204的平均周向宽度408。在某些实施例中，第二流体通路412额外地包括大于I的纵横比。示例性圆锥形旋转阀126包括为最大有效流通面积的可变流通面积210的最大值，最大有效流通面积至少等于将会由发动机气态流体流中的挡板阀/片状阀所表现出的有效流通面积。另一示例性圆锥形旋转阀126包括可变流通面积的最大值，从而使得圆锥形旋转阀126表现出小于· X的最小压降，其中X = Alyr^rr, — 0.4 * (APmiiirt, - APjlap)
，其中ΛΡ 为将会由发动机气态流体流中的平板旋转阀所表现出的最小压降，其中
r.twy
APfljp为对于给定阀位置由发动机气态流体流中的挡板阀(或蝶形阀)将表现出的最小压降。例如，参看图7，与挡板阀曲线706的完全打开位置相关联的压降低于与旋转阀曲线704的完全打开位置相关联的压降。在某些实施例中，与圆锥形旋转阀126的完全打开位置相关联的压降以旋转阀与挡板阀之间差异的40%小于旋转阀的压降。另一示例性圆锥形旋转阀126包括可变流通面积210的最大值,从而使得圆锥形旋转阀126表现出低于将会由发动机气态流体流中的平板旋转阀所表现的最小压降的85%的最小压降。利用具有发动机气态流体流的直径的阀所进行的经验测试可确定与各个阀中每一个相关联的压降，且圆锥形旋转阀的圆锥的截头椎体的长度可被延长，由此延伸了沿着与流体通路410、412的轴线402平行的圆锥形阀体的可能平均长度406，以减小圆锥形旋转阀的压降直到实现了所需压降。
又一示例性圆锥形旋转阀126包括了在圆锥形阀体204的完全旋转位置处的可变流通面积210，从而使得最大有效流通面积至少比将会由具有与圆锥404 (参看图4)直径等效的直径的平板旋转阀所表现出的有效流通面积大25%。在某些实施例中圆锥形旋转阀126包括了在圆锥形阀体204的完全旋转位置处的可变的流通面积210，从而使得最大有效流通面积至少比将会由具有与圆锥404直径等效的直径的平板旋转阀所表现出的有效流通面积大50%。该系统100还包括一种用于对通过圆锥形旋转阀126的流动进行控制的控制器124。控制器124被图示为单个计算装置，但控制器124可包括一个或多个计算机，和/或在硬件中的硬接线元件。控制器124根据需要与在该系统100中的任何传感器或促动器通信以提供所接收的信息，且从控制器124接受命令。控制器124可与发动机控制器通信，或包括于发动机控制器上。控制器124包括执行用于控制通过圆锥形旋转阀126的流动的某些操作的模块。本文所述的描述包括了使用模块来突显所描述的元件特点的功能独立性。模块可被实施为由软件、硬件执行的操作，或者至少部分地由用户或操作者执行的操作。在某些实施例中， 模块表示软件元件，其为在计算机可读介质上加以编码的计算机程序，其中，计算机当执行计算机程序时执行所描述的操作。模块可为单个装置、分布在(多个)装置上，和/或模块可全部或部分地与其它模块或装置成组。任何模块的操作可全部或部分地在硬件、软件或由其它模块来执行。所给出的模块的组织只是示例性的，且在本文中设想到了执行等效功能的其它组织。模块可在计算机可读介质上的硬件和/或软件中被实施，且模块可被分布于各个硬件或软件构件上。控制器124包括一种流量请求模块802，流量请求模块802解释了有效流通面积目标808。有效流通面积目标808可由发动机控制器来通信，通过数据链路或网络而通信，和/或控制器124可从传送到控制器124的其它参数来确定有效流通面积目标808。例如，控制器124可接收质量流率请求，流体分数(例如，EGR分数)请求，或者可用来作为依据而计算有效流通面积目标808的其它参数。控制器124还包括阀特征模块804，其响应于有效流通面积目标808来确定圆锥形旋转阀126的旋转位置目标810。在某些实施例中，阀特征模块804运用阀流量图812，阀流量图812具有相对于相应有效流通面积值的多个旋转角度值Θ以确定旋转位置目标810。在备选或额外实施例中，阀特征性模块804通过从所提供的数据点内插或外推，通过从流体动力学方程式计算有效流通面积，或者通过本领域中已经了解的任何其它方法来确定旋转位置目标810。在某些实施例中，旋转位置目标810基本上为有效流通面积目标808的线性函数。控制器124还包括阀控制模块806，其响应于旋转位置目标810来提供阀促动器命令814。阀促动器命令814可为电子命令，其直接地控制了圆锥形旋转阀126，诸如具有具体电压或频率的电子信号；或者阀促动器命令814可为这样一种通信其向该系统100的另一部分提供以控制该圆锥形旋转阀126的位置。并无限制意义，阀促动器命令814可提供给数据链路、网络或存储到计算机可读介质，用以在后来由将会操作该圆锥形旋转阀126的另一计算机化的控制器来使用。如从附图和上文所给出的文本显然的是，设想到了根据本发明的多种实施例。一个示例性实施例为一种设备，其包括一种圆锥形阀体，所述圆锥形阀体具有至少圆锥的截头椎体，其中圆锥形阀体置于发动机气态流体流中，且具有第一流体通路。该设备还包括圆锥形接合体，其至少部分地覆盖圆锥形阀体，且具有第二流体通路；阀促动器，其旋转圆锥形阀体以提供通过它的可变流通面积，其中可变流通面积包括第一流体通路与第二流体通路的相交区域。该设备的某些实施例还包括如下所述的特点。该设备还包括第一流体通路，其为具有大于I的纵横比的槽，其中纵横比为沿着与圆锥的轴线平行的圆锥形阀体的平均长度除以沿着圆锥形阀体的平均周向宽度。该设备还包括第一流体通路和/或第二流体通路，
它们被成形为使得值δΑ /δθν单调增加，其中Af为可变流通面积且0vs圆锥形阀体的
旋转角。该设备还包括第一流动通路和/或第二流动通路，它们被成形为使得值Arff随着 θ v基本上为线性的，其中Arff为可变流通面积的有效流通面积。该设备包括了为最大有效流通面积的可变流通面积的最大值，其至少等于将会由发动机气态流体流中的挡板阀所表现出的有效流通面积。该设备包括可变流通面积的最
大值，其表现出低于X的最小压降，其中ΛΤ = Mlijhvy — 0.4 ^— APjlap ),
其中为将会由发动机气态流体流中的平板旋转阀所表现出的最小压降，且其中
fomry
APfhp为将会由发动机气态流体流中的挡板阀所表现出的最小压降。该设备包括可变流通面积的最大值，这表现出比将会由发动机气态流体流中的平板旋转阀所表现出的最小压降85%更低的最小压降。该设备还包括阀促动器沿着圆锥形阀体的外圆周而接合着圆锥形阀体。发动机气态流体流为发动机排气流、发动机进气流、发动机排气再循环(EGR)流、EGR冷却器旁通流、压缩机旁通流、涡轮旁通流，和/或后处理构件旁通流。另一示例性实施例为一种圆锥形旋转阀包括圆锥形阀体，其包括有至少圆锥的截头椎体和第一流体通路；圆锥形接合体，其至少部分地覆盖圆锥形阀体，其中圆锥形接合体包括第二流体通路；和阀促动器，其可旋转地接合到圆锥形阀体以提供可变流通面积，可变流通面积包括第一流体通路与第二流体通路的相交区域。该阀还包括第一流体通路和第
二流体通路，它们被结构化为使得对于至少小于30度的θ v，SAeWv单调增加，其中Af
为可变流通面积且θν为圆锥形阀体的旋转角。圆锥形旋转阀的某些实施例还包括如下所述的特点。该圆锥形旋转阀包括了在圆锥形阀体的完全旋转位置处的可变流通面积，其为最大有效流通面积，最大有效流通面积至少等于由将会具有等效于圆锥直径的直径的挡板阀所表现出的有效流通面积。该圆锥形旋转阀包括了在圆锥形阀体的完全旋转位置处的可变流通面积，其具有至少比将会由具有等效于圆锥直径的直径的平板旋转阀所表现出的有效流通面积大25%的最大有效流通面积，并且在某些实施例中具有至少比将会由具有等效于圆锥直径的直径的平板旋转阀所表现出的有效流通面积大50%的最大有效流通面积。该圆锥形旋转阀包括第一流体通路，其包括具有大于I的纵横比的槽，其中纵横比包括沿着与圆锥的轴线平行的圆锥形阀体的平均长度除以沿着圆锥形阀体的平均周向宽度。该圆锥形旋转阀还包括第二流体通路，其包括具有大于I的纵横比的槽，其中纵横比包括沿着与圆锥的轴线平行的圆锥形接合体的平均长度除以沿着圆锥形接合体的平均周向宽度。圆锥形旋转阀包括了对于更大0 7值，直到且包括所有θν值而言，单调增加的δ八扉v。又一不例性实施例为一种系统,包括内燃机，其具有气态流体流；圆锥形旋转阀，其置于气态流体流中，其中圆锥形旋转阀具有作为圆锥形旋转阀的旋转角函数的穿过它的可变流通面积；以及阀促动器，其旋转了圆锥形旋转阀以调制所述可变流通面积。该系统的某些实施例还包括如下所述的特点。该系统包括圆锥形旋转阀，其具有穿过它的有效流通面积，是圆锥形旋转阀的旋转角和/或单调增加的值δΛ/δθν的基本上线性函数，其中Af为可变流通面积且θ ν为旋转角。该系统还包括流量请求模块，其解释了有效流通面积目标；以及阀特征模块，其响应于有效流通面积目标来确定圆锥形旋转阀的旋转位置目标，以及阀控制模块，其响应于旋转位置目标来命令该阀促动器。该系统包括旋转位置目标，其作为有效流通面积目标的·基本上线性的函数。该系统还包括单调增加的值<5A|/d:)v ,其中Af为可变流通面积且θν
为旋转角。虽然在附图和前文的描述中已详细地示出和描述了本发明，这些认为是说明性的而非限制性特征，应了解到，仅已经示出和描述了某些示例性实施例，且需要保护属于本发明的精神内的所有变化和修改。在阅读权利要求时，预期当使用诸如“一”、“至少一个”或“至少一部分”这样的词语时，预期并不限制权利要求为仅一项，除非在权利要求中明确地陈述为相反的情况。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项可包括一部分和/或整个项，除非具体地陈述为相反的情况。
权利要求
1.一种设备，包括 圆锥形阀体，其包括圆锥的截头椎体，所述圆锥形阀体安置于发动机气态流体流中、且具有第一流体通路； 圆锥形接合体，其至少部分地覆盖着所述圆锥形阀体、且具有第二流体通路；和阀促动器，其旋转所述圆锥形阀体以提供通过它的可变流通面积，所述可变流通面积包括第一流体通路与第二流体通路的相交区域。
2.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述第一流体通路包括具有大于I的纵横比的槽。
3.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述第一流体通路成形为使得值调增加，其中Af为可变流通面积，且θ v为所述圆锥形阀体的旋转角。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第一流体通路成形为使得值Aerf随着θ v基本上为线性的，其中Arff为可变流通面积的有效流通面积。
5.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述第二流体通路成形为使得值δΑ|/δθ￥单调增加，其中Af为可变流通面积、且θ ν为所述圆锥形阀体的旋转角。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第二流体通路成形为使得值Arff随着θ ν基本上为线性的，其中Arff为可变流通面积的有效流通面积。
7.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述可变流通面积的最大值包括至少等于将会由所述发动机气态流体流中的挡板阀所表现出的有效流通面积的最大有效流通面积。
8.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述可变流通面积的最大值表现出低于X的最小压降，其中;T = AP f — 0.4 * /\Ρ , 一 AP, ,其中Λ尸为将会由
9.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述可变流通面积的最大值表现出比将会由所述发动机气态流体流中的平板旋转阀所表现出的最小压降85%的最小压降。
10.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述阀促动器沿着所述圆锥形阀体的外圆周而接合着所述圆锥形阀体。
11.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述发动机气态流体流包括选自包含下列流中的至少一种流发动机排气流、发动机进气流、排气再循环(EGR)流、EGR冷却器旁通流、压缩机旁通流、涡轮旁通流、以及后处理构件旁通流。
12.—种圆锥形旋转阀，包括 圆锥形阀体，其具有圆锥的截头椎体和第一流体通路； 圆锥形接合体，其至少部分地覆盖着所述圆锥形阀体，所述圆锥形接合体包括第二流体通路； 阀促动器，其可旋转地接合着圆锥形阀体以提供可变的流通面积，可变的流通面积包括第一流体通路与第二流体通路的相交区域；以及其中所述第一流体通路和所述第二流体通路结构化为使得对于至少小于30度的θ v，调增加，其中Af为可变流通面积、且θ v为所述圆锥形阀体的旋转角。
13.根据权利要求12所述的圆锥形旋转阀，其特征在于，在所述圆锥形阀体的完全旋转位置处的所述可变流通面积包括最大有效流通面积，所述最大有效流通面积至少等于将会由具有与所述圆锥的直径等效的直径的挡板阀所表现出的有效流通面积。
14.根据权利要求12所述的圆锥形旋转阀，其特征在于，在所述圆锥形阀体的完全旋转位置处的所述可变流通面积包括最大有效流通面积，所述最大有效流通面积至少比将会由具有与所述圆锥的直径等效的直径的平板旋转阀所表现出的有效流通面积大25%。
15.根据权利要求12所述的圆锥形旋转阀，其特征在于，在所述圆锥形阀体的完全旋转位置处的所述可变流通面积包括最大有效流通面积，所述最大有效流通面积至少比将会由具有与所述圆锥的直径等效的直径的平板旋转阀所表现出的有效流通面积大50%。
16.根据权利要求12所述的圆锥形旋转阀，其特征在于，所述第一流体通路包括具有大于I的纵横比的槽。
17.根据权利要求12所述的圆锥形旋转阀，其特征在于，所述第二流体通路包括具有大于I的纵横比的槽。
18.根据权利要求12所述的圆锥形旋转阀，其特征在于，对于θν的所有值，δΛ/δθν单调增加。
19.一种系统,其包括 内燃机，其具有气态流体流； 圆锥形旋转阀，其置于所述气态流体流中，所述圆锥形旋转阀具有作为所述圆锥形旋转阀的旋转角函数的穿过它的可变流通面积；以及 阀促动器，其旋转所述圆锥形旋转阀以调制所述可变流通面积。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述圆锥形旋转阀包括作为所述圆锥形旋转阀的所述旋转角的基本上线性函数的穿过它的有效流通面积。
21.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，值单调增加，其中Af为可变流通面积，且θν为旋转角。
22.根据权利要求19所述的系统，其还包括 流量请求模块，其结构化为用以解释有效流通面积目标；以及阀特征模块，其结构化为用以响应于所述有效流通面积目标来确定所述圆锥形旋转阀的旋转位置目标；以及 阀控制模块，其结构化为用以响应于所述旋转位置目标来命令所述阀促动器。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述旋转位置目标为所述有效流通面积目标的基本上线性的函数。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，值§.汽.|/50￥单调增加，其中Af为可变流通面积，且θν为旋转角。
全文摘要
一种圆锥形旋转阀包括圆锥形阀体，其具有圆锥的截头锥体和第一流体通路；该阀还包括圆锥形接合体，其至少部分地覆盖圆锥形阀体，其中圆锥形接合体包括第二流体通路。该阀还包括阀促动器，其可旋转地接合到圆锥形阀体以提供可变流通面积，可变流通面积包括第一流体通路与第二流体通路的相交区域。第一流体通路和第二流动通路结构化从而使得值δAf/δθv单调增加，其中Af为可变流通面积且θv为圆锥形阀体的旋转角。
文档编号G05D16/00GK102906656SQ201180025982
公开日2013年1月30日 申请日期2011年3月26日 优先权日2010年3月27日
发明者J.V.佩尔 申请人:卡明斯公司