制动挡板和排气系统的制作方法

本申请涉及制动挡板、排气系统，尤其地涉及涡轮增压涡轮机上游具有不同功能的压力平衡挡板。

背景技术：

排气制动器通过关闭从燃烧式发动机的排气路径、从而使排气在排气歧管中和气缸中被压缩而使车辆、特别是商用车辆减速。由于排气被压缩，且如果没有燃料被施加的话，发动机就减慢车辆。所产生的负扭矩的大小通常正比于发动机的背压。

传统排气系统例如在ep2679787中描述，其中，排气制动器布置在涡轮增压涡轮机上游，且与排气再循环(egr)供送口一体化。此外，集成了排气压力传感器，以通过控制涡轮机上游的排气压力来调节egr流和发动机模式性能。

图6示出了具有布置在管状结构610内的挡板600的常规排气系统的详细图，管状结构610将排气流105朝着涡轮增压单元240的涡轮机245引导。

管状结构610包括第一直式部分612、第二直式部分614和弯曲部分660，所述弯曲部分660包括相对于排气流105而言的内弯曲部664和外弯曲部662。排气例如从燃烧式发动机(图中未示出)朝着具有涡轮机245(图6中仅部分地示出)的涡轮增压器240流动。在弯曲部分660处，挡板600可旋转地附接至管状结构610的外弯曲部662的侧壁。在图6的示例中，管状结构610附接至涡轮增压器240或涡轮机245的连接部分。管状结构610将排气从发动机引导至涡轮机245。

挡板600可从打开位置旋转(如双箭头r所示)至关闭位置(如图6所示)，在打开位置，流105可朝着涡轮增压器240自由流动，在关闭位置，挡板600关闭流105的流动路径。因此，所示出的挡板布置结构表示用于控制流105的活门。挡板600包括臂部分602和支撑部分604。支撑部分604可旋转地附接至旋转轴605，所述旋转轴605由管状结构610在弯曲部分660中的外侧壁支撑。

尽管该传统的挡板600附接至管状结构610的侧壁，因而在打开位置不会干扰流105，但是，当操作挡板600时，该挡板600暴露于显著的压力。尤其地，由于必须施加大的扭矩以关闭挡板600，因此，压力使得排气制动致动器的性能劣化。这进而导致了长的响应时间。此外，这降低了活门的定位精度(例如，在挡板应仅部分地关闭的情况下)，从而导致可能的egr和排气制动器的性能损失。

因此，需要一种改进排气系统性能的挡板。

技术实现要素：

本申请通过提供根据权利要求1的挡板和根据权利要求5的排气系统来解决上述问题。从属权利要求涉及独立权利要求的主题的特别有利的实现方式。

本申请涉及一种挡板，其用于通过控制来自燃烧式发动机的排气流的压力来制动车辆。该挡板包括第一臂部分、第二臂部分和支撑部分。支撑部分布置在第一臂部分和第二臂部分之间，且配置成使挡板安装成能够绕着旋转轴旋转。当从垂直于流动方向的横截面视图中观看时，旋转轴与排气流相切。第一臂部分和第二臂部分具有一几何形状，以用于使作用在第一臂部分上的压力与作用在第二臂部分上的压力相平衡，以便限制绕着旋转轴作用在挡板上的最大扭矩。

通过使用这种布置结构，例如可保证气体仅在挡板的一侧流动。换言之，排气不会绕着挡板流动，从而防止了排气中的不期望的紊流。

因此，通过本申请，通过限定沿着流延伸的两个臂来解决上述问题。由于这两个臂可旋转地安装在周边部分处，而不是安装在流中，因此，它们在打开位置不妨碍流。因此，流在打开位置不被干扰。

所限定的平衡可通过许多不同的可能性来实现。例如，第一和第二臂部分可形成为具有适当的长度，从而杠杆效应可提供平衡。此外，第一和第二臂部分可包括暴露于流的不同表面区域，因而，第一和第二臂部分对总扭矩提供不同的贡献(不仅扭矩的符号不同，而且扭矩的大小也不同)。此外，第一和第二臂部分可形成为使流以不同的角度冲击表面，从而再而导致对总扭矩的不同的贡献。这些仅是实现期望效果的一些示例。本领域技术人员将容易想到其他布置结构来实现相同的效果。

在另一实施例中，第一臂部分和/或第二臂部分在流动方向上包括弯曲表面，以减少排气流中的紊流。

在又一实施例中，第一臂部分和/或第二臂部分布置成使第一臂部分和/或第二臂部分是引导排气流的壁的一部分。因此，挡板可至少部分地充当流动路径的侧壁。

在各种应用场合，可能有利的是，挡板在不施加扭矩的情况下返回至打开位置(限定默认位置)。因此，在另一实施例中，第一臂部分和/或第二臂部分的几何形状能够实现在关闭位置作用在挡板上的非零打开扭矩。

本申请还涉及一种用于车辆的燃烧式发动机的排气系统。该排气系统包括用于引导从内燃发动机的排气的具有侧壁的管状结构以及上述挡板之一。挡板安装在侧壁上，以便在抑制排气流的关闭位置与使排气流能够沿着至少一个侧壁流动的打开位置之间旋转。

术语管状结构应当被广义地理解为是指实现用于排气的流动路径的任何结构。它可包括各种横截面几何形状(例如垂直于流动)。例如，管状结构可具有圆形或椭圆形横截面，矩形或任何其他多边形横截面，或它们的任何组合。该几何形状也可沿着流动在所提及的形式之间变化。根据管状结构的横截面，挡板的形式也可改变，以保证挡板在关闭位置关闭排气的流动路径。例如，如果管状结构包括矩形横截面，则挡板也可包括矩形的第一臂部分和/或第二臂部分。另一方面，如果管状结构包括圆形横截面，则第一臂部分和/或第二臂部分可包括垂直于排气流的弯曲横截面(类似于勺)，以便在挡板关闭位置关闭圆形管状结构。

在另一实施例中，排气系统可包括用于将排气系统安装至燃烧式发动机的安装结构和/或由排气压力驱动的涡轮增压单元。挡板可布置在涡轮增压单元上游。因此，挡板可在安装结构与涡轮增压器之间的位置处附接至管状结构。另外，管状结构可直接安装在涡轮增压器(例如在涡轮增压器或涡轮增压器的涡轮机的连接部分)上。

在另一实施例中，涡轮增压单元可以是包括涡轮机的几何形状可变式涡轮增压器，其中，所述挡板安装在靠近涡轮机的位置处，以控制进入涡轮机的排气流所面临的几何形状，从而实现对几何形状可变式涡轮增压器的支持。

在另一实施例中，管状结构可包括具有内弯曲部和外弯曲部的弯曲部(或弯曲部分)。该弯曲部可相对于由管状结构绕着弯曲部引导的排气流来限定。安装有挡板的侧壁可代表外弯曲部。

此外，管状结构可包括形成在弯曲部分的两侧上的第一直式部分和第二直式部分。当挡板布置在管状结构的弯曲部分处时，第一臂部分可布置成使来自第一直式部分的流冲击第一臂部分，从而在第一臂部分上直接施加动压力。该压力可支撑或平衡主要由第二臂部分完成的关闭挡板所需的力。

因此，在另一实施例中，弯曲部将管状结构的第一至少部分地直式的部分与管状结构的第二至少部分地直式的部分连接。在排气流的方向上，第一臂部分可以是弯曲的，且是所述外弯曲部的一部分。第二臂部分可以是平坦的，且是管状结构的第二至少部分地直式的部分的一部分。如前所述，这种布置结构提供的优点是：移动的排气冲击一个臂部分且被该一个臂部分重定向，从而施加支持平衡的附加动压力。

尽管至少部分地直式的部分可提供抑制紊流的优点，但是，在其他实施例中，第一至少部分地直式的部分和/或第二至少部分地直式的部分可以是引导排气的任何类型的部分，而不必是直式的。

在又一实施例中，所述挡板是制动挡板，所述制动挡板配置成能在关闭位置或部分关闭位置制动车辆。

其他实施例还涉及具有排气再循环系统的排气系统，该排气再循环系统能够将排气从燃烧式发动机的出口引导至燃烧式发动机的入口。在这种实施例中，挡板还可被控制成从打开位置逐渐旋转至关闭位置，从而逐渐地支持排气再循环。在其他实施例中，限定了一个或多个中间位置，且挡板可随之采取不同的位置或在不同位置之间转移。这可用于通过逐渐关闭/打开排气歧管中的挡板来逐渐增加/减少燃烧式发动机入口侧处的气体压力。

在其他实施例中，挡板不完全关闭管状结构，从而使得仍存在通过关闭的挡板的剩余气流。

即使不存在气体再循环系统，也可将挡板控制为采取仅部分地关闭管状结构的某一数量的离散角位置。挡板的这些不同的位置也可被调整以适于支持涡轮效率，即，气流可沿特定方向被引导到涡轮增压器的涡轮机中。

在另一实施例中，排气系统还包括控制单元，该控制单元配置成能控制挡板在打开位置与关闭位置和/或至少一个部分关闭位置之间的位置或旋转。控制单元可配置成能操作致动器，以使挡板在各个位置(打开、关闭、部分关闭等)之间移动。

附图说明

在下文中将仅通过示例并参照附图来描述本申请的各个实施例，在附图中：

图1示出了根据本申请的一个实施例的挡板；

图2示出了作用在平衡的和不平衡的挡板上的扭矩；

图3示出了具有涡轮增压器的排气系统和发动机；

图4示出了根据本申请的另一实施例的具有打开的挡板的排气系统；

图5示出了图4的具有关闭的挡板的排气系统；以及

图6示出了位于排气系统内的传统挡板。

具体实施方式

图1示出了根据本申请的一个实施例的挡板100。当设置在燃烧式发动机的排气系统中时，挡板100适于提供可通过控制排气流的压力而可用于制动车辆的活门。挡板100包括第一臂部分110、第二臂部分120和布置在第一臂部分110和第二臂部分120之间的支撑部分130。

支撑部分130配置成用于将挡板100安装成能绕着旋转轴135旋转，其中，旋转轴135与排气流相切地布置(在横截面视图中)。例如，如图1所示的挡板100安装在侧壁220上，以使得旋转轴135与该侧壁相切。

第一臂部分110和/或第二臂部分120具有一几何形状，以使作用在第一臂部分110上的压力与作用在第二臂部分120上的压力平衡，以便限制绕着旋转轴135作用在挡板100上的最大扭矩。

因此，根据本申请，挡板100可绕之旋转的旋转轴135布置在引导排气的管状结构的外侧壁220处，从而使得排气仅在挡板100的一侧流动。因而，流105的气体压力仅作用在挡板100的这一侧，且通过作用在两个臂110、120上的气体压力来实现挡板100的平衡效果。因此，可限制作用在挡板100上的所产生的扭矩。

平衡度取决于作用在第一臂部分110和第二臂部分120上的压力，且可基于第一臂部分110和第二臂部分120的选定的几何形状来很大程度地调节。由于旋转轴135不延伸通过流动路径105，因此，在通过挡板100时不会在气流105中产生紊流。替代地，挡板100可被布置成使得挡板100形成外侧壁的一部分(例如，侧壁的外弯曲部)，且将绕着弯曲部引导气流105。尤其地，可使得挡板100不会改变垂直于流105的横截面面积——如果将挡板布置在排气的流动路径内的话，则会改变该横截面面积。

图2示出了例如图1所示的压力平衡的挡板100与例如图6所示的压力不平衡的挡板600之间的差别。两个挡板都可从打开位置旋转至关闭位置，图2示出了当从图2右侧的打开位置到左侧的关闭位置时，根据挡板的位置而施加在挡板上的扭矩。

从图2中可看出，在打开位置，没有扭矩(或几乎没有扭矩)施加到挡板。当从打开的挡板位置到关闭的挡板位置时，扭矩缓慢增加。对于如图6所示的压力不平衡的挡板600，扭矩(见图201)从打开的挡板位置到关闭的挡板位置单调地增加。在关闭的挡板位置达到最大扭矩。另一方面，对于如图1所示的压力平衡的挡板100，当从打开的挡板位置到关闭的挡板位置时，在中间位置处达到最大扭矩(见图202)。因此，在初始增加之后，扭矩再次减小，然后才到达末端处的关闭挡板位置。

因此，对于不平衡的挡板，系统必须承受大的扭矩以可靠地保持挡板的关闭。另一方面，对于平衡的挡板，关闭的挡板位置不会经受持续施加在挡板上的大扭矩。由于平衡效果，作用在挡板100的两个臂上的压力彼此抵消。然而，在关闭的挡板位置施加的扭矩可能不会消失。相反，仍然保持小的扭矩可能是有利的，因为如果没有保持关闭位置的扭矩施加到挡板100上，挡板100将自行打开。因此，根据实施例，挡板100的几何形状使得在挡板100上的生成扭矩高于打开位置中的生成扭矩(如图202所示)。

图3示出了具有管状结构210(排气歧管)的排气系统200，其具有包括挡板100的活门和涡轮增压单元240。涡轮增压单元240包括涡轮机245，该涡轮机245沿着排气的流动路径105布置在挡板100的下游。排气系统200附接至发动机300，发动机300例如是六缸燃烧式发动机。燃烧式发动机300连接至向燃烧式发动机300供送燃料的进气歧管410。涡轮增压单元240配置成对进气歧管410中的燃料施加压力，以使得燃料以预定压力进入发动机300。

通过使用所示出的排气系统200中的挡板100作为关闭排气歧管的至少一部分的活门，发动机300的出口处的压力增加，从而为车辆提供制动功能。

排气系统200还可包括排气再循环系统(图3中未示出)，其配置成将排气的至少一部分提供给进气歧管。气体再循环系统可通过关闭挡板100来支持，且可控制排气制动的制动。

图4示出了排气系统200的一个实施例。排气系统200包括管状结构210、挡板100和涡轮增压单元240。

管状结构210引导来自发动机(未示出)的排气流105，且包括安装结构230、第一部分地直式的部分212、弯曲部分(或弯曲部)260和第二至少部分地直式的部分214。安装结构230配置成将管状结构210安装到发动机或气缸盖(未示出)上。第一部分地直式的部分212布置在来自安装结构230的流105的下游。弯曲部分260布置在第一至少部分地直式的部分212和第二至少部分地直式的部分214之间。第二至少部分地直式的部分214附接至涡轮增压单元240的连接部分241。涡轮增压器240(其仅部分地示于图4中)可包括由排气的压力驱动的涡轮机245。

此外，连接燃烧式发动机300的气缸的排气口未在图4和图5中示出，且沿垂直于图面的方向布置。

在弯曲部分260处，挡板100固定到管状结构210的侧壁220。弯曲部分260包括外弯曲部262和内弯曲部264，外弯曲部262和内弯曲部264相对于绕着弯曲部260流动的排气流105限定。在图4所示的实施例中，挡板100附接至外弯曲部262(与内弯曲部264相对)的侧壁220。

挡板100可绕着旋转轴135旋转，旋转轴135垂直于流105的方向且安装在侧壁220上(即旋转轴135也与侧壁220相切)。在侧壁220内，可形成空腔或凹部218，其在将挡板100旋转至关闭位置之后容纳挡板100的第一臂部分110。管状结构210内的可旋转的挡板100因此限定出活门，该活门在挡板100旋转时可关闭或部分关闭。

图5示出了如图4所示的相同的排气系统200。但是，图5中，挡板100处于关闭位置。当挡板100从打开位置(图4所示)到关闭位置(图5所示)执行旋转运动r时，第二臂部分120关闭用于流105的流动路径，且第一臂部分110移动到布置在管状结构210的弯曲部分260处的凹部218中。在关闭位置，第一臂部分110可抵靠在侧壁220上，支撑部分130可旋转地安装在该侧壁220上。第一臂部分110可包括抵靠部分111，抵靠部分111在关闭位置抵靠侧壁220，且可用作间隔件，以在第一臂部分110和侧壁220之间提供间隙。同时，第二臂部分120(完全地或部分地)关闭用于流105的流动路径。因而，管状结构210的上游部分中的压力将增加，从而提供制动功能。

当比较图4和图5时，显然的是，通过使用具有两个臂部分110、120的挡板100实现了压力平衡，所述两个臂部分110、120都经受流105的压力。图4和5所示的实施例是尤其有利的，因为第一臂部分110直接布置在弯曲部分260处。这具有的效果是，直的流105直接冲击第一臂部分110，且特别是对于流105还具有显着动能的挡板关闭阶段，这种布置将增强平衡效果。因此，作用在第一臂部分上的压力有效地平衡了移动第二臂部分120以关闭流动路径所需的扭矩。

排气系统200还可包括排气再循环系统，该排气再循环系统沿垂直于图面的方向布置，且在图4和图5的剖视图中未示出。排气再循环系统配置成：当挡板100从打开位置(图4所示)移动到关闭位置(图5所示)时，将排气引导到进气歧管410(见图3)。本申请提供了支持这种排气再循环系统的优点，因为在关闭或部分关闭挡板100的过程中可精确地控制压力平衡的挡板100。因而，挡板100可容易地逐渐关闭，以提供燃烧式发动机300的出口处的压力的逐渐增加，从而支持朝着燃烧式发动机300的进气歧管的排气再循环。

如图4和5所示的挡板100的另一优点涉及在关闭挡板100期间流体105所面临的变化的几何形状。例如，如果涡轮增压单元240是几何形状可变式涡轮增压器，则将根据发动机的操作条件来修改例如流的横截面(垂直于流动方向)的几何形状。根据本申请的实施例，几何形状的这种变化可由挡板100进一步支持。例如，流105可通过部分地旋转挡板100而沿预定方向被引导，且可与例如由涡轮机245中的叶片实行的流动方向对准，从而支持涡轮机245的效率。

在实施例中，排气系统200包括附图中未示出的控制单元。控制单元可配置成能控制致动器，该致动器使挡板100在打开位置、关闭位置和至少一个部分关闭位置之间旋转。可能会有各种部分关闭位置，其使挡板(或活门)仅关闭到一定百分比(例如使活门关闭至10％、20％、50％、70％、90％或任何其它量)。控制单元还可配置成，能控制致动器以使挡板100在各个位置(打开、关闭、部分关闭等)之间以连续的方式或逐步的方式旋转。

各种实施例的有利方面可概括如下：

本申请的特征在于，在活门的打开位置处，排气挡板100和排气流105的适当形状。这涉及到以下优点：在打开的活门位置，普通的流被优化。不受干扰的流由于其低压降而保证了涡轮增压过程的最大效率。压力平衡的挡板100增强了排气制动致动器的性能。致动器尺寸可减小，以获得更好的响应时间，并提高活门的定位精度，从而保证egr和排气制动的最佳性能。压力平衡的活门减小了部分地打开或关闭的挡板100处的流体流所产生的扭矩。

压力平衡的和不平衡的排气制动挡板设计的示例分别在图4、5和6中示出。压力不平衡的挡板600在活门的关闭过程中具有扭矩不断增加的特性。压力平衡的挡板100具有在挡板100的关闭位置处部分地减小的扭矩(参见图2)。

压力平衡的活门定位于涡轮增压涡轮机245的上游(参见图3)。压力平衡的活门100的特征在于，减小了在部分打开和完全关闭的活门位置所产生的扭矩(与不平衡的挡板600相比)。压力平衡通过具有类似表面横截面的挡板100的有效臂(而不平衡的挡板600仅具有一个臂)或显著不同的臂横截面来实现。

在其他实施例中，实现了在打开位置处的流动的最小或零扰动。例如，在打开位置，至少一个挡板/臂可以是流体流的壁220的一部分，从而关于涡轮上游位置的活门体，保证流动的低扰动并产生低的压降(参见图4)。

在其他有利的实施方式中，压力平衡的活门具有排气制动功能和/或压力平衡的活门具有egr支持功能。此外，压力平衡的挡板100可通过在关闭的活门位置的剩余打开扭矩而具有压力限制功能。涡轮机支持功能可通过使用诸如vgt的压力平衡的活门(几何形状可变式涡轮增压器)来控制或引导流105而实现。

说明书和附图仅描述了本公开的原理。因此，应当理解，尽管在本文中未明确描述或示出，本领域技术人员也将能够设计出体现本公开的原理且包括在其范围内的各种布置结构。

此外，虽然每个实施例可独立地作为单独的示例，但是应当注意，在其他实施例中，所限定的特征可不同地组合，即，在一个实施例中描述的特定特征也可在其他实施例中实现。在本文的公开内容中涵盖了这样的组合，除非指出特定的组合是不希望的。

附图标记列表

100，600挡板

105排气流

110第一臂部分

120第二臂部分

130，604支撑部分

135，605旋转轴

210，610管状结构

212，612第一至少部分地直式的部分

214，614第二至少部分地直式的部分

218凹部

220侧壁

230安装结构

240涡轮增压单元

241连接部分

245涡轮机

260，660弯曲部

262，662外弯曲部

264，664内弯曲部

300燃烧式发动机

410进气歧管

r旋转运动