CN203856570U - 包括废气门阀的涡轮增压器系统 - Google Patents

Abstract

在本文中描述了一种涡轮增压器系统。涡轮增压器系统包括汽缸盖和废气门阀，汽缸盖形成燃烧室的一部分并且包括与燃烧室流体连通的集成的排气歧管，废气门阀被定位在汽缸盖内，所述废气门阀包括与集成的排气歧管流体连通的进口和与设置在集成的排气歧管下游的涡轮的出口流体连通的出口。

Description

包括废气门阀的涡轮增压器系统

技术领域

本公开涉及被集成到汽缸盖内的废气门阀的涡轮增压器系统。 

背景技术

涡轮增压器可以在发动机中被用来提供升压，以便增加发动机功率输出，或以便能使发动机尺寸减小。然而，希望在特定工况下调至提供给发动机的升压量。因此，已经实施定位在涡轮旁路中的涡轮增压器废气门。当与被引导通过涡轮的排气相比时，废气门还增加被引导至下游部件的排气的温度。因此，被设置在涡轮下游的排放控制装置(诸如催化剂)可以更快地到达起燃温度。 

例如，US2011/0099998公开了这样的涡轮，其具有被集成到涡轮外壳内的废气门和涡轮旁路，以实现发动机的升压调整。 

发明人在此已经认识到US2011/0099998中公开的废气门的若干缺点。涡轮外壳会将设计限制施加于涡轮旁路和废气门。因此，会增加涡轮旁路的长度，由此当涡轮运转不是期望的并且废气门打开时会增加汽缸与下游排放控制装置之间的排气流动路径。例如，在冷启动期间，这会导致排放增加。此外，为了抵抗涡轮周围的高温，废气门和涡轮旁通管道会由具有高热阻的材料构成。然而，这类材料是昂贵的，由此增加了涡轮增压器和发动机的成本。 

实用新型内容

发明人在此已经认识到至少一些上述问题，并且已经开发了一种涡轮增压器系统。涡轮增压器系统可以包括汽缸盖和废气门阀，汽缸盖形成燃烧室的一部分，并且包括与燃烧室流体连通的集成的排气歧管，废气门阀被设置在汽缸盖内，包括与集成的排气歧管流体连通的进口和与被设置在集成的排气歧管下游的涡轮的出口流体连通的出口。 

在一个示例中，废气门被定位为邻近所述汽缸盖的出口凸缘。 

当废气门阀被设置在汽缸盖中时，可以减小涡轮旁通管道(废气门被设置在其中)的长度，由此在冷启动期间增加被输送至下游排放控制装置的排气的温度。例如，通过消除由涡轮旁通管道集成到涡轮外壳内施加的设计限制，可以实现旁通管道长度的减小。因此，当与具有被设置在汽缸盖外侧的废气门的涡轮增压器系统相比时，排放控制装置可以更快地到达起燃温度。 

在一些示例中，涡轮增压器系统还可以包括汽缸盖冷却套，其包括穿过废气门阀的外壳的冷却剂通道。以此方式，汽缸盖冷却回路不仅用于提供对汽缸盖的冷却，如果需要还用于提供对废气门阀的冷却。 

在另一示例中，一种用于使涡轮增压器系统运转的方法包含：使排气从被集成到汽缸盖内的排气歧管流入被设置在汽缸盖中的废气门阀；以及使排气从废气门阀流至涡轮下游和汽缸盖外部的排气管道。 

在另一示例中，该方法还包含经由穿过汽缸盖并且被包括在汽缸盖水套中的冷却通道从废气门阀去除热。 

在另一示例中，冷却通道邻近或穿过废气门阀外壳。 

在另一示例中，该方法还包含阻止排气流过废气门阀。 

在另一示例中，当被设置在排气管道下游的排放控制装置低于阈值起燃温度时，使排气从废气门阀流至排气管道被执行。 

当单独或结合附图参照以下具体实施方式时，本实用新型的上述优点和其它优点以及特征将是显而易见的。 

应当理解，提供以上概述以便以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一些概念。这并不意味着辨别要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围仅由随附在具体实施例之后的权利要求确定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分提及的任何缺点的实施方式。另外，发明人在此已经认识到上述问题，并且不认为上述问题是已知的。 

附图说明

图1示出了包括涡轮增压器系统的发动机的示意图；以及 

图2示出了用于使涡轮增压器系统运转的方法。 

具体实施方式

本文描述了具有被集成到汽缸盖内的废气门阀的涡轮增压器系统。废气门阀到汽缸盖内的集成不仅仅能使部件减少和/或复杂性降低，还提供能改善发动机性能的若干辅助效果。例如，这种能使汽缸盖(而不是或除了涡轮增压器外壳)用作废气门的散热器，由此降低废气门的温度，并且降低废气门热退化的可能性。这对于汽缸盖中的冷却剂通道提供改善的放热能力的集成的排气歧管尤其是这样的。以此方式，当发动机和/或废气门阀在升高的温度(诸如超过期望的运转温度)下运转时，废气门阀可以被汽缸盖冷却回路冷却。因此，汽缸盖冷却回路可以用于提供多个效果，由此仅在废气门集成到汽缸盖之后就降低了发动机的成本。此外，由于汽缸盖相对于涡轮增压器外壳的定位，可以减小放置废气门的涡轮旁通管道的长度，由此例如在废气门打开时的冷启动期间增肌被输送至下游排放控制装置的排气的温度。因此，排放控制装置可以更快到达起燃温度。 

图1是示出了包括汽缸盖11的多缸发动机10的示意图。在一个示例中，汽缸盖11可以由材料连续体制成。具体地，发动机10包括直列式构造形式的两个汽缸。然而，应认识到，在其他示例中，可以使用替代的汽缸数量和/或汽缸构造。例如，发动机可以包括直列式构造形式的4汽缸、V构造形式的4汽缸等。 

发动机10可以被包括在车辆100的推进系统中，其中氧传感器126(例如，空气-燃料传感器)可以被用来确定由发动机10产生的排气的空燃比。空燃比(以及其他运转参数)可以用于以各种模式运转的发动机10的反馈控制。发动机10可以至少部分地由包括控制器12的控制系统以及经由输入装置130来自车辆操作者132的输入控制。在这个示例中，输入装置130包括加速器踏板和用于产生成比例的踏板位置信号PP的踏板位置传感器134。发动机10的汽缸(即燃烧室)30可以包括燃烧室壁，活塞(未示出)被设置在其中。活塞可以被联接至曲轴(未示出)，使得活塞的往复运动被转换为曲轴的旋转运动。另外，曲轴可以经由中间变速器系统联接至车辆的至少一个驱动轮。此外，启动马达可以经由飞轮联接至曲轴，以实现发动机10的启动操作。 

汽缸30可以经由进气道42从进气歧管44接收进气，并且可以经由被集成到汽缸盖11内的集成的排气歧管48排出燃烧气体。集成的 排气歧管48包括多个排气流道150。具体地，在图1中示出了两个排气流道。然而，应认识到，另外的排气流道可以被包括在排气歧管中。例如，发动机10可以在每个汽缸包括两个排气门。因此，在这个示例中，发动机可以包括四个排气流道，每个排气门有一个流道。排气流道150流体地会聚，以形成一个合并的管道152，其具有在汽缸盖11的第一侧156(例如，排气侧)上的出口154。汽缸盖11还包括第二侧158(例如，进气侧)、第三侧160(例如，顶侧)、第四侧162(例如，底侧)、第五侧164和第六侧166。 

进气歧管44和排气歧管48可以经由各自的进气门52和排气门54与燃烧室30选择性地连通。因此，在所描述的示例中，每个汽缸30包括一个进气门和一个排气门。然而，在其他示例中，每个汽缸可以包括两个或更多个进气门和/或两个或更多个排气门。包括节流板64的节气门62被设置在进气通道42中。节气门被配置为调整流至汽缸30的气流量。 

节气门62被设置在压缩机170的下游，压缩机170被包括在涡轮增压器系统171中。压缩机170被配置为增加进气的压力，由此为汽缸30提供升压的空气。涡轮增压器还包括涡轮172。涡轮172被配置为接收来自集成排气歧管48的排气。在所描述的示例中，涡轮172被直接联接至汽缸盖11。被直接联接表示在被联接的部件之间没有介于中间的部件。具体地，涡轮172与排气歧管48的出口154直接流体连通。如果需要，将涡轮直接联接至汽缸盖降低了排气系统的损失，由此增加了涡轮增压器的效率以及发动机提供的升压。然而，在其他示例中，涡轮可以被联接至汽缸盖下游的排气管道。涡轮172被配置为从排气流提取能量，并且将其转换为转动能。涡轮172的转动能量经由(诸如驱动轴)机械联接装置传递给压缩机170。以此方式，可以从排气提取能量，以便为发动机提供升压。因此，可以增加燃烧效率和/或发动机功率输出。 

涡轮增压器系统171还包括废气门阀190。废气门阀190被集成到汽缸盖11内。当与定位有废气门阀的涡轮旁通管道长度的降低而设置在汽缸盖外部的废气门相比时，废气门阀190到汽缸盖11内的集成能使被输送至排放控制装置70的排气温度增加。在冷启动期间，当排放 控制装置低于起燃温度时，被输送至排放控制装置70的排气温度的增加会是有益的。因此，当废气门阀被集成到汽缸盖内时，可以降低发动机排放。废气门阀190到汽缸盖11内的集成还能使发动机冷却系统在期望的时间间隔期间服务于多个方面，冷却汽缸盖以及冷却废气门阀。例如，当汽缸盖和/或废气门阀超过期望的运转温度时，废气门阀可以被冷却。以此方式，降低了废气门阀的热退化的可能性。此外，当发动机冷却系统服务于双用途时，可以降低发动机的成本。 

废气门阀190包括废气门阀进口197和废气门阀出口198。废气门阀进口197与集成的排气歧管48流体连通，而废气门阀出口198与被设置在涡轮172下游(例如，直接下游)的排气管道188流体连通。在一些示例中，出口198可以与涡轮172的出口直接流体连通。在所描述的示例中，进口197与集成的排气歧管接流体连通。然而，在其他示例中，废气门阀190可以被设置在穿过汽缸盖11的涡轮旁通管道192的下游部分中。 

将废气门阀190集成到汽缸盖11内还能使多种不同类型的废气门阀用于涡轮增压器系统中。在一个示例中，废气门阀190可以是提升阀。然而，在另一示例中，废气门阀190可以是滑阀。在此进行更详细地进行讨论，滑阀可以包括圆柱形阀芯，其可以被配置为堵塞以及打开与涡轮旁通管道192流体连通(例如，直接流体连通)的通道。 

然而，在另一示例中，废气门阀190可以是蝶阀。蝶阀可以包括板(例如，盘)，其可致动为阻止以及允许排气流过涡轮旁通管道192。板的尺寸可以被设置为以关闭配置形式基本阻止排气流。因此，板的周边轮廓可以遵循涡轮旁通管道的轮廓。打开配置形式的板可以被旋转为允许排气流过涡轮旁通管道。 

在另一示例中，废气门阀190可以是闸门阀。闸门阀可以包括闸门，其被配置为移入以及移出排气的路径。具体地，在一个示例中，在致动期间，闸门可以沿垂直于涡轮旁通管道的中心轴线的方向移动。在一些示例中，阀中闸门与阀座之间的密封面可以是平面。 

在另一示例中，废气门阀190可以是筒形阀。 

在另一示例中，废气门阀190可以是挡板阀。挡板阀可以包括盖板，其被安置并密封在涡轮旁通管道的凸缘上。盖板可以经由机械联 接装置枢转，以便打开以及关闭阀。因此，打开配置形式的盖板可以被枢转为使得其与凸缘间隔开，而关闭配置形式的盖板可以被安置并密封在凸缘上。 

在一个示例中，废气门阀190被定位在从外表面延伸到汽缸盖11内的废气门端口191。以此方式，废气门阀190可易于安装、去除和/或修复。具体地，废气门端口191可以自汽缸盖11的顶侧延伸。如所示，废气门阀190被联接至集成的排气歧管48的横向侧。提供横向轴线以供参考。然而，在其他示例中，废气门阀190可以被定位在集成的排气歧管48的竖直上方，并且被联接至集成的排气歧管的顶侧。应认识到，竖直轴线可以延伸到页面内并延伸离开页面。以此方式设置废气门阀190可以将废气门阀190定位为更靠近涡轮172。 

涡轮增压器系统171还包括涡轮旁通管道192。涡轮旁通管道192包括穿过汽缸盖11的第一部分193和在汽缸盖11外部的第二部分194。然而，在其他示例中，正涡轮旁通管道192可以被定位在汽缸盖11的外部。此外，涡轮旁通管道192包括进口195和出口196，进口195与集成的排气歧管48流体连通，出口196与排气管道188流体连通(例如，直接流体连通)。以此方式，排气可以绕过涡轮172。进口195被显示为与废气门阀出口198直接流体连通。然而，在其他示例中，进口195可以通向集成的排气歧管48，而废气门阀190可以在进口195与出口196之间的位置处被联接至涡轮旁通管道192。 

发动机10还包括汽缸盖冷却回路140。汽缸盖冷却回路140可以被包括在发动机冷却系统中。发动机冷却系统还可以包括冷却剂通道，其穿过被联接至汽缸盖的汽缸体，在一个示例中。汽缸盖冷却回路140包括冷却剂泵142，其被配置为使流体围绕回路中的通道流动。汽缸盖冷却回路140包括穿过汽缸盖11的至少一个冷却剂通道143。应认识到，在其他示例中，汽缸盖冷却回路140可以包括穿过汽缸盖的多个冷却剂通道。如所示，冷却剂通道143的一部分144穿过废气门阀190。在一个示例中，冷却剂通道可以穿过废气门阀190的外壳。然而，在其他示例中，冷却剂通道可以被联接至废气门阀的外壳或穿过邻近废气门阀的汽缸盖的部分。以此方式，通过为汽缸盖以及废气门阀提供冷却，发动机冷却系统并且尤其是汽缸盖冷却回路服务于双用途。因 此，当与使用分开的冷却回路冷却汽缸盖和废气门阀的发动机相比时，可以降低发动机的成本。 

汽缸盖冷却回路140还包括热交换器145，其被配置为从汽缸盖冷却回路140中去除热。在所描述的示例中，热交换器145被定位在汽缸盖11的外侧。应认识到，由于其大的热质量，汽缸盖11可以充当废气门阀190的散热器，由此为废气门阀190提供冷却，从而降低废气门阀热退化的可能性。此外，应认识到，如果需要，当废气门在更低温度下运转时，废气门可以由更不耐热的材料制成。因此，当与由具有更大热阻的材料制成的成本更高的废气门相比时，可以降低废气门的成本。 

进气门52和排气门54可以被定位在进气道180和排气道182中。进气道180和排气道182与其各自的汽缸30流体连通(例如，直接流体连通)。进气门52可以阻止以及允许进气流从进气歧管44到达其各自的汽缸30，而排气门54可以阻止以及允许排气从其各自的汽缸30到达排气歧管48。 

在一个示例中，进气门52和/或排气门54可以由凸轮驱动。然而，在其他示例中，可以使用电子凸轮驱动。在一个示例中，当凸轮被用来驱动气门时，发动机10可以包括被配置为调整(提前或延迟)凸轮正时的可变凸轮正时系统。进气门52和排气门54的位置可以分别由位置传感器55和57确定。 

发动机10还可以包括燃料输送系统(未示出)，其被配置为在期望的时间间隔向汽缸30供应燃料。控制器12可以被配置为控制提供给汽缸的燃料量和提供给汽缸的燃料的正时。进气道和/或直接喷射系统可以被用来向汽缸供应燃料。 

在选择的运转模式下，响应于来自控制器12的火花提前信号SA，点火系统88可以经由点火装置(火花塞92)向汽缸30点火火花。在一些示例中，尽管示出了火花点火部件，但不论具有或不具有点火火花都可以以压缩点火模式使发动机10的汽缸30或一个或更多个其他燃烧室运转。 

氧传感器126被显示为联接至排放控制装置70上游的排气系统50的排气流道48。传感器126可以是用于提供排气空燃比指示的任何合 适的传感器，例如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域氧传感器)、二态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。在一些示例中，氧传感器126可以是被设置在排气系统中的多个氧传感器中的第一个。例如，另外的氧传感器可以被设置在排放控制装置70的下游。 

排放控制装置70被显示为沿氧传感器126下游的排气流道48布置。排放控制装置70可以是三元催化剂(TWC)、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或其组合。在一些示例中，排放控制装置70可以是被定位在排气系统中的多个排放控制装置中的第一个。在一些示例中，在发动机10的运转期间，排放控制装置70可以通过使发动机中的至少一个汽缸在特定空燃比内运转而周期性地重置。 

控制器12在图1被示为微型计算机，包括微处理单元(CPU)102、输入/输出端口(I/O)104、在这个具体示例中作为只读存储器(ROM)106(例如，存储器芯片)示出的用于可执行程序和校准数值的电子存储介质、随机存取存储器(RAM)108、保活存取器(KAM)110和数据总线。控制器12可以接收来自联接至发动机10的传感器的各种信号，除了之前所讨论的那些信号外，还包括下列测量：来自质量空气流量传感器120的进气质量空气流量计(MAF)；来自联接至汽缸盖11的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；来自节气门位置传感器的节气门位置(TP)；以及来自传感器122的排气歧管绝对压力信号MAP。来自排气歧管压力传感器的排气歧管压力信号可以被用来提供进气歧管内的真空或压力的指示。注意，可以使用上述传感器的各种组合，例如有MAF传感器而没有MAP传感器，反之亦然。在化学计量比运转期间，MAP传感器可以给出发动机扭矩的指示。此外，该传感器连同所检测的发动机转速可以提供进入气缸内的充气(包括空气)的估算。发动机转速传感器也可以被联接至曲轴，并且被电联接至控制器12，从而为控制器提供发动机转速信号。 

在运转期间，发动机10内的汽缸30中的每一个通常经历四个行程循环：循环包括进气行程、压缩行程、膨胀行程和排气行程。应认识到，如果需要，可以不同时执行不同汽缸中的燃烧循环。具体地，在一些示例中，可以错开汽缸中的燃烧，以减少发动机振动。然而， 其他类型的燃烧循环已经被考虑。 

一般来说，在进气行程期间，排气门关闭，而进气门打开。例如，空气经由进气歧管引入汽缸，并且活塞138移动至汽缸的底部，以便增加汽缸内的容积。活塞138靠近燃烧室的底部并在其行程结束的位置(例如，当汽缸处于其最大容积时)通常被本领域技术人员称为下止点(BDC)。在压缩行程期间，进气门和排气门关闭。活塞朝向汽缸盖移动，以便压缩燃烧室内的空气。活塞在其行程结束并最靠近汽缸盖的位置(例如，当汽缸处于其最小容积时)通常被本领域技术人员称为上止点(TDC)。在下文中被称为喷射的过程中，燃料被引入燃烧室。在下文中被称为点火的过程中，被喷射的燃料通过已知的点火装置如火花塞192点燃，从而导致燃烧。额外地或可替代地，压缩可以被用来点燃空气/燃料混合气。在膨胀行程期间，膨胀的气体将活塞推回至BDC。曲轴将活塞运动转换为旋转轴的旋转扭矩。最后，在排气行程期间，排气门打开，以便将已燃烧的空气-燃料混合气释放至排气歧管，并且活塞返回至TDC。注意，上述内容仅作为示例进行描述，并且进气和排气门打开和/或关闭正时可以改变，诸如以提供正或负气门重叠、进气延迟关闭或各种其他示例。额外地或可替代地，可以在汽缸中实施压缩点火。 

图2示出了用于涡轮增压器系统运转的方法200。方法200可以由在上面关于图1描述的涡轮增压器系统和部件执行，或可以由其他合适的涡轮增压器系统和部件执行。 

在202处，该方法包括使排气从被集成到汽缸盖内的排气歧管流入被定位在汽缸盖中的废气门阀。接下来在204处，该方法包括使排气从废气门阀流至涡轮下游和汽缸盖外部的排气管道。在一些示例中，当被设置在排气管道下游的排放控制装置低于阈值起燃温度时，使排气从废气门阀流至排气管道可以被执行。 

其次在206处，该方法包括经由穿过汽缸盖并且被包括在汽缸盖水套中的冷却通道从废气门阀去除热。如上所述，冷却通道可以邻近或穿过废气门阀外壳。在208处，该方法包括阻止排气流过废气门阀。 

注意，本文中包括的示例程序能够与各种发动机和/或车辆系统构造一起使用。另外，所描述的各种动作、操作或功能可以以所示顺序、 并行地被执行，或者在一些情况下被省略。同样地，实现此处所描述的本实用新型的示例实施例的特征和优点不一定需要所述处理顺序，但是为了便于图示说明和描述而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所示出的动作或功能中的一个或多个可以被重复执行。 

应理解，本文中所公开的构造和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变体是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。本实用新型的主题包括本文中所公开的各种系统和构造和其它的特征、功能和/或性质的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。 

所附权利要求特别指出被认为是新颖的和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。应当理解，这样的权利要求包括纳入一个或更多个这样的元件，既不必也不排除两个或更多个这样的元件。在这个或相关的申请中，通过修改本权利要求或提出新权利要求，所公开的特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合可以被要求保护。这样的权利要求，无论是比原权利要求范围宽、窄、相同或不同，均被认为包含在本公开的主题内。 

Claims (15)

1.一种涡轮增压器系统，其特征在于包含：

汽缸盖，其形成燃烧室的一部分，并且包括与所述燃烧室流体连通的集成的排气歧管；以及

废气门阀，其被定位在所述汽缸盖内，并且包括与所述集成的排气歧管流体连通的进口和与定位在所述集成的排气歧管下游的涡轮的出口流体连通的出口。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述废气门阀是滑阀。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述废气门阀是蝶阀。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述废气门阀是闸门阀。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述废气门阀是筒形阀。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述废气门阀是挡板阀。

7.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述汽缸盖由连续材料体制成。

8.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于还包含与所述废气门阀出口流体连通的涡轮旁通管道和被定位在所述涡轮下游的排气管道，其中所述涡轮旁通管道包括穿过所述汽缸盖的第一部分和在所述汽缸盖外部的第二部分。

9.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述集成的排气歧管包括多个排气流道，所述排气流道流体地会聚以形成单个合并的管道，所述合并的管道在所述汽缸盖的一侧上具有出口。

10.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述涡轮与所述集成的排气歧管的出口直接流体连通。

11.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于所述废气门阀被定位在从外表面延伸到所述汽缸盖内的废气门端口内。

12.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其特征在于还包含汽缸盖冷却套，所述汽缸盖冷却套包括穿过所述废气门阀的外壳的冷却剂通道。

13.一种废气门阀，其包含：

进口，其通向被集成到汽缸盖内的集成的排气歧管；以及

出口，其与涡轮旁通管道直接流体连通，所述涡轮旁通管道包括穿过所述汽缸盖的第一部分和在所述汽缸盖外部的第二部分，并且与被定位在涡轮下游的排气管道流体连通，所述涡轮被定位在所述集成的排气歧管的下游。

14.根据权利要求13所述的废气门阀，其特征在于所述废气门被定位为邻近所述汽缸盖的出口凸缘。

15.根据权利要求13所述的废气门阀，其特征在于所述废气门阀被定位在所述集成的排气歧管的竖直上方。