相关申请
本申请要求递交于2014年7月17日的美国临时申请no.62/025,548的权益。
本发明一般地涉及减压阀，其中抽空装置用于提供真空以将减压阀致动到打开位置。
背景技术：
内燃机可用于各种应用，诸如例如客车和工业车辆、船舶、固定和航空应用。通常存在两个支配性的点火循环，其通常称为汽油和柴油循环，更正式地分别称为火花塞点火(si)循环和压缩点火(ci)循环。
排气驱动式涡流增压器可用来提高内燃机的动力输出和总效率。具体地，排气能可用来驱动涡轮机。涡流增压器包括压缩机和涡轮机，其中压缩机安装到涡流增压器的轴上，与涡轮机对置。涡轮机将发动机的排气转换成机械能，机械能用来驱动压缩机。压缩机抽入空气且压缩空气。压缩后的空气随后被引至内燃机的进气歧管。
减压阀，例如压缩机排出阀或排泄阀，可以安装到进气管上，位于涡轮增压器下游，在节流阀之前。具体地，压缩机排出阀可用来将压缩后的空气排回到压缩机的入口。排泄阀类似于压缩机再循环阀，但是排出到大气，而不是排回到压缩机入口。减压阀可用来减轻当节流阀关闭时(即，当操作员突然将他或她的脚抬离加速踏板且节流阀关闭时)可能出现的突然的压力浪涌或尖峰。
空气压缩系统已经用在半载重汽车以及其他类型的商用车辆上，从而为空气制动器供给动力。空气压缩系统可以包括空气压缩机，其用来将压缩空气供给到储存罐。空气压缩机可以由曲轴皮带轮或内燃机的正时齿轮来供给动力。储存罐中的压缩空气可以用于空气制动器。除了空气制动器之外，压缩空气还可以用来致动减压阀(即，压缩机排出阀或排泄阀)。具体地，真空泵可允许储存罐中的压缩空气选择性地流到减压阀。真空泵可由电动机来驱动，或者由内燃机的曲轴或其他可旋转轴来驱动。然而，真空泵会显著增加系统的成本和复杂度。因此，本领域对于致动特别是半载重汽车以及其他类型的商用车辆的涡流增压器系统中的减压阀的更简单的、成本效益更高的方法存在需求。
技术实现要素：
本申请所公开的阀组件包括减压阀和抽空装置。该抽空装置可以用来在减压阀的增压室内产生真空。由抽空装置产生的真空是将减压阀从关闭位置致动到打开位置的相对简单的、低成本的方法。
在一个方面中，本申请公开的阀组件包括抽空装置和减压阀。该抽空装置包括选择性地施加真空的抽吸端口。减压阀至少具有打开位置和关闭位置，并且包括入口、出口、在室内平移的活塞、以及增压室。活塞包括第一端和第二端。增压室与抽空装置的抽吸端口流体连接，并且部分地由活塞的第一端来限定。如果增压室被施加真空，则活塞在室内朝向打开位置平移。
在另一方面中，本申请公开了一种包括排气驱动式涡轮增压器的系统，该系统包括收容压缩空气的储存罐、选择性地打开以允许储存罐内的压缩空气流经其中的控制阀、抽空装置和减压阀。抽空装置流体连接控制阀和排气驱动式涡轮增压器的压缩机入口。抽空装置包括抽吸端口，如果控制阀打开，则抽吸端口施加真空。减压阀至少具有打开位置和关闭位置。减压阀与抽空装置流体连接。如果抽空装置施加真空，则减压阀被致动到打开位置。
附图说明
图1是带有减压阀和抽空装置的内燃机涡轮增压器系统一个实施例的流路和流向的示意图。
图2是图1所示的减压阀和抽空装置的示意图，其中减压阀处于关闭位置。
图3是图1所示的减压阀和抽空装置的示意图，其中减压阀处于打开位置。
图4是图1所示的抽空装置的示意图。
图5是图1所示的可变减压阀和抽空装置的可选实施例的示意图。
图6和图7是处于关闭位置的可变减压阀的一个实施例的图示。
图8是处于部分打开位置的图6所示的可变减压阀的图示。
图9是处于打开位置的图6所示的可变减压阀的图示。
具体实施方式
下面的具体实施方式将说明本发明的一般原理，其示例另外在附图中图示出。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件或功能相似的元件。
现在参考图1，图示了用于内燃机12的涡轮增压器系统10的示例性示意图。在一个实施例中，内燃机12是车辆1的压缩点火(“ci”)或柴油发动机，但是，应当理解的是同样可以使用其他类型的发动机，诸如火花塞点火(si)或汽油发动机。涡轮增压器系统10可以包括排气驱动式涡轮增压器(“edt”)20、涡轮机旁通阀或废气门26、和减压阀30，其中排气驱动式涡轮增压器(“edt”)20具有涡轮机部22和压缩机部24。edt20的排气壳体18包含涡轮32。涡轮32利用排气能并且通过共用轴34将排气能转换成机械做功以使压缩机轮35转动。压缩机轮35获取、压缩并馈送处于升高的操作压力下的空气到内燃机12的进气歧管36。
废气门26是用来对离开内燃机12的排气歧管40的排气体积37进行计量的控制阀，并且控制可用于为涡轮32供给动力的能量。废气门26通过打开与旁通管42连接的阀门(未示出)来工作。打开废气门26的阀门允许排气流动而远离涡轮32。因此，废气门26可以直接控制edt20的速度和内燃机12的进气歧管36的合成操作压力。废气门26可以具有任意数量的实施例，包括申请人的美国专利no.8,469,333中公开的实施例，该美国专利全文通过引用合并于本文中。
现在对edt20的操作进行说明。应理解的是，操作压力存在于edt压缩机入口50、内燃机12的进气歧管36和进气歧管管道52、内燃机12排气歧管40和进气歧管管道54、edt20的排气入口58和edt20的排气出口59中。具体地，edt压缩机入口50可以被限定为从进气系统60到压缩机部24的入口64的通路。内燃机12的进气歧管36可以被限定为edt压缩机排放口66与内燃机12的一个或多个进气阀68之间的通道。内燃机12的排气歧管40可以限定为一个或多个排气阀70与edt的排气入口58之间的通道。排气装置可以是位于edt20的排气出口59之后的任意通路。
储存罐86可以用于储存高压或压缩空气。辅助的空气压缩机(未示出)可用来供给位于储存罐86中的压缩空气。在一个实施例中，压缩空气可用来为车辆1上的空气制动器(未示出)供给动力。除了空气制动器之外，储存在空气罐86中的压缩空气还可以用于将压缩空气供给到抽空装置88，下面将更详细地说明。
减压阀30可以是位于edt20的压缩机部24的压缩机排气口66与内燃机12的进气歧管36之间的进气歧管管道52中的调节阀。在如图1所示的实施例中，减压阀30是与edt压缩机入口50流体连接且将压缩空气排回到edt压缩机入口50的压缩机再循环阀。然而，应当注意的是，在另一实施例中，涡轮增压器系统10同样可以使用排泄阀。排泄阀类似于压缩机再循环阀，但是通往大气，而不是排回到edt的压缩机入口。开/关或控制阀38可以与抽空装置88上游流体连接，并且用于选择性地允许储存罐86内的压缩空气流经抽空装置88。在一个实施例中，控制阀38可以是电磁阀。消声器或噪声衰减器89可以位于抽空装置88的下游，位于控制阀38与edt压缩机入口50之间。
高压管道90可以用来将储存罐86流体连接到抽空装置88。抽空装置88可以位于储存罐86与edt压缩机入口50之间。抽空装置88可以与控制阀38、减压阀30和edt压缩机入口50流体连通。抽空装置88可以是用于在减压阀30内产生真空的相对简单的、具有成本效益的方法。由抽空装置88产生的真空可用来将减压阀30致动到打开位置，如下文更详细说明的。在可选的实施例中，抽空装置88可以位于储存罐与大气之间。
在如图1所示的示例性实施例中，减压阀30可以与节流阀板80一起使用。在内燃机12的任意给定的操作范围内，edt20的轴34可以自转达到每分钟200,000转(rpm)。节流阀80的突然关闭不会立即将edt20的rpm减速。因此，该关闭造成了关闭的节流阀80与edt压缩机部24之间的通道(即，进气歧管管道52)中的压力的突然升高。减压阀30可用来释放或旁通由于节流阀80的突然关闭引起的比所需的大的压缩机输出压力。
当减压阀30打开时，edt20可以自由的自旋，从而保存edt20的惯性。如果减压阀30被略去，则一旦节流阀80关闭，edt20将失速或停止。该失速或停止会不利地影响edt的寿命和节流阀响应。本领域技术人员将理解的是，edt20应当自旋且准备好以便一旦节流阀板80打开就产生增压。减压阀30可以通过允许edt20自旋达到不具有压缩机负荷的速度(即，加速)来减少涡轮迟滞，因为一旦减压阀30打开就不存在反压。
在一个实施例中，减压阀30是可变减压阀。可变减压阀图示在图5中，也在下文中更详细地说明。可变减压阀可以允许仅仅旁通基本上防止压缩机浪涌所需的旁通量。压缩机浪涌可以被定义为，压缩机轮35之后的气压何时实际上高于压缩机轮35所能够维持的气压。该条件使得压缩机轮35中的气流阻塞，积聚压力，或者失速。因此，压缩机浪涌噪声大，影响了edt寿命，会降低涡轮增压器系统10的性能。
图2-3是减压阀30、控制阀38、抽空装置88、储存罐86、噪声衰减器89和控制器92的示意图。在一个实施例中，控制器92可以是发动机或动力系控制模块。发动机控制器可用来提供内燃机12(图1)的一个或多个功能的控制。控制器92可以与控制阀38进行信号通信。控制器92可以是指专用集成电路(asic)、电子电路、处理器(共享的、专用的或群组的)以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路、或者提供所描述的功能的其他合适组件。
减压阀30可以包括限定了入口端口102、出口端口104和增压室106的阀体100。在如图2-3所示的非限制性的实施例中，减压阀30的入口端口102与edt压缩机排放口66(图1)流体连接，出口端口104与edt压缩机入口50(图1)流体连接。减压阀30还可以包括活塞108、阀元件110和偏置元件112。阀体100还可以限定室120。在一个实施例中，室120可以为大致圆柱形的形状。活塞106可以包括第一端122和第二端124，并且可定尺寸为沿直线方向在阀体100的室120内平移。图2示出了阀30处于关闭位置，图3示出了阀30处于打开位置。具体地，活塞120可以在阀体100的室120内在打开位置和关闭位置之间平移或上下移动。虽然图2-3描述了室120作为阀体100的一体式部分(即，室120和阀体100是单一的、整体式的部分)，应当理解室120同样还可以是安装到减压阀30上的分离件。
在如图所示的非限制实施例中，阀元件110是包括阀杆130的提升阀。阀杆130包括第一端132和第二端134。阀杆130的第一端132可以连接到活塞108的第二端124，阀元件110的端头138可以位于阀杆130的第二端134处。参考图2，当减压阀处于关闭位置时，阀元件110的端头138可用来大致地密封或阻塞出口端口104。因此，阀元件110的端头138可以大致阻挡或防止流体从入口端口102流到出口端口104。如本文所使用的，流体可以包括任意液体、胶体、气体、等离子体或其组合。
当真空施加到减压阀30的增压室106中时，活塞108可以沿向上的方向移动且到达如图3所示的打开位置。当减压阀30处于打开位置时，阀元件110的端头138可以移离，不再阻塞或密封出口端口104。因此，当减压阀30处于打开位置时，流体可以从减压阀30的入口端口102流到出口端口104，而不会受到阀元件110的端头138导致的任何大的阻碍或阻塞。
转回到图2，偏置元件112可以包括第一端140和第二端142。偏置元件112的第一端140可以抵接活塞108的第一端122。偏置元件112的第二端142可以抵接减压阀30的帽146。偏置元件112可以对活塞106的第一端122施加偏置力。具体地，可以沿向下的方向且朝向减压阀30的出口端口104来施加偏置力。偏置力可用来防止：由于涡轮增压器系统10(图1)中的高的增压，导致活塞108在减压阀30的室120内平移到打开位置。在一个示例性的实施例中，偏置元件可以是压缩弹簧。
继续参考图2，帽146可以固定或以其他方式附接到减压阀30的阀体100。帽146可以限定开口150。帽146的开口150可用来将抽空装置88与减压阀30的增压室106流体连接。增压室106可以由帽146、室120的一部分以及活塞108的第一端122来限定。活塞108在室120内向上、朝向帽146平移的条件是：由偏置元件112作用于活塞108上的力与作用于活塞108的第一端122和第二端124上的压力差之和，大于由于减压阀30的入口端口102与出口端口104之间的压力差而使得施加到阀元件110的端头138上的力。控制阀38通常可处于关闭位置，从而防止来自储存罐86(图1)的压缩空气流经抽空装置88。然而，当控制阀38打开时，位于储存罐86内的压缩空气可以流经抽空装置88。压缩或高压空气流经抽空装置88的流动可产生真空。通过抽空装置88产生的真空可以连通到减压阀30的增压室106。当真空施加到减压阀30的增压室106中时，这降低了位于增压室106内的压力。增压室106内压力的降低产生了足以克服由偏置元件112施加的向下偏置力的力。这又将活塞108在阀体100的室120内向上推动，减压阀30现在处于如图3所示的打开位置。
一般地参考图1-3，如果内燃机12既不是运转中，又不是初始起动，则控制器92可以将控制信号发送到控制阀38以保持处于关闭位置，从而阻止来自储存罐86(图1)的压缩空气到达抽空装置88。控制器92监控内燃机12和涡轮增压器系统10的各种运转参数，以判定是否需要打开减压阀30。控制器92可以发送控制信号以将控制阀32致动到打开位置，从而允许位于储存罐86内的压缩空气流经抽空装置88且产生真空。如上所述，真空可用来将减压阀30致动到打开位置，如图3所示。
参考图2-4，抽空装置88产生了真空，通过使高压空气从储存罐86流经通路160，真空被提供给减压阀30的增压室106。抽空装置88的通路160可以大致延伸抽空装置88的长度，并且构造为产生文丘里效应。抽空装置88还可以包括：原动(motive)或高压端口162，其与来自储存罐86(图1)的高压空气流体连通；抽吸端口164，其与减压阀30的增压室106连接；以及抽空装置出口或低压端口166，其与所述噪声衰减器89连接。
参考图4，抽空装置88可以为大致“t型”且沿中心轴线a-a限定通路160。通路160可以包括第一锥形部或原动锥形体172，其与第二锥形部或排放锥形体174耦合。在如图所示的实施例中，第一锥形部172包括锥形的收敛轮廓，第二锥形部174包括发散轮廓。第一锥形部172和第二锥形部174可以端对端对齐，其中原动锥形体172的原动出口端176面对排放锥形体174的排放入口178，以限定位于它们之间的文丘里间隙180。此处所使用的文丘里间隙180是指原动出口端176与排放入口178之间的直线距离。在递交于2014年6月3日的、共同未决的美国专利申请no.14/294,727的图4-6中提供了抽空装置88的一些示例性的构造，该美国专利申请全文通过引用合并于本文中。
参考图1-4，在控制阀38打开时的操作期间，位于储存罐86内的压缩空气会进入抽空装置88的高压端口162。随着压缩空气流经高压端口162，压缩空气的速率会增加，其中高压端口162包括面积减小的收敛轮廓。这是因为流体力学定律指出：随着流体速率增大，静态压力减小。原动锥形体172的原动出口端176可以抵接文丘里间隙180。文丘里间隙180可以与抽吸端口164流体连接，文丘里间隙180将抽吸端口164中的压缩空气暴露于穿过高压端口162与低压端口166之间的空气中存在的相同静态压力，并且产生真空，真空被提供给减压阀30的增压室106。
在如上所述以及如图2-3所示的实施例中，减压阀30作为完全打开或者完全关闭的开/关阀工作。然而，在如图5所示的可选实施例中，可以提供可变减压阀30。图5是减压阀30、控制阀38、抽空装置88、储存罐86、控制器92、位置传感器202和通风阀204的示意图。位置传感器202和通风阀204，与控制器92进行信号通信。位置传感器202可以被设置成，当活塞108在关闭位置和打开位置之间被致动时，探测活塞108在阀体100的室120内的位置。在另一实施例中，通风阀204可以不连接到控制器92，而仅是与大气连通的简单的限制件。
位置传感器202可以是允许进行位置测量的任意设备。在一个实施例中，位置传感器202是基于活塞108在阀体100室120内的移动的相对位置传感器(位移传感器)。位置传感器202可以是电容换能器、涡流传感器、光栅传感器、霍尔效应传感器、电感非接触式位置传感器、激光多普勒振动计(光学)、线性可变差分变换器(lvdt)、多轴位移换能器、光电二极管阵列、压电换能器(压电)、电位计、接近度传感器(光学)、地震位移拾取器、弦丝电位计(也称为弦丝壶、弦丝编码器、电缆位置换能器)、或其组合。
在一个实施例中，位置传感器202是一种霍尔效应传感器，其包括感测磁体212的位移的芯片/霍尔效应位置传感器210。磁体212可以连接到活塞120，以便与其一起平移。具体地，磁体212可以安装到或者布置在活塞108内。芯片/霍尔效应位置传感器210可以位于阀体100内，充分接近以感测位于活塞108内的磁体212的移动，并且确定活塞108在阀体100的室120内的具体位置。在如图5所示的实施例中，芯片/霍尔效应位置传感器210水平定向在磁体212上方的位置上(即，相对于磁体212呈轴向)。在另一实施例中，芯片/霍尔效应位置传感器210可以竖直地定向在径向向外远离磁体212的位置上。
通风阀204可以与阀体100的增压室106流体连通，并且将增压室106与大气连通。通风阀204可用来排出或减小增压室106中的真空量。具体地，当控制阀38打开时，位于储存罐86内的压缩空气可以流经抽空装置88以产生真空。通风阀204可以用来改变位于增压室106内的真空量。改变增压室106中的真空量可以控制活塞108在阀体100的室120内的位置。换言之，基于施加到增压室106的预定真空量，活塞108可以位于多个部分打开位置中的任一个位置上。
在一个实施例中，施加到增压室106中的真空量可以利用脉宽调制(pwm)控制来改变。具体地，控制器92可以将电流信号发送给通风阀204。电流信号可用来调制通风阀204的关闭以及打开。电流信号的占空比被改变，从而将活塞108定位在阀体100室120内的部分打开位置中的一个上。
图6-9是可变减压阀310的示例性的可选图示。具体地，图6和图7是阀310处于关闭位置的图示，其中活塞312阻挡阀310的入口314与出口316之间的流动。图8是阀310处于部分打开位置的图示，并且图9是阀310处于完全打开位置的图示。在如图2-5所示的实施例中，提升阀可用来阻挡流。相反，阀310利用活塞312来阻挡在入口314与出口316之间的流体流动。参考图6，阀310可以包括活塞312、内壳体320、外壳体322、套管324、偏置元件326、位置传感器328和控制端口330。控制端口330可以与抽空装置88的抽吸端口164(图4所示)流体连接。阀310可以被承座在壳体340的室332内。
内壳体320和外壳体322可以相互配合以在它们之间形成空隙或空间。内壳体320与外壳体322之间的空隙可以限定增压室342。在如图所示的实施例中，活塞312的主体344还可以限定与位于内壳体320和外壳体322之间的空隙流体连接的空隙或室346。而且，内壳体320可以限定通路346和内室350。通路346可用来使内壳体320的内室350与阀310的增压室342流体连接。在如图所示的实施例中，内壳体320的内室350可以为大致柱形，并且构造为接收活塞312的对应的突起352。活塞312的突起352也可以为大致柱形。套管324可以被放置在内壳体320的内室350的内表面360与活塞312的突起352的外表面362之间。活塞312的突起352可以为中空的，以便在其中限定大致柱形的空隙或空腔364。
在如图所示的实施例中，活塞312的空隙364可以接收位置传感器328的磁体366。芯片/霍尔效应位置传感器368可以沿着内壳体322的上表面369来放置。位置传感器368可以用来当活塞320在壳体340内关于内壳体322的上表面369上下平移时感测磁体366的位移。
控制端口330可以与增压室342流体连通，使得来自抽空装置88(图4)的真空可以经由控制端口330供给到增压室342。具体地，随着真空施加到阀310的增压室342，活塞312可以在壳体340内沿向上的方向平移，并到达部分打开位置(图8所示)或者到达完全打开位置(图9所示)。
在如图所示的非限制的实施例中，偏置元件326是盘簧。偏置元件326可以包括第一端370和第二端372。偏置元件326的第一端370可以承座于由内壳体320限定的台肩374。同样，偏置元件326的第二端372可以承座于活塞312限定的台肩376。偏置元件326可以抵靠活塞312的第一端378来施加偏置力。具体地，偏置力可以沿向下的方向、朝向减压阀310的入口端口314施加。类似于如上所述的以及图2-5所示的实施例，偏置力可用来防止活塞312由于涡流增压器系统10(图1)中的高的增压而在壳体340内平移并到达打开位置。
第一密封件380可以由沿着活塞312的外表面384定位的环状凹槽382来接收。具体地，第一密封件380可以位于活塞312的第一端378处。第一密封件380可以为例如o形圈。第一密封件380可以抵接阀310的入口314的开口384。当阀310处于关闭位置时，第一密封件380可用来提供活塞312与壳体340之间的大致流体紧密封。第二密封件390可以由沿着活塞312的外表面384定位的环状凹槽392来接收。第二密封件390也可以是o形圈，并且位于活塞312的第二端394处。第二密封件390被构造成，当活塞312在壳体340内平移时，提供活塞312与外壳体320的内表面396之间的密封。
大体参考附图，公开的抽空装置可用来向减压阀提供真空。当前可用的一些其他类型的系统可以使用真空泵来供给致动减压阀所需的真空。真空泵可由电动机或者由内燃机的曲轴来驱动。抽空装置提供用于将真空供给给减压阀的相对简单的、低成本的可选方案。
在附图中显示的以及上文描述的本发明的实施例是可以在随附权利要求的范围内实现的若干实施例的示范例。可构思的是，利用所公开的方式方法来产生本申请的若干其他构造。简言之，申请人希望，本申请公开的专利的范围仅由随附权利要求的范围来限定。