ВСТРОЕННЫЙ КЛАПАН

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к клапану для регулирования течения выхлопных газов в турбине турбонагнетателя двигателя.
Уровень техники
Турбонагнетатели используются в двигателях для увеличения отношения выходной мощности к весу двигателя. Однако, при определенных условиях работы двигателю может и не требоваться максимальный наддув от турбонагнетателя. Например, максимальный наддув может быть нежелательным, когда двигатель работает при условиях, ограниченных детонацией. Поэтому, в зависимости от условий работы двигателя можно осуществлять регулирование величины наддува, который обеспечивает турбонагнетатель.
Из уровня техники известен выпускной клапан (US 5908047 А, 01.06.1999), содержащий заслонку, выполненную с возможностью перекрытия перепускного трубопровода турбины и впускного трубопровода турбины. Известное решение раскрывает способ ограничения наддува турбонагнетателя, заключающийся в ограничении посредством заслонки перепускного клапана. Путем регулирования положения перепускной заслонки можно пускать часть энергии отработавших газов в обход турбонагнетателя, и тем самым ограничивать наддув.
Однако при некоторых условиях работы может быть непросто активировать перепускную заслонку, чтобы ограничить наддув. Например, при пониженных давлениях наддува и пониженных давлениях отработавших газов, имеющегося давления может быть недостаточно, чтобы пересилить пружину, которая смещает заслонку. Вследствие этого, по существу вся энергия отработавших газов направляется в турбонагнетатель. Так может оказаться, что работу турбонагнетателя невозможно ограничить желаемым образом по причине различных конструктивных ограничений самого турбонагнетателя, перепускного трубопровода и схемы клапана. А когда турбонагнетатель работает в холодном двигателе, компоненты могут изнашиваться быстрее, чем хотелось бы, поскольку выхлопные газы вращают компоненты, а смазка при этом может быть не столь эффективной, как требуется. Поэтому, при определенных условиях работы может требоваться ограничение наддува, например, при запуске холодного двигателя. Для существенного ограничения работы турбонагнетателя при определенных условиях, таких, как во время запуска, также были разработаны перепускные клапаны компрессора, предназначенные для использования совместно с перепускной заслонкой.
Установлено, что встраивание в турбонагнетатель обоих элементов - и перепускной заслонки, и перепускного клапана, связано с определенными недостатками. Например, когда оба указанных элемента встроены в систему турбонагнетателя, могут увеличиваться затраты на разработку, изготовление и ремонт изделия. Кроме того, при увеличении сложности турбонагнетателя может возрастать вероятность износа компонентов.
Раскрытие полезной модели
В настоящем описании рассмотрены примеры различных систем и подходов, как таковых. Согласно одному из вариантов, предусмотрен выпускной клапан, содержащий первую заслонку, выполненную с возможностью перекрытия первой части перепускного трубопровода турбины и первой части впускного трубопровода турбины. Выпускной клапан также содержит вторую заслонку, выполненную с возможностью перекрытия второй части перепускного трубопровода турбины и второй части впускного трубопровода турбины. Перепускной трубопровод турбины оказывается по существу перекрытым, когда первая заслонка и вторая заслонка вместе устанавливаются в первой плоскости. Выпускной клапан также содержит узел привода, выполненный с возможностью независимого регулирования положения первой и второй заслонок.
Таким образом, при определенных условиях работы двигателя турбонагнетатель можно по существу исключать из работы, а при других условиях расход через турбонагнетатель можно регулировать дроссельным способом. Таким образом, при помощи клапана можно увеличить к.п.д. двигателя в широком диапазоне условий его работы.
Следует понимать, что содержащиеся в данном разделе сведения приведены с целью ознакомления в упрощенной форме с некоторыми идеями, которые далее рассмотрены в описании подробно. Данный раздел не ставит целью ограничения идеи полезной модели, и не предназначен для формулирования ключевых или существенных признаков, которые изложены в пунктах формулы. Более того, объект полезной модели не ограничен вариантами осуществления, которые решают проблемы недостатков, упомянутых в данном описании.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает схему двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.2 схематически изображает турбину и клапан, входящие в состав турбонагнетателя двигателя, показанного на фиг.1.
Фиг.3 в сечении изображает клапан, показанный на фиг.2.
Фиг.4 схематически изображает пассивный исполнительный механизм, который может быть связан с клапаном, показанным на фиг.2.
Фиг.5 представляет еще одно схематическое изображение клапана фиг.2 в различных состояниях.
Фиг.6 иллюстрирует способ работы клапана в двигателе.
Осуществление полезной модели
В настоящем описании рассмотрены примеры различных систем и подходов, направленных на улучшение работы двигателя с турбонаддувом. Согласно одному варианту осуществления, предусмотрен клапан, расположенный в перепускном трубопроводе турбины двигателя, при этом у турбины имеется и впускной трубопровод. Клапан содержит первую заслонку, выполненную с возможностью перекрытия части перепускного трубопровода турбины в своем первом положении, и перекрытия части впускного трубопровода турбины в своем втором положении, а также вторую заслонку, выполненную с возможностью перекрытия части перепускного трубопровода в своем первом положении и части впускного трубопровода турбины во втором своем положении. Клапан также содержит узел привода, выполненный с возможностью независимого регулирования положения первой и второй заслонки.
Таким образом, за счет одного клапана можно получать различные величины потоков через перепускной трубопровод турбины. Кроме того, работу турбины можно по существу прекращать, не создавая при этом чрезмерного увеличения противодавления в выхлопной системе, и тем самым, увеличивать к.п.д. двигателя. Таким образом, при помощи одного клапана можно осуществлять регулирование турбонагнетателя, чтобы получать определенные величины наддува двигателя в широком диапазоне условий его работы, и при этом уменьшить сложность турбонагнетателя. Так указанный клапан можно использовать в качестве перепускной заслонки, чтобы дроссельным способом регулировать газовый поток, проходящий через перепускной трубопровод турбины, а также обеспечивать полное включение перепуска, чтобы по существу прекращать наддув, не вызывая существенного увеличения противодавления в системе выпуска отработавших газов.
Согласно фиг.1, двигатель 10 внутреннего сгорания, содержащий несколько цилиндров, один из которых показан на фиг.1, управляется электронным контроллером 12. Двигатель 10 содержит камеру 30 сгорания со стенками 32 цилиндра и расположенным внутри цилиндра поршнем 36, который соединен с коленчатым валом 40. Показано, что камера 30 сгорания сообщается с впускным коллектором 44 и выпускным коллектором 48 через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. Каждый из клапанов - впускной и выпускной -может быть приведен в действие при помощи кулачка 51 впуска и кулачка 53 выпуска. В ином варианте, один или более впускных и выпускных клапанов могут приводиться в действие электромагнитом, состоящим из катушки и сердечника. Положение кулачка 51 впуска может быть определено его датчиком 55. Положение кулачка 53 выпуска может быть определено его датчиком 57.
Между впускным клапаном 52 и трубой воздухозаборника 42 показан впускной коллектор 44. Топливо доставляется к топливной форсунке 66 посредством топливной системы (не показана), содержащей топливный бак, топливный насос и топливную рейку (не показана). Двигатель 10 (фиг.1) выполнен таким образом, что топливо вводится непосредственно в цилиндр двигателя, что известно специалистам, как «прямой впрыск». Топливная форсунка снабжается рабочим током от драйвера 68 (усилителя), который реагирует на команды контроллера 12. Кроме того, показано, что впускной коллектор 44 сообщается с электроуправляемым дросселем 62, содержащим дроссельную шайбу 64. В одном варианте может быть использована система прямого впрыска низкого давления, в которой давление топлива может увеличиваться, приблизительно, до 20-30 бар. В другом варианте, для создания более высоких значений давления топлива может быть использована двухступенчатая топливная система высокого давления. Дополнительно, или как вариант, топливная форсунка может быть расположена перед впускным клапаном 52, так чтобы ввод топлива происходил во впускной коллектор, что известно специалистам, как «впрыск во впускной канал».
Система 89 зажигания, построенная без распределителя, обеспечивает в камере 30 сгорания искру зажигания посредством искровой свечи 92 в ответ на команды контроллера 12. К выпускному коллектору 48 перед каталитическим нейтрализатором 70 присоединен универсальный датчик содержания кислорода в отработавших газах (UEGO, Universal Exhaust Gas Oxygen). В другом варианте, вместо датчика 126 UEGO может быть использован кислородный датчик с двумя состояниями.
Нейтрализатор 70 может содержать несколько блок-носителей катализатора. В другом варианте, может быть использовано несколько устройств для снижения токсичности отработавших газов, каждое из которых содержит несколько блок-носителей катализатора. В одном из вариантов нейтрализатор 70 может представлять собой трехходовой каталитический преобразователь.
На фиг.1, контроллер 12 изображен в виде стандартного микрокомпьютера, содержащего: микропроцессорное устройство 102 (CPU, Central Processor Unit), порты 104 ввода/вывода (I/O, Input/Output), постоянное запоминающее устройство 106 (ROM, Read-only Memory), оперативное запоминающее устройство 108 (RAM, Random Access Memory), энергонезависимое запоминающее устройство 110 (КАМ, Keep Alive Memory) и стандартную шину данных. Показано, что контроллер 12 принимает различные сигналы от датчиков, связанных с двигателем 10, дополнительно к тем сигналам, о которых говорилось выше, включая: сигнал ЕСТ температуры хладагента двигателя (Engine Coolant Temperature) от датчика 112, связанного с рубашкой 114 охлаждения; сигнал датчика 134 положения, связанного с педалью 130 акселератора, для измерения усилия, прикладываемого со стороны ноги 132; сигнал MAP абсолютного давления в коллекторе двигателя (Manifold Absolute Pressure) от датчика 122, связанного с впускным коллектором 44; сигнал PIP положения двигателя (Profile Ignition Pick-up) от датчика 118 на эффекте Холла, регистрирующего положение коленчатого вала 40; сигнал MAF измерения массы воздуха, поступающей в двигатель (Mass Air Flow), от датчика 120; и сигнал ТР положения дроссельной заслонки (Throttle Position) от датчика 58. Может также производиться измерение барометрического давления (датчик не показан) для обработки контроллером 12. В предпочтительном варианте осуществления датчик 118 положения двигателя вырабатывает установленное число равноотстоящих импульсов на каждый оборот коленчатого вала, из чего может быть определена частота RPM вращения вала двигателя (Revolutions per Minute).
В процессе работы каждый цилиндр двигателя 10 обычно совершает четырехтактный цикл. Цикл включает в себя такт (ход) впуска, такт сжатия, такт расширения и такт выпуска. На такте впуска, как правило, выпускной клапан 54 закрыт, а впускной клапан 52 открыт.Воздух поступает в камеру 30 сгорания через впускной коллектор 44, а поршень 36 перемещается на дно цилиндра, так чтобы произошло увеличение объема камеры 30 сгорания. Положение, при котором поршень 36 в конце своего хода (т.е., когда камера 30 сгорания имеет максимальный объем) находится вблизи дна цилиндра, специалисты обычно называют нижней мертвой точкой BDC (Bottom Dead Center). Во время такта сжатия впускной клапан 52 и выпускной клапан 54 закрыты. Поршень 36 перемещается в сторону головки цилиндра, так чтобы произошло сжатие воздуха в камере 30 сгорания. Точку, в которой поршень 36 в конце своего хода (т.е., когда камера 30 сгорания имеет минимальный объем) находится вблизи головки цилиндра, специалисты обычно называют верхней мертвой точкой TDC (Top Dead Center). Затем в ходе процесса, который называют впрыском, топливо вводится в камеру сгорания. Далее в ходе процесса, который называют зажиганием, производится воспламенение введенного топлива известными средствами, такими как искровая свеча 92, что приводит к сгоранию топлива. Во время такта расширения расширяющиеся газы толкают поршень 36 обратно в сторону BDC. Коленчатый вал 40 преобразует движение поршня в крутящий момент вращающегося вала. Наконец, во время такта выпуска, выпускной клапан 54 открывается, чтобы вывести продукты сгорания воздушно-топливной смеси в выпускной коллектор 48, при этом поршень 36 возвращается в TDC. Следует отметить, что вышеуказанные процессы описаны примерно, и что временные диаграммы открывания и/или закрывания впускного и выпускного клапанов могут меняться, например, чтобы обеспечить положительное или отрицательное перекрытие состояний клапанов во времени, позднее закрывание впускного клапана или другие различные варианты работы.
Двигатель 10 может дополнительно иметь в своем составе турбонагнетатель 85, содержащий компрессор 80, расположенный во впускном коллекторе 44 и связанный с турбиной 82, расположенной в выпускном коллекторе 48. Приводной вал 84 может соединять компрессор с турбиной. Таким образом, турбонагнетатель 85 может содержать компрессор 80, турбину 82 и приводной вал 84. Выхлопные газы можно направлять через турбину, приводя в движение узел ротора, который в свою очередь вращает приводной вал. Приводной вал в свою очередь вращает рабочее колесо, которое входит в состав компрессора и выполнено с возможностью увеличения плотности воздуха, подаваемого в камеру 30 сгорания. Таким образом, может быть увеличена мощность на выходе двигателя. Вход и выход турбины 82 могут быть соединены перепускным трубопроводом 86. В точке соединения перепускного трубопровода 86 турбины и выпускного коллектора 48 может быть расположен клапан 88. Указанный клапан может быть выполнен с возможностью регулирования газового потока через перепускной трубопровод турбины. Система и соответствующие компоненты, представленные на фиг.1, изображены схематически.
На фиг.2 изображен пример турбины 82, перепускного трубопровода 86 турбины и клапана 88. Видно, что перепускной трубопровод 86 турбины присоединен к точке перед впускным отверстием 204 турбины и к точке после выпускного отверстия 206 турбины. А именно, отработавшие газы двигателя из выпускного коллектора 48, прежде чем попасть в коллектор 280 для выхлопных газов, могут войти во впускное отверстие 204 турбины или пройти в обход по перепускному трубопроводу 86. Таким образом, отработавшие газы могут либо проходить через турбину 82, либо идти в обход турбины.
Когда турбина 82 находится в работе, отработавшие газы двигателя могут поступать к рабочему колесу 208 турбины, которое, в свою очередь, вращает приводной вал 84. Следует понимать, что приводной вал 84 может быть связан с компрессором 80, изображенным на фиг.1. Таким образом, отработавшие газы могут использоваться для создания энергии вращательного движения, которая приводит в движение компрессор (например, элемент 80 на фиг.1), увеличивая тем самым давление во впускном коллекторе (например, в элементе 44 на фиг.1), чтобы увеличить выходную мощность и/или к.п.д. двигателя 10. Другими словами, турбонагнетатель можно приводить в действие для обеспечения наддува двигателя.
Далее, согласно фиг.2, в месте соединения выпускного коллектора 48 и перепускного трубопровода 86 турбины, у которого имеется ось 260, расположен клапан 88. В некоторых примерах, площадь поперечного сечения перепускного трубопровода турбины (взятого перпендикулярно оси 260) больше или равна площади поперечного сечения выпускного коллектора 48 (взятого перпендикулярно оси 262 выпускного коллектора). Таким образом, отработавшие газы могут быть направлены в обход турбины 82 без существенного увеличения противодавления в выхлопной системе. Как будет сказано ниже согласно фиг.3, клапан 88 может содержать первую заслонку и вторую заслонку. Первую и вторую заслонки можно регулировать независимо для изменения течения выхлопных газов через перепускной трубопровод 86 турбины и через саму турбину 82.
На фиг.3 в сечении показана часть клапана 88. Клапан 88 содержит первую перекрывающую заслонку 300 и вторую перекрывающую заслонку 302. Перекрывающие заслонки расположены в перепускном трубопроводе 86 турбины, у которого имеется стенка 304. Видно, что, когда первая и вторая перекрывающие заслонки 300 и 302 расположены в одной плоскости, одна из указанных заслонок оказывается вложенной в кольцо другой заслонки. Например, вторая заслонка охватывает первую заслонку, когда заслонки занимают одно и то же угловое положение относительно оси 260 перепускного трубопровода 86 турбины, изображенного на фиг.2, или относительно оси впускного отверстия турбины. Однако, следует понимать, что в других вариантах заслонки 300 и 302 могут и не иметь конструкцию, при которой одна заслонка вложена в кольцо, образованное другой заслонкой. Например, каждая из заслонок - первая и вторая - может иметь форму полумесяца, так чтобы каждая могла перекрывать часть впускного отверстия турбины и перепускного трубопровода турбины.
Первая и вторая перекрывающие заслонки 300 и 302 трубопровода могут быть установлены в одной плоскости. Когда каждая из заслонок 300 и 302 расположена перпендикулярно оси 260, заслонки по существу блокируют сечение перепускного трубопровода 86 турбины. Таким образом, когда первая заслонка и вторая заслонка вместе расположены в первой плоскости, перепускной трубопровод турбины по существу заблокирован. В каких-то вариантах осуществления указанная первая плоскость может быть перпендикулярна перепускному трубопроводу турбины. Течение выхлопных газов через перепускной трубопровод 86 турбины может быть по существу заблокировано. Аналогично, когда обе перекрывающие заслонки трубопровода расположены перпендикулярно оси 262, они по существу перекрывают участок выпускного коллектора 48, который ведет к впускному отверстию 204 турбины. Таким образом, первая и вторая заслонки по существу блокируют впускной трубопровод турбины, когда первая заслонка и вторая заслонка вместе расположены во второй плоскости. В каких-то вариантах осуществления указанная вторая плоскость может быть перпендикулярна впускному трубопроводу турбины. Таким образом, течение газов через турбину 82 может быть по существу заблокировано. Первая перекрывающая заслонка 300 связана с первой приводной осью 306. Аналогично, вторая перекрывающая заслонка 302 связана со второй приводной осью 308. Каждая из заслонок 300, 302 поворачивается на соответствующей приводной оси 306, 308. Как показано на фигуре, первая и вторая приводные оси совмещены в одном узле. В частности, первая приводная ось по меньшей мере частично заключена во вторую приводную ось. Однако, возможны и другие конструкции приводных осей. Кроме того, в других примерах могут быть применены иные механизмы, обеспечивающие движение соответственно первой и второй заслонки. Например, конструкция может предусматривать движение заслонок параллельно оси 260, изображенной на фиг.2. Кроме того, вторая заслонка может осуществлять уплотнение, прилегая к радиальному внутреннему выступу стенки 304 перепускного трубопровода турбины. Таким образом, при определенных условиях работы двигателя, течение выхлопных газов через перепускной трубопровод турбины может быть существенно уменьшено или ограничено (включая полную блокировку течения). Ниже более подробно будут рассмотрены различные конструкции клапанов и схем управления клапанами.
Конструкция узла 310 привода может предусматривать независимое регулирование положения заслонок 300 и 302. Узел 310 привода может быть связан с первой и второй заслонками 300 и 302. Как показано, узел 310 привода связан с первой и второй заслонками соответственно через первую и вторую приводную ось 306 и 308. Однако, в других вариантах осуществления узел привода может быть связан с заслонками посредством иных подходящих механизмов. Например, узел 310 привода может быть выполнен с возможностью перемещения перекрывающих заслонок в направлении параллельном оси 260, изображенной на фиг.2, чтобы, как говорилось ранее, регулировать количество выхлопных газов, протекающее через перепускной трубопровод турбины.
Для регулирования положения первой и второй заслонок 300 и 302 могут быть использованы различные подходящие приводы. Так, узел привода 310 может включать в себя пассивный исполнительный механизм 312 и/или активный исполнительный механизм 314. Следует понимать, что для регулирования положения первой и второй перекрывающих заслонок 300 и 302 могут быть приспособлены как пассивные, так и активные исполнительные механизмы. Таким образом, может быть обеспечено регулирование количества отработавших газов, проходящее через перепускной трубопровод 86 турбины. Ниже более подробно будут рассмотрены различные конструкции систем в отношении построения привода и способа управления клапаном 88.
На фиг.4 изображен пример пассивного исполнительного механизма 312, который в некоторых вариантах конструкций может быть использован для управления положением по меньшей мере одной из перекрывающих заслонок 300 и 302, входящих в состав клапана 88. Пассивный исполнительный механизм 312 может быть выполнен с возможностью регулирования количества газа, протекающего через перепускной трубопровод 86 турбины, изображенный на фиг.3, в зависимости от температуры автомобиля (например, температуры двигателя). Поэтому, в каких-то примерах, увеличение температуры двигателя может приводить к снижению количества газа, протекающего через перепускной трубопровод 86 турбины (см. фиг.3) и наоборот. Другими словами, степень блокирования перепускного трубопровода турбины, которую обеспечивает клапан, может увеличиваться при увеличении температуры двигателя.
Согласно фиг.4, пассивный исполнительный механизм 312 может содержать поршень или диафрагму 402, связанную со штоком 404. С диафрагмой 402 может быть функционально связана пружина 406 для создания сопротивления движению диафрагмы или поршня. Пассивный исполнительный механизм 312 может также содержать жидкостную камеру 408 с впускным отверстием 410 для жидкости. Диафрагма 402 образует границу жидкостной камеры 408. Рабочей жидкостью в пассивном исполнительном механизме может служить любая подходящая жидкость, например, масло из системы смазки двигателя. Шток 404 может быть связан с осью 306 и/или с осью 308, изображенными на фиг.3.
Следует понимать, что жидкость в данном пассивном исполнительном механизме может расширяться или сокращаться при увеличении или уменьшении температуры двигателя. Поэтому, в процессе работы двигателя жидкость в камере 408 может усиливать или ослаблять свое давление на диафрагму 402, так что диафрагма 402 будет совершать перемещение в горизонтальном направлении. Таким образом, диафрагма 402 выполнена с возможностью менять свое положение в ответ на колебания температуры двигателя. Если в качестве рабочей жидкости в пассивном исполнительном механизме 312 используется масло из системы смазки двигателя, то от температуры этого масла может зависеть давление масла, создаваемое двигателем. Холодное масло является причиной высокого давления в масляной системе двигателя, в то время как горячее масло создает низкое давление в масляной системе двигателя. При некоторых условиях работы, например, при запуске холодного двигателя, может быть желательно, чтобы поток выхлопных газов полностью шел в обход турбины, и поэтому пассивный исполнительный механизм 312 может быть выполнен с надлежащим диаметром диафрагмы и усилием пружины, чтобы открывать клапан 88 при определенном давлении масла (например, высоком давлении масла). Для пояснения принципа пассивного регулирования в рассмотрение вводятся горизонтальная и поперечная оси, причем пассивный исполнительный механизм 312 при его установке в двигатель 10 (фиг.1) может быть ориентирован различными способами. Когда диафрагма перемещается в горизонтальном направлении, шток 404 также перемещается в горизонтальном направлении. В свою очередь, горизонтальное перемещение штока 404 может вызывать вращение оси 306 и/или 308. Вращение оси 306 и/или 308 может приводить к изменению положения первой и/или второй заслонок 300 и 302, изображенных на фиг.2. Поэтому, шток 404 может перемещаться в горизонтальном направлении в положительную сторону, когда температура жидкости в жидкостной камере 408 возрастает. Такое перемещение приводит к изменению положения первой и/или второй заслонок. Впоследствии давление в жидкостной камере 408 уменьшается, и пружина 406 создает на диафрагме 402 возвращающее усилие, когда температура или давление рабочей жидкости уменьшаются. В результате, диафрагма 402 и шток 404 перемещаются горизонтально в противоположную сторону, когда температура рабочей жидкости уменьшается. Следует понимать, что свойства элементов пассивного исполнительного механизма 312 можно выбирать исходя из требуемой температуры или давления срабатывания клапана. Например, конструкция пассивного исполнительного элемента может предусматривать изменение положения заслонки в перепускном трубопроводе турбины, когда температура двигателя превышает первое пороговое значение. Конструкция пассивного исполнительного элемента может также предусматривать изменение положения заслонки во впускном отверстии турбины, когда температура двигателя находится ниже второго порогового значения. Таким образом, в зависимости от температуры двигателя пассивный исполнительный механизм 312 может приводить в действие по меньшей мере одну из заслонок 300, 302 (см. фиг.3). Следует понимать, что может быть использовано большое число подходящих пассивных исполнительных механизмов различной механической конструкции, а пассивный исполнительный механизм 312 (фиг.4) по сути является лишь примером. Пассивный исполнительный механизм, например, может состоять из биметаллической пружины. Когда для регулирования положения одной или более заслонок используется пассивный исполнительный механизм, стоимость автомобиля может быть уменьшена, благодаря малому количеству используемых компонентов. Кроме того, по сравнению с активными приводами, содержащими электронный контроллер, может быть уменьшена вероятность ухудшения характеристик компонентов при работе двигателя.
В некоторых вариантах, для регулирования положения первой заслонки 300 и второй заслонки 302 могут быть предусмотрены два отдельных исполнительных механизма. Например, первый пассивный исполнительный механизм может быть связан с первой заслонкой, а второй пассивный исполнительный механизм может быть связан со второй заслонкой.
Когда используются два пассивных исполнительных механизма, каждый механизм может быть выполнен с возможностью регулирования положения клапана в зависимости от различных температур или давлений. Например, конструкция первого пассивного исполнительного механизма, связанного с первой заслонкой, может предусматривать установку первой заслонки в положение перпендикулярно оси 260 (фиг.2), когда температура двигателя или давление превышает первое пороговое значение. Кроме того, может быть предусмотрено, что второй пассивный исполнительный механизм, связанный со второй заслонкой, устанавливает указанную заслонку по существу перпендикулярно оси 260, когда температура или давление двигателя превышают второе пороговое значение, причем второе пороговое значение отличается от первого порогового значения (например, больше первого). Также, конструкция первого пассивного исполнительного механизма может предусматривать установку первой заслонки в положение перпендикулярно оси 262, когда температура или давление двигателя находятся ниже третьего порогового значения, а конструкция второго пассивного исполнительного механизма может предусматривать установку второй заслонки в положение по существу перпендикулярно оси 262, когда температура или давление двигателя находятся ниже четвертого порогового значения. В некоторых примерах исполнения, третья и четвертая пороговые температуры или давления не равны между собой.
Управляющие механизмы 312 и 314 могут быть связаны так, что один исполнительный механизм, который может быть пассивным, приводит в движение и основную (первую) и вспомогательную (вторую) заслонки, а второй исполнительный механизм приводит в действие только вспомогательную заслонку. Это можно осуществить при помощи диска 310, у которого имеется отверстие, через которое исполнительный механизм 314 может передавать движение. Исполнительный механизм основной заслонки мог бы представлять собой пассивное температурно-чувствительное устройство, а исполнительный механизм вспомогательной заслонки при этом мог бы быть активным пропорциональным регулятором положения.
В других вариантах осуществления, первый активный привод может быть связан с первой заслонкой 300, а второй активный привод может быть связан со второй заслонкой 302. Конструкция каждого из активных приводов может предусматривать изменение положения соответствующей заслонки по сигналам контроллера, например, контроллера 12 (фиг.1 и 2). Таким образом, активные приводы могут осуществлять регулирование клапана 88 в соответствии с хранящейся в памяти программой управления. Контроллер, например, может быть включен в состав узла привода.
В каких-то других вариантах, первая заслонка 300 может быть связана с активным приводом, а вторая заслонка 302 может быть связана с пассивным исполнительным механизмом, или наоборот.
Как говорилось выше, управление клапаном 88 может быть активным, пассивным или комбинированным (активным и пассивным). Независимо от типа привода, который используется для регулирования клапана 88, изменение положения каждой заслонки 300 и 302 может осуществляться независимо. Таким образом, первая заслонка 300 может быть выполнена с возможностью перекрытия части перепускного трубопровода турбины в своем первом положении, и перекрытия части впускного отверстия турбины в своем втором положении. Далее, вторая заслонка 302 может быть выполнена с возможностью перекрытия части перепускного трубопровода турбины в своем первом положении, и перекрытия части впускного отверстия турбины в своем втором положении. Кроме того, может быть предусмотрена возможность установки первой заслонки в ряд дополнительных положений, при которых впускное отверстие 204 турбины или перепускной трубопровод 86 турбины оказываются перекрытыми первой заслонкой частично. Аналогичным образом, может быть предусмотрена возможность установки второй заслонки в ряд дополнительных положений, при которых впускное отверстие 204 турбины или перепускной трубопровод 86 турбины оказываются перекрытыми второй заслонкой частично. Узел 310 привода может быть выполнен с возможностью независимой установки первой и второй заслонок в любое из вышеупомянутых положений.
Фиг.5 схематически изображает клапан 88 и ряд различных его состояний. В первом состоянии, которое показано на местном виде 510, первая и вторая заслонки расположены так, что проход для выхлопных газов в турбину 82 по существу закрыт.Таким образом, действие турбонагнетателя может быть существенно ограничено (т.е. в двигателе 10 имеет место или слабый наддув или вообще наддув отсутствует). Клапан может быть переведен в первое состояние в условиях малой нагрузки, например, когда обороты и/или температура двигателя находятся ниже порогового значения, или попадают в установленный рабочий интервал значений. Точнее, в некоторых вариантах, клапан 88 может быть переведен в первое состояние во время пуска двигателя (например, холодного запуска). Холодный запуск характеризуется тем, что температура двигателя при запуске равна пороговой температуре или ниже пороговой. В некоторых случаях, пороговая температура может соответствовать наружной температуре. Таким образом, работа турбонагнетателя может быть ограничена во время холодного запуска, и тем самым снижена вероятность износа турбонагнетателя, который мог бы быть вызван движением механических элементов в условиях низкой температуры, когда смазка может иметь пониженную эффективность.
Во втором состоянии, которое показано на местном виде 512, первая и вторая заслонки 300 и 302 расположены так, что проход для выхлопных газов в перепускной трубопровод 86 турбины существенно ограничен. Таким образом, большая часть отработавших газов может быть направлена в турбину 82. Следовательно, второе состояние может быть использовано, когда двигателю требуется задать максимальный наддув, например, в условиях высоких нагрузок, когда температура двигателя находится выше порогового значения, или обороты двигателя и/или температура находятся выше порогового значения.
В третьем состоянии, которое показано на местном виде 514, первая и вторая перекрывающие заслонки находятся в перепускном трубопроводе турбины, причем первая заслонка ориентирована так, чтобы частично перекрывать поток газа, поступающий в перепускной трубопровод 86 турбины. Другими словами, чтобы уменьшить величину газового потока, проходящего через перепускной трубопровод турбины, вторую перекрывающую заслонку можно установить по существу перпендикулярно оси 260 перепускного трубопровода турбины, а первую перекрывающую заслонку можно установить под острым углом относительно оси перепускного трубопровода турбины. Поэтому, для изменения количества газа, подаваемого в турбину, а, следовательно, изменения степени наддува двигателя, можно регулировать положение первой заслонки (непрерывно или дискретно) аналогично использованию стандартной перепускной заслонки. Таким образом, можно осуществлять регулирование в небольших пределах в целях увеличения уровня наддува в двигателе при множестве рабочих условий. Другими словами, первая заслонка может быть использована в качестве перепускной заслонки или дроссельной заслонки для управления количеством газа, подаваемого в турбину, и, следовательно, наддувом, который обеспечивается в двигателе. Конструкции на фиг.2-5 изображены не в масштабе.
Изображенные на фиг.2-5 турбина 82, перепускной трубопровод 86 турбины и клапан 88 обуславливают идею выпускного клапана, содержащего первую заслонку, выполненную с возможностью перекрытия первой части перепускного трубопровода турбины и первой части впускного трубопровода турбины, и вторую заслонку, выполненную с возможностью перекрытия второй части перепускного трубопровода турбины и впускного трубопровода турбины, причем перепускной трубопровод турбины находится по существу в полностью перекрытом состоянии, когда первая заслонка и вторая заслонка вместе расположены в первой плоскости. Выпускной клапан может также находиться в состоянии, при котором первая заслонка и вторая заслонка по существу перекрывают впускной трубопровод турбины, когда первая заслонка и вторая заслонка вместе расположены во второй плоскости. В некоторых вариантах осуществления, первая заслонка выпускного клапана может вкладываться в кольцо второй заслонки, когда первая и вторая заслонки расположены в первой плоскости или во второй плоскости. Конструкция, при которой одна заслонка вкладывается в другую, дает возможность заслонкам двигаться независимо, и поддерживать круговое сечение потока выхлопных газов.
Далее, в некоторых вариантах первая плоскость может быть перпендикулярна перепускному трубопроводу турбины, а вторая плоскость может быть перпендикулярна впускному трубопроводу турбины. В некоторых вариантах каждая из заслонок - первая и вторая - может поворачиваться на одной приводной оси. Выпускной клапан может быть выполнен с возможностью регулирования и установки по меньшей мере в два состояния: первое состояние, при котором первая и вторая заслонки расположены так, что проход выхлопных газов во впускной трубопровод турбины по существу полностью блокирован, и второе состояние, при котором первая и вторая заслонки расположены так, что проход выхлопных газов в перепускной трубопровод турбины по существу полностью блокирован. Таким образом, данный клапан может задавать направление потоку отработавших газов в выхлопной системе.
В некоторых примерах осуществления, выпускной клапан может быть также выполнен с возможностью регулирования и установки в состояние, при котором первая и вторая заслонки расположены в перепускном трубопроводе турбины, причем по меньшей мере одна из заслонок - первая или вторая - частично перекрывает поток отработавших газов, поступающий в перепускной трубопровод турбины. Выпускной клапан может также содержать узел привода, выполненный с возможностью независимого регулирования положения первой и второй заслонок при помощи пассивного исполнительного механизма, который реагирует на изменение температуры двигателя.
Кроме того, пассивный исполнительный механизм может содержать диафрагму, определяющую границу жидкостной камеры, при этом диафрагма выполнена с возможностью перемещения в ответ на изменение температуры или давления. Также, в некоторых вариантах осуществления узел привода может быть выполнен с возможностью уменьшения степени перекрытия газового потока в перепускном трубопроводе турбины при холодном запуске двигателя. Кроме того, узел привода может быть также выполнен с возможностью увеличения степени перекрытия газового потока в перепускном трубопроводе турбины при условиях, когда температура или давление в двигателе превышают пороговое значение температуры или давления.
Фиг.6 иллюстрирует способ 600 управления клапаном, расположенным в перепускном трубопроводе турбины турбонагнетателя двигателя. Следует понимать, что способ 600 может быть осуществлен посредством вышеописанных систем и компонентов, но может быть осуществлении и посредством других подходящих систем и компонентов.
На этапе 602 способ 600 содержит регулирование выпускного клапана и установку его в положение по существу полного блокирования потока выхлопных газов через перепускной трубопровод турбины за счет приведения первой заслонки в положение, при котором первая заслонка вложена в кольцо второй заслонки. В некоторых примерах, установку клапана в положение по существу полного перекрытия потока выхлопных газов через перепускной трубопровод турбины выполняют, когда выходная мощность двигателя превышает пороговое значение и/или когда температура двигателя превышает пороговое значение. Как говорилось выше, регулирование положения по меньшей мере одной из заслонок - первой и второй - можно осуществлять при помощи пассивного исполнительного механизма, выполненного с возможностью изменения положения по меньшей мере одной из заслонок в зависимости от температуры двигателя.
Далее, на этапе 604 способ содержит регулирование выпускного клапана с целью частичного блокирования потока выхлопных газов через перепускной трубопровод турбины при помощи по меньшей мере одной из заслонок - первой и второй. В некоторых случаях, регулирование выпускного клапана осуществляют так, чтобы поток выхлопных газов проходил через перепускной трубопровод турбины по существу беспрепятственно, когда температура двигателя находится ниже порогового значения. Также, в некоторых случаях, поток выхлопных газов через перепускной трубопровод турбины перекрывают частично, когда обороты двигателя находятся ниже порогового значения.
На этапе 606 способ 600 содержит регулирование выпускного клапана с целью обеспечения по существу беспрепятственного течения выхлопных газов через перепускной трубопровод турбины. После этапа 606 способ 600 заканчивается.
Специалистам в данной области должно быть понятно, что изображенный на фиг.6 способ может представлять одну или более стратегий обработки, которые инициируются событием, прерыванием, являются многозадачными, многопотоковыми, и т.п. Как таковые, различные показанные этапы или функции можно выполнять в той последовательности, какая указана на схеме, но можно выполнять и параллельно или в некоторых случаях опускать. Аналогично, указанный порядок обработки не обязателен для решения вышеупомянутых задач полезной модели, реализации отличительных признаков и преимуществ, но приведен в целях упрощения описания. Хотя это и не показано явным образом, но специалистам в данной области должно быть понятно, что один или более показанных этапов или функций можно выполнять повторно в зависимости от конкретной используемой стратегии.
На этом описание полезной модели завершается. Специалистам в данной области должно быть понятно, что в форму и детали осуществления полезной модели могут быть внесены изменения, не выходящие за границы ее идеи и объема. Например, настоящая полезная модель может также быть с успехом использована в случае двигателей с расположением цилиндров по схемам 12, 13, 14, 15, V6, V8, V10, V12 и V16, работающих на природном газе, бензине, дизельном топливе или альтернативных топливных смесях. Следует понимать, что рассмотренные в описании конструкции и/или подходы по сути являются примерами, и приведенные конкретные варианты осуществления нельзя рассматривать, как примеры, ограничивающие идею полезной модели, ввиду возможности многочисленных модификаций. Предмет полезной модели включает в себя все новые и неочевидные комбинации и сочетания различных отличительных признаков, функций, действий и/или свойств, которые раскрыты в настоящем описании, а также любые их эквиваленты.