ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬ, ПРИВОДИМЫЙ В ДЕЙСТВИЕ ВЫХЛОПНЫМИ ГАЗАМИ, СНАБЖЕННЫЙ БАЙПАСНЫМ КЛАПАНОМ
EXHAUST GAS DRIVEN TURBO-SUPERCHARGER PROVIDED WITH BYPASS VALVE

Изобретение касается турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, для двигателя внутреннего сгорания, выполненного с байпасным клапаном, который расположен в байпасном канале турбины между напорным трубопроводом выхлопных газов и выпускным поперечным сечением указанной турбины. Байпасный клапан для управления расходом выхлопных газов через байпасный канал соединен с электро- и/или пневмоприводным исполнительным средством и состоит из тарелки клапана и стержня клапана. Через байпасный клапан может при необходимости направляться отдельный поток выхлопных газов в обход турбины. Стержень клапана подвижно в осевом направлении удерживается в сдвижной направляющей. Для гидравлически непроницаемого закрытия байпасного клапана тарелка клапана в закрытом состоянии байпасного клапана может прилегать к седлу клапана.
При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с турбонагнетателем, приводимым в действие выхлопными газами, через байпасный канал для турбины турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, отдельный поток выхлопных газов альтернативным образом направляется в обход турбины. Для этого в байпасном канале расположен также называемый перепускным клапаном байпасный клапан для открытия или закрытия байпасного канала. Байпасный клапан состоит из тарелки клапана и стержня клапана. Тарелка клапана в закрытом состоянии байпасного клапана прижимается к седлу клапана. При увеличении нагрузки двигателя внутреннего сгорания байпасный клапан закрывается и с заданным усилием прижимается к седлу клапана, при этом усилие выбирается таким образом, чтобы во время увеличения нагрузки байпасный канал был непроницаемо для жидкостей и для давления закрыт относительно давления выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.
Турбонагнетатели, приводимые в действие выхлопными газами, снабженные байпасным каналом для турбины турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, известны из публикаций WO 2006/046810 A1, US 4171936 A, GB 1049656 A и GB 2033007 A. В этих публикациях показан турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, снабженный расположенным в байпасном канале байпасным клапаном. На известный из названного уровня техники байпасный клапан действует работающее механически и/или пневматически исполнительное средство. Исполнительное средство представляет собой для пневматического управления соединенный со стержнем клапана нагнетательный поршень или, соответственно, нагнетательную мембрану, которая подвижно установлена в рабочей камере, отделенной от байпасного канала. Эта рабочая камера соединена посредством напорного трубопровода с расположенной со стороны наддува всасывающей трубой.
Из US 2002/0078934 A1 известно исполнительное средство, привод которого осуществляется электрически или, соответственно, электромеханически.
Управление байпасным клапаном путем применения электрического исполнительного средства может осуществляться более точно и независимо от условий давления в турбонагнетателе, приводимом в действие выхлопными газами, однако всегда зависимо от рабочей области и увеличения нагрузки двигателя внутреннего сгорания. Так как электрические исполнительные средства не могут использовать пневматические усилия турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, они должны быть выполнены достаточно мощными. Такие мощные электрические исполнительные средства не только требуют большого количества энергии, но и обладают также соответственно большой массой с обусловленными ею расходами, а также нуждаются в большей площади.
Для сокращения усилия, затрачиваемого исполнительным средством против давления выхлопных газов, известно осуществление байпасного клапана в виде тарельчатого клапана, включающего в себя тарелку клапана и стержень клапана. При этом давление выхлопных газов в закрытом состоянии клапана действует на тарелку клапана и прижимает ее к седлу клапана, благодаря чему поддерживается непроницаемость для давления и для жидкостей.
В этой связи в основу изобретения положена задача выполнить турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, вышеназванного рода таким образом, чтобы для байпасного клапана в байпасном канале турбины турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, могло предусматриваться недорогостоящее исполнительное средство с небольшой расходуемой мощностью, в частности с небольшим конструктивным пространством и/или небольшой массой.
Эта задача решается с помощью турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, с признаками независимого п.1 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения касаются особенно целесообразных усовершенствований изобретения.
В соответствии с изобретением предусмотрен турбонагнетатель, приводимый в действие выхлопными газами, у которого к напорному трубопроводу выхлопных газов обращена соединенная со стержнем клапана сторона тарелки клапана, так что тарелка клапана для открытия байпасного клапана двигается в направлении выпускного поперечного сечения. В частности, соединенная со стержнем клапана сторона тарелки клапана находится в гидравлическом контакте с газом. Предпочтительным образом с помощью предлагаемой изобретением системы в турбонагнетателе, приводимом в действие выхлопными газами, обеспечивается потребность в небольшой расходуемой мощности, так как тарелка клапана в открытом состоянии не испытывает усилия газа в направлении закрытия.
При этом в одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления на байпасном клапане выполнена прижимная пластина, подвижная в выемке корпуса турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами. Благодаря применению прижимной пластины можно сокращать необходимое исполнительное усилие байпасного клапана. Прижимная пластина расположена на байпасном клапане таким образом, что приток к байпасному клапану из напорного трубопровода выхлопных газов осуществляется точно между тарелкой клапана и прижимной пластиной. В частности, расположенная напротив тарелки клапана сторона прижимной пластины находится в гидравлическом контакте с газом. Таким образом, усилие газа одновременно действует на тарелку клапана и прижимную пластину. Предпочтительно площадь подверженной действию газа стороны прижимной пластины меньше или равна площади подверженной действию газа стороны тарелки клапана. Так как действие усилия газа на тарелку клапана и прижимную пластину осуществляется в противоположном направлении, эти усилия практически взаимно устраняются. Напорный трубопровод выхлопных газов, называемый также коллектор, представляет собой соединение между двигателем внутреннего сгорания и турбонагнетателем, приводимым в действие выхлопными газами, в котором находящиеся под высоким давлением выхлопные газы транспортируются от цилиндра двигателя внутреннего сгорания к турбине турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами.
Предпочтительно выемка практически гидравлически непроницаемо закрыта относительно байпасного клапана посредством по меньшей мере одного уплотнительного элемента прижимной пластины. Так в значительной степени предотвращается возможность передачи давления газа за прижимную пластину. Давление газа действует как на тарелку клапана, так и на прижимную пластину практически с одним и те же усилием, однако в противоположном направлении, с усилиями, ориентированными антипараллельно друг другу. Так как прижимная пластина через стержень клапана соединена с тарелкой клапана, эти усилия практически полностью взаимно устраняются. Исполнительное средство байпасного клапана, с целью управления расходом выхлопных газов через байпасный канал, должно по существу преодолевать только лишь сопротивление трения уплотнений. Это особенно предпочтительно при сильно пульсирующих воздействиях выхлопных газов. Предпочтительно исполнительное средство является электро- и/или пневмоприводным.
Для монтажа клапана сквозь седло клапана, однако, особенно целесообразно, при известных условиях необходимо, чтобы диаметр прижимной пластины был несколько меньше, чем диаметр тарелки клапана. Таким образом, исполнительное средство должно только прикладывать усилие для изменения положения байпасного клапана, которое состоит только из сил трения уплотнений и из отношения передающего давление выхлопных газов поперечного сечения тарелки клапана и остаточной силы прижимной пластины. Так как передающая давление площадь поперечного сечения тарелки клапана из соображений монтажа больше, чем передающая давление площадь поперечного сечения прижимной пластины, результирующее усилие выхлопных газов всегда действует в направлении открытия байпасного клапана. Так как результирующее усилие выхлопных газов больше, чем подлежащие преодолению силы трения уплотнений, при выходе из строя исполнительного средства обеспечивается самооткрытие байпасного клапана.
Чтобы при движении байпасного клапана в выемке за прижимной пластиной не могло возникать противодавление, предпочтительно, чтобы выемка была соединена с выпускным поперечным сечением турбины посредством уравнительного трубопровода, в частности выполненного в корпусе турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами. Тем самым одновременно обеспечивается, что на сдвижной направляющей, предусмотренной для направления и уплотнения байпасного клапана, всегда действует низкое давление выхлопных газов после турбины. Этот уровень давления по технике уплотнения легче поддается управлению, чем давление, действующее в напорном трубопроводе выхлопных газов перед турбиной. Высокое давление действует только на имеющем существенно больший размер уплотнении прижимной пластины.
Один из усовершенствованных, предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, включает в себя седло клапана, на котором расположено заграждение. Это заграждение обеспечивает возможность моделирования характеристики расхода выхлопных газов по желанию. Заграждение выполнено в виде выступа, подобного ребру, который возвышается вдоль седла клапана относительно непосредственно окружающего его места в направлении выпускного поперечного сечения. Благодаря этому до некоторого желательного хода открытия байпасного клапана площадь отверстия зазора между тарелкой клапана и седлом клапана ограничивается соответственно протяженностью заграждения. Такое заграждение может препятствовать тому, чтобы при небольших ходах открытия поток выхлопных газов через байпасный клапан вытекал по всему круглому поперечному сечению седла клапана. При заграждении, которое, например, возвышается на один миллиметр относительно села клапана и покрывает одну шестую периметра круга седла клапана, поток выхлопных газов при ходах клапана до одного миллиметра может течь через байпасный клапан только через пять шестых периметра круга, а при ходах клапана более одного миллиметра через весь периметр круга. Кроме того, путем выбора положения заграждения можно влиять на направление вытекания выхлопных газов.
Благодаря сильно уменьшенному по сравнению с уровнем техники исполнительному усилию, а также возможности гибкого формирования характеристики расхода выхлопных газов посредством заграждения предлагаемый изобретением байпасный клапан применим также в виде двух- или многоступенчатого регулировочного клапана.
Изобретение допускает многочисленные варианты осуществления. В частности, эти варианты осуществления могут иметь отдельные, некоторые или все описанные в этом изложении признаки. Для дополнительного пояснения его основного принципа два варианта осуществления изображены на чертежах и описываются ниже. На них показано:
фиг.1: схематичное изображение одного из вариантов осуществления турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами;
фиг.2: изображение в сечении байпасного клапана первого варианта осуществления в закрытом состоянии;
фиг.3: изображение в сечении байпасного клапана первого варианта осуществления в открытом состоянии;
фиг.4: схематичный вид выпускного поперечного сечения турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, снабженного байпасным клапаном, второго варианта осуществления в закрытом состоянии;
фиг.5: изображение в сечении байпасного клапана второго варианта осуществления в закрытом состоянии;
фиг.6: изображение в сечении байпасного клапана второго варианта осуществления в частично открытом состоянии;
фиг.7: изображение в сечении байпасного клапана второго варианта осуществления в полностью открытом состоянии;
фиг.8: изображение в сечении другого варианта турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, с увеличенным фрагментом байпасного клапана турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами.
На фиг.1 показан турбонагнетатель 1, приводимый в действие выхлопными газами, двигателя 3 внутреннего сгорания. Турбонагнетатель 1, приводимый в действие выхлопными газами, на стороне наддува имеет компрессор 9 и на стороне выхлопа турбину 5. В корпусе 13 турбонагнетателя 1, приводимого в действие выхлопными газами, предусмотрен байпасный канал 4 для обхода турбины 5. Байпасный канал 4 соединяет напорный трубопровод 10 выхлопных газов с выпускным поперечным сечением 6 турбины 5. В байпасном канале 4 расположен байпасный клапан 2 для закрытия байпасного канала 4. Показанный вариант осуществления включает в себя ограниченный байпасным клапаном 2 и напорным трубопроводом 10 выхлопных газов участок байпасного канала 4, который также может называться ответвлением напорного трубопровода 10 выхлопных газов. Уравнительный трубопровод 8 соединяет выемку в области байпасного клапана 2 с выпускным поперечным сечением 6, так что в выемке всегда действует такое же давление, как и в выпускном поперечном сечении 6.
На фиг.2 и 3 показано рассеченное, увеличенное изображение байпасного клапана 2. Расположенный в байпасном канале 4 байпасный клапан 2 состоит из тарелки 12 клапана и прижимной пластины 14, которые обе соединены со стержнем 15 клапана и подвижны вместе со стержнем 15 клапана. В корпусе 13 турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, предусмотрена выемка 11, в которой подвижно установлена прижимная пластина 14. Прижимная пластина 14 имеет по меньшей мере один уплотнительный элемент 17, который закрывает выемку 11 относительно байпасного канала 4 гидравлически непроницаемо и непроницаемо для давления. Байпасный клапан 2 подвижно в осевом направлении удерживается стержнем 15 клапана в сдвижной направляющей 16. Сдвижная направляющая 16 служит, кроме того, для уплотнения выемки 11 относительно окружающей среды. У байпасного клапана 2 соединенная со стержнем 15 клапана сторона тарелки 12 клапана обращена к показанному на фиг.1 напорному трубопроводу выхлопных газов. Байпасный клапан 2 движется с помощью исполнительного средства 7. Выемка 11 соединена через уравнительный трубопровод 8 с выпускным поперечным сечением 6.
На фиг.2 показан байпасный клапан 2 в закрытом состоянии. При этом тарелка 12 клапана прилегает к седлу 18 клапана. Соединенное со стержнем 15 клапана исполнительное средство 7 создает усилие закрытия, чтобы таким образом закрывать байпасный канал 4 непроницаемо для газов и для давления.
На фиг.3 показан байпасный клапан 2 в открытом состоянии. Тарелка 12 клапана находится от седла 18 клапана на расстоянии, которое образовалось в виде кольцевого зазора. Прижимная пластина 14 была передвинута в выемке 11 на такую же длину хода клапана.
На фиг.4, 5 и 6 показан второй вариант осуществления описанного на предыдущих чертежах байпасного клапана 2. В этом варианте осуществления на седле 18 клапана расположено заграждение 19. Заграждение 19 выполнено в виде выступа, подобного ребру, который возвышается вдоль седла 18 клапана относительно непосредственно окружающего его места в направлении выпускного поперечного сечения 6. Благодаря этому до некоторого желательного хода открытия байпасного клапана 2 площадь отверстия зазора между тарелкой 12 клапана и седлом 18 клапана ограничивается соответственно протяженностью заграждения 19. Такое заграждение 19 может препятствовать тому, чтобы при небольших ходах открытия поток выхлопных газов через байпасный клапан 2 вытекал по всему круглому поперечному сечению седла 18 клапана.
На фиг.4 показан схематичный вид выпускного поперечного сечения 6 турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами. У байпасного клапана различимы обращенная к выпускному поперечному сечению 6 сторона тарелки 12 клапана, уравнительный трубопровод 8, седло 18 клапана, установленное на седле 18 клапана заграждение 19 и выпускное отверстие 20 турбины.
На фиг.5 показан байпасный клапан в закрытом состоянии. При этом тарелка 12 клапана прилегает к седлу 18 клапана. Заграждение 19 в этом состоянии байпасного клапана 2 не действует.
На фиг.6 показан байпасный клапан в частично открытом состоянии. Тарелка 12 клапана находится на расстоянии от седла 18 клапана. Благодаря этому расстоянию образуется зазор, который, однако, ограничен заграждением 19. В области заграждения 19 тарелка 12 клапана, хотя и находится на расстоянии от седла 18 клапана, однако так как тарелка 12 клапана теперь прилегает к заграждению 19, здесь локально зазор не образуется.
На фиг.7 показан байпасный клапан в полностью открытом состоянии. Тарелка 12 клапана теперь находится на расстоянии как от седла 18 клапана, так и от заграждения 19. Зазор между тарелкой 12 клапана и седлом 18 клапана, соответственно, заграждением 19 образован по всему периметру тарелки 12 клапана.
На фиг.8 показан другой вариант осуществления турбонагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами, у которого заграждение 19 образовано целесообразной пространственной формой поверхности 21 корпуса 13.