阅读说明：本技术 具有废气再循环系统的高效率涡轮增压器 (High efficiency turbocharger with exhaust gas recirculation system ) 是由 J·P·麦克亨利 P·特罗克斯勒 R·M·瓦雷斯 M·哈里斯 R·洛茨 M·J·伯格特 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：根据本公开的一个方面,涡轮增压器包括压缩机,该压缩机具有压缩机叶轮、设置在壳体内的涡轮以及废气再循环(EGR)流动路径。EGR流动路径包括处于壳体中并且位于涡轮附近的第一流体连接部、位于压缩机叶轮的后边缘附近的第二流体连接部以及设置在第一流体连接部和第二流体之间连接的EGR控制阀,EGR控制阀构造成选择性地以EGR高达50％的低热模式和EGR率通常小于35％的操作模式操作涡轮增压器。(According to one aspect of the present disclosure, a turbocharger includes a compressor having a compressor wheel, a turbine wheel disposed within a housing, and an Exhaust Gas Recirculation (EGR) flow path. The EGR flow path includes a first fluid connection in the housing and located near the turbine, a second fluid connection located near the trailing edge of the compressor wheel, and an EGR control valve disposed in connection between the first and second fluid connections, the EGR control valve configured to selectively operate the turbocharger in a low heat mode with EGR up to 50% and an operating mode with EGR rate typically less than 35%.)

具有废气再循环系统的高效率涡轮增压器

技术领域

本公开总体上涉及用于内燃机的涡轮增压器系统，并且更具体地涉及废气驱动的涡轮增压器系统。

背景技术

废气再循环(EGR)用于减少氮氧化物(NOx)的产生。在EGR系统中，来自内燃机的废气再循环到发动机的进气道。需要压差将来自发动机的废气的气流驱动到进气道。该压差要求可能为发动机产生不利的泵送回路，需要发动机提供额外的功来驱动EGR流，这导致较低的系统效率。

McHenry等人的美国专利申请公开No.2018/0003133A描述了一种发动机进气系统，其具有设置在轴上的压缩机叶轮。连接到轴承壳体的压缩机盖形成压缩机本体以限定压缩机叶轮在其中旋转的腔室。压缩机本体包括用于接收废气的入口。EGR流通过EGR通道从EGR分配腔提供到扩散器。

发明内容

根据一个实施例，涡轮增压器包括压缩机，该压缩机具有压缩机叶轮、设置在壳体内的涡轮、以及废气再循环(EGR)流动路径。EGR流动路径包括处于壳体中并位于涡轮附近的第一流体连接部、位于压缩机叶轮的后边缘附近的第二流体连接部、以及设置在第一流体连接部和第二流体连接部之间的EGR控制阀。EGR控制阀构造成选择性地改变EGR率。在一些实施例中，基于涡轮增压器的操作模式，EGR率在0％和50％之间变化。

根据本发明的另一个实施例，用于涡轮蜗壳的EGR控制阀包括密封挡板，该密封挡板在近侧端部处操作地连接到旋转驱动机构，该密封挡板具有带倒圆边缘的密封表面。EGR控制阀还包括旋转驱动机构和涡轮蜗壳开口的倒角边缘之间的竖向偏移、以及构造成与蜗壳开口配合并提供EGR流动路径的EGR出口管道。旋转驱动机构构造成在第一位置和第二位置之间操作密封挡板。在第一位置中，涡轮蜗壳开口由与涡轮蜗壳开口的倒角边缘匹配的倒圆边缘密封。在第二位置中，EGR流动路径设置成从涡轮蜗壳通过涡轮蜗壳开口到EGR出口管道。在中间位置中，允许流动到EGR流动路径和涡轮排气路径。

又一实施例提供了一种组装EGR控制阀的方法。该方法包括在涡轮壳体的蜗壳中提供开口，通过开口机加工蜗壳的内部密封表面，安装操作地连接到旋转驱动机构的密封挡板，旋转驱动机构设置在涡轮壳体中并位于从开口的座置表面的竖向偏移处，并将EGR管道附接到开口。

在另一个实施例中，涡轮增压器压缩机EGR蜗壳包括构造成接收EGR流的EGR入口、设置在提供新鲜空气流的压缩机叶轮的后边缘附近的EGR出口、以及在EGR入口和EGR出口之间在涡轮增压器压缩机蜗壳周围的线性横截面积渐变(progression)。

当结合附图阅读时，将更容易理解本公开的这些和其它方面和特征。

附图说明

图1A描绘了根据本公开的实施例的第一发动机空气系统的系统概述。

图1B描绘了根据本公开的实施例的两个压力-体积图。

图2A描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器压缩机的剖视图。

图2B描绘了根据本公开的实施例的具有冷却回路的涡轮增压器压缩机的剖视图。

图3A描绘了根据本公开的实施例的第一EGR控制阀的剖视图。

图3B描绘了根据本公开的实施例的第一EGR控制阀的剖视图。

图4A描绘了根据本公开的实施例的第二EGR控制阀的剖视图。

图4B描绘了根据本公开的实施例的第二EGR控制阀的剖视图。

图5A描绘了根据本公开的实施例的第三EGR控制阀的剖视图。

图5B描绘了根据本公开的实施例的安装在涡轮增压器系统中的第三EGR控制阀的透视图。

图6描绘了根据本公开的实施例的第三EGR控制阀的密封挡板的透视图。

图7描绘了根据本公开的实施例的沿着线A-A截取的图6的密封挡板的剖视图。

图8描绘了根据本公开的实施例的EGR控制阀密封挡板的透视图。

图9描绘了根据本公开的实施例的处于中间位置的EGR控制阀密封挡板的透视图。

图10描绘了根据本公开的实施例的组装EGR控制阀的方法。

图11A描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的剖视图。

图11B描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的透视图。

图11C描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的彼此重叠的多个剖视图。

图11D描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的面积渐变的曲线图。

图12描绘了根据本公开的实施例的具有背板的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的多个视图。

图13描绘了根据本公开的实施例的EGR流和新鲜空气流的接合区域的剖视图。

图14描绘了根据本公开的实施例的扩散器中的流动。

图15描绘了根据本公开的实施例的各种流速的新鲜空气流角度的曲线图。

图16描绘了根据本公开的实施例的接合区域的第二剖视图。

图17描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器系统的剖视图。

图18描绘了根据本公开的实施例的第二发动机空气系统的系统概述。

具体实施方式

现在参考附图，图1A示出了根据本发明实施例的发动机空气系统的第一系统的概述图。图示的发动机空气系统100包括涡轮增压器102。涡轮增压器102包括具有压缩机叶轮106的压缩机104和具有涡轮叶轮110的涡轮108。压缩机叶轮106和涡轮叶轮110通过同一轴112连接。压缩机接收入口新鲜空气并压缩该新鲜空气，用于引入发动机140中，发动机140可具有多个汽缸，用于燃料的受控燃烧以产生动力。由压缩机接收的新鲜空气可包括来自除环境空气之外的其它来源的空气。例如，进入压缩机104的空气可包括来自曲轴箱强制通风(PCV)系统的空气、EGR、在压缩机阶段之前引入的EGR(在涡轮之后从排气中抽出)或存在于气流中的其它流体。燃烧期间产生的废气经由排气歧管134离开发动机140。至少一些废气在涡轮108中膨胀，这就释放能量以驱动涡轮叶轮110。

一些或所有废气可以被提供到EGR流动路径114并返回到压缩机104。EGR流动路径114可以包括在壳体中位于涡轮108附近的第一流体连接部116和位于压缩机叶轮106后边缘附近的第二流体连接部118。EGR流动路径114还可以包括穿过EGR冷却剂124的EGR冷却剂流动路径122以及EGR冷却剂旁路126，该EGR冷却剂旁路提供与EGR冷却剂流动路径122并联的并联流动路径128。

提供给EGR流动路径114的排气的量至少部分地由EGR控制阀120的位置(即在完全打开和完全关闭之间(包括完全打开和完全关闭)的打开程度)确定。EGR控制阀120设置在第一流体连接部116与第二流体连接部118之间。在一些实施例中，涡轮增压器102以低热模式操作，其中EGR控制阀所提供的EGR率大于正常(例如，基于温度的(at-temperature))操作参数下的标称EGR率。在一些实施例中，当以低热模式操作时，EGR率超过40％，在一些实施例中，EGR率最高达50％。在涡轮增压器102的正常操作模式(例如，基于温度的操作模式)下，EGR控制阀120提供标称EGR率，典型地，该标称EGR率小于35％，然而这可以根据操作状况而变化。期望的EGR率基于发动机系统的操作参数确定，并且至少部分地通过将EGR控制阀重新定位到确定的位置来获得所述EGR率。与提供给涡轮排气路径136的部分相比，EGR率基于提供给EGR流动路径114的排气百分比来确定。例如，被定位成将发动机歧管流135的一半引导至EGR流动路径114并将另一半引导至涡轮排气路径136的EGR控制阀120可以被称为具有50％的EGR率。进一步地，被定位成将所有发动机歧管流135引导至涡轮排气路径136的EGR控制阀120可以被称为具有0％的EGR率。

压缩机104压缩新鲜空气以便引入到发动机140中。因此，新鲜空气的总压力增大。然而，并非所有静态压力上升都在整个压缩机叶轮106发生。离开压缩机叶轮106的空气在大致相等的总压力下比在压缩机出口处的空气具有更高的速度。因为静态压力随着流体速度的增大而降低，所以在压缩机叶轮106的后边缘附近(例如，在第二流体连接部118处)实现压缩机叶轮106之后的最低动态压力。新鲜空气离开压缩机叶轮106后，新鲜空气可以穿过扩散器径向向外膨胀。随着气体行进穿过扩散器，横截面积增大并且流体的速度降低，从而导致静态压力增大。

为了驱动EGR流(例如，经由EGR流动路径114)，在第一流体连接部116(例如，发动机排气的高压)与第二流体连接部118(例如，在新鲜空气在扩散器中膨胀之前，由于快速移动的新鲜空气在压缩机叶轮106的后边缘处产生的低静态压力)之间需要压差。驱动EGR流的该压差导致足够量的排气(例如，发动机歧管流135)流到进气口(例如，到第二流体连接部118)，以通过发动机140的燃烧室再循环。EGR流的量可以由EGR控制阀120的位置进行控制，用于发动机140和涡轮增压器102的各种操作状况。

图1B示出了根据本发明实施例的压力-体积(p-v)曲线图150和170。对于发动机(例如，发动机140)的两个不同操作条件，压力体积曲线图150和170各自示出了沿着竖直轴252的压力值(与沿水平轴154的体积值比较)。在曲线图150和170中，当活塞从上死点(TDC)行进到下死点(BDC)时，进气冲程162在曲线图150和170的左下方开始，以几乎恒定的压力值158增加体积。压缩冲程164减小体积并升高压力，并且动力冲程166在点火期间发生并且在活塞执行工作时快速增加压力。通常，p-v图的曲线下方的区域表示正在被执行的工作。

比较图1B左侧的曲线图150的排气冲程168和图1B的右侧的曲线图170的排气冲程178，可以看出，曲线图150包括负泵送回路180，曲线图170包括正泵送回路190。这是因为排气冲程168在高于进气冲程162压力值158的压力值156处发生，而排气冲程178在低于进气冲程162压力值158的压力值160处发生。由于进气冲程期间(例如，162)的气缸压力高于排气冲程(例如178)的气缸压力而产生的正泵送回路允许在气体交换过程中对发动机曲柄轴作正功。

现在返回图1A及图1B的讨论，将第二流体连接部118定位在新鲜空气低静态压力点处允许提高发动机空气系统100的效率。这减少了在典型EGR系统中驱动EGR流的负泵送回路。在一些实施例中，将第二流体连接部118定位在压缩机叶轮106的后边缘处为发动机系统提供了正泵送回路(例如正泵送回路190)和提高的效率。基于不同的操作状况，典型的EGR系统可以并不总是具有足够的压差来驱动EGR。当在低端转矩(low end torque)状况下操作时，这可能会发生。典型的EGR系统可以采用排气限制或进气减压来实现所期望的压差以驱动EGR。在本申请的一些实施例中，EGR控制阀120用于提供足够的压差以驱动EGR流。

进一步地，在压缩机叶轮106的后边缘处引入EGR流消除了由于在压缩机入口之前(例如，在压缩机上游和具有低的静态压力的位置)供给EGR流时液滴(例如水凝结物、未燃烧的柴油机燃料、油或排气微粒)撞击压缩机叶轮106而可能发生的潜在损坏。如果添加到压缩机叶轮106的上游，未燃烧的碳氢化合物(也称为柴油机烟灰)可能会导致叶轮结垢等。

在本文描述的各种实施例中，EGR流可以与新鲜空气流对准，以使由混合流引起的损失和扰动最小化。这种对准实现了新鲜空气流与EGR流之间的均匀流场。可以使用涡轮增压器压缩机EGR涡壳(将在下面更全面地讨论)来实现新鲜空气流与EGR流之间的对准且均匀的流动。

EGR控制阀120通过控制EGR流动路径114与涡轮排气路径136之间的面积比来调整EGR率。理想地，现有技术的成对涡壳壳体或双涡壳壳体应当支持0％与50％之间的EGR率，其中EGR控制阀设置在一个涡壳中。然而，这些系统的泄漏将上端限制在37％与45％之间。EGR控制阀120的结构设置成提供EGR流动路径和涡轮排气路径的改进的密封(将在下面更全面地讨论)，因此允许将EGR率控制为接近0％、接近50％的EGR流、以及在0％与50％之间的任何比率。

在本文的各种实施例中，EGR控制阀120的位置可以基于由发动机控制单元(ECU)接收到的一个或多个控制信号来控制。典型的ECU通过与各种传感器的信号连接来监测发动机状况，所述传感器诸如质量空气流量传感器、节流阀位置传感器、排气温度和压力传感器等。ECU可以以编程方式实施，或者通过集成电路由直接电连接实施，或者通过本领域技术人员已知的方法的任意组合实施。

EGR控制阀120可以进一步包括阀位置指示系统，所述阀位置指示系统被配置成确定EGR控制阀的阀位置，EGR控制阀的阀位置可以用于确定EGR流率。在一些实施例中，在EGR控制阀120的给定中间位置处，EGR流率可以基于发动机140的速度而改变。例如，在发动机速度为1000转/分钟(rpm)时，发动机空气系统100可以具有35％的EGR流率，在发动机速度为1200rpm时，发动机空气系统100可以具有10％的EGR流率。发动机空气系统100还可包括EGR压力传感器130，其配置成检测并输出排气压力。在一些实施例中，可以基于EGR控制阀120的位置和排气压力来控制涡轮增压器102的各种操作特性(例如，转速)。

在低热状况(例如冷启动和怠速)期间，排气后处理系统138可能没有足够的热量来消除在发动机140中燃烧期间产生的NO_x气体的排放。驱动EGR提供了通过替换氧气(来自提供给发动机140的入口空气)来减少NO_x形成的方法。EGR控制阀120允许通过阻塞或阻断通向涡轮108的流动路径的一部分(例如，经由涡轮排气路径136)并将排气的一部分转向至压缩机104(例如，EGR流动路径114)来驱动EGR。氧气的置换对燃烧处理期间NO_x的形成有显著影响。例如，在氧浓度低于18％时，可以实现减少所产生的四分之三以上的NO_x，而在氧浓度高于19％时，实现减少少于一半的NO_x。因此，与理想的无泄漏状况相比，即使少量泄漏也可能阻碍氧气置换，并显著提升所产生的NO_x量。

在正常操作状况期间，当选择性催化剂还原系统处于操作温度时，排气后处理系统138通过各种高温相关的化学反应从排气中有效地去除NO_x。因此，在这些状况下，因为排气后处理系统138能够去除所产生的气体，所以EGR率可以降低。

可以设想，在一些实施例中，响应于检测到排气后处理系统138的失效或故障(例如尿素耗尽，从排气中去除NO_x失败的指示)，EGR控制阀120甚至在正常操作状况下也可以操作以提高EGR率。EGR率的增大导致降低发动机140中NO_x气体的形成，即使整个系统的效率降低。因此，增大的EGR率允许发动机空气系统100即使在排气后处理系统138失效的情况下也能在其对环境的输出中保持较低水平的NO_x。

在一些实施例中，EGR流动路径114包括位于EGR控制阀120与第二流体连接部118之间的EGR冷却剂124。当排气空气流过EGR冷却剂流动路径122时，EGR冷却剂124在EGR流动路径114中在排气重新引入发动机140之前降低所述排气的温度。在一些实施例中，EGR流动路径114包括EGR冷却剂旁路126，所述EGR冷却剂旁路提供EGR冷却剂流动路径122的并联流动路径128。通过EGR冷却剂流动路径122或并联流动路径128对排气的控制可以通过EGR冷却剂控制阀142来实现。

在一些实施例中，排气系统进一步包括废气门132。废气门132提供绕涡轮108的并联流动路径。废气门132提供了从排气中排放能量的手段，作为向涡轮108的涡轮叶轮110提供能量的替代方案。典型地，通过废气门132的排气流被引入涡轮108的下游和排气后处理系统138的上游。这用于限制涡轮增压器102的速度、进气歧管压力、以及空气质量流量。对涡轮增压器102的速度控制可以至少部分地基于废气门132的阀位置进行。

图2A描绘了根据本公开的实施例的示例性涡轮增压器压缩机的剖视图。具体地，图2描绘了示出进入压缩机104的新鲜空气流202的剖视图200。压缩机叶轮106沿着压缩机叶轮106的叶片压缩新鲜空气流。新鲜空气流在压缩机叶轮106的靠近第二流体连接部118的后边缘处离开所述压缩机叶轮。同时，EGR流204从发动机140排气经由EGR流动路径114在第二流体连接部118处提供给压缩机104。新鲜空气流202在第二流体连接部118处与EGR流204组合。组合流206通过扩散器210行进到发动机140。

作为贯穿本文使用的惯例，对于EGR控制阀120的位置，第一位置指的是当排气歧管134与EGR流动路径114之间的路径关闭时的位置。第二位置指的是当排气歧管134与涡轮排气路径136之间的路径关闭时的位置。中间位置指的是当EGR控制阀120定位成提供从排气歧管134到EGR流动路径114和涡轮排气路径136两者的双路径时的位置。因此，当处于第二位置或中间位置时，EGR控制阀120可以被称为处于EGR位置，因为发动机歧管流135中的至少一些构造成被引导至EGR流动路径114。

图2B描绘了根据本公开的实施例的具有冷却回路的涡轮增压器压缩机的剖视图。具体地，图2B描绘了类似于图2A的剖视图200的剖视图220。如图2B所示，压缩机壳体226包括压缩机-壳体冷却回路222，并且压缩机背板228包括压缩机-背板冷却回路。在各种实施例中，涡轮增压器可以包括压缩机-壳体冷却回路222和压缩机-背板冷却回路224中的任一个或两个。压缩机-壳体冷却回路222和压缩机-背板冷却回路224构造成在气体离开压缩机壳体之前从气体中移除热量。冷却回路(222，224)可以由任何适当的冷却剂流体冷却。在一些实施例中，具有压缩机-壳体冷却回路222和压缩机-背板冷却回路224中的任一个或两个的涡轮增压器能够在没有EGR冷却剂124或减小尺寸/减小冷却能力的EGR冷却剂124的情况下操作。这种冷却回路可以允许降低发动机成本并且能够实现整个涡轮增压器系统的更小和更轻量的包装。

根据本公开的实施例，图3A描绘了处于第一位置的第一EGR控制阀的剖视图，并且图3B描绘了处于中间位置的第一EGR控制阀的剖视图。具体地，图3A描绘了可以用作图1的EGR控制阀120的铲形阀320的剖视图300。图3B描绘了处于中间位置的铲形阀320的剖视图350。视图300描绘了位于涡轮蜗壳308中的铲形阀320。从左侧的排气歧管134接收来自发动机140的发动机歧管流135。在第一流体连接部116处，基于铲形阀320的位置，发动机歧管流135被引向EGR流动路径114、涡轮排气路径136或两者。

铲形阀320包括第一表面304，所述第一表面具有构造成当处于密封EGR流动路径114的第一位置时与涡轮蜗壳308的壳体壁310对准的大致平坦表面，如视图300所描绘的那样。在一些实施例中，涡轮蜗壳308整合到涡轮108的壳体中。

铲形阀320进一步包括凹形表面306，所述凹形表面构造成当处于中间位置(如视图350所描绘的那样)或第二位置(未描绘)时将发动机歧管流135引导至EGR流动路径114。凹形表面306位于与第一表面相对的第二表面上，并且弯曲以将发动机歧管流135引导至EGR流动路径114，同时使扰动和熵产生最小化。凹形表面306的斜度可以构造成最初与发动机歧管流135对准，并略微弯曲以提供与EGR流动路径114的对准。

虽然视图300和350描绘了处于第一位置(例如，被完全提升且EGR流动路径114被密封)和中间位置(例如，被部分降低且可获得到涡轮排气路径136和EGR流动路径114两者的流动)的铲形阀320，但应理解的是，处于完全降低的位置的铲形阀320的位置可以密封涡轮排气路径136。在这样的第二位置，第一表面304邻近涡轮蜗壳308的底表面322。铲形阀320由线性致动器302定位。铲形阀320的位置可以由线性致动器302获得，以用于确定EGR率并且监测和控制涡轮增压器性能。

根据本公开的实施例，图4A描绘了处于第一位置的第二EGR控制阀的剖视图，图4B描绘了处于中间位置的第二EGR控制阀的剖视图。具体地，图4A描绘了可以用作图1的EGR控制阀120的挡板阀420的剖视图400。图4B描绘了处于中间位置的挡板阀420的剖视图450。类似于铲形阀320，挡板阀420设置在涡轮蜗壳308中。来自排气歧管134的发动机歧管流135在左侧进入。在第一流体连接部116处，基于挡板阀420的位置，允许发动机歧管流135流动到EGR流动路径114、涡轮排气路径136或两者。

在视图400中，挡板阀420处于密封EGR流动路径114的第一位置。挡板阀包括近侧端部410处的旋转致动器404。挡板阀420的远侧端部408构造成当处于阻断EGR流动路径114的密封位置时与涡轮蜗壳308中的凹部406配合。视图450描绘了处于中间位置的挡板阀420，所述中间位置允许来自排气歧管134的排气的一部分流动到EGR流动路径114，并且其余部分流动到涡轮排气路径136。挡板阀420还可以定位到第二位置，所述第二位置阻断到涡轮排气路径136的流动。在这样的第二位置，旋转挡板阀420，使得远侧端部408可以抵靠涡轮蜗壳308的底表面322。挡板阀420由旋转致动器404定位，所述旋转致动器还可以提供挡板阀420的位置指示，以用于确定EGR率并且监测和控制涡轮增压器性能。

图5A描绘了根据本公开的实施例的第三EGR控制阀的剖视图。具体地，图5A描绘了EGR控制阀520的剖视图500。图5B描绘了根据本公开的实施例的安装在涡轮增压器系统中的第三EGR控制阀的透视图。具体地，图5B描绘了透视图550，其描绘了与剖视图500相同的许多部件。如图5B所示，EGR控制阀520设置在涡轮蜗壳504上。视图550描绘了在没有附接排气歧管134的情况下的EGR控制阀520。所描绘的涡轮增压器是成对蜗壳涡轮增压器，其中第二蜗壳504-2定位成邻近并平行于涡轮蜗壳504。第二蜗壳504-2提供了与涡轮蜗壳504并联的流动路径。EGR出口管道528可在涡轮蜗壳开口522上与涡轮蜗壳504配合(例如，螺栓、螺钉、粘合剂)。操作器552(例如，电致动器)操作性地联接到旋转驱动机构508。

虽然本讨论涉及EGR率的全部范围在0％与50％之间，但这是基于一个涡轮蜗壳中设置有单一EGR控制阀的成对蜗壳设计。其它EGR率可以利用其它设计来实现，如具有单一EGR控制阀的单一涡轮蜗壳、具有两个EGR控制阀的双涡轮蜗壳等。

回到对图5A的讨论，EGR控制阀520可以用作发动机空气系统100中的EGR控制阀120。类似于EGR控制阀220和320，EGR控制阀520在EGR流动路径114与涡轮排气路径136之间划分发动机歧管流135。这里，EGR控制阀520设置在涡轮蜗壳504的涡轮蜗壳开口522之上。密封挡板506在近侧端部510处操作性地连接到旋转驱动机构508。旋转驱动机构508使密封挡板506扫过涡轮蜗壳504。如视图500所描绘的，EGR控制阀520可以被称为处于第一位置，其中EGR流动路径114被密封。密封挡板506的虚线表示描绘了处于第二位置的EGR控制阀。

作为参考，EGR控制阀520可以通过密封涡轮蜗壳开口522提供0％或接近0％的EGR率，如视图500所描绘的那样。在该第一位置，密封挡板506可以被称为处于零度的阀位置，并且与发动机歧管流135平行。为了实现50％的EGR率，安装在成对涡壳壳体或双涡壳壳体中的EGR控制阀520可以处于第二位置(如由密封挡板506的虚线表示所描绘的位置)，所述第二位置阻断到涡轮排气路径136的流动。在该第二位置，密封挡板506可以使其远侧端部512定位成抵靠底表面322，并且具有如角度θ所指示的约50度的阀位置。然而，所设想的是，当处于第二位置时，涡轮蜗壳开口522的不同尺寸和涡轮蜗壳504的高度可以导致其它阀位置角度。

进一步设想的是，EGR控制阀520可以定位在中间位置处，以在EGR流动路径114与涡轮排气路径136之间划分流动，从而实现各种中间EGR率。在这样的位置，密封挡板506可以定位在第一位置与第二位置之间的任何中间位置处。

密封挡板506包括具有倒圆边缘526的密封表面514。密封挡板506在下面的图6和图7的视图600和700中分别进行详细描述。倒圆边缘526构造成与涡轮蜗壳开口522的倒角边缘518抵靠密封(例如，配合)。旋转驱动机构508的中心位于相对于倒角边缘518的位置的竖向偏移516处。

进一步地，涡轮蜗壳504的侧壁可以包括经机加工的壁524。在一个实施例中，涡轮蜗壳504是铸件或锻件。可以对涡轮蜗壳504的内部密封表面(例如，对侧壁)进行额外的机加工，以提供更平滑的表面和更精确的尺寸来更精确地配合密封挡板506的宽度w。涡轮排气路径136的密封可以通过在密封挡板506的侧面540与涡轮蜗壳504的经机加工的壁524之间提供更紧密的密封来改善。当EGR出口管道528没有附接到涡轮蜗壳504时，侧壁的机加工可以通过从涡轮蜗壳开口522触及来完成。

竖向偏移516至少部分地由于位于旋转驱动机构508与密封表面514之间的凹部530而实现。密封挡板506上的倒圆边缘526和涡轮蜗壳开口522的倒角边缘518的组合允许在各种温度和热膨胀状况下密封，并且鉴于各种部件的公差叠加来提供对涡轮蜗壳开口522的密封。提供竖向偏移516的附加益处是从封闭位置(例如，零度位置)更均匀的初始提升。

根据本公开的实施例，图6描绘了第三EGR控制阀的密封挡板的透视图，并且图7描绘了图6的密封挡板沿着线A-A的剖视图。具体地，图6描绘了密封挡板506的透视图600，并且图7描绘了密封挡板506沿着图6的线A-A的剖视图700。

旋转驱动机构508构造成在近侧端部510处附接到密封挡板506。密封表面514的边缘包括倒圆边缘526，当EGR控制阀处于第一位置(例如，0度)时，所述倒圆边缘用于与涡轮蜗壳开口522的倒角边缘518配合并抵靠其密封。

在远侧端部512处，密封表面的角部可以包括倒圆角部534。倒圆角部534可以构造成当处于第二位置(例如，50度)时与涡轮蜗壳504中的圆角536(在图8中描绘出)配合。倒圆角部534可以被确定尺寸为具有刚好小于圆角536的半径测量值的半径。例如，倒圆角部534的半径可以被确定尺寸为比圆角536的半径小50微米至2500微米之间。密封挡板506的侧面540在近侧端部510与远侧端部512之间延伸。

图8描绘了根据本公开的实施例的EGR控制阀密封挡板处于第二位置的透视图，图9示出了EGR控制阀密封挡板处于中间位置的透视图。具体地，图8描绘了EGR控制阀520的视图800，其中涡轮蜗壳504局部剖开。图9描绘了类似于视图800的视图900，但EGR控制阀520处于中间位置。如视图800和900中所示，密封挡板506还可包括在密封挡板506的密封表面514侧上的气体端口804。气体端口804经由流体连接部806流体连接到侧密封件802。侧密封件802定位在密封挡板506中的腔808内，并且被允许朝向和远离涡轮蜗壳侧壁而平移进出腔808。气体端口804可以优选地位于密封挡板506的密封表面514上，以在侧密封件802上获得期望的压力。

当处于第二位置(例如，阀位置50度)时，来自排气歧管134内的排气的压力作用在气体端口804上。因为气体端口804流体连接到侧密封件802，所以侧密封件802被向外朝向涡轮蜗壳504侧壁推动，侧壁可以是机加工的壁524。因此，侧密封件802与侧壁相互作用以使得涡轮排气路径136的密封增加并且泄漏更少。改进的密封通过减少泄漏来增加EGR率，从而减少摩擦，同时保持最小的气动间隙。

在视图900中，密封挡板506处于中间位置(例如，大约25度的阀位置)，因此与视图800中描绘的第二阀门位置相比，气体端口804上感觉到的压力减小。因而，侧密封件802没有被很大的力压向侧壁。

图10描绘了根据本公开的实施例的组装EGR控制阀的方法。具体地，图10描绘了用于组装EGR控制阀(例如EGR控制阀520)的方法1000。该方法包括在框1002处在蜗壳中提供开口，在框1004处机加工内部密封表面，在框1006处安装密封挡板，并且在框1008处将EGR管道附接到开口。

这里用上面讨论的EGR控制阀520描述方法1000。在框1002处，涡轮蜗壳504设置有涡轮蜗壳开口522。涡轮蜗壳504包括内部密封表面，例如侧壁。这些侧壁可以被机加工以提供更精确的公差和更光滑的表面以密封该密封挡板506的侧面。

机加工壁524构造成与密封挡板506的侧面540密封。在框1004处，机加工涡轮蜗壳504的侧壁。通过涡轮蜗壳开口522进入涡轮蜗壳504的内部以便机加工侧壁。

在一些实施例中，机加工涡轮蜗壳504的内部密封表面包括机加工圆角536。圆角536构造成与密封挡板506的圆角534密封。

在框1006处，密封挡板506可操作地连接到旋转驱动机构508。旋转驱动机构508设置在涡轮壳体中并且位于与座置表面(例如，涡轮蜗壳开口522的倒角边缘518)竖直偏移516处。在一些实施例中，密封挡板506可设置有侧密封件802，其与密封挡板506的密封表面514侧上的气体端口804流体连接。在这样的实施例中，安装具有侧密封件802的密封挡板506。

在框1008处，EGR出口管道528附接到涡轮蜗壳开口522。可以通过紧固件、粘合剂等来执行附接。附接还可以补充设有垫圈，以在涡轮蜗壳504的外部和EGR出口管道528之间提供改进的密封。

图11A描绘了涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的剖视图。图11B描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的透视图。具体地，图11A描绘了剖视图1100，图11B描绘了涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的透视图1140。涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102可用于提供来自EGR控制阀120的EGR流以与来自压缩机104的新鲜空气混合以引入发动机140。例如，涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102可以在压缩机叶轮106的后边缘附近在图1的第二流体连接部118处提供EGR流。

涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102包括EGR入口1104和EGR出口1106。通过涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的流动路径可实现减小的横截面积渐变1108。在一些实施例中，减小的横截面积渐变1108在从EGR入口1104到EGR出口1106的螺旋形流动路径1110的大部分上呈现线性或接近线性的减小的横截面积渐变1108。因此，当EGR流通过涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102前进时，它实现了由视图1100中描绘的区域1108-1和1108-2指示的减小的面积。

视图1100底部的区域1108-1描绘了EGR入口1104附近的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的代表性横截面(例如，沿着螺旋形流动路径1110在位置1110-1附近)。视图1100顶部的区域1108-2描绘了涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102在进一步沿着来自EGR入口1104的螺旋形流动路径1110的位置处的代表性横截面(例如，在位置1110-4附近)并且呈现出比区域1108-1更小的横截面积。随着流动从EGR入口1104沿着螺旋流动路径(例如，1110-1,1110-2，......1110-N)朝向EGR出口1106行进，当其从EGR出口1106离开时经历较小的横截面积，因为一部分流动对于每个增量节段离开涡轮增压器压缩机EGR蜗壳。EGR出口1106沿着压缩机叶轮106的圆周向压缩机叶轮的后边缘引入EGR流。

图11C描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的多个横截面彼此重叠的视图。具体地，图11C描绘了具有横截面区域1108-3、1108-4、1108-5的视图1150，每个横截面区域具有几何中心1109-3、1109-4和1109-5。沿着螺旋形流动路径1110的渐变顺序，区域1108-3表示初始代表性横截面区域，区域1108-4表示随后的代表性横截面区域，区域1108-5表示随后的进一步代表性横截面区域，每个代表性横截区域的横截面积小于在先的横截面积。

视图1150还描绘了各个横截面区域1108-3、1108-4和1108-5中的每一个的几何中心1109-3、1109-4和1109-5。每个几何中心或质心表示横截面区域的所有点的算术平均位置。此外，EGR出口1106的大致位置在图11C中示出。

图11D描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的面积渐变的曲线图。具体地，图11D描绘的曲线图1160具有沿x轴1162的截面角度，沿y轴1164的面积与半径比(A/R)。截面角度表示沿着螺旋形流动路径1110的度数。A/R表示横截面(例如，1108-1)的横截面积的值与在压缩机叶轮的中心(例如，压缩机叶轮106的中心)和相应的几何中心之间测量的半径的比值。将面积大小(长度平方)除以半径(长度)产生A/R单位的长度大小。

曲线图1160描绘了三个示例面积渐变1166、1168和1170。第一面积渐变1166最初以1mm的A/R开始，其沿着螺旋形流动路径1110从0度到360度的截面角度朝向0mm A/R的值减小。类似地，面积渐变1168和1170最初分别在0度的截面角度处以2mm和3mm开始，并且朝向在360度的截面角度处的0mm A/R减小。

在一些实施例中，A/R在其沿截面角度前进时的减小速率在螺旋形流动路径1110的大部分上是线性的或接近线性的。例如，在1172处描绘的面积渐变的一部分1170对于给定的截面角度变化表现出A/R的线性减小。

可以改变A/R渐变的速率以改变在压缩机叶轮106的后边缘处引入的EGR流的角度，以匹配离开压缩机叶轮106的新鲜空气流的角度，如下面更全面地描述的。因此，在一些实施例中，在第二流体连接部118处或附近，EGR流在压缩机叶轮处被引向新鲜空气流的方向。

图12描绘了根据本公开的实施例的具有背板的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳的多个视图。具体地，图12描绘了涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的透视图1200，并且透视图1250描绘了具有背板1202的涡轮增压器压缩机EGR蜗壳。背板将涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102附接到涡轮增压器壳体并且包括用于公共轴112的开口1204。用于将涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102附接到涡轮增压器壳体的示例性方法包括螺栓、螺钉、按扣、夹具、铸造到背板1202中等。

图13描绘了根据本公开的实施例的EGR流和新鲜空气流的接合区域的剖视图。具体地，图13描绘了接合区域1306的剖视图1300。接合区域1306是EGR流1304与新鲜空气流1302相遇的区域，并且还可以用作结合图1的发动机空气系统100讨论的第二流体连接部118的位置。如上所述，术语新鲜空气用于表示引入压缩机104的入口的所有流体的组合，其可包括低压EGR流、PCV流、环境空气流等。

EGR流1304经由涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的EGR出口1106提供。新鲜空气流1302经由压缩机叶轮106的旋转叶片提供。新鲜空气流1302与EGR流1304组合并继续通过扩散器1310而被引入发动机140以进行燃烧。虽然EGR流1304的大部分被提供给接合区域1306，但是EGR流1304的一部分可以由EGR出口1106朝向压缩机叶轮106的后表面1308引导。被朝向压缩机叶轮106的后表面1308引导的这部分EGR流提供了朝向压缩机叶轮凹陷部1312的压力并且可以提供沿着公共轴112的改进的密封。被引导到压缩机叶轮凹陷部1312的EGR流可以提供沿着压缩机叶轮106的后表面1308增加的压力，这减小了设置在公共轴112周围的油封上的压差。这种减小的压差有助于减少可能经过设置在压缩机叶轮106和轴承室之间的密封件泄漏的发动机油的量，从而限制了通过压缩机叶轮凹陷部1312引入进气道的发动机油的量。与提供给接合区域1306的EGR流1304的部分相比，可以至少部分地基于由EGR出口1106朝向后表面1308提供的重叠程度来调整被朝向后表面1308引导的流量。

图14描绘了根据本公开的实施例的扩散器中的流程。具体地，图14描绘了通过扩散器1310的新鲜空气流1302和EGR流1304的视图1400。EGR流1304由EGR出口1106围绕压缩机叶轮106周向分布。在一些实施例中，EGR流1304均匀地分布在压缩机叶轮106周围。当新鲜空气被压缩机叶轮106的叶片压缩时，其在旋转方向(U2)和径向方向(W2)上接收动量。矢量W2沿着从每个压缩机叶轮叶片末端延伸的轴1402提供。随着空气质量流量的增加，矢量W2的幅度增加。矢量U2与每个压缩机叶轮边缘相切。随着压缩机叶轮106的旋转速度增加，矢量U2的幅度增加。矢量C2和C'2分别表示新鲜空气流和EGR流的流体流动的组合速度分布。这些是通过对相应流的矢量U2和W2求和来实现的。矢量C2和C'2各自以流角度(α)延伸。通过EGR流1304和新鲜空气流1302之间的相对压力，流可以轴向对齐(例如，进入视图1400外)。

在各种实施例中，假设叶轮几何结构和涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的几何结构是固定的。因此，压缩机叶轮106的旋转速度和新鲜空气的质量流率将确定新鲜空气流1302在压缩机叶轮106的后边缘处的速度分布。如视图1400中所示，新鲜空气流1302与EGR流1304对齐，如通过彼此几乎重叠的流速分布所指示的。

图15描绘了根据本公开的实施例的各种流速的新鲜空气流角度的曲线图。具体地，图15描绘了曲线图1500，其包括沿着竖直轴1502的新鲜空气流角度α和沿着水平轴1504的质量流率。对于三种不同的速度，结果以三组1506、1508和1510呈现。组1506表示涡轮增压器的低速操作，组1510表示额定功率下的操作，组1508表示以中间功率操作。

每组包括三种不同EGR率的数据点。不同EGR率数据的紧密分组表明EGR率对EGR出口流角度具有最小影响。在这三组中的每一组中，新鲜空气流角度α的变化对于组1506的质量流率范围是大约20度，对于组1508大约是17度，对于组1510的质量流率范围是大约15度。

虽然新鲜空气流角度α随着操作参数的改变而变化，但EGR流角度α对于不同的操作参数是相对恒定的。这是因为涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102具有由其形状确定的固定的横截面积渐变1108。这样，涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的几何结构(例如，形状)可以被设计成实现将与用于发动机140和涡轮增压器102的预期操作条件的新鲜空气流角度α对准的EGR流角度α。可以改变涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的形状以改变横截面积渐变1108的速率以实现期望的EGR流角度α。例如，涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102的形状可以设计成提供EGR流角度，该EGR流角度将与来自通常在巡航操作条件下操作的发动机空气系统的典型新鲜空气流对齐，例如用于卡车的发动机空气系统。不同形状的几何结构的示例可以包括改变A/R渐变的速率，如上面关于曲线图1160所讨论的。

图16描绘了根据本公开的实施例的接合区域的第二剖视图。具体地，图16描绘了类似于图13的视图1300的剖视图1600。在视图1600中，压缩机叶轮106包括后表面1308，其产生具有扇形边缘1602的压缩机叶轮凹陷部1312。扇形边缘1602将EGR流1304的一部分引向接合区域1306以将EGR流1301与新鲜空气流1302对准。

工业适用性

通常，本公开的教导可以在许多行业中找到广泛的适用性，包括但不限于汽车、单轨车辆、船舶、电子、固定动力和运输行业。具体地，本公开可以在使用利用废气再循环操作的发动机的任何工业中找到适用性。

利用本公开的教导可以实现效率的显着提高。可以驱动大于400mbar的压力优势并且允许在更多种操作条件下驱动EGR流。这些改进可以对应于在巡航操作条件下(例如在卡车中)BSFC(制动比燃料消耗)减少2.5％至3.5％以及在峰值扭矩条件下BSFC减少1.5％至2.5％。

图17描绘了根据本公开的实施例的涡轮增压器系统的剖视图。具体地，图17描绘了涡轮增压器102的剖视图1700。涡轮108描绘在左侧部分上，而压缩机104描绘在右侧部分上。涡轮108和压缩机104通过公共轴112连接并由公共轴112支撑。轴承系统1702由轴承油系统1704供油。压缩机叶轮凹部1312的位置描绘在压缩机叶轮106和压缩机的壳体之间。涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102固定到压缩机104，以在压缩机叶轮106的后边缘附近提供EGR出口1106。EGR控制阀520被示出为安装到涡轮蜗壳504上。如视图1700所示，EGR控制阀520和涡轮增压器压缩机EGR蜗壳1102都集成到涡轮增压器102的壳体1706中。

图18描绘了根据本公开的实施例的第二发动机空气系统的系统概述。具体地，图18描绘了发动机空气系统1800。发动机空气系统1800类似于图1的发动机空气系统100。然而，发动机空气系统1800不包括废气门(例如132)或EGR冷却剂旁路(例如126)。在典型的发动机空气系统中，发动机空气系统的操作条件至少部分地基于在废气门流动路径中获得的系统测量来确定。在没有废气门的系统(例如，发动机空气系统1800)中，涡轮增压器性能和操作参数可以由EGR控制阀120的位置和排气压力确定。对于给定的EGR控制阀120位置，可以针对校准表检查测量的操作参数。该检查可以提供对EGR控制阀120的进一步调节，或者提供发动机空气系统内可能超出规格条件的指示。这些操作参数可用于实现涡轮增压器的速度控制策略，并且可从发动机空气系统中消除废气门及其相关传感器的附加部件。

如在发动机空气系统1800中所描绘的，将控制阀和涡轮增压器压缩机EGR蜗壳结合到涡轮增压器中使得能够减小动力系平台的包装尺寸、成本和重量。

虽然已经关于某些特定实施例提供了前述详细描述，但是应该理解，本公开的范围不应限于这些实施例。本公开的广度和精神比具体公开的实施例更广泛并包含在以下权利要求中。

此外，虽然结合某些特定实施例描述了一些特征，但是这些特征不限于仅与其描述的实施例一起使用。而是，特定实施例的各方面可以与结合备选实施例公开的其它特征组合或替代。