CN100436770C

CN100436770C - 用于控制内燃机中排气压力脉冲的构造

Info

Publication number: CN100436770C
Application number: CNB2004800434749A
Authority: CN
Inventors: 佩尔·佩尔松
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: JP4429359B2; US7637098B2; WO2006004469A1; JP2008505271A; BRPI0418938A; DE602004026644D1; CN1977096A; BRPI0418938B1; EP1766204B1; EP1766204A1; ATE464468T1; US20080110161A1

Abstract

本发明涉及包括六个气缸(12)的内燃机(10)中用于控制排气压力脉冲的布置。发动机还包括用于将空气供应到气缸的入口(13)，以及用于从气缸输送排气的排气歧管(14)。歧管设有到排气系统(22)的第一出口和到导管(24)的第二出口，用于经由EGR回路，从至少一个发动机气缸将排气馈送回所述入口(13)。至少一个气缸适于浓缩具有未燃烧碳氢化合物的排气，以便实现位于排气系统中的排气后处理单元(23)的再生。排气歧管的特殊结构导致再生气体与排气歧管中的EGR气体隔离。

Description

用于控制内燃机中排气压力脉冲的构造

技术领域

本发明涉及用于控制内燃机的排气压力脉冲的构造。

背景技术

众所周知，柴油机运行可靠且油耗低，但不能产生例如如设有三元催化器的汽油机的低排放。改进来自于柴油机排放的一个办法是安装颗粒过滤器，该过滤器过滤来自于排气和/或NOx后处理系统的烟灰及颗粒。这些过滤器通常非常有效并且收集大小颗粒。为了防止过滤器充满烟灰，并防止导致使排气离开发动机的主压力下降，必须烧掉烟灰。一个方法是由包含于柴油机排气中的氧化氮燃烧该烟灰。在这种情形下，一部分呈NO₂形式的氧化氮能够在大约250至400℃的温度范围内氧化烟灰，但即使在该过滤器或该过滤器本身覆盖有催化剂层之前存在氧化催化剂的情况下，该过程需要较长的时间，并且需要或多或少恒定的活性。用于氧化聚集在颗粒过滤器中烟灰的另一方法是将该过滤器加热到大约600至650℃，使得来自于柴油机内的燃料燃烧的多余氧O₂直接氧化烟灰，该过程迅速。在运行许多时间聚集的烟灰能够在约为5至10分钟的时间内氧化完。柴油机的正常排气温度从未达到600至650℃，特别是在涡轮从排气流中吸取能量，并引起温度下降的汽轮发电机组之后。在汽轮发电机组的涡轮之后的排气温度常常低于250℃的情况是常有的，在该温度下氧化催化器不工作。有各种用于临时增高柴油机排气温度的特殊手段。

再生NO_x捕集器或NO_x催化器需要例如呈燃料形式的碳氢化合物，该燃料例如可通过后喷油供应进入一个或多个气缸。

一些最现代的柴油机常常配备有排气再循环(EGR)以减少氧化氮的排放。将该系统与颗粒过滤和/或NOx后处理相结合必然伴有复杂化，该颗粒过滤和/或NOx后处理通过所谓的NOx捕集器或NOx催化器进行。例如当希望采取措施以提高排气流的温度时，由于EGR流动必须通过EGR冷却器，因此由于排气温度的提高，增加的排气热量增加了EGR冷却器的负担而不会用于任何积极的作用，相反导致稍微地增加燃料消耗，所以在EGR流动中提高排气温度毫无意义。因此通过引导提高的排气温度到排气系统，但防止呈冷却的EGR形式再循环的排气的温度升高，从而在燃料消耗方面有所收益。例如通过延迟的普通燃烧和/或通过后喷油，其中该后喷油通过燃烧添加的额外燃料进行，但只在很小的程度上有助于气缸内的膨胀功，可有意识地提高各气缸的排气温度。

通过氧化(燃烧)安装在过滤器之前的氧化催化器中的燃料，排气流在颗粒过滤器之前的温度可提高到600-650℃。该燃料正好在催化器之前喷射进入排气管路，或额外的喷射可在气缸内进行，但必须在曲轴角间隔中，该间隔中不满足气缸中燃料点火的条件。例如作为实例所谓晚后喷油是燃料在膨胀冲程的后部分或在排气冲程期间喷射进入气缸。如果该燃料喷射进入气缸，相同的喷射装置可优选地用于普通燃油喷射。这避免了用于燃料的进一步额外喷射的成本和复杂化，其中该燃料在氧化催化器中氧化。如果额外的燃料通过晚后喷油供应到所有气缸并且同时发动机使用排气到入口的反馈(EGR)，这意味着打算供催化器使用的一部分未燃烧燃料到达该EGR回路和进气管。在排气冲程中离开气缸但稍后在EGR冷却器中冷却的任何蒸发的燃料可冷凝，并且在某些工作状态中一部分产生的液体可能聚集在凹槽/腔中。当发动机工作状态随后改变并且气流改变时，聚集的液体可瞬间地伴随气流并以不受控制的方式直接进入一个或多个气缸。这引起发动机不受控制的运转并可引起严重事故和/或损坏。没有冷凝的燃料以汽化了的形式穿过EGR冷却器和进气管，这也引起燃烧工况的改变。在柴油机中，由于燃料供应时刻应该由喷射系统决定，实际上燃料不能与进入空气同时到达。如果冷凝燃料开始通过漏处缓缓流出，EGR回路中即使很小的泄漏也可变得非常明显。

由EGR回路中的燃料所引起的不利影响可通过当晚后喷油发生时关闭EGR回路来防止，或者由于来自于燃烧的NO_x水平升高，仅仅在结合排气歧管设计所精心选择的气缸内进行晚后喷油，使得EGR气体仅仅从没有晚后喷油的气缸中取。US5987884和US6141959描述了分成两个部分的排气系统，结合在某些指定气缸的晚后喷油，以如何避免由EGR回路中的燃料所引起的上述问题。这种将排气系统分成两个部分的方法意味着排气系统制造更昂贵并且需要更多的空间用于安装。

发明内容

因此本发明的一个目的是在内燃机中提供一种构造，即使在所有的排气都收集在一个相同的、在各气缸排气口外的管道中的排气系统情形下，该构造避免由以下装置所引起的EGR回路中流动的效应，所述装置用于位于排气系统中的排气后处理单元的再生。本发明的另一目的是在排气歧管的排气出口和其EGR出口提供恒定的压力脉冲。

为此，本发明提供一种用于控制内燃机的排气压力脉动的构造，该内燃机包括：六个气缸；入口，用于将空气供应到所述气缸；排气歧管，用于从所述气缸输送排气，所述构造设有：到排气系统的第一出口以及到导管的第二出口，所述导管用于经由EGR回路，从所述发动机的至少一个气缸将排气馈送回所述入口，至少一个气缸布置成添加一种装置，该装置用于位于排气系统中的排气后处理单元的再生，其特征在于所述排气歧管设计成包括：支路容积(V1-V6)，它们分别附属于其相应的气缸气口；第一收集子容积(V_s1)，它连接到位于所述排气歧管一侧的三个所述支路容积，并连接到所述排气系统的第一出口；第二收集子容积(V_s2)，它连接其他所述支路容积中的至少一个，并连接到EGR回路的第二出口；以及第三收集子容积(V_saml)，它连接剩余的所述支路容积，并连接所述第一和第二收集子容积，其中气缸的扫过容积、歧管容积以及第三收集子容积(V_saml)之间的相互关系，EGR质量流与排气质量流之间的比值，以及在脉动排气流中压力最大值与压力最小值之间的比值，使得EGR气体从所述排气歧管中的再生气体中隔离出来。该构造提供来自于EGR气体的再生气体的完全隔离，而无需昂贵的或占空间的措施。

附图说明

以下将参考在附图中描绘的实施例的实例，更详细地描述根据本发明的构造，附图中：

图1示意地描绘了具有根据本发明的EGR回路和再生排气后处理单元的内燃机；

图2示意地描绘了根据本发明第一实施例的排气歧管；

图3示意地描绘了根据排气歧管第二实施例的排气歧管；

图4是表示在排气歧管的涡轮出口处压力的图表；并且

图5是表示在排气歧管到EGR回路的出口处压力的示意图。

具体实施方式

图1中示意性描绘的内燃机10包括发动机组11，其中该发动机组11具有六活塞气缸12，该六活塞气缸12具有进气歧管13和排气歧管14。排气经由排气道15引导到汽轮发电机组16的涡轮机叶轮17。涡轮轴18驱动汽轮发电机组的压缩机叶轮19以压缩经由进气道20进入的空气，并将该空气经由增压空气冷却器21转到进气歧管13。燃料经由喷射器(未示出)供应给相应的气缸12。

已通过汽轮发动机组16的排气经由排气管路22通向大气，其中排气管路22引导排气通过用于排气后处理的再生设备，例如颗粒捕集器或NO_x捕集器23。颗粒捕集器的再生通过来自于任何气缸12未燃烧燃料的供应，例如所谓“后喷油”进行，其中通过氧化在颗粒过滤器上游的催化器中的燃料，提高颗粒捕集器的温度，该温度足以用于颗粒捕集器中的烟灰点火并烧掉。

为了减少通过已知技术从发动机排出的氧化氮，排气也经由导管24作为所谓的EGR气体引导回发动机的进气侧。该管路包括阀25，该阀25既用作单向阀又用作用于调节EGR流的控制阀。还有用于冷却EGR气体的冷却器26。

所述阀25连接到发动机控制单元27，该发动机控制单元27包括基于输入数据用于控制发动机的控制程序和控制数据。例如发动机控制单元27连接到检测发动机转速的传感器28。

在这里以下是说明尽管没有将排气系统分成两个隔离的部分，并且尽管所有排气都收集在一个相同的、完全在各气缸排气口外的管道中，如何防止未燃烧燃料进入EGR回路。假设六缸发动机具有1-5-3-6-2-4的常规点火顺序。这种情形也应用于所谓的V6发动机，该V6发动机包括在该发动机中间一侧的三气缸的气缸组以及在发动机中间另一侧的三气缸的气缸组，所述两个气缸组通过排气歧管连接。

用于常用的直列式六缸发动机的点火顺序导致来自于发动机前半部分(气缸1、2、3)与发动机后半部分(气缸4、5、6)的各气缸排气脉冲交替出现。在具有V6结构的情形下，来自于左汽缸组和右汽缸组的排气脉冲交替出现。

在设有汽轮发电机组的六缸发动机的排气歧管中，其中该汽轮发电机组具有可变几何尺寸涡轮(VTG)，由于VTG涡轮通常没有隔离壁，所以通常一起引导来自于六个气缸的排气。用于具有固定涡轮的六缸发动机的汽轮发电机组常常具有隔离壁，在这种情形下该汽轮发电机组与排气歧管结合，该排气歧管隔离气体使得交替的排气脉冲出现在一半而其他排气脉冲出现在另一半。但是，这类隔离排气脉冲构造不与不具有隔离壁的涡轮结合使用，例如VTG涡轮。

排气歧管收集来自于没有隔离壁的所有六个气缸的排气以隔离交替的排气脉冲，该排气歧管可在发动机区域(extent)的外端设有EGR出口，而涡轮抽气(turbine extraction)可优选地位于排气歧管区域的另一端。对于这种排气歧管，不管一端是否分接了用于EGR的出口，甚至EGR流达到约10％至50％(质量流_EGR/[质量流_EGR+质量流_exhaust])，压力脉冲可保持为六个近似相等的压力脉冲。如果这种排气歧管隔离来自于发动机两半(前/后)的排气流，同时EGR仅从一半分接，其结果是压力脉冲不稳定，即在仅仅为涡轮供应排气的一半中的压力脉冲显著地比存在于将气流供应到EGR回路和涡轮的一半中的压力脉冲强。

不稳定的压力脉动对于涡轮是不利的，从而该涡轮运行低效工作范围中。由于在反馈气体引导到发动机的进气管之前，当废气需要与新鲜空气混合时，该气体混合物需要在空间和时间上尽可能地均匀(稀疏脉动流导致EGR含量根据曲轴角变化，使六个不同的气缸填充来自于具有EGR含量的进气盒的气体，该EGR含量的改变取决于EGR流是否通过在完整的工作循环(两个发动机转数)中的三个或六个脉冲添加到新鲜空气中)，这种隔离使得EGR回路在两个完整的发动机转数(整个的四冲程工作循环)中只接收三个排气脉冲，这与六个较小的脉冲相比是不利的。换句话说，当有六个均匀脉冲而非不稳定脉冲时，这对涡轮和EGR功能都是有利的。这六个均匀脉冲优选地由来自于六个不同气缸的排气流提供，其中该排气流一起引导而没有任何长管并且没有隔离壁将来自于各气缸的排气流隔离。

以下的实例是描述排气歧管如何满足以上所有的要求，使得避免向EGR回路添加来自于后面的后喷油的未燃烧燃料和/或预定加热的排气，并且同时对涡轮和EGR出口在排气歧管处提供六个近似相等压力脉冲。

图2和3示意性描绘了排气歧管14实施例的两个不同的实例，该排气歧管14具有使用以下罗列的公式限定的部分容积。因此V_slag表示各气缸12的扫过容积。V_port表示气缸盖29中相应的排气口到排气歧管单独支路30的容积。V_g表示单独支路30到歧管14的公共部分的容积。歧管14的该公共部分分成：第一收集子容积V_s1，该第一收集子容积V_s1连接到所述三个位于排气歧管一侧的支路容积V_g并连接到排气系统的出口31；第二收集子容积V_s2，该第二收集子容积V_s2连接到其余支路容积V_g中的至少一个，并连接到EGR回路的出口32；以及第三收集子容积V_saml，该第三收集子容积V_saml连接到其余的支路容积并连接第一和第二收集子容积V_s1和V_s2。通过出口31到排气系统的质量流表示为m_avg，而通过出口32的质量流表示为

根据本发明的构造基于排气流的气缸产出的计算，其中该排气流为排气歧管上六个不同的入口(来自于相应的气缸)和两个不同的出口的排气流，计算需要先进的CFD(计算流体动力学)仿真，该先进的CFD仿真包括排气歧管的几何形状以及在发动机的整个工作循环，即两转中的流动和压力模式。这些先进的仿真不能对每个可想到的可行排气歧管结构进行详细地再现，所以以下公开的仅仅是大大简化的以式子(1)和(2)的形式的近似表示，用于表示各排气歧管子容积、EGR含量(content)以及压力脉冲如何彼此相关，以便实现防止未燃烧燃料(后处理系统的以后的后喷油)的添加条件，该未燃烧燃料来自于六缸发动机一半的三个气缸1至3中的一个或多个，或为了预定地确保来自该组中一个或多个气缸的提高的排气温度仅仅达到涡轮(后处理系统)而不是EGR冷却器。EGR回路在发动机的另一端连接到气缸5或6附近的歧管。

该先决条件是

\frac{{\overset{\cdot}{m}}_{egr}}{{\overset{\cdot}{m}}_{egr} + {\overset{\cdot}{m}}_{avg}} < 0,5

当气缸4、5和6中的任何气缸产生排气脉冲时，就认为从三个气缸中的任何气缸向EGR回路供应气体。当它们产生排气脉冲时，对于没有被从气缸1、2或3供应气体的EGR回路，需要满足式子(1)和

(2)

(1), \frac{(V_{saml} + V_{5} / 2 + V_{6})}{V_{slag}} - \frac{{\overset{\cdot}{m}}_{egr} \cdot (1 + p_{\max} / p_{\min})}{({\overset{\cdot}{m}}_{egr} + {\overset{\cdot}{m}}_{avg}) \cdot 4} > \frac{p_{\max}}{p_{\min}} \cdot (\frac{V_{5} / 2 + V_{6}}{V_{slag}})

(2), \frac{V_{saml}}{V_{slag}} > \frac{{\overset{\cdot}{m}}_{egr}}{{\overset{\cdot}{m}}_{egr} + {\overset{\cdot}{m}}_{avg}}

式子(1)指在压力下降处的情形，该压力下降紧接由来自于气缸4、5或6的排气脉冲所引起的压力峰值(见图5中图表)之后。此外，压力下降期间子容积Vsaml、V6以及V5/2中的气体量

(1a) P_min·(V_saml+V₅/2+V₆)

假设为足够从压力下降到下一个压力峰值向EGR回路提供EGR气体

(1 b), \frac{{\overset{\cdot}{m}}_{egr} \cdot V_{slag} \cdot (p_{\min} + p_{\max})}{({\overset{\cdot}{m}}_{egr} + {\overset{\cdot}{m}}_{avg}) \cdot 2 \cdot 2}

在来自于气缸1、2或3的排气脉冲所引起的该压力峰值处，气体的量

(1c) P_max·(V₅/2+V₆)

必须是(1a)中气体的部分量。

在式子(1a)和(1c)中，在由于来自于气缸1至3排气脉冲所引起的将来的压力升高中，认为V4部分地充满来自于气缸1至3的气体，所以容积V4省略；而在由于来自于气缸1至3的排气脉冲所引起的将来的压力升高中，V5仅仅很小的区域将填充来自于气缸1至3的气体，所以容积V5除以2。

从压力图的底部到压力图的顶部，认为EGR回路根据(1b)消耗EGR：

\frac{{\overset{\cdot}{m}}_{egr} \cdot V_{slag} \cdot (p_{\min} + p_{\max})}{({\overset{\cdot}{m}}_{egr} + {\overset{\cdot}{m}}_{avg}) \cdot 2 \cdot 2}

其中第一次除以2是由于一半的压力脉冲(整个工作循环的十二分之一)而第二次除以2是由于两个压力水平p_min和p_max的平均。

在用p_min和V_slag简化之后，结果是(1a)-(1b)＞(1c)，得到无量纲式子(1)。

式子2用来比较如下的两种情形：一种是在来自于气缸4、5或6的排气脉冲之后的压力低的情形；一种是在来自于气缸1、2或3的排气脉冲之后的压力低的情形。

根据(2b)

V_{slag} \cdot p_{\min} \cdot \frac{{\overset{\cdot}{m}}_{egr}}{{\overset{\cdot}{m}}_{egr} + {\overset{\cdot}{m}}_{avg}}

在来自于气缸1至3中的任何气缸的排气脉冲之前，(2a)

P_min·V_saml

中的气体量必须大于在一个脉冲(工作循环的六分之一)中由EGR回路分出的量。

在用V_slag和p_min简化之后，因此结果是(2a)＞(2b)，得到无量纲式子(2)。

以上使用的从前至后1至6的气缸编号当然可以颠倒，或者排气歧管14可以颠倒，使得用于EGR的出口位于发动机的前端，而涡轮出口位于发动机的后端(镜像颠倒)。气缸1至3可为V6发动机一侧(组)的气缸而气缸4至6可为V6发动机另一侧(组)的气缸。

根据图3，如果EGR出口重新设置在第四与第五排气支管之间的位置，式子(1)改成式子(3)。

在排气歧管构造成如图3所示的情况下，结合式子(2)，以下罗列的式子(3)支配各排气歧管子容积、EGR含量以及压力脉冲如何彼此相关，以便实现防止未燃烧燃料(用于后处理系统的晚后喷油)添加的条件，该未燃烧燃料来自于六缸发动机一半的三个气缸1至3中的一个或多个，或为了确保来自于气缸1至3的一个或多个的预定提高的排气温度仅仅到达涡轮(后处理系统)而不是EGR冷却器。

(3), \frac{(V_{saml} + V_{4} / 2 + V_{6})}{V_{slag}} - \frac{{\overset{\cdot}{m}}_{egr} \cdot (1 + p_{\max} / p_{\min})}{({\overset{\cdot}{m}}_{egr} + {\overset{\cdot}{m}}_{avg}) \cdot 4} > \frac{p_{\max}}{p_{\min}} \cdot (\frac{V_{4} / 2 + V_{6}}{V_{slag}})

在具有根据本发明对应于图2的发动机构造的情况下，CFD计算分别生成排气在涡轮出口处31与在EGR出口处32的以下的比例关系：

来自于气缸6：涡轮出口19.2％，EGR出口80.8％

来自于气缸5：涡轮出口34.8％，EGR出口65.2％

来自于气缸4：涡轮出口45.8％，EGR出口54.2％

来自于气缸3：涡轮出口99.7％，EGR出口0.3％

来自于气缸2：涡轮出口99.6％，EGR出口0.4％

来自于气缸1：涡轮出口99.0％，EGR出口1.0％

由此EGR出口32接收不超过、至多大约1％的来自于气缸1至3的排气，因此这部分排气能够用于例如颗粒过滤器23的再生，该再生用于经由现有的喷射器通过后喷油供应未燃烧燃料。

本发明不被认为限制于如上所述实施例的实例，而是在罗列的权利要求的范围内可想到许多另外的变体和改进。

Claims

1.用于控制内燃机(10)的排气压力脉动的构造，该内燃机(10)包括：六个气缸(12)；入口(13)，用于将空气供应到所述气缸；排气歧管(14)，用于从所述气缸输送排气，所述构造设有：到排气系统(22)的第一出口(31)以及到导管(24)的第二出口(32)，所述导管(24)用于经由EGR回路，从所述发动机的至少一个气缸将排气馈送回所述入口(13)，至少一个气缸布置成添加一种装置，该装置用于位于排气系统中的排气后处理单元(23)的再生，其特征在于所述排气歧管(14)设计成包括：支路容积(V1-V6)，它们分别附属于其相应的气缸气口；第一收集子容积(V_s1)，它连接到位于所述排气歧管一侧的三个所述支路容积，并连接到所述排气系统的第一出口(31)，并且在第一收集子容积所对应的三个气缸的至少一个中进行促进排气后处理单元(23)的再生的操作；第二收集子容积(V_s2)，它连接其他所述支路容积中的至少一个，并连接到EGR回路的第二出口；以及第三收集子容积(V_saml)，它连接剩余的所述支路容积，并连接所述第一和第二收集子容积，其中气缸的扫过容积、歧管容积以及第三收集子容积(V_saml)之间的相互关系，EGR质量流与排气质量流之间的比值，以及在脉动排气流中压力最大值与压力最小值之间的比值，使得EGR气体从所述排气歧管中的再生气体中隔离出来。

2.如权利要求1所述的构造，其特征在于位于排气系统中、用于排气后处理单元(23)再生的装置包括正常燃烧后加入气缸的未燃烧碳氢化合物。

3.如权利要求1所述的构造，其特征在于用于排气后处理单元(23)再生的装置包括延迟燃烧或在正常燃烧之后，添加燃烧碳氢化合物以提高排气温度。

4.如权利要求1至3中任一项所述的构造，其特征在于排气后处理单元构成颗粒捕集器(23)。

5.如权利要求1至3中任一项所述的构造，其特征在于排气后处理单元构成NO_x捕集器/NO_x催化器。

6.如权利要求1至3中任一项所述的构造，其特征在于排气系统包括至少一个汽轮发电机组(16)，所述至少一个汽轮发电机组(16)本身包括用于从所述排气吸收能量的涡轮(17)和用于压缩供应给所述发动机的入口(13)的空气的压缩机(18)。

7.如权利要求1至3中任一项所述的构造，其特征在于所述发动机(10)呈直列式六缸发动机的形式。

8.如权利要求1至3中任一项所述的构造，其特征在于所述发动机(10)呈V6发动机的形式。

9.如权利要求1至3中任一项所述的构造，其特征在于所述第二收集子容积(V_s2)连接到其余支路容积中的一个。

10.如权利要求1至3中任一项所述的构造，其特征在于所述第二收集子容积(Vs2)连接到两个所述其余支路容积。