CN101137827A - Egr辅助的增压废气旁通阀装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制废气再循环气流的设备和方法。该设备和方法使用泄压装置，例如废气旁通阀，来改变内燃机中的压力，以改变废气通过废气再循环管道的流率。在一种形式中，本发明包括连接到内燃机进气歧管的进气管道和连接到内燃机排气歧管的排气管道。进气管道上可操作地连接有泄压装置。进气管道中的压力变化改变了整个系统上的压力。整个系统中的该压力变化导致废气再循环管道的压力变化。因此，产生通过废气再循环管道的气流，并且使用进气侧泄压装置可控制该气流。

Description

EGR辅助的增压废气旁通阀装置
技术领域
本发明总地涉及控制废气再循环的方法，本发明尤其涉及但不限于使用进气管道侧压力改变装置来控制废气再循环管道中的气流。
背景技术
废气再循环是在当今操作的许多发动机中使用的技术。废气再循环通过降低进气歧管中的氧气浓度，并且由此减少燃烧期间产生污染物的不利化学反应，来降低废气中释放的污染物的量。废气再循环管道通常具有连接到内燃机排气歧管的入口和连接到进气歧管的出口。控制通过废气再循环管道的气流量可使用不同的方法。例如，可在所述管路上设置控制阀，以控制通过该管路流过多少量。另外，在空气返回进气歧管以燃烧之前，通常使用冷却器来重新冷却空气。
控制通过废气再循环管道的废气流率的通用方法为使用排气节气门(exhaust throttle)来产生背压，以驱动废气通过废气再循环管道。该方法的一个问题是排气节气门成本很高。另外，可使用可变几何形状涡轮增压器来驱动废气流过废气再循环管道。该选择相对于固定几何形状涡轮增压器或者废气旁通阀(wastegate)增压器同样成本很高。
EGR(废气再循环)需要成本更加有效的解决方案。
发明内容
本发明的一方面是一种设备。该设备包括：进气管道，该进气管道具有入口和出口；泄压装置，该泄压装置可操作地连接到所述进气管道上；内燃机，该内燃机包括进气歧管和排气歧管，所述进气歧管可操作地连接到所述进气管道的所述出口，其中所述内燃机产生从所述排气歧管排出的废气；排气管道，该排气管道具有入口和出口，其中所述排气管道入口可操作地连接到所述排气歧管上；以及废气再循环管道，该废气再循环管道具有入口和出口，其中所述废气再循环管道的所述入口可操作地连接到所述排气歧管上，所述出口可操作地连接到进气歧管上，其中所述装置的操作改变通过所述废气再循环管道的流率。
本发明的另一方面是一种用于控制废气再循环气流的方法。该方法包括下列步骤：通过进气管道将空气吸入内燃机；在所述内燃机内燃烧所述空气；产生发动机废气；将所述发动机废气的至少一部分通过废气再循环管道再循环入所述进气管道；将吸入所述进气管道的所述空气的至少一部分泄出，其中该泄出改变了所述再循环的发动机废气的流率。
本发明的再一方面是一种设备。该设备包括：进气管道，该进气管道具有入口和出口；可控制废气旁通阀，该废气旁通阀可操作地连接到所述进气管道；内燃机，该内燃机包括进气歧管和排气歧管，所述进气歧管可操作地连接到所述进气管道的所述出口，其中所述内燃机产生从所述排气歧管排出的废气；排气管道，该排气管道具有入口和出口，其中所述排气管道入口可操作地连接到所述排气歧管上；涡轮增压器，该涡轮增压器可操作地连接到所述进气管道和所述排气管道上；第一空气冷却器，该第一空气冷却器可操作地连接到所述进气管道，其中所述第一空气冷却器冷却由所述涡轮增压器压缩的空气；第二废气旁通阀，该第二废气旁通阀可操作地连接到所述排气管道，其中所述第二废气旁通阀使废气能够绕过所述涡轮增压器；废气再循环管道，该废气再循环管道具有入口和出口，其中所述废气再循环管道的所述入口可操作地连接到所述排气歧管上，所述出口可操作地连接到进气歧管上，其中所述可控制废气旁通阀的操作改变通过所述废气再循环管道的流率；以及第二空气冷却器，该第二空气冷却器可操作地连接到所述废气再循环管道。
附图说明
图1示出了本发明一个实施例的示意图；
图2示出了可选实施例的示意图；
图3示出了显示增压废气旁通阀喷嘴面积相对于燃料率的曲线；
图4示出了显示涡轮效率相对于喷嘴面积的曲线；
图5示出了压缩机特性图。
具体实施方式
为了便于理解本发明的原理，现在参考附图中所示的实施例，并用具体的语言对该实施例进行描述。但是应当理解，这并不是对本发明的范围进行限制。本发明所属领域的技术人员通常会预计到，所示本发明原理的变化、修改和进一步应用。
本发明使用泄压装置(例如废气旁通阀)来改变内燃机中的压力，以改变通过废气再循环管道的废气流率。在一种形式中，本发明包括连接到内燃机进气歧管的进气管道和连接到内燃机排气歧管的排气管道。进气管道上连接有涡轮增压器，以在进入的空气燃烧之前给空气增压。泄压装置可操作地连接到进气管道上。通过改变进气管道中的压力，在贯穿整个系统的压力中产生变化。整个系统中的该压力变化导致废气再循环管道的压力变化。因此，产生通过废气再循环管道的气流，并且使用进气侧泄压装置可控制该气流。
现在参考图1，示出了废气再循环(EGR)气流控制设备。该设备20包括提供动力的发动机24、给发动机24提供用于燃烧的空气的进气管道22、用于将发动机24产生的废气排向大气的排气管道26、用于使用废气增压进入空气以提高发动机24效率的涡轮增压器28、用于将发动机24产生的废气的至少一部分再循环回进气管道22的废气再循环管道30、用于控制通过废气再循环管道30的流率的泄压装置32、用于在空气燃烧之前冷却空气的进气冷却器34、以及在废气再次进入进气管道22之前冷却废气的EGR冷却器36。
进气管道22可为本领域技术人员公知的任意形式的管道。例如，该管道可为由金属或塑料形成的管子。可选择地，该管道可为软管或类似地构造。可预计到适于给内燃机提供空气的任何形式的进气管道。进气管道22包括入口38和出口40。在一个实施例中，入口38直接通向大气。在另一个实施例中，入口38通过空气滤清器(未示出)或其它装置连接。唯一必须的是，入口38通向足以提供内燃机24内部燃烧的富氧空气源。进气管道22还包括可操作地连接到发动机24的出口40。所示实施例具有连接到发动机24的进气歧管42的出口40。
所示内燃机24为柴油机。但是应当理解，该发动机也可由其它燃料驱动。所示发动机24为直到六缸发动机。可预计到其它活塞布置的其它实施例。发动机24包括进气支管42和排气歧管44。在所示实施例中，进气歧管42可操作地连接到进气管道22的出口气40上。进气管道22的空气从出口40出来，进入发动机24的进气歧管42。进气歧管42允许将通过进气管22进入的空气送入发动机24的各气缸中。当进入发动机24的气缸时，空气燃烧，产生废气。废气通过排气歧管44排出各气缸。
排气歧管44上可操作地连接有排气管道26。通常，排气管道26为适于允许将发动机24产生的废气排出的任意形式的管道。一些实施例具有为圆柱形管子的管道。其它实施例具有限定在发动机24的金属底盘内的简单气室。本领域技术人员可想到的任何管道可用于实施例，排气管道26包括可操作地连接到内燃机24的排气歧管44的废气入口46。废气入口46适于使从排气歧管44进入废气入口46的废气能够被传送。排气管道26还包括废气出口48。所示废气出口48还包括具有节气口入口52和节气门出口54的排气节气门50。排气节气门50用于在排气管道26中产生背压，以驱动废气通过EGR管道30。在一些实施例中，废气出口48将废气排入大气，在其它实施例中，废气出口48将废气排向其它区域。
废气在从发动机24排向废气出口48的外侧之前，以及空气在进入发动机24的进气歧管42之前，先通过涡轮增压器28。在图1所示的实施例中，涡轮增压器28具有压缩机56和涡轮58。压缩机56用于给进入发动机24的进气歧管42的空气增压。涡轮58利用从发动机24排出的废气来转动压缩机56，以提高发动机效率。压缩机56和涡轮58通过连接轴60连接在一起。连接轴60允许涡轮58的旋转与压缩机56的旋转同步。压缩机56包括压缩机入口62和压缩机出口64。在所示实施例中，压缩机入口62可操作地连接到进气管道22的入口38附近。压缩机出口64位于进气管道22的出口40之前。涡轮58也包括涡轮入口66和涡轮出口68。涡轮入口66接收通过排气管道26的废气，并允许该废气进入涡轮58内。涡轮出口68可操作地连接到排气节气门50的节气门入口52上。应当预计到，在其它实施例中，涡轮增压器28和排气节气门50的位置可变化。另外，所示实施例包括涡轮增压器28，但是，可预计到，在其它实施例中，设备20不包括涡轮增压器。
设备20还包括废气再循环管道30。废气再循环管道30包括入口70和出口72。在所示实施例中，入口70可操作地连接到发动机24的排气歧管44上。但是，在可选实施例中，可预计到EGR入口70可操作地连接到其它位置。例如，在一个实施例中，EGR入口70可操作地连接到排气管道26。出口72可操作地连接到进气管道22。在其它实施例中，出口72连接到进气歧管42，或者甚至连接到进气增压空气冷却器34上。EGR管道30还包括具有阀入口76和阀出口78的EGR控制阀74。当使用排气节气门50或泄压装置32产生通过EGR管道30的气流时，使用EGR控制阀74控制该气流。EGR管道30将发动机24产生的废气再循环，以降低进气歧管42内的氧浓度，从而减少发动机24中的不利化学反应。
进气管道22中具有泄压装置32。在一个实施例中，泄压装置为可控进气废气旁通阀装置。但是可预计到其它实施例中其它形式的压力控制装置，例如止回阀等。泄压装置32位于具有排气管入口82和排气管出口84的排气管道80内。在各种实施例中，排气管出口84通向压缩机入口、排气烟道或大气。其它实施例中，可预计到通向本领域技术人员公知的其它区域。泄压装置32还包括装置入口86和装置出口88。装置出口88通向出口84，而入口接收排气管道80的空气。
另外，在所示实施例中，进气管道22包括进气冷却器34。在空气进入发动机24的进气歧管42之前，进气冷却器34冷却空气。因为压缩机56对空气的压缩通常导致空气过热，从而无法有效燃烧，所以在空气压缩之后希望对空气进行冷却。另外，冷却空气有助于降低其体积，允许将更多的氧气泵入发动机24的进气歧管42内。进气冷却器34包括冷却器入口90和冷却器出口92。在所示实施例中，冷却器入口90可操作地连接到压缩机56的压缩机出口64上。另外，排气管道80具有位于进气冷却器34的冷却器入口90紧前方的排气管入口82。其它实施例中，可预计到排气管道80在冷却器出口92附近位于进气冷却器34的另一侧。此外，其它实施例中，可预计到根本不具有进气冷却器34。
EGR管道30还包括EGR冷却器36。EGR冷却器36还用于在从发动机24排出的废气进入发动机24的进气歧管42之前冷却该废气。EGR冷却器36具有EGR冷却器入口94和EGR冷却器出口96。在所示实施例中，入口94可操作地连接到EGR控制阀出口78。另外，EGR冷却器出口96可操作地连接到喷射器98。喷射器98用于将再循环的发动机废气喷回进气管道22，以用于燃烧。一些实施例中可预计到，EGR管道30不具有喷射器98。一些实施例还可预计到，EGR管道30不具有EGR冷却器36。
图2示出了可选实施例。如图所示，除了在涡轮58周围设有旁通管道100之外，图2与图1所示的实施例完全相同。旁通管道100具有旁通入口102和旁通出口104。另外，旁通管道100内设有第二废气旁通阀106。废气旁通阀106包括第二废气旁通阀入口108和第二废气旁通阀出口110。该废气旁通阀106用于使从发动机24排出的发动机废气绕过涡轮增压器28的涡轮58。使用这种采用了废气旁通阀的涡轮增压器通常成本比使用VG涡轮的成本低。当使用旁通管道100使废气绕过涡轮58时，不会在涡轮58上施加力来帮助它转动压缩机56。因此，降低了进入歧管42的空气的压力。使用该第二废气旁通阀106打开和关闭旁通管道100，除了有助于控制进气侧的变压装置32之外，还有助于控制整个系统的压力变化。
在操作中，空气进入进气管道22的入口38，在这里，空气由压缩机56压缩。压缩空气从压缩机56的出口64排出。空气流到排气管道80，在这里，空气或者由变压装置32阻止，或者从进气管道22泄出。未通过变压装置32排出的空气进入进气冷却器34，在这里，空气在进入进气歧管42之前被冷却。空气从进气歧管42进入发动机24，在这里，空气与燃料混合并燃烧，废气排入排气歧管44。
如果EGR控制阀74打开，并且在整个系统上存在压力差，那么至少一部分废气从排气歧管44排出，并通过EGR管道30。废气在由喷射器98喷回进气管道22之前由EGR冷却器36冷却。然后，再循环空气返回进气歧管42，以在发动机24中燃烧。废气未通过EGR管道30再循环的部分进入涡轮入口66并旋转涡轮58，以帮助压缩机56压缩。然后，废气从涡轮出口68排出。排气节气门48确定废气的释放量，或者废气中被捕获以提供背压以有助于驱动气流通过EGR管道30的量。因此，进气废气旁通阀装置的使用可用来帮助在发动机的进气与排气之间产生压力差，以有助于驱动废气流过EGR管道30。类似地，除了进气侧的第一废气旁通阀和涡轮侧的第二废气旁通阀的组合以便产生压力差驱动EGR控制管道之外，在图2中，执行相同的程序。
现在参考图3，示出了显示扭矩量升高的曲线图。该曲线图示出了涡轮以1200转每分钟运行的数据。该涡轮具有1.5平方英寸的孔和70％的效率。该曲线图在纵轴上标出了增压废气旁通阀孔的面积(单位为平方英寸)。横轴上标出了流率(单位为磅每分)。如图3所示，废气旁通阀的使用增加了涡轮中可能的峰值扭矩量。如图3所示，在200ft-1b附近，通过在进气侧使用废气旁通阀实现接近200ft-1b.的峰值扭矩量的增加。除了控制EGR气流之外，这只是使用进气侧废气旁通阀可获得的许多效果之一。
现在参考图4，示出了在2.4 1b./分的稳定燃料率时，涡轮以1200转每分运行的曲线图。该曲线图在纵轴上相对于涡轮喷嘴面积(单位为平方英寸)绘出了涡轮效率。如图所示，进气废气旁通阀的加入提升了所需的涡轮效率，并允许使用喷嘴面积稍大的涡轮。这与排气节气门产生的效果相类似。但是，它并不具有与热排气节气门相关的缺点，并且成本较低。
现在参考图5，示出了压缩机特性图。压缩机特性图示出了对于进气废气旁通阀系统扭矩峰值速度线移至压缩机特性图右侧，示出了较大的喘振裕量。还示出了使用进气变压装置的另一效果。
尽管已经在附图和前面的说明中详细示出和描述了本发明，但是这些是示意性的而不是对其特征的限制，应当理解，仅仅是示出和描述了优选的实施方式，落入本发明范围内的所有变化和修改都应受到保护。

Claims (17)

1.一种设备，包括：
进气管道，该进气管道具有入口和出口；
泄压装置，该泄压装置可操作地连接到所述进气管道上；
内燃机，该内燃机包括进气歧管和排气歧管，所述进气歧管可操作地连接到所述进气管道的所述出口，其中所述内燃机产生从所述排气歧管排出的废气；
排气管道，该排气管道具有入口和出口，其中所述排气管道入口可操作地连接到所述排气歧管上；以及
废气再循环管道，该废气再循环管道具有入口和出口，其中所述废气再循环管道的所述入口可操作地连接到所述排气歧管上，所述出口可操作地连接到进气歧管上，其中所述装置的操作改变通过所述废气再循环管道的流率。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述装置为废气旁通阀。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述废气旁通阀是可控制的。
4.如权利要求1所述的设备，还包括可操作地连接到所述进气管道和所述排气管道上的涡轮增压器。
5.如权利要求1所述的设备，还包括可操作地连接到所述进气管道上的空气冷却器。
6.如权利要求1所述的设备，还包括可操作地连接到所述废气再循环管道上的空气冷却器。
7.如权利要求6所述的设备，还包括可操作地连接到所述废气再循环管道上的控制阀。
8.如权利要求1所述的设备，还包括可操作地连接到所述排气管道上的废气旁通阀。
9.如权利要求8所述的设备，还包括可操作地连接到所述进气管道和所述排气管道上的涡轮增压器。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述废气旁通阀使废气能够绕过所述涡轮增压器。
11.一种用于控制废气再循环气流的方法，包括：
(a)通过进气管道将空气吸入内燃机；
(b)在所述内燃机内燃烧所述空气；
(c)产生发动机废气；
(d)将所述发动机废气的至少一部分通过废气再循环管道再循环入所述进气管道；
(e)将吸入所述进气管道的所述空气的至少一部分泄出，其中该泄出改变了所述再循环的发动机废气的流率。
12.如权利要求11所述的方法，还包括在吸入所述内燃机的空气燃烧之前压缩该空气的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，还包括在吸入所述内燃机的空气燃烧之前冷却该空气的步骤。
14.如权利要求11所述的方法，还包括在吸入所述内燃机的空气燃烧之前冷却该空气的步骤。
15.如权利要求11所述的方法，还包括冷却再循环进所述进气管道的空气的步骤。
16.一种设备，包括：
进气管道，该进气管道具有入口和出口；
可控制废气旁通阀，该废气旁通阀可操作地连接到进气管道；
内燃机，该内燃机包括进气歧管和排气歧管，所述进气歧管可操作地连接到所述进气管道的所述出口，其中所述内燃机产生从所述排气歧管排出的废气；
排气管道，该排气管道具有入口和出口，其中所述排气管道入口可操作地连接到所述排气歧管上；
涡轮增压器，该涡轮增压器可操作地连接到所述进气管道和所述排气管道上；
第一空气冷却器，该第一空气冷却器可操作地连接到所述进气管道，其中所述第一空气冷却器冷却由所述涡轮增压器压缩的空气；
第二废气旁通阀，该第二废气旁通阀可操作地连接到所述排气管道，其中所述第二废气旁通阀使废气能够绕过所述涡轮增压器；
废气再循环管道，该废气再循环管道具有入口和出口，其中所述废气再循环管道的所述入口可操作地连接到所述排气歧管上，所述出口可操作地连接到进气歧管上，其中所述可控制废气旁通阀的操作改变通过所述废气再循环管道的流率；以及
第二空气冷却器，该第二空气冷却器可操作地连接到所述废气再循环管道。
17.如权利要求16所述的设备，还包括可操作地连接到所述废气再循环管道的可控制阀。
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