CN101675220A

CN101675220A - 用于发动机系统的液滴发生器

Info

Publication number: CN101675220A
Application number: CN200880014044A
Authority: CN
Inventors: V·西奥多罗夫
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2010-03-17
Also published as: JP2010526235A; US7926467B2; WO2008133838A1; US20080265051A1

Abstract

本发明涉及一种发动机系统(10)，包括进气系统(12)、内燃发动机(14)和排气系统(16)。该内燃发动机包括燃料液滴发生器(32)和燃料喷射器(34)，该燃料喷射器构造成将燃料直接喷射至内燃发动机(14)的燃烧室(28)中。

Description

用于发动机系统的液滴发生器

技术领域

本发明涉及一种发动机系统，更具体地涉及一种使用液体发生器的发动机系统。

背景技术

包括柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机和本领域已知的其它发动机在内的发动机会排出包括空气污染物的复杂混合物。该空气污染物既可包括例如颗粒物质的固态物质又可包括气态物质，该气态物质例如可包括例如NO₂和NO₃的氮的氧化物(通常总体表示为“NOx”)。

由于对环境的日益关注，排气排放标准已变得更加严格。由发动机排放的颗粒物质和气态污染物的量可根据发动机的型号、尺寸和/或种类而进行管制。为了满足这些排放标准，发动机制造商已致力于在多种不同的发动机技术例如燃料的喷射、发动机管理和后处理等等中寻求改进。

例如，已认识到，燃烧室中燃料和空气的较均匀的混合物可导致较高效率的燃烧，造成发动机的排放减少。授予Martin等人的美国专利No.4,052,004(“’004专利”)公开了一种用于使输送至发动机的燃料雾化的振动雾化器。该雾化器包括用于使得该装置的体部和喷嘴振动的压电晶体，从而燃料借助于喷嘴以细微的雾化形式通过单独的出口离开。尽管’004专利的雾化器的确向发动机输送细微的雾化燃料，但’004专利的喷嘴的形状朝向其出口向下变细，从而用于使雾化燃料凝结而不是努力使得将燃料与空气形成更均匀的混合物。此外，’004专利并未公开使用与发动机后处理相连的雾化器。

本发明涉及解决上述缺点中的一个或多个。

发明内容

在一个方面，本发明涉及这样一种发动机系统，该发动机系统包括进气系统、内燃发动机和排气系统。内燃发动机包括燃料液滴发生器和燃料喷射器，该燃料喷射器构造成将燃料直接喷射至内燃发动机的燃烧室中。

在另一方面，发动机系统的排气系统包括压电式致动的液滴发生器和后处理装置。该后处理装置设置在压电式液滴发生器的下游。

在另一方面，本发明包括一种发动机系统的操作方法，该方法包括将燃料从液滴发生器供应至内燃发动机的燃烧室。该方法还包括将燃料从燃料喷射器供应至内燃发动机的燃烧室。

在另一方面中，一种发动机系统的操作方法包括将反应物从压电式致动的液滴发生器供应至发动机排气中。该方法还包括将反应物和发动机排气的混合物供应至后处理装置中。

附图说明

图1是根据公开的示例性实施例的发动机系统的示意图；和

图2是图1的发动机系统的压电式致动器的示意图。

具体实施方式

图1示出发动机系统10。发动机系统10可包括进气系统12、内燃发动机14和排气系统16。进气系统12可包括常规部件，例如，从周围空气进口20通向发动机14的进气歧管22的空气进口通道18。该空气进口通道18可包括压缩机24和空气冷却器26。压缩机24可以是发动机系统10的涡轮增压机的一部分。可设想在进气系统12中包括附加和/或不同的部件，例如用于允许发动机排气流入进口通道18的可控阀(未示出)、空气滤清器(未示出)、和/或附加的压缩机(未示出)。

内燃发动机14可以是柴油发动机、汽油发动机、由气态燃料提供动力的发动机，或任何其它类型的发动机。发动机14可包括进气歧管22、多个燃烧室28和排气歧管30。燃料喷射器34可与各燃烧室28相联以便将燃料直接喷射至各个燃烧室28中。图1中示出的发动机14包括四个燃烧室28，但是发动机14可包括更多或更少的燃烧室28。此外，燃烧室28可设置成“直列式”构型(如图所示)或“V”构型，或任何其它合适的构型。可以理解，在发动机14是汽油发动机的本发明的实施例中可省去喷射器34，并添加火花塞。

发动机14也可包括一个或多个压电式液滴发生器32。压电式液滴发生器32可位于各燃烧室28的上游，且特别地可位于进气歧管22内、在进气歧管22的与单个燃烧室28相联的部分处。虽然图1示出与各燃烧室28相联的单个压电式液滴发生器32，但每个燃烧室28可与多于一个发生器32相联。此外，可以理解，压电式液滴发生器32可位于各个燃烧室28的进口上游的其它位置。压电式液滴发生器32可以任何常规方式固定于发动机14。下面将详细描述压电式液滴发生器被控制器44经由电线46供应的电流致动。

参考图2，压电式液滴发生器32可以是这种常规形式，例如包括液滴发生器壳体48，该液滴发生器壳体48包括压电片/致动器50和具有多个出口孔60的大致平坦的喷射元件52。瑞士那沙泰尔(Neushatel)的MicroflowEngineering SA制造了结构类似于压电式液滴发生器32的液滴发生器。液滴发生器壳体48的侧部可包括进口管道56和进口阀58。压电式液滴发生器32的进口管道56可联接于形成于液滴发生器壳体48内的燃料室54和燃料供应源(未示出)之间。进口阀58可以具有任何常规形式，例如止回球阀，或可替代地，可省去进口阀58。压电式液滴发生器32与常规燃料喷射器的不同之处至少在于液滴发生器32不带有单个喷嘴组件。

压电式致动器50可完全或部分地由压电型材料制成，例如压电材料或压电陶瓷材料。此外，压电式致动器50可以是联接于形成燃料室54的一部分的构件的单独的元件。压电式液滴发生器32的压电式致动器50可通过电线46物理地连接于控制器44以便从控制器44接收电流。

可基于期望的待供应至燃烧室28的燃料供应量选择压电式液滴发生器32的数量和尺寸，同时考虑与发生器32的部件相关的任何限制和发动机14的约束。在示例性的实施例中，喷射元件52的出口孔60可构造成给发动机14提供尺寸约为8微米的液滴。在另一示例实施例中，出口孔60可被间隔开以便在每平方厘米的喷射元件52上提供大约1220个出口孔60。可设想出口孔60构造成提供具有其它尺寸例如小于8微米的液滴，以及以不同的分布方式间隔开，例如每平方厘米比1220个孔更少。

重新参考图1，排气系统16可包括从发动机14的排气歧管30延伸至发动机系统排气出口64的排气通道62。排气通道62可包括涡轮36、颗粒过滤器38、排气侧压电式液滴发生器40和基于催化剂的装置42。排气系统16中可包括可替代的或附加的部件或装置。例如，可省去涡轮36和/或给排气系统16添加排气再循环回路(未示出)和一个或多个后处理装置(未示出)。

排气系统16的涡轮36可以是固定几何形状类型或可变几何形状类型，且可和压缩机24形成涡轮增压机系统的一部分。可向排气系统16添加与涡轮36串联或并联的附加的涡轮(未示出)。排气系统16中还可包括合适的废气旁通阀系统(未示出)。

颗粒过滤器38可设置在涡轮36的下游，且可包括过滤介质，该过滤介质构造成在发动机排气流过该过滤介质时捕获颗粒物质。过滤器介质可包括网状材料、多孔陶瓷材料(例如堇青石)或任何其它材料和/或包括适于捕获颗粒物质的构造。

基于催化剂的装置42可位于颗粒过滤器38的下游，且可包括催化剂、NOx吸附剂、NOx吸收剂或本领域已知的任何其它脱硝装置。例如，基于催化剂的装置42可包括一种或多种涂覆有或以其它方式包含液态或气态催化剂的基材，例如贵金属。催化剂可例如通过选择催化还原将发动机排气中的燃烧的副产品还原。在一个示例中，可通过排气侧压电式液滴发生器40将尿素形式的反应物喷射至基于催化剂的装置42上游的排气通道62中。喷射至基于催化剂的装置42的尿素反应物可分解成氨，该氨可通过催化剂与发动机排气中的NOx反应以形成H₂O和N₂。

排气侧压电式液滴发生器40可以与相联于发动机14的压电式液滴发生器32(图2)相同的方式构造，不同之处在于排气侧发生器40的出口孔60可定尺寸成用于被喷射的具体的流体(例如尿素)。例如，排气侧压电式液滴发生器40的出口孔60可定尺寸成给基于催化剂的装置42供应尿素液滴，在示例性实施例中，尿素液滴具有大约25微米的尺寸。排气侧压电式液滴发生器40可联接于基于催化剂的装置42上游的排气通道62(未示出)，或可选地直接联接于基于催化剂的装置42的上游侧。类似于压电式液滴发生器32，排气侧压电式液滴发生器40被控制器44控制，该控制器44通过电线66给发生器40供应电流。可设想出口孔60可定尺寸成给基于催化剂的装置42供应具有其它尺寸例如小于25微米的尿素液滴。可以理解，排气侧压电式液滴发生器40可具体地构造成用于排气系统16的高热环境。

控制器44可包括构造成接收与发动机和/或机器操作参数相关的信息和/或监视、记录、存储、指示、处理和/或通信这些信息和附加信息的任何部件。例如，控制器44可包括存储器、一个或多个数据存储装置、中央处理单元和/或可用于运行应用程序的任何其它部件。控制器44可与各种已知的回路例如动力供应线路、信号调节线路、螺线管驱动器线路、通信线路和其它合适的线路相联。

控制器44可构造成执行多种处理和控制功能，例如发动机管理(例如控制器44可包括也称为ECM的发动机控制模块)，监视/计算与排气输出及其后处理相关的参数等。特别地，控制器44可构造成基于特定的发动机系统状态确定通过电线46供应至发动机14的压电式液滴发生器32的电流的时刻和持续时间。例如，在发动机怠速状态期间，电流可被供应至压电式液滴发生器32以便补充或替换燃料喷射器28提供的燃料；或者电流可被供应至发生器32以便在部分或全部燃料循环(例如预喷射、主喷射和/或后喷射)期间将燃料输送至燃烧室28。此外，控制器44可特别地构造成基于特定的发动机系统状态确定供应至排气侧压电式发生器40的电流的时刻和持续时间。例如，控制器44可确定何时将电流沿着电线66传送至排气侧压电式液滴发生器40以及传送多长时间，以便维持基于催化剂的装置42中的氨的合适的量。

发动机系统10的运行可包括通过周围空气进口20将空气接收至进口通道18中。然后，进口通道18中的空气可通过压缩机24加压，然后通过空气冷却器26冷却。然后，被冷却加压的空气通过进气歧管22进入发动机14。在进入发动机14的燃烧室28前，冷却且被加压的空气可通过压电式液滴发生器32与燃料混合。特别地，控制器44例如基于发动机系统工作状态确定压电式液滴发生器32的压电式致动器50的致动的合适的时刻和持续时间。一旦从控制器44接收到受控的电流，压电式液滴发生器32、特别是压电式致动器50(图2)以高频振荡，以将燃料通过进口管道56吸入燃料室54，并通过出口孔60从燃料室54排出流体。压电式液滴发生器32的用于喷射燃料的时刻和持续时间可包括在发动机怠速状态期间，和/或在部分或全部燃料输送循环期间，例如在预喷射、主喷射和/或后喷射情况下。在空气和燃料混合物进入燃烧室28后，用于期望的燃烧所需的任何剩余的燃料被燃料喷射器28喷射至燃烧室内。然后燃烧室中的燃料/空气混合物开始燃烧。

在发动机14的做功冲程之后，发动机排气通过排气歧管30离开发动机14。排气可从排气歧管30行进至排气系统16，且更特别地行进至排气通道62。排气可通过涡轮36膨胀，且被颗粒过滤器38过滤。如果发动机系统参数指示，控制器44可通过电线66供应受控电流，以致动排气侧压电式液滴发生器40将尿素喷射至发动机排气中，且从而将尿素供应至基于催化剂的装置42。可由控制器44致动排气侧压电式液滴发生器40喷射尿素，该控制器44确定基于催化剂的装置42中需要更多的氨以便维持基于催化剂的装置42和发动机排气之间足量的化学反应。

一旦被过滤，反应后的发动机排气离开基于催化剂的装置42，发动机排气通过排气出口64离开发动机系统10。在离开发动机系统10之后，排气可被以其它方式处理并最终排入大气。

可以理解，虽然图1示出的发动机系统10既包括发动机14中的进气侧压电式液滴发生器32又包括排气侧压电式液滴发生器40，但可从发动机系统10中省去一种或另一种发生器32、40，而仍然在本发明的范围内。

发动机14中压电式液滴发生器32的应用可提供燃烧室28中燃料液滴尺寸的减小，这可导致改进的排放。较小的液滴尺寸(例如小于7微米)使得燃料和空气在燃烧室28内更好地混合。燃料和空气的更好地混合可减小燃烧期间“过热部位”(hot spot)的数量，该过热部位导致附加的有害的发动机排放。此外，通过使用压电式液滴发生器32，可通过避免经由燃料泵或等同的装置给燃料施加高压所需的能量而改进发动机系统10的整体效率。最后，压电式液滴发生器32可通过使燃料喷射器34避免进行某些操作而提高喷射器的寿命。

排气侧压电式液滴喷射器40的应用包括和联接于发动机14的压电式液滴发生器32类似的结构性特点。例如，排气侧压电式发生器40可避免要求单独的尿素泵和相关联的部件的较为复杂的系统。此外，通过提供这种小的尿素液滴(例如小于25微米)，可改进基于催化剂的装置42的效率，且发生器40可设置成距离基于催化剂的装置42更近，这是因为需要较小的空间以实现尿素和排气的特定的混合。这种所需混合空间的减小可导致节省发动机系统空间。

工业实用性

公开的系统可适于增加发动机系统的效率和(改进)排气排放。公开的系统可用于发动机的任何应用。此应用可包括为机器提供动力，所述机器例如，固定的设备例如发电机组，或可动的设备例如车辆。公开的系统可用于任何类型的车辆，例如机动车辆、施工机械(包括道路以及越野用机械)以及其它重型设备。

对本领域技术人员来说显而易见的是，可不脱离本发明的范围而对公开的发动机系统进行各种改进和变型。考虑在此公开的本发明的说明和应用，本发明的其它实施例对于本领域技术人员来说也是显而易见的。例如排气系统16可构造成使得排气侧压电式液滴发生器40可用在可通过流体混合而得以促进的任何类型的后处理装置的上游。例如，将燃料喷射至柴油氧化催化器(未示出)以促进排气系统16的颗粒过滤器的再生，或喷射至柴油颗粒过滤器的上游以将排气的温度升高至再生的水平。如在此理解的，后处理装置可以是位于排气系统16中且促进减小有害排放的任何装置。说明和示例仅被视为示例性的，本发明的真正范围由随后的权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种发动机系统(10)，包括：

进气系统(12)；

内燃发动机(14)；和

排气系统(16)；

其中，内燃发动机包括：

燃料液滴发生器(32)，和

燃料喷射器(34)，该燃料喷射器构造成将燃料直接喷射至内燃发动机的燃烧室(28)中。

2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，燃料液滴发生器包括压电式致动器(50)。

3.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，燃料液滴发生器联接于内燃发动机的进气歧管(22)。

4.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，液滴发生器包括喷射元件(52)，每平方厘米的该喷射元件具有至少1220个出口孔(60)。

5.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，液滴发生器构造成将尺寸小于7微米的燃料液滴供应至燃烧室中。

6.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，液滴发生器位于排气系统中。

7.根据权利要求6所述的发动机系统，其特征在于，排气系统中的液滴发生器包括压电式致动器。

8.根据权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，压电式致动的液滴发生器构造成给下游的后处理装置(42)提供反应物。

9.根据权利要求8所述的发动机系统，其特征在于，压电式致动的液滴发生器构造成给后处理装置提供尺寸小于25微米的尿素液滴。

10.一种操作发动机系统(10)的方法，包括：

将反应物从压电式致动的液滴发生器(40)供应至发动机排气；

将反应物和发动机排气的混合物供应至后处理装置(42)。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述反应物包括尿素。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，从压电式致动的液滴发生器供应反应物包括供应具有小于25微米的尺寸的尿素。