CN101865018A - 用于内燃机的带尾气净化设备的二级增压系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机(10)的二级增压系统，所述内燃机(10)包括具有进气配流器(16)和尾气集管(18)的至少一个汽缸(12)以及使尾气再循环至所述内燃机的进气口的再循环管线(78)，所述系统包括：高压增压级(22)，其具有包括连接于压缩机(30)的膨胀涡轮机(26)的涡轮增压器；以及低压增压级(24)，其具有包括连接于压缩机(32)的膨胀涡轮机(28)的涡轮增压器；以及设置在尾气输出口(40)和高压涡轮增压器的涡轮机(26)之间的尾气净化装置。根据本发明，所述系统包括来自内燃机尾气输出口(40)并终止于低压涡轮增压器(24)的涡轮机(28)的尾气旁路分支(70)。

Description

用于内燃机的带尾气净化设备的二级增压系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及用于内燃机的二级增压系统及其控制方法。
本发明尤其涉及来自这种类型内燃机的尾气的污染消除处理。
如公知的那样，由内燃机产生的功率取决于送入该内燃机的燃烧室的空气量。空气与燃料混合以由此获得混合物的燃烧。
由于这种空气量其本身与空气密度成正比，如果需要高功率，则通过压缩提供这种增量的空气，这种压缩一般是在允许空气进入该燃烧室前进行的。
被称为增压的这种操作一般是通过利用内燃机的尾气由涡轮机驱动的压缩机实现的，这种压缩机通常被称为涡轮增压器。
背景技术文献WO-2008/155,268记载一种具有两个增压级的内燃机，其在提高内燃机效率并减少其燃料消耗的同时允许将送入燃烧室的空气进一步压缩。
更准确地说，这两个级彼此关联地串联设置并包括两个涡轮增压器——高压(HP)涡轮增压器和低压(LP)涡轮增压器。HP涡轮增压器更具体地适用于低流量而LP涡轮增压器适用于较高的流量。
这些涡轮增压器包括由驱动轴连接于压缩机的各个膨胀涡轮。这两个涡轮如此配置以使HP涡轮增压器的涡轮被提供有取自内燃机尾气管的尾气，又向LP涡轮增压器的涡轮供气而同时LP涡轮增压器的压缩机又给HP涡轮增压器的压缩机供气。
如上面文献中更详细描述的那样，提供被称为EGR回路的燃烧气体再循环回路。该回路本质上包括被称为EGR管线的管线，其允许尾气从内燃机的尾气管上的分接头(一般在尾气集管输出口)引入到其进气口的连接点(更准确地称为进气配流器)
EGR电路因此允许将尾气添加至燃料混合物，以通过减少该混合物中的燃烧温度而显著提高氮氧化物(NOx)的产量。
附加的气体净化装置被容纳在该EGR管线的上游并在尾气下游。在下文中被称为预催化器的该净化装置进一步添加至主尾气净化设备，该设备是所有内燃机通常以催化器形式配备的。
为了能有效地处理包含在尾气中的污染物，最初处于环境温度下的这种主催化器通过流过其中的尾气来加热，直到达到将其点燃的足够温度水平为止。
为使污染物对大气环境的排放减至最小，就要使预催化器比主催化器更迅速地达到其点燃温度，因为它更靠近尾气输出口。这种预催化器因此允许更迅速地处理这些气体的部分污染物。
更具体地，这种预催化器较为有利地为氧化预催化器，它允许处理尾气中所含的HC(未燃烃)和CO(一氧化碳)。
然而，这种预催化器当被高尾气流量横越时会产生明显的压力差，其主要缺陷是形成妨碍将废气排放到内燃机汽缸外的背压。
为了避免这个，并且如前面提到的文献中更好描述地，需要将预催化器设置在配有HP涡轮机并允许该涡轮机对具有高流量的气体形成旁路的旁路管线下游。
当单独使用LP涡轮增压器时，不会因为该预催化器而产生压力降。
另一缺陷在于该预催化器不是设置成使再循环尾气在再次送入进气前被再次净化。由于该气体中所含的HC和CO的去除一方面有利于负载控制而另一方面只允许减少由该再循环尾气换气的内燃机的各个部件的污垢，这是更为不利的。
本发明旨在借助提供与增压系统相同功能并同时允许净化EGR电路的尾气的系统来克服前述缺陷。
发明内容
本发明因此涉及内燃机的二级增压系统，所述内燃机包括具有进气配流器和尾气集管的至少一个汽缸以及使尾气再循环至所述内燃机进气口的再循环管线，所述系统包括：具有涡轮增压器的高增压级，其包括连接于压缩机的膨胀涡轮；以及具有涡轮增压器的低压增压级，其包括连接于压缩机的膨胀涡轮；以及设置在尾气输出口和高压涡轮增压器的涡轮之间的尾气净化装置，其特征在于，其包括来自内燃机尾气输出口并终止于低压涡轮增压器的涡轮机的尾气旁路分支。
较为有利地，旁路分支可包括扼流装置。
较佳地，扼流装置可包括多位阀。
旁路分支可终止在将高压涡轮增压涡轮机的输出口连接于低压涡轮增压涡轮机的进气口的管线的接头处。
尾气净化装置可位于尾气输出口和尾气再循环管线之间。
本发明还涉及控制内燃机的二级增压系统的方法，所述内燃机包括带进气配流器和尾气集管的至少一个汽缸以及用于使尾气再循环至所述内燃机进气口的再循环管线，所述系统包括：具有涡轮增压器的高压增压级，其具有连接于压缩机的膨胀涡轮机；以及具有涡轮增压器的低压增压级，其具有连接于压缩机的膨胀涡轮机；以及设置在尾气输出口和高压涡轮增压器的涡轮之间的尾气净化装置，其特征在于，所述方法包括针对内燃机工作模式将一部分尾气从尾气输出口发送至终止于低压涡轮增压器的涡轮机的旁路分支并将其它部分尾气送至连接于气体再循环管线的管线。
该方法可包括针对另一内燃机工作模式防止尾气从尾气输出口向旁路分支循环并将尾气传至将这种气体携带至气体再循环管线并至高压涡轮增压器涡轮机的进气口。
该方法包括使管线中循环的气体传送经过尾气净化装置。
附图说明
本发明的其它特征和优势可从参照附图以非限定性实例给出的下面说明中得以明暸，在附图中：
图1示出根据本发明的内燃机的带附加尾气净化设备的二级增压系统；
图2示出根据第一操作配置的图1的内燃机；
图3示出根据第二操作配置的图1的内燃机；以及
图4示出根据第三操作配置的图1的内燃机。
具体实施方式
在图1中，内燃机10——特别是柴油型直喷式内燃机——包括至少一个具有燃烧室14的汽缸12，其中发生燃料混合物的燃烧。该内燃机还包括用于提供在燃烧室内获得燃料混合物所需的流体。在这里称为流体的是增压的空气和再循环尾气的混合物。源自燃烧室内所含燃料混合物燃烧的尾气被排放入尾气集管18。
增压系统20包括两个涡轮压缩级，即由HP涡轮增压器22构成的第一级以及由LP涡轮增压器24构成的第二级。
每个涡轮增压器包括通过轴34、36驱动压缩机30、32使之转动的涡轮机26、28。
这两个涡轮增压器彼此关联地设置以使HP涡轮增压器22的膨胀涡轮机26(或HP涡轮机)可向LP涡轮增压器24的膨胀涡轮机28(或LP涡轮机)供气，并且该HP涡轮增压器的压缩机30(或HP压缩机)可由LP涡轮增压器的压缩机32(或LP压缩机)供气。
如图1中最清楚地看到，尾气循环管线38将尾气集管18的输出口管40连接于HP涡轮机的进气口42，其输出口44通过尾气循环管线48连接于LP涡轮机28的进气口46。LP涡轮机的输出口50连接于通常任何内燃机都设有的尾气管52。总地来说，这条管线配有主尾气净化装置(未示出)，例如催化器，特别是三通路催化器。
LP压缩机32的进气口54提供有例如流过供气管线56的空气的外部流体。LP压缩机的输出口58通过空气循环管线60连接于HP空气压缩机30的进气口60，而该压缩机的输出口64通过空气循环管线66连接于进气配流器16的进气口68。
下文说明中使用的术语“上游”和“下游”是参照尾气集管18和尾气管线52之间的尾气循环方向或供气管线56和进气配流器16之间的流体的循环方向定义的。
尾气旁路分支70起始于HP涡轮机26上游的分支连接点72，该分支连接点72位于管线38和集管的输出管40的交接处。分支终止于管线48上HP涡轮机的输出口44和LP涡轮机的进气口46之间的交接点74。
分支在分支连接点和交接点之间包括扼流装置76，用于控制尾气循环。较为有利地，该扼流装置是位于该分支的全开位置和全闭位置之间的多位阀。
当然，该阀是通过本领域内技术人员公知的任何装置控制的，这种控制在该内燃机的内燃机计算机的控制下进行。
被称为EGR(尾气再循环)管线的管线78允许内燃机的尾气反馈至其进气。更准确地说，该管线将管线38位于HP涡轮机26上游并位于分支连接72下游的连接点80连接于管线66的另一连接点82。
这种至内燃机进气口的尾气再循环传统地用来减少某些污染物的排放，例如在燃料混合物燃烧时放出的氮氧化物(NOx)。
当然，如众所周知地，该EGR管线可装有使从中流过的尾气冷却的热交换器以及用来控制EGR管线中的尾气循环的一般称为EGR阀的阀。
HP压缩级包括HP压缩机30的短路管线4。该管线开始于HP和LP压缩机之间的管线60的上游点86并结束于HP压缩机的输出口64和EGR管线的连接点82之间的下游点88。该管线在上游和下游点之间载有扼流装置90，用来控制空气循环。
在下面描述中被称为预催化器的附加尾气净化装置92设置在EGR管线的连接点80和具有分支70的分支连接72之间的管线38上。
预催化器通常是由尾气横越的多孔本体并包括某些催化相，这允许一些尾气污染物与这些催化相反应。
较佳地，该预催化器设置成尽可能靠近尾气输出口40以利于使该气体中包含的热量最大化。该预催化器由此更迅速地加热并更快地到达其点燃温度。
较为有利地，该预催化器特别旨在处理尾气中包含的HC和CO。
对于尾气流量与使用的HP涡轮增压器22相适应的工作模式，如同内燃机空转或低载状态，阀76被控制在分支70的全闭位置，由此防止任何尾气在其中循环，如图2所示。类似地，阀90被控制在封闭位置以防止短路管线84中的任意空气循环。
来自集管18输出管40的尾气在管线38中循环(箭头F1)并流过预催化器92。该预催化器对HC和CO污染物的处理是通过去除非常大一部分的这类气体而实现的。
经处理的气体随后到达连接点80，在那里气体分为两股流，第一股流F2前往HP涡轮机26而第二股流F3被送至EGR管线78以使尾气再循环至内燃机进气口。
尾气流F2到达HP涡轮机26的进气口42，其压力和能量使气体驱动该涡轮机配有的转子并使其转动。该气体随后从涡轮机贯通输出口44排出并在管线48中循环，通过管线48该气体被送至LP涡轮机28的进气口46。随后气体通过LP涡轮机的输出口50排放至尾气管线52。
为使说明简单，在图2的示例中考虑使流过LP涡轮机的尾气的能量不能使该涡轮机转动。LP压缩机因此不由驱动轴36驱动旋转。
通过供气管线56流至LP压缩机32的进气口54的新鲜空气流过该压缩机并以接近进气口压力(一般为大气压力)的压力到达其输出口。随后使空气进入HP压缩机30的进气口62，压缩机30的转子由连接于HP涡轮机26的驱动轴34驱动并旋转。通过这种旋转，空气被压缩并以压缩的形式通过输出口64排出，由此到达连接点82。经压缩的空气从该点起与在EGR管线78中循环的尾气流F3混合。经压缩的空气和尾气的混合物则通过管线66被送至进气配流器16的进气口68以最终获得能够在燃烧室14内燃烧的燃料混合物。
由于预催化器活化地非常早——由于其成分及其位置非常接近尾气输出口——因此由与经压缩空气混合并再循环至进气口的尾气构成的流F3除去了绝大多数的污染物。同样，尾气流F2被去污并到达净化的LP涡轮机的输出口50。由此，即使设置在尾气管线52上的主去污装置不运作，排放至大气中的尾气绝大部分也被去污。
当然，本领域内技术人员会采取所有需要的步骤来将HP涡轮机22配置成使来自空转或低载工况下运行的内燃机的尾气的大部分能量完全活化。
对于在内燃机中间负载工况下工作情况(图3)，该配置类似于图2的配置，其分支70的阀76和短路管线84的阀90保持在关闭位置。
在这种工况下，尾气的压力和能量与图2的模式相关地增加。尾气流F2流过HP涡轮机26并使该涡轮机的转子旋转。气体随后从HP涡轮机排出并以足以驱动该LP涡轮机的转子旋转的尾气压力和能量到达LP涡轮机。
因此，尾气流F2驱动两个涡轮机26、28旋转，从而通过驱动轴34、36驱动两个压缩机30、32旋转。
在贯通管线56中流动的新鲜空气流过LP压缩机32并同时被加压至第一水平(高于大气压几百毫巴数量级)。随后使加压的空气进入HP压缩机30，空气以比LP压缩机32输出口处更高压力的加压状态离开HP压缩机30。
离开HP压缩机的加压空气到达连接点82，在那里空气与在EGR管线78中循环的尾气流F3混合。压缩空气和尾气的混合物通过管线66被送至进气配流器16的进气端68以最终获得能在燃烧室14内燃烧的燃料混合物。
同样，如上所述，与经压缩空气混合并再循环至进气口的尾气以及通过尾气管线排放至大气的尾气是没有其原先所含的大部分污染物的。
对于更高负载工况，如图4所示，阀76处于旁路分支70的全开位置而阀90允许LP压缩机32的短路管线84中的空气循环。
从集管18排出的尾气较佳地遵循高穿透性回路。更准确地说，该气体流入旁路分支70，由此绕过HP涡轮机26。因此仅LP涡轮机28被尾气驱动以旋转，由此使HP涡轮增压器22不运作。同样，如多数情形所然，进气口和尾气之间的压差促进从尾气至进气口的气流产生并且尾气遵循管线38以再循环至内燃机进气口。
因此，在该配置中，来自输出口40的尾气分成不同容量的两股流，即送至预催化器92的低容量流F1和送至旁路分支70的高容量流F4。
流F4到达LP涡轮机28的进气口46并同时使其转子旋转。然后气体通过LP涡轮机的输出口50被排放入尾气管线52。由于设置在尾气管线52上的主净化设备已达到其点燃温度，尾气在排放至大气前得到处理。
流F1流过预催化器92，到达连接点80并在EGR管线78中循环，直到另一个连接点82。
新鲜空气由此流过供气管线56并流过LP压缩机32，在那里新鲜空气被压缩并在到达管线84上游点86之前以高压离开。这种压缩的空气在管线84中循环并到达管线66上的下游点88。压缩的空气随后到达连接点82，在那里压缩的空气与EGR管线78中循环的尾气流混合。
如上面提到的，压缩空气和尾气的混合物随后通过管线66使送至进气配流器16的进气口68以获得在燃烧室14中燃烧的燃料混合物。
由于这种配置，与压缩空气混合并再循环至进气口的流被预催化器84除去了大部分污染物，不管内燃机工作模式为何。
本发明不局限于所描述的示例并且其涵盖由本发明覆盖的任意变例和等效物。

Claims (8)

1.一种用于内燃机(10)的二级增压系统，所述内燃机(10)包括具有进气配流器(16)和尾气集管(18)的至少一个汽缸(12)以及使尾气再循环至所述内燃机的进气口的再循环管线(78)，所述系统包括：高压增压级(22)，其具有包括连接于压缩机(30)的膨胀涡轮机(26)的涡轮增压器；和低压增压级(24)，其具有包括连接于压缩机(32)的膨胀涡轮机(28)的涡轮增压器；以及设置在尾气输出口(40)和高压涡轮增压器的涡轮机(26)之间的尾气净化装置，其特征在于，所述系统包括从所述内燃机尾气输出口(40)伸出并终止于低压涡轮增压器(24)的涡轮机(28)的尾气旁路分支(70)。
2.如权利要求1所述的增压系统，其特征在于，所述旁路分支包括扼流装置(76)。
3.如权利要求2所述的增压系统，其特征在于，所述扼流装置包括多位阀(76)。
4.如权利要求1或2所述的增压系统，其特征在于，所述旁路分支(70)终止于将高压涡轮增压器(22)的涡轮机(44)的输出口连接于低压涡轮增压器(24)的涡轮机(46)的进气口(46)的管线(48)上的交接点(74)。
5.如前面任何一项权利要求所述的增压系统，其特征在于，所述尾气净化装置(92)设置在尾气输出口(40)和尾气再循环管线(78)之间。
6.一种控制内燃机(10)的二级增压系统的方法，所述内燃机(10)包括具有进气配流器(16)和尾气集管(18)的至少一个汽缸(12)以及使尾气再循环至所述内燃机的进气口的再循环管线(78)，所述系统包括：高压增压级(22)，其具有包括连接于压缩机(30)的膨胀涡轮机(26)的涡轮增压器；和低压增压级(24)，其具有包括连接于压缩机(32)的膨胀涡轮机(28)的涡轮增压器；以及设置在尾气输出口和高压涡轮增压器的涡轮机之间的尾气净化装置，其特征在于，所述方法包括对于一种内燃机工作模式将一部分尾气(F4)从尾气输出口(40)送至终止于低压涡轮增压器(24)的涡轮机(28)的旁路分支(70)，并将其它部分尾气(F1)送至连接于气体再循环管线的管线(38)。
7.如权利要求6所述的控制增压系统的方法，其特征在于，所述方法包括对于另一内燃机工作模式防止尾气从尾气输出口(40)向旁路分支(70)的循环并将尾气送至将该气体携带至气体再循环管线(78)并至高压涡轮增压器(22)的涡轮机(26)的进气口的管线(38)。
8.如权利要求6或7所述的控制增压系统的方法，其特征在于，包括使在管线(38)中循环的气体流过尾气净化装置(92)。
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