CN102128072A - 发动机排气系统及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发动机排气系统及操作方法。具体提供了一种用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其包括：第一排气管道，延伸在第一发动机气缸和涡轮增压器入口之间并且被设置用于在它们之间引导排气。第二排气管道延伸在第二发动机气缸和排气再循环系统入口之间并且被设置用于在它们之间引导排气。排气旁路延伸在第一排气管道和第二排气管道之间并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第二排气管道的排气转移至第一排气管道和涡轮增压器入口。

Description

发动机排气系统及操作方法
技术领域
本发明的示例性实施例涉及发动机排气系统，并且更具体地涉及为发动机排气再循环系统有效提供低烃(“HC”)含量排气、同时向下游的排气系统催化剂提供高烃含量排气的发动机排气系统。
背景技术
再循环排气(“EGR”)的有效利用对于现代内燃发动机具有重要意义，现代内燃发动机包括以汽油和柴油为燃料的发动机。EGR的有效利用通常支持实现这些发动机的高功率输出的目标，同时也支持实现高的燃料效率和燃料经济性以及满足日益严格的发动机排放要求。特别是包括排气驱动的涡轮增压器在内的强制增压进气(forced induction)的使用也被频繁采用以通过利用得自于排气的废能来提高发动机进气的质量空气流量和发动机的功率输出。EGR及涡轮增压的强制增压进气的有效使用需要这些系统的协同设计。
内燃发动机特别是柴油发动机排放的排气是一种异质混合物，包含诸如一氧化碳(“CO”)、未燃烃(“HC”)和氮氧化物(“NOx”)的气体排放物以及构成颗粒物的凝相材料(液态和固态)。通常布置在催化剂载体或基体上的催化剂组合物被设置在发动机的排气系统中以将部分或所有的排气成分转化为非管制的排气组分。用于高水平颗粒物减少的排气处理技术是柴油机颗粒过滤器装置(“DPF”)。已知的几种用于DPF的过滤器结构在从排气中去除颗粒物方面已显示出有效性，如陶瓷蜂窝壁流过滤器，缠绕或填充纤维过滤器(wound or packedfiber filter)，开孔泡沫，烧结金属，纤维等。
过滤器结构，不论所使用的为何种类型，都是从排气中去除颗粒的物理结构，结果，滤出颗粒的累积将会逐渐增加发动机所经历的排气系统背压。为了应对排气颗粒累积所引起的背压增加，DPF被周期性地清洁或再生。DPF的再生，特别是在车辆应用中，通常是自动的并由发动机或其它控制器基于发动机和排气系统传感器产生的信号来控制。再生事件涉及将DPF过滤器结构的温度升高到常常在500℃到650℃之间的水平，以燃烧累积的颗粒。形成排气系统中DPF再生所需温度的一种方法是输送未燃HC到设置在DPF上游的氧化催化剂装置。HC可以通过调节发动机的燃料喷射、正时或者这两者而被输送到排气系统，并且发动机的“过量燃料供给”会导致未燃HC与排气一起排出发动机并进入排气系统。可替代地，与燃料系统关联的燃料喷射器可流体连接到在氧化催化剂装置上游的排气系统，从而把HC直接输送到排气。HC在氧化催化剂装置中被氧化，形成放热反应，从而使排气温度升高到足以燃烧DPF中累积的颗粒的水平。
这种再生方法的缺点是EGR系统的入口通常在氧化催化剂及DPF的上游，因而EGR包含未燃HC和颗粒物这两者。未燃HC向EGR系统的输送可能导致系统的堵塞，特别是如果EGR系统使用排气冷却器的话。而且，HC穿过EGR系统并返回到发动机进气系统的再循环减少了DPF再生可用的HC的量并降低了发动机的燃料效率。避免将未燃HC引到EGR系统的一种方法是把发动机过量燃料供给限制到特定发动机气缸并在再生过程中将未供燃料(un-fueled)排气引导到EGR系统而将满载HC的排气引导到DPF。在V型配置的发动机中，过量燃料供给可能涉及一列气缸，在直列式发动机中，则可能涉及一组气缸(例如在直列式6气缸发动机中为气缸1、2、3)。上述对发动机进行过量燃料供给这一方法的缺点是排气流总被分开，导致过剩的未供燃料排气在不被EGR系统需要时绕过涡轮增压器。为了提高效率，期望利用全部的排气流体积减去被转用于EGR目的的那些后余下的来为使用强制增压进气的发动机中的涡轮增压器提供动力。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，包括：第一排气管道，延伸在第一发动机气缸和涡轮增压器入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第一发动机气缸引导至涡轮增压器入口。第二排气管道延伸在第二发动机气缸和排气再循环系统入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第二发动机气缸引导至排气再循环系统。排气旁路延伸在第一排气管道和第二排气管道之间并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第二排气管道的排气转移至第一排气管道和涡轮增压器入口。
在另一个示例性实施例中，公开了一种用于再生涡轮增压内燃发动机排气系统内的排气颗粒过滤器的方法，其中排气系统具有：第一排气管道，延伸在第一发动机气缸和涡轮增压器入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第一发动机气缸引导至涡轮增压器入口；第二排气管道，延伸在第二发动机气缸和排气再循环系统入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第二发动机气缸引导至排气再循环系统；以及排气旁路，延伸在第一排气管道和第二排气管道之间并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第二排气管道的排气转移至第一排气管道和涡轮增压器入口。所述方法包括：调节发动机的燃料输送速率、燃料输送正时或这两者，以选择性地使来自第一发动机气缸的排气中包含更高水平的烃；使富含烃的排气和转移的排气通过涡轮增压器；在涡轮增压器的下游氧化富含烃的排气中的烃以由此加热排气；以及，使经过加热的排气通过排气颗粒过滤器以燃烧其中截留的碳和颗粒。
本发明进一步涉及以下的解决方案：
解决方案1.一种用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，包括：
第一排气管道，延伸在第一发动机气缸和涡轮增压器入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第一发动机气缸引导至涡轮增压器入口；
第二排气管道，延伸在第二发动机气缸和排气再循环系统入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第二发动机气缸引导至排气再循环系统；以及
排气旁路，延伸在第一排气管道和第二排气管道之间并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第二排气管道的排气转移至第一排气管道和涡轮增压器入口。
解决方案2.如解决方案1所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中来自第一发动机气缸的排气与来自第二发动机气缸的排气相比选择性地包括更高水平的烃。
解决方案3.如解决方案2所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中来自第一发动机气缸的排气流过涡轮增压器并通过烃在其下游的氧化催化剂内的氧化而被再加热。
解决方案4.如解决方案3所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，还包括：
柴油机颗粒过滤器，在氧化催化剂下游并与其流体连通，并且被设置用于接收经过再加热的排气以燃烧其中截留的颗粒。
解决方案5.如解决方案1所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中第一排气管道和第二排气管道与涡轮增压器的壳体成一体。
解决方案6.如解决方案1所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，还包括：
分流器，在第二排气管道内延伸以限定第一流动通道和第二流动通道，第一流动通道的横截面和最大流动量由内燃发动机的最大排气再循环流动量确定，第二流动通道与第一排气管道流体连通。
解决方案7.如解决方案6所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中第一排气管道和第二排气管道及分流器与涡轮增压器的壳体成一体。
解决方案8.如解决方案1所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中第一发动机气缸包括多个第一发动机气缸，而第二发动机气缸包括多个第二发动机气缸。
解决方案9.如解决方案6所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中排气旁路在第一流动通道和第一排气管道之间延伸并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第一流动通道的排气转移至第一排气管道和涡轮增压器入口。
解决方案10.一种用于再生涡轮增压内燃发动机排气系统内的排气颗粒过滤器的方法，其中排气系统具有：第一排气管道，延伸在第一发动机气缸和涡轮增压器入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第一发动机气缸引导至涡轮增压器入口；第二排气管道，延伸在第二发动机气缸和排气再循环系统入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第二发动机气缸引导至排气再循环系统；以及排气旁路，延伸在第一排气管道和第二排气管道之间并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第二排气管道的转移排气提供给第一排气管道和涡轮增压器入口，所述方法包括：
调节发动机的燃料输送速率、燃料输送正时或这两者，以选择性地从第一发动机气缸提供富含烃的排气，所述排气具有比来自第二发动机气缸的排气更高的烃水平；
使富含烃的排气和被转移的排气通过涡轮增压器；
在涡轮增压器的下游氧化富含烃的排气中的烃，由此再加热排气并提供经过再加热的排气；以及
使加热过的排气通过排气颗粒过滤器以燃烧其中截留的碳和颗粒。
解决方案11.如解决方案10所述的用于再生涡轮增压内燃发动机排气系统内的排气颗粒过滤器的方法，还包括：监测排气温度并调节发动机的燃料输送速率、燃料输送正时或这两者以保持排气颗粒过滤器中的选定温度。
结合附图，本发明的上述特征和优点以及其它的特征和优点将从以下对最优发明方案的详细说明中变得显而易见。
附图说明
仅作为示例，其他的目的、特征、优点和细节将在以下的实施例详细说明中有所体现，详细说明参照附图进行，在附图中：
图1是内燃发动机排气处理系统的示意图；
图2是本发明的涡轮增压器及相关联的入口通道体现特征(inlet runnersembodying feature)的示意图；和
图3是本发明的涡轮增压器和相关联的入口通道体现特征的另一实施例的示意图。
具体实施方式
下面的说明本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明、应用或使用。应该理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
现在参照图1，本发明的示例性实施例涉及一种应用于内燃发动机(如柴油发动机12)的排气系统(总体上由附图标记10表示)。应该认识到，柴油发动机12本质上仅仅是示例性的，并且本文所描述的本发明可以在各种发动机系统中实施。为了便于说明及讨论，本发明将在柴油发动机的背景下进行论述。
在示例性实施例中，如图1和图2所示，排气系统10包括第一排气管道14a和第二排气管道14b，第一排气管道14a和第二排气管道14b与柴油发动机12的排气口(图未示)流体连通。第一排气管道14a被设置为收集并引导排气流16a从发动机12的第一气缸或第一列气缸48流向排气驱动的涡轮增压器20的进口18(图2)。第二排气管道14b被设置为收集并引导排气流16b从发动机12的第二气缸或第二列气缸50流到排气再循环系统(“EGR”)22的进口24。涡轮增压器20利用过剩的排气能来压缩进气30，进气30被输送到柴油发动机12的进气歧管26。排气流16b的一部分16c从第二排气管道14b转移并被输送到EGR系统22，在EGR系统22处它可以穿过排气冷却器28并随后在被引入发动机12的进气歧管26中之前与来自涡轮增压器20的压缩进气30混合。从第二排气管道14b转移的EGR排气16c的体积由EGR阀15调节，EGR阀15设置在EGR系统22中介于发动机12的排气管道14b和进气歧管26之间。
排气系统10的其余部分包括与涡轮增压器20的出口34流体连通的排气管道32，并且包括用于将排气流16运送到排气系统10的各种排气处理部件的数个部段。排气处理部件可包括氧化催化剂，如第一、柴油机氧化催化剂(“DOC”)36，用于处理未燃烧的气态和非挥发性的HC和CO，所述HC和CO被氧化形成二氧化碳和水。HC在DOC 36中的氧化属于放热反应，这将在下文进行更详细的论述。选择催化还原装置(“SCR”)38可设置在DOC36的下游并被设置为在存在诸如氨(“NH3”)的还原剂的情况下对排气流16中的NOx组分进行转化。
在示例性实施例中，排气颗粒过滤器(在本例中为柴油机颗粒过滤器(“DPF”)40)设置在排气系统10内，在SCR38及DOC36的下游并用于过滤排气流16中的碳和其它颗粒。DPF40可利用陶瓷壁流整体式排气过滤器42进行构造，迫使排气流16迁移穿过过滤器42的壁。排气流16正是通过壁流机制而滤除了碳和其它颗粒。被过滤出的颗粒沉积在DPF40的排气过滤器42中，并且随着时间的推移，将会造成柴油发动机12所经历的排气背压增加。由颗粒物在DPF中的累积所造成的排气流16的背压增加要求对DPF进行周期性的清洁或再生，以保持柴油发动机12的效率。再生涉及到在通常为高温(＞600℃)的环境中对累积的碳或其它颗粒进行氧化或燃烧。
再次参照图1，控制器如发动机控制器44通过多个传感器可操作地连接到排气系统10并对其进行监测，所述传感器例如为压差传感器46，其监测多个信号连接的压力传感器47之间的压差。本文使用的术语“控制器”是指特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其它适合的元件。在确定排气系统的背压已达到表示需要再生DPF40的预定水平后，发动机控制器44将通过利用位于排气系统10中的燃料喷射器(图未示)或向柴油发动机12进行过量燃料输送来调节输送速率和/或正时(或这两者)以向排气系统10提供未燃的HC。在发动机气缸为V型配置的图1所示例子中，将对第一列气缸48过量供给燃料，从而导致向流经第一排气管道14a的排气流16a输送未燃HC。第二列气缸50将继续以正常的速率和量接收燃料，其结果是，第二排气管道14b中的排气流16b将不会有高水平的未燃HC驻留于其中。
现在参照图2，示意地示出了与涡轮增压器20的入口相邻的排气系统部分52。排气系统部分52包括第一排气管道14a的出口端54和第二排气管道14b的出口端56。出口端54把排气流16a直接输送到涡轮增压器入口18。在DPF40的再生过程中，来自柴油发动机12的第一气缸或第一列气缸48的满载HC的排气流16a将直接流经涡轮增压器20。在富含HC的排气流16a从涡轮增压器出口34(图1)排出之后，排气流16将会被引导并穿过DOC36，在DOC36中排气流16将被氧化。由于氧化反应是放热反应，排气流16在其被DPF40接收之前将被再加热或升温，从而促进DPF40的再生。同样与发动机控制器44通讯的温度传感器58，将允许控制器调节第一气缸或第一列气缸48的过量燃料供给以将DPF40的温度维持在一个合适的水平，以完成排气过滤器42中截留的碳和颗粒的燃烧。
第二排气管道14b的出口端56将排气流16b直接输送到EGR系统22的入口24。在DPF40的再生过程中，来自排气管道14b的排气流16b不会被过量供给燃料，这样，从第二排气管道14b的出口端56进入到EGR系统22的气流将不太可能造成阻塞或以其它方式损坏EGR系统22。在柴油发动机12的工作过程中，发动机12所需的再循环排气的体积、因此排气流16b的所述部分将会基于发动机的负荷、速度及其它变量而变化。因此，排气流16b中不需要用来满足再循环排气要求的那部分，也即过剩的排气流16d，将会被转移通过在第一排气通道14a和第二排气通道14b之间延伸的排气旁路60。由于EGR系统22中的流率随发动机12的排气体积需求而变化，过剩的排气流16d将会通过排气旁路60排出第二排气管道14b并流经第一排气管道14a和涡轮增压器20，从而通过在不同操作模式下增加经过涡轮增压器20的排气16的总流动体积而提高了排气系统的效率。
在图3示出的另外一个示例性实施例中，第二排气管道14b包括在其大部分长度上延伸的分流器62。分流器62分别限定形成第一流动通道64和第二流动通道66。第一流动通道64引导排气流16c进入EGR系统22的进口24。在DPF40的再生过程中，来自第二排气通道14b的排气流16b不会被过量供给燃料，这样，进入EGR系统22的气流将不太可能造成阻塞或以其它方式损坏EGR系统。第二流动通道66引导气流16e直接流向第一排气管道14a以便输送到涡轮增压器入口18。第一流动通道64的横截面积及因此最大流动量(flow volume)由计算出的柴油发动机12的最大排气再循环决定，在本例中所述最大排气再循环少于第二排气管道14b中的全部排气流16b。第二流动通道66与第一排气管道14a较早的上游流体连通有利于在涡轮增压器入口处18更均匀的排气流特性，从而有利于涡轮增压器20的更有效工作。
在柴油发动机12的工作过程中，再循环排气的体积需求将会随发动机的负荷、速度及其它变量而变化。结果，穿过第一流动通道64的排气流将会变化。为了利用最多的排气能量来驱动涡轮增压器20，排气旁路60设置在分流器62中并用于建立与第一排气管道14a中排气的流体连通。由于第一流动通道64中的流率随着EGR系统22的排气体积需求而变化，过剩的排气流16d将会通过排气旁路60排出第一流动通道64并流经第一排气管道14a和涡轮增压器20，从而提高排气系统的效率。
尽管说明书侧重于与涡轮增压器20紧密关联并可与涡轮增压器壳体68集成的排气系统部分52，但可以设想，排气系统部分52可以被设置在涡轮增压器的上游位置，如图1示意性所示，以达到简化其设计和构造的目的。这种布置不应当被认为偏离或超出了本发明的范围。
尽管已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将理解，在不偏离本发明范围的情况下，可进行各种变化并可用等同物来替代本发明的元件。再者，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可进行很多修改以使具体情况或材料适应本发明的教导。因此，意图在于，本发明不限于作为设想用于实施本发明的最佳方式而公开的特定实施例，而是本发明将包含所有落入本申请范围内的实施例。

Claims (10)

1.一种用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，包括：
第一排气管道，延伸在第一发动机气缸和涡轮增压器入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第一发动机气缸引导至涡轮增压器入口；
第二排气管道，延伸在第二发动机气缸和排气再循环系统入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第二发动机气缸引导至排气再循环系统；以及
排气旁路，延伸在第一排气管道和第二排气管道之间并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第二排气管道的排气转移至第一排气管道和涡轮增压器入口。
2.如权利要求1所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中来自第一发动机气缸的排气与来自第二发动机气缸的排气相比选择性地包括更高水平的烃。
3.如权利要求2所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中来自第一发动机气缸的排气流过涡轮增压器并通过烃在其下游的氧化催化剂内的氧化而被再加热。
4.如权利要求3所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，还包括：
柴油机颗粒过滤器，在氧化催化剂下游并与其流体连通，并且被设置用于接收经过再加热的排气以燃烧其中截留的颗粒。
5.如权利要求1所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中第一排气管道和第二排气管道与涡轮增压器的壳体成一体。
6.如权利要求1所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，还包括：
分流器，在第二排气管道内延伸以限定第一流动通道和第二流动通道，第一流动通道的横截面和最大流动量由内燃发动机的最大排气再循环流动量确定，第二流动通道与第一排气管道流体连通。
7.如权利要求6所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中第一排气管道和第二排气管道及分流器与涡轮增压器的壳体成一体。
8.如权利要求1所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中第一发动机气缸包括多个第一发动机气缸，而第二发动机气缸包括多个第二发动机气缸。
9.如权利要求6所述的用于涡轮增压内燃发动机的排气系统，其中排气旁路在第一流动通道和第一排气管道之间延伸并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第一流动通道的排气转移至第一排气管道和涡轮增压器入口。
10.一种用于再生涡轮增压内燃发动机排气系统内的排气颗粒过滤器的方法，其中排气系统具有：第一排气管道，延伸在第一发动机气缸和涡轮增压器入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第一发动机气缸引导至涡轮增压器入口；第二排气管道，延伸在第二发动机气缸和排气再循环系统入口之间并与它们流体连通，并且被设置用于将排气从第二发动机气缸引导至排气再循环系统；以及排气旁路，延伸在第一排气管道和第二排气管道之间并与它们流体连通，并且被设置用于在内燃发动机变化的排气再循环需求的条件下将流过第二排气管道的转移排气提供给第一排气管道和涡轮增压器入口，所述方法包括：
调节发动机的燃料输送速率、燃料输送正时或这两者，以选择性地从第一发动机气缸提供富含烃的排气，所述排气具有比来自第二发动机气缸的排气更高的烃水平；
使富含烃的排气和被转移的排气通过涡轮增压器；
在涡轮增压器的下游氧化富含烃的排气中的烃，由此再加热排气并提供经过再加热的排气；以及
使加热过的排气通过排气颗粒过滤器以燃烧其中截留的碳和颗粒。
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