CN102287294A - 用于内燃发动机的egr系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃发动机的EGR系统，其中内燃发动机包括限定多个燃烧汽缸的部件，多个多气门头，每个所述的多气门头与各自的燃烧汽缸相连并包括一进气阀和一排气阀、与每个排气阀流体相连的排气歧管以及流体连接于排气歧管与每个进气阀之间的进气歧管。所述的废气再循环(EGR)系统包括：多个EGR进气阀和多个EGR排气阀，其中每个所述的多气门头包括至少一个EGR进气阀和至少一个EGR排气阀；一EGR排气歧管，其与每个所述的EGR排气阀流体相连；以及一EGR进气歧管，其流体连接于所述的EGR排气歧管和EGR进气阀之间。

Description

用于内燃发动机的EGR系统
技术领域
本发明涉及内燃发动机，尤其涉及此类发动机中的废气再循环系统。
背景技术
内燃(IC)发动机可包括用于控制IC发动机运行中不合需要的废气和颗粒物质的产生的废气再循环(EGR)系统。EGR系统主要用于将循环废气副产物循环进入内燃发动机供气入口，引入发动机汽缸内的废气减少了其中的氧气浓度，相应地降低汽缸内的最高燃烧温度和减慢燃烧过程化学反应，减少氮氧化物(NOx)的形成。此外，废气通常含有未完全燃烧的碳氢化合物，其在被再引入发动机汽缸时燃烧，从而进一步减少那些作为内燃发动机的不合需要的污染物的废气副产物的排放。
内燃发动机也可包括用于压缩流体的一个或多个涡轮增压器，所述流体被提供给相应的燃烧汽缸内的一个或多个燃烧室。每个涡轮增压器通常包括由发动机的废气驱动的涡轮和由所述涡轮驱动的压缩机。所述压缩机接收要被压缩的流体并将所述流体供应至燃烧室。被压缩机压缩的流体可为助燃空气或燃料与空气混合物的形式。
当利用涡轮增压柴油发动机内的EGR时，要再循环的废气优选地在与涡轮增压器相关的涡轮驱动的废气上游被去除。在许多EGR应用中，废气通过提升式EGR阀直接从排气歧管转移。被转移再引入内燃发动机的进气歧管的总排气流量的百分比被称作发动机的EGR率。
经证明EGR在减少新式柴油机中NOx排放量方面是非常有效的，如果除去选择性催化还原(SCR)，达到50％的EGR率可能需要组合四个发动机。为了驱动排放的废气进入高压回路EGR系统，需要用可变几何形状涡轮增压器来增加排气压力以驱动排气进入高压回路EGR系统的进气系统。较高的排气压力的作用显著增加了泵吸损失，并且提升了峰值点火压力。进一步提高EGR水平以至于能够满足NOx标准而无再处理也有很大的难度。冷却负载也会随着高EGR水平而显著增加。
本领域所需要的是一种在高压回路EGR系统中在高EGR水平下工作的EGR系统。
发明内容
本发明的一种形式涉及一种内燃(IC)发动机，包括限定多个燃烧汽缸的部件；多个多气门头分别与相应的燃烧汽缸相关联，每个多气门头具有进气阀、EGR进气阀、排气阀和EGR排气阀；排气歧管与每个排气阀流体连接，以及EGR排气歧管与每个EGR排气阀流体连接；进气歧管流体连接在排气歧管与每个进气阀之间，以及EGR进气歧管流体连接在EGR排气歧管与每个EGR进气阀之间。
本发明的另一种形式涉及一种用于内燃发动机的EGR系统，其中，内燃发动机包括限定多个燃烧汽缸的部件，多个多气门头，每个多气门头与各自的燃气汽缸相关联并包括进气阀和排气阀，与每个排气阀流体相连的排气歧管，以及流体连接在所述排气歧管和每个进气阀之间的进气歧管。所述EGR系统包括：
多个EGR进气阀和多个EGR排气阀，其中每个多气门头包括至少一个EGR进气阀和至少一个EGR排气阀；
EGR排气歧管，其与每个所述的EGR排气阀流体相连；以及
EGR进气歧管，其流体连接于所述EGR排气歧管与每个EGR进气阀之间。
附图说明
图1是包括具有本发明的EGR系统的例子的内燃发动机的示意图。
具体实施方式
现参考上述附图1，表示本发明的内燃发动机10的实施例，其通常包括具有多个燃烧汽缸14的部件12、进气歧管16A、EGR进气歧管16B、排气歧管18A、EGR排气歧管18B、增压空气冷却器20、涡轮增压器22和EGR冷却器24。在所示的实施例中，内燃发动机10是柴油发动机，其装入诸如农用拖拉机或联合收割机的作业机械中，但根据实际应用配置可能会不同。
部件12通常是铸造金属部件，其被制成以限定燃烧汽缸14。在所示实施例中，部件12包括3个燃烧汽缸14，但根据实际应用可包括不同的气缸数目。进气歧管16A和排气歧管18A也通常也由铸造金属制成，并用常规方式与部件12连接，例如使用螺栓和垫圈。进气歧管16A和排气歧管18A各与燃烧汽缸14流体相连接。进气歧管16A接收来自增压空气气冷却器20的增压空气，并向燃烧汽缸14提供增压空气(其可以是空气或燃料/空气混合物)，例如通过使用燃料喷射器(未显示)。同样地，排气歧管18A与燃烧汽缸14流体相连，并从燃烧汽缸14向涡轮增压器22供应排放气体。
涡轮增压器22被示出具有固定几何形状涡轮26和压缩机28。本发明允许使用相对比较便宜和简单的固定几何形状的涡轮。然而，对于在某些应用中，更值得考虑使用具有可变几何形状涡轮(VGT)的涡轮增压器22。这种可变几何形状涡轮可被可调整地控制，如虚线30所示，可包括一可控制元件，例如可控制式叶片、可变尺寸节流孔或者其他可控制元件(未显示)。涡轮26通过来自排气歧管18A的废气驱动，并且废气如箭头32所示排放到环境中。
涡轮26通过可旋转轴34机械驱动压缩机28。压缩机28是实施例中所示的固定几何形状压缩机。如线36所示，压缩机28接收来自周围环境中的助燃空气，并将压缩的助燃空气通过线38输入到增压空气冷却器20。由于经过压缩助燃空气的机械功，加热的增压空气在被引入进气歧管16A的入口之前需在增压空气冷却器20中冷却。
如图1所示的内燃发动机10的可控组件一般由电气处理电路控制，其在说明实施例中以发动机控制单元(ECU)40的形式体现。
EGR系统50包括多个多气门头52、EGR排气歧管18B、EGR冷却器24和EGR进气歧管16B，它们通过多条各自的流体管线(未计数)相互连接。术语流体管线用在此处是为了更宽范围地包括用于诸如排放气体和、或助燃空气的传输气体的导管，根据下文将会进一步得到理解。
多个多气门头52各与各自的燃烧汽缸14相关联。每个多气门头52包括进气阀54、EGR进气阀56、排气阀58和EGR排气阀60。每个多气门头可能可以含有的气门数可以超过所规定的四个，但是据要求至少需有四个气门。
EGR排气歧管18B与每个EGR排气阀60流体相连，并且EGR进气歧管16B流体连接于EGR排气歧管18B与每个EGR进气阀56之间。EGR冷却器24流体互连在EGR排气歧管18B与EGR进气歧管16B之间，并冷却进入燃烧气缸14之前的再循环废气。说明实施例中的进气歧管16A和EGR进气歧管16B彼此物理结构上隔离开，但是也可以合并为公用歧管装置。无论如何，进气歧管16A和EGR进气歧管16B相对彼此来说都是流体独立的歧管。同样地，在说明实施例中排气歧管18A和EGR排气歧管18B也是物理结构上彼此分离，但是也可以合并为公用歧管装置。
ECU 40被构形用以控制每个进气阀54、EGR进气阀56、排气阀58以及EGR排气阀60，EGR率达到近50％。ECU 40被构形以在相应排气冲程的早期开启每个排气阀58，并且在同一个排气冲程的后期打开每个所述的EGR排气阀60。以这种方式，在排气冲程的早期，将高压的排气排入涡轮增压器22，从而为涡轮增压器22提供较高的排气能量。这样，就可允许EGR系统50在高压回路EGR系统运行。
总之，该发明中的EGR系统可用于通常装备有4气门头的高性能的柴油发动机。这样做主要是为了使喷嘴更集中、更垂直而对发动机换气没有明显的影响。通过分别再指派一个进气阀作为EGR进气阀56以及一个排气阀作为EGR排气阀60，就可以提供一个外部冷却的EGR。为了达到EGR的最佳水平而不需要限制排气量，阀定时设置为可调式的。通过对EGR进气阀56和EGR排气阀60动作时间定时，使相应的EGR水平得到控制而不需要使用额外的外部阀或者可变几何形状涡轮增压器。排气歧管18A和EGR排气歧管18B更好的拥有各自的供EGR和供给涡轮增压器22的废气储存的集气室。类似地，进气系统也有各自的供空气和EGR气体流通的口和流道。EGR排气口与EGR进气口通过EGR冷却器24连接。可变气门致动是一种灵活控制各个汽缸EGR率的理想方法。排气能量可以被引导到高效用、固定几何形状涡轮增压器。由于可以对EGR的进气脉冲进行定时，以至于从另一个汽缸发出的排气脉冲供给EGR不需要提高平均压力增长。通过对流道长度的控制可有效制成一个有助于控制压力平衡的谐振器。将排气冲程的末期用于EGR，可使温度得到降低，排热得到减少。整个回路的压力可以通过去除高排气阻力得到降低。可变气门致动之所以是有益的，是因为它也可通过调整排气阀动作时间来控制固定几何形状涡轮增压器中的涡轮增压器22的工作点。这样可以产生更高的压力比并且提高了涡轮增压器的效率。
已描述首选的实施例，很明显在不背离本发明所附权利要求限定的范围内可作各种修改。

Claims (22)

1.一种内燃(IC)发动机，包括：
一部件，其限定多个燃烧汽缸；
多个多气门头，每个所述的多气门头与一各自的所述燃烧汽缸相关联，每个所述的多气门头包括一进气阀、一废气再循环(EGR)进气阀、一排气阀和一EGR排气阀；
一排气歧管，其与每个所述排气阀流体连接；
一EGR排气歧管，其与每个所述EGR排气阀流体连接；
一进气歧管，其流体连接在所述的排气歧管与每个所述进气阀之间；
一EGR进气歧管，其流体连接在所述EGR排气歧管与每个所述的EGR进气阀之间。
2.如权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于：每个所述多气门头共有4个气门。
3.如权利要求1所述的内燃发动机，其特征在于：所述排气歧管和所述EGR排气歧管彼此物理地隔离或被合并为一公用歧管装置。
4.如权利要求1所述的内燃发动机，还进一步包括一个EGR冷却器，其与所述EGR排气歧管和所述EGR进气歧管流体互接。
5.如权利要求1所述的内燃发动机，进一步包括一电气处理电路，其被构形用以利用可变气门致动控制每一个所述的进气阀、所述EGR进气阀、所述排气阀以及EGR排气阀。
6.如权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于：所述电气处理电路被构形用以控制每个所述进气阀、所述EGR进气阀、所述排气阀以及所述EGR排气阀，以使EGR率可达到近50％。
7.如权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于：所述电气处理电路被构形用以在一相应排气冲程的早期开启每个所述的排气阀，以及在同一排气冲程的后期打开每个所述的EGR排气阀。
8.如权利要求5所述的内燃发动机，其特征在于：所述的电气处理电路被构形用以在一相应的所述汽缸内的一排气冲程的后期打开每个所述的EGR排气阀。
9.如权利要求5所述的内燃发动机，进一步包括一涡轮增压器，其互连在所述的排气歧管与所述的进气歧管之间，以及其中所述的电气处理电路被构形用以在一排气冲程的早期打开每个所述的排气阀，以提供排气能量给所述的涡轮增压器。
10.如权利要求9所述的内燃发动机，其特征在于：所述涡轮增压器具有固定几何形状的涡轮或可变几何形状的涡轮。
11.如权利要求9所述的内燃发动机，进一步包括一增压空气冷却器，其与所述的涡轮增压器和所述进气歧管流体互连。
12.一种用于内燃(IC)发动机的废气再循环(EGR)系统，所述内燃发动机包括一限定多个燃烧汽缸的部件，多个多气门头，每个所述的多气门头与一各自的燃烧汽缸相关联并包括一进气阀和一排气阀、与每个所述排气阀流体相连的一排气歧管、以及流体连接于所述排气歧管与每个所述进气阀之间的一进气歧管，所述的EGR系统包括：
多个EGR进气阀和多个EGR排气阀，其中每个所述的多气门头包括至少一个EGR进气阀和至少一个EGR排气阀；
一EGR排气歧管，其与每个所述的EGR排气阀流体相连；以及
一EGR进气歧管，其流体连接于所述的EGR排气歧管与每个所述的EGR进气阀之间。
13.如权利要求12所述的EGR系统，其特征在于：每个所述多气门头共有4个气门。
14.如权利要求12所述的EGR系统，其特征在于：所述排气歧管和所述EGR排气歧管彼此物理地隔离或被合并为一公用歧管装置。
15.如权利要求12所述的EGR系统，还进一步包括一个EGR冷却器，其与所述EGR排气歧管和所述EGR进气歧管流体互接。
16.如权利要求12所述的EGR系统，进一步包括一电气处理电路，其被构形用以利用可变气门致动控制每一个所述的进气阀、所述EGR进气阀、所述排气阀以及EGR排气阀。
17.如权利要求16所述的EGR系统，其特征在于：所述电气处理电路被构形用以控制每个所述进气阀、所述EGR进气阀、所述排气阀以及所述EGR排气阀，以使EGR率可达到近50％。
18.如权利要求16所述的EGR系统，其特征在于：所述电气处理电路被构形用以在一相应排气冲程的早期开启每个所述的排气阀，以及在同一排气冲程的后期打开每个所述的EGR排气阀。
19.如权利要求16所述的EGR系统，其特征在于：所述的电气处理电路被构形用以在一相应的所述汽缸内的一排气冲程的后期打开每个所述的EGR排气阀。
20.如权利要求16所述的EGR系统，进一步包括一涡轮增压器，其互连在所述的排气歧管与所述的进气歧管之间，以及其中所述的电气处理电路被构形用以在一排气冲程的早期打开每个所述的排气阀，以提供排气能量给所述的涡轮增压器。
21.如权利要求20所述的EGR系统，其特征在于：所述涡轮增压器具有固定几何形状的涡轮或可变几何形状的涡轮。
22.如权利要求20所述的EGR系统，进一步包括一增压空气冷却器，其与所述的涡轮增压器和所述进气歧管流体互连。
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