CN102395764A - 涡轮增压往复式发动机的排气歧管 - Google Patents

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Abstract

涡轮增压往复式发动机的排气歧管，所述发动机具有范围从2至6个的任意数目的气缸并且配备有EGR系统，所述排气歧管包括：a)外壳(21)，该外壳包括用于实现分别连接到所述发动机的气缸盖(13)和涡轮机(15)的凸缘(23,25)以及通向EGR出口管道(27)和具有低热惯性的内壁(31)的开口，所述内壁限定了调节腔室(33)，用于在通过颗粒过滤器(45)之后通过位于所述内壁(31)中的多个孔口(35)导入到其中的废气；b)与所述排气歧管(17)相对设置的内部分支部(41)，用于所述废气的进入；c)设计作为所述内壁(31)的延伸部的出口管道(59)，用于将所述废气输送给所述涡轮机(15)。

Description

涡轮增压往复式发动机的排气歧管
技术领域
本发明涉及一种涡轮增压往复式发动机的排气歧管，该排气歧管具有颗粒过滤器和废气再循环(EGR)，所述涡轮增压往复式发动机具有范围在2到6个中任何数目的气缸。
背景技术
在由来自涡轮增压柴油发动机的废气产生的各种问题中，对于本发明目的，应该着重指出的是与碳颗粒清洁、发动机进气的再循环以及其能量的使用相关的那些问题。
在现有技术中已知有几种用于在排放到大气之前清洁柴油发动机的废气的建议，这些建议都涉及含碳和碳氢化合物的污染颗粒的清除和氮氧化物含量的减少。
对于污染的颗粒的清除而言，已知采用不同类型过滤器的不同建议。在专利EP0823545中描述了一种采用颗粒过滤器的建议，而在专利ES2155646中描述了具体采用“冲击收集”型过滤器的另一建议，其中网孔的尺寸大于颗粒并且仅捕集与网壁碰撞的颗粒。
对于氮氧化物含量减小而言是公知的技术，通常指的是初始EGR，用于使得至少一部分废气朝着发动机进气管道再循环，已知的几种具体方案都涉及再循环回路的设计和再循环的气流的调节和控制。
最后，用于在增压发动机的涡轮式发电机中利用废气能量的各种建议也是已知的。
虽然现有技术为上述每个单独的问题提供了有效的解决方案，但是汽车行业一直需要整体上针对所述问题的有效解决方案，从而需要在在用于清洁废气的任何过程中不可避免地出现的能量损失和期望的对进入到涡轮式发电机中的废气能量的使用度之间的适当平衡。
本发明旨在满足那种要求。
发明内容
本发明的目的在于内燃柴油发动机的排气歧管，该发动机具有范围从2到6个的任意数目的气缸、涡轮增压并且配备有ERG系统，这同时有助于实现高度清洁废气并且实现其能量的高度利用。
本发明的另一个目的在于内燃柴油发动机的排气歧管，该发动机具有范围从2到6个的任意数目的气缸、涡轮增压并且配备有ERG系统，该排气歧管继而在将废气输送给涡轮机时降低热惯性和流体动态现象，并且改善涡轮增压发动机的瞬态响应。
这些和其它目的是通过提供这样一种排气歧管来实现的，该排气歧管包括至少一个用于保持包含在废气中的颗粒的颗粒过滤器，该排气歧管包括：
a) 外壳，该外壳包括用于实现分别连接到发动机的气缸盖和涡轮机的凸缘和通向ERG出口管道和内壁的开口，该内壁与位于所述凸缘之间的外壳区域基本上平行并且具有比外壳更低的热惯性，限定出调节腔室，用于在所述至少一个颗粒过滤器下游通过位于所述内壁中的多个孔口导入到其中的废气；
b) 相对排气管定位的用于废气进入的内部分支部；
c) 设计作为内壁的延伸部的出口管道，用于将废气输送给涡轮机。
在本发明的优选实施方案中，在内部分支部的开始部分中嵌入有多个小尺寸颗粒过滤器。这是通过紧凑型歧管来实现的，这使得与外部的热传递表面和废气在其到达时膨胀的体积最小化。这两个现象分别降低了废气的动能损失和热损失。
在本发明的另一个优选实施方案中，在出口管道之前在设在歧管的端部处的过滤器通道中嵌入有用于发动机气缸容量的标准尺寸的单颗粒过滤器。这实现了具有更高容积和热传递表面的歧管，但是这使得颗粒过滤器的进入位于歧管的废气流的温度和均匀度最大的位置处。因此，它有利于颗粒过滤器的自我再生。另外，所需的颗粒过滤器尺寸商业地可得到，这将降低该系统的制造成本。
在本发明的另一个优选实施方案中，颗粒过滤器的材料为陶瓷材料。这实现了在清洁其中的颗粒时有效地最小化了废气的瞬态热损失的歧管，由此改善了发动机的在其加速期间的瞬态响应。
在本发明的另一个优选实施方案中，在外壳和内壁之间的厚度差对于相同材料例如不锈钢而言至少为1.5mm。这实现了在其内壁中具有低热惯性的歧管，这在再循环(EGR)的气体温度和朝着涡轮机输送的气体的温度之间实现了适当的平衡。
在本发明的另一个优选实施方案中，该歧管还包括附接到凸缘用于实现连接到发动机的气缸盖的管子，这些管子引入进发动机的排气管以便防止废气与气缸盖接触。这实现了这样的歧管，即：具有更高的废气温度，并且在将颗粒过滤器嵌入在内部分支部的开始部分中时使用颗粒过滤器的有用表面来从废气清洁污染颗粒的效率更高。
从例举说明且没有任何限制其目的的实施方案的以下详细说明中结合附图将更加清楚了解本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1为显示出根据本发明的4缸涡轮增压往复式发动机的排气歧管的第一实施方案的剖视图。
图2为显示出根据本发明的4缸涡轮增压往复式发动机的排气歧管的第二实施方案的剖视图。
具体实施方式
众所周知，本发明所涉及的具有范围从2到6个气缸中任意数目气缸的涡轮增压柴油发动机具有用于给发动机气缸供应空气的进气管道和用于燃烧所产生的废气的管道或歧管，该管道或歧管将废气输送朝向涡轮式发电机的涡轮机。另外，一定比例的废气(EGR)在其受到冷却过程之后通常从废气歧管再循环到进气管，以便减少NOx排放量。
图1为根据本发明第一优选实施方案的排气歧管11的示意图，该排气歧管设置在具有上述布局的4缸柴油发动机的气缸盖13和涡轮机15之间。
在所述优选实施方案中排气歧管11设计的基本元件为：
--由铸铁或不锈钢制成的2.5mm厚的外壳21，其包括用于分别连接到发动机的气缸盖13和涡轮机15的凸缘23至25以及通向废气的出口管道27用来进行由EGR阀29控制的(EGR)再循环的开口。
--由铁或不锈钢制成的1mm厚的内壁31，其与外壳21的位于凸缘23、25之间的区域基本上平行，限定了至少通过在内壁31中的多个端口孔口35导入到其中的EGR调节腔室33。本发明的重要特征在于，内壁31的热惯性(热惯性被定义为材料密度与其比热的乘积)应尽可能低并且与材料的完整性一致，而且在任意情况中都低于外壳21的热惯性。材料均匀性意味着，在外壳21和内壁31之间的厚度差必须至少为1.5mm。
四根分支部41，用于让废气进入到歧管11，构建成薄的厚度并且使用低的热惯性材料，与具有嵌入在其开始部分中的颗粒过滤器45的发动机的四个排气管道17相对设置。
设计作为内壁31的延伸部的用于将废气朝着涡轮机15输送的出口管道59。
插入到发动机的四根排气管道17的笔直部分中的四根管道55。
该结构提供了紧凑的歧管11，具有集成的颗粒过滤器45，具有将热朝着外面传递的小的表面，这有助于保持废气的温度直到到达涡轮机15，并且具有小的内部体积，这降低了在朝着涡轮机15输送时废气的流体惯性现象，并且改善了在发动机中负荷增大期间由于涡轮式发电机的加速瞬态降低而导致的涡轮增压发动机的瞬态响应。在其显著的技术特征和优点之中，如下应该着重指出：
a) 嵌入在入口分支部41中的颗粒过滤器45位于正好在排气管道17的出口处的歧管11的入口处，这是铸造在发动机的气缸盖13中的气缸的排气管道，并且因此位于与涡轮机15的下游位置相对的涡轮机15的上游，这是被当作是现有技术中的标准的位置，但是具有位于涡轮机15上游的颗粒过滤器的歧管也是已知的。
颗粒过滤器45在四根分支部41中的位置允许每个过滤器45的前部靠近每根排气管道17的几何部分，由此实现了过滤器45的过滤区域的效率增大。继而，颗粒过滤器45由非常低的热惯性材料制成的事实使得热瞬态直到其平衡条件之前时间非常有限，并且不表示限制在涡轮式发电机中的可用能量，并因此在发动机中的负荷增大期间的涡轮式发电机的瞬态响应。同样，由于在发动机排气管道17的出口处的高温废气，通过捕获在废气中的碳和碳氢化合物颗粒的自我氧化，允许颗粒过滤器45的自我再生。自我再生防止了燃料添加剂的使用，从而降低了维护成本并且简化了发动机。自我再生还防止了燃料注入以便再生过滤器，这改善了发动机的平均性能。
继而，颗粒过滤器45在涡轮机15的上游并且靠近发动机的排气管道17的位置提高了气缸在排气门的泄放周期期间的背压。这降低了在排气门中的压降，并且因此降低了在这些气门中产生音速条件的时间周期。处于音速条件的周期的减少继而降低了将在音速条件期间发生的能量叠加的重要过程。因此，在废气中可用的能量增大以供涡轮增压组的涡轮机15使用。这一方面引起了涡轮式发电机在发动机负荷增大期间的瞬态响应改善。另一方面，引起了在涡轮机由“废气门”(在没有经过它的情况下在涡轮机下游直接取得废气的阀)控制或者具有可变几何(如实际上在所有现代涡轮增压发动机中出现的)时发动机整体效率的改善，并且实现了涡轮机(或“废气门”)在更加开放的位置中工作。
继而，将颗粒过滤器45设置在涡轮机15上游降低了发动机背压并且提高了在涡轮机15中的焓跳跃，因此还提高了涡轮机15能够回收的能量。如果涡轮机由“废气门”控制或者具有可变的几何，则这还导致了整体发动机性能改善。原因在于，在颗粒过滤器45中产生的气体流的叠加降低了在涡轮机15上游的压力，但是小于在过滤器位于涡轮机下游时的压力，由于废气在该位置处的密度更高。另外，在过滤器中的气体叠加保持了废气的焓。因此，在这些气体在涡轮机15中膨胀时，它们能够几乎到达大气压，因为颗粒过滤器45已经移离其在涡轮机下游的传统位置。
另外，在用于使得颗粒过滤器再生期间，在涡轮机15上游的废气将获得更高温度并且因此在其中可用的能量更多，这将导致发动机的效率和瞬态响应改善。更高温度的废气还将有助于用于使得过滤器45再生的阶段期间的催化现象(在位于涡轮机15下游的催化剂中所引起)有帮助。
b) 由常规外壳21和具有低热惯性的内壁31提供的双壁设计允许废气通过调节腔室33的再循环。EGR通过形成到内壁31中的孔口35传出并且占据位于内壁31和外壳21之间的腔室33。EGR将通过由发动机控制单元(ECU)控制并且与歧管11的出口管道27连接的螺线管29从该腔室33中排空。孔口35和出口管道27位于歧管11的两个相对端部处，第一个位于靠近凸缘25并且回到歧管的分支部接合(在图1中由附图标记51所示)的位置中，其中废气具有较高的温度，而第二个位于靠近凸缘23的位置中，从而EGR流填充在内壁31和外壳21之间的整个腔室33。该填充的作用是双重的，一方面以实现第一程度在腔室33中EGR的冷却，第二以加热在由壁31形成的收集腔室内的废气。
因为EGR从颗粒过滤器45下游和涡轮机15上游的位置再循环，所以获得了高压力和无颗粒的EGR。继而，EGR通过流经位于外壳21和内壁31之间的腔室33而受到部分冷却。这使得可以在离心压缩机下游的位置处将EGR引入到进气回路中。在高压区域和另一个低压区域之间连接EGR管线的可能性允许产生如未来发动机将需求的非常高的EGR流率。
而且，在歧管11的内壁31上的热惯性降低和由于由外壳21和内壁31形成的双壁而导致的隔热增大有助于提高在发动机的过渡阶段和稳定阶段中在涡轮机入口15处的废气中可用的能量，这将一方面导致在过渡期间涡轮式发电机并因此发动机的动态响应改善，并且另一方面导致在具有可变几何或具有“废气门”的涡轮机的情况下的发动机的整体效率改善，该改善如随着涡轮机15的控制而或多或少。继而，在EGR阀29打开并且在歧管11的内壁31和外壳21之间产生出EGR流的那些发动机运行条件下(大部分在低负荷程度条件下)加热歧管11的内壁31为瞬态响应和发动机性能提供了类似的好处。
c) 插入在废气管道17的端部处的四根管子55具有在其附接到凸缘23的区域中扩散的锥形形状，以便将废气分布在颗粒过滤器45的前部上，因此实现了其过滤效率增大。
d) 出口管道59的设计作为内壁31的延伸部允许双壁在涡轮机15内延伸，从而实现了喷射器效应，这使得气体难以回流到EGR出口管道27中。
图2显示出本发明的第二优选实施方案，其与刚才所述的实施方案的主要差别在于，颗粒过滤器45没有分成嵌入在内部分支部41中的几个部分，而是保持作为在出口管道59之前嵌入到设计在歧管11后面中的过滤通道61中的组件。
除了涉及这个方面的特征之外，在所述优选实施方案中的排气歧管11的设计的基本元件与前面的设计相同。
该设计为歧管11提供了集成在歧管的部分51处的颗粒过滤器45，其中废气在歧管11内到达最高温度，并且其流量更加均匀，这有利于过滤器的自我再生。但是，具有在图1中所示设计的紧凑特性丧失，从而由于在发动机中的负荷增大期间涡轮式发电机的加速瞬态降低，为了保持或改善涡轮增压发动机的瞬态响应，歧管11具有由腔室33以及内壁31的低惯性和过滤器45的陶瓷材料提供的隔热作用。
因此，在其显著的技术特征和优点之中，下面的应该着重指出：
a) 嵌入在过滤通道61中的颗粒过滤器45，其在出口通道59之前设置在歧管11的后面中并且因此位于涡轮机15的上游，其与被认为是在现有技术中的标准位置的位于涡轮机15下游的位置相反，但是具有位于涡轮机15上游的颗粒过滤器的歧管也是已知的。
单独地并集成到过滤通道61中的颗粒过滤器45的定位允许使用市场上普遍销售的标准陶瓷颗粒过滤器，这降低了构造该系统的成本。
继而，颗粒过滤器45为热惯性非常低的材料这个事实使得热瞬态直到其平衡条件之前时间非常有限，并且不表示限制在涡轮式发电机中可用的能量，并因此其在发动机中的负荷增大期间的瞬态响应。同样，由于废气在歧管的部分51处的高温，通过捕获在废气中的碳和碳氢化合物颗粒的自我氧化，允许颗粒过滤器45的自我再生。自我再生防止了燃料添加剂的使用，从而降低了维护成本并且简化了发动机。自我再生还防止了燃料注入以便使得过滤器再生，这改善了发动机的平均性能。
继而，将颗粒过滤器45设置在涡轮机15上游降低了发动机背压并且提高了在涡轮机15中的焓跳跃，因此还提高了涡轮机15能够回收的能量。如果涡轮机由“废气门”控制或者具有可变的几何，则这还导致了整体发动机性能改善。原因在于，在颗粒过滤器45中产生的气体流的叠加降低了在涡轮机15上游的压力，但是小于在过滤器位于涡轮机下游时的压力，由于废气在该位置处的密度更高。另外，在过滤器中的气体叠加保持了废气的焓。因此，在这些气体在涡轮机15中膨胀时，它们能够几乎到达大气压，因为颗粒过滤器45已经移离其在涡轮机下游的传统位置。
另外，在用于使得颗粒过滤器45再生期间，在涡轮机15上游的废气将获得更高温度并且因此在其中可用的能量更多，这将导致发动机的效率和瞬态响应改善。更高温度的废气还将有助于用于使得过滤器45再生的阶段期间的催化现象(在位于涡轮机15下游的催化剂中所引起)有帮助。
b) 由常规外壳21和具有低热惯性的内壁31提供的双壁设计允许废气通过调节腔室33的再循环。EGR通过形成到内壁31中的孔口35传出并且占据位于内壁31和外壳21之间的腔室33。EGR将通过由发动机控制单元(ECU)控制并且与歧管11的出口管道27连接的螺线管29从该腔室33中排空。孔口35和出口管道27位于歧管11的两个相对端部处，第一个位于靠近凸缘25并且回到颗粒过滤器45的位置中，其中废气具有较高的温度，而第二个位于靠近凸缘23的位置中，从而EGR流填充在内壁31和外壳21之间的整个腔室33。该填充的作用是双重的，一方面以实现第一程度在腔室33中EGR的冷却，第二以加热过滤器45内和在由壁31形成的收集腔室内的废气。
因为EGR从颗粒过滤器45下游和涡轮机15上游的位置再循环，所以获得了高压力和无颗粒的EGR。继而，EGR通过流经位于外壳21和内壁31之间的腔室33而受到部分冷却。这使得可以在离心压缩机下游的位置处将EGR引入到进气回路中。在高压区域和另一个低压区域之间连接EGR管线的可能性允许产生如未来发动机将需求的非常高的EGR流率。
而且，在歧管11的内壁31上的热惯性降低和由于由外壳21和内壁31形成的双壁而导致的隔热增大有助于保持或提高在发动机的过渡阶段和稳定阶段中在涡轮机入口15处的废气中可用的能量，这将一方面导致在过渡期间涡轮式发电机并因此发动机的动态响应的保持或改善，并且另一方面导致在具有可变几何或具有“废气门”的涡轮机的情况下的发动机的整体效率改善，该改善如随着涡轮机15的控制而或多或少。继而，在EGR阀29打开并且在歧管11的内壁31和外壳21之间产生出EGR流的那些发动机运行条件下(大部分在低负荷程度条件下)加热歧管11的内壁31为瞬态响应和发动机性能提供了类似的好处。
c) 插入在排气管道17的端部处的四根管子55有助于通过在它们和排气管道17的壁之间形成盲室来提高在歧管11中的废气温度，从而防止了废气在与气缸盖13的壁接触时冷却。这四根55具有在其附接到凸缘23的区域中分散开的锥形形状，以便降低在从管子55通向分支部41时所经受的节段改变期间在流量方面的负荷损失。
d) 出口管道59的设计作为内壁31的延伸部允许双壁在涡轮机15内延伸，从而实现了喷射器效应，这使得气体难以回流到EGR出口管道27中。
总之，可以说本发明的歧管能够实现以下协同效果：
将（多个）颗粒过滤器45布置在涡轮机15上游并且来自进入到涡轮机的废气的能量得到更好利用，这样通过更好利用废气的粘弹现象实现了发动机的具体燃料消耗率改善(发动机的净背压更低并且在涡轮机中的废气膨胀更高)。
（多个）颗粒过滤器45在第一实施方案中在歧管11的内部分支部41中或者在本发明第二实施方案中在过滤通道61中的嵌入位置与腔室33在外壳21和内壁31之间的存在一起允许从歧管11输出EGR流，这一方面清除了颗粒，并且另一方面具有一定程度的冷却。
在外壳21和内壁31之间的腔室33针对废气提供了高度隔离，这些废气在通过颗粒过滤器45之后到达涡轮机15，从而使得温度损失最小化，这表示在颗粒过滤器的再生和在涡轮机15中回收的能量量方面的改善。
对于本发明的所述实施方案而言，可以在由随附权利要求限定的范围内作出变型。

Claims (8)

1.涡轮增压柴油发动机的排气歧管(11)，所述发动机具有范围从2至6个的任意数目的气缸并且配备有EGR系统，所述排气歧管包括用于保持包含在废气中的颗粒的至少一个颗粒过滤器(45)，其特征在于，其包括：
a) 外壳(21)，所述外壳包括用于实现分别连接到所述发动机的气缸盖(13)和涡轮机(15)的凸缘(23, 25)以及通向EGR出口管道(27)和内壁(31)的开口，所述内壁与所述外壳(21)的位于所述凸缘(23,25)之间的区域基本上平行并且比所述外壳(21)具有低的热惯性，限定出调节腔室(33)，用于通过在所述至少一个颗粒过滤器(45)下游的位于所述内壁(31)中的多个孔口(35)导入到其中的废气；
b) 与所述排气管道(17)相对设置的内部分支部(41)，用于所述废气的进入；
c) 设计作为所述内壁(31)的延伸部的出口管道(59)，用于将所述废气输送给所述涡轮机(15)。
2.如权利要求1所述的排气歧管(11)，其特征在于，其包括嵌入在所述内部分支部(41)中每根的开始部分中的颗粒过滤器(45)。
3.如权利要求1所述的排气歧管(11)，其特征在于，其包括嵌入在设在所述歧管(11)的位于所述出口管道(59)之前的端部处的过滤通道(61)中的颗粒过滤器(45)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的排气歧管(11)，其特征在于，所述颗粒过滤器(45)的材料为陶瓷材料。
5.如权利要求1-4中任一项所述的排气歧管(11)，其特征在于，对于相同的材料而言，在所述壳(31)和所述内壁(21)之间的厚度差为至少1.5mm。
6.如权利要求1-5中任一项所述的排气歧管(11)，其特征在于，其还包括附接到所述凸缘(23)的管子(55)，这些管子引入到所述排气管(17)中，以便防止所述废气与所述气缸盖(13)接触并且有利于其进入到所述歧管(11)中。
7.如权利要求1-6中任一项所述的排气歧管(11)，其特征在于，所述孔口(35)位于所述凸缘(25)附近，以便实现连接到所述涡轮机(15)。
8.如权利要求1-7中任一项所述的排气歧管(11)，其特征在于，所述EGR出口管道(27)位于所述凸缘(25)附近，以便实现连接到所述气缸盖(13)。
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