CN102733936A - 内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种内燃发动机，包括工作气缸、EGR气缸、用于将燃烧充气供给气缸的进气系统、用于将排气从工作气缸排出到大气的第一排气系统、用于将排气从EGR气缸排出并经由EGR供给管道将排气供给进气系统的第二排气系统、在EGR供给管道和第一排气处理系统之间延伸并流体地连接它们的EGR旁通管道、布置在EGR供给管道中并在进气系统和EGR旁通管道的进口之间的第一阀组件和布置在EGR旁通管道中的第二阀组件。

Description

内燃发动机

本专利申请要求于2011年4月13日提交的序列号为61/474,978的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在此。 

技术领域

本发明的示例性实施例涉及具有排气再循环系统的内燃发动机，且尤其涉及一种这样的内燃发动机，其具有专门用于生产和供应再循环排气至发动机其它气缸的发动机气缸和用于向其进行输送的装置。 

背景技术

随着对车辆经济性关注的增加，汽车制造商转向较小的、较轻的车辆和独特的动力系统来提高效率。排气再循环(“EGR”)在大部分传统的内燃发动机中被用于帮助减少在低负荷时的节流损失，并改善爆震容差和减少排气中的氮氧化物(“NOx”)水平。在以贫的化学当量运行且因而倾向于排放更高水平的NOx排放物的内燃发动机中，EGR作为排放物减少器是特别重要的。 

内燃发动机系统的配置中考虑的一种建议是利用一个或多个气缸作为专门的EGR源。具体地说，在四缸发动机中，例如四个气缸中的两个或三个将以正常的空气、燃料和EGR混合物运转(工作气缸)。这些气缸产生的排气将作为排气离开内燃发动机并在其释放到大气之前在排气处理系统中进行处理。四个气缸中的一个或两个以定制的空气和燃料水平运转(EGR气缸)，该定制的空气和燃料水平可由与各种发动机、车辆和排气系统传感器进行信号通讯的发动机控制器确定。在这些气缸中产生的排气被传递到进气系统以提供EGR。这种配置允许更浓的EGR，其包含更高水平的氢，从而改善了抗爆震性能、燃料消耗和燃烧稳定性同时仍然允许化学当量燃烧的排气保留在排气处理系统中与催化处理装置相适应。 

在一些操作模式下，所述的系统设计可能会损害内燃发动机的工作稳定性。这些模式可能跟随冷启动、极轻的负荷(例如，空转)、高负荷和在高发动机转速下的高负荷。 

发明内容

在示例性的实施例中，内燃发动机包括工作气缸、EGR气缸、用于给气缸提供燃烧充气的进气系统、用于将排气从工作气缸去除到大气的第一排气系统、用于将排气从EGR气缸去除并经由EGR供给管道将排气供给进气系统的第二排气系统、在EGR供给管道和第一排气处理系统之间延伸并流体地连接它们的EGR旁通管道、布置在EGR供给管道中并在进气系统和EGR旁通管道的进口之间的第一阀组件和布置在EGR旁通管道中的第二阀组件。 

本发明提供以下技术方案。 

技术方案1：一种内燃发动机，包括： 

工作气缸； 

EGR气缸； 

用于将燃烧充气供应给所述气缸的进气系统， 

用于从所述工作气缸中去除排气并将排气排放到大气的第一排气系统； 

用于从所述EGR气缸中去除排气并经由EGR供给管道将排气供应给所述进气系统的第二排气系统； 

在所述EGR供给管道和第一排气处理系统之间延伸并流体连接它们的EGR旁通管道； 

布置在所述EGR供给管道中并在所述进气系统与所述EGR旁通管道的进口之间的第一阀组件；和 

布置在所述EGR旁通管道中的第二阀组件。 

技术方案2：技术方案1的内燃发动机，其中在第一操作模式中，第一阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸通过所述EGR旁通管道流到所述进气系统，且第二阀组件处于关闭位置以防止排气直接从所述EGR气缸流到第一排气处理系统。 

技术方案3：技术方案2的内燃发动机，其中在第一操作模式中，第一阀组件处于调节的、大体打开的位置且第二阀组件处于调节的、大体关闭的位置。 

技术方案4：技术方案2的内燃发动机，其中在第二操作模式中，第一阀组件处于关闭位置以防止排气从所述EGR气缸流到所述EGR供给管道，且第二阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸流经所述EGR旁通管道并流到第一排气处理系统。 

技术方案5：技术方案4的内燃发动机，其中在第二操作模式中，第一阀 组件处于调节的、大体关闭的位置且第二阀组件处于调节的、大体打开的位置。 

技术方案6：技术方案1的内燃发动机，进一步包括： 

布置在所述EGR供给管道中位于所述进气系统与所述EGR旁通管道的进口之间的的第三阀组件，其配置为在完全打开和完全关闭之间的范围内工作。 

技术方案7：技术方案6的内燃发动机，其中第三阀组件配置为在第三操作模式期间提供可变量的EGR。 

技术方案8：技术方案7的内燃发动机，其中在第三操作模式中，第一阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸流经所述EGR供给管道并流到所述进气系统且第二阀组件处于打开位置以允许排气直接从所述EGR气缸流到所述排气处理系统。 

技术方案9：技术方案1的内燃发动机，其中第一和第二阀组件由控制器电子地控制，所述控制器监测发动机和排气系统参数，确定发动机操作模式和阀组件的相对位置，打开/关闭或在打开和关闭之间的调节位置。 

技术方案10：技术方案6的内燃发动机，其中第三阀组件由控制器电子地控制，该控制器监测发动机和排气系统参数，确定发动机的操作模式和所述阀组件的位置。 

技术方案11：一种内燃发动机，包括： 

多个工作气缸； 

多个EGR气缸； 

用于将燃烧充气供应给所述气缸的进气系统， 

用于从所述工作气缸中去除排气并将排气排出到大气的第一排气系统； 

用于从所述EGR气缸中去除排气并经由EGR供给管道将所述排气供应给所述进气系统的第二排气系统； 

在所述EGR供给管道和第一排气处理系统之间延伸并流体连接它们的EGR旁通管道； 

布置在所述EGR供给管道中位于所述进气系统与所述EGR旁通管道的进口之间的的第一阀组件；和 

布置在所述EGR旁通管道中的第二阀组件。 

技术方案12：技术方案11的内燃发动机，其中在第一操作模式中，第一阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸经由所述EGR旁通管道流入 所述进气系统，且第二阀组件处于关闭位置以防止排气直接从所述EGR气缸流到第一排气处理系统。 

技术方案13：技术方案12的内燃发动机，其中在第二操作模式中，第一阀组件处于关闭位置以防止排气从所述EGR气缸流到所述EGR供给管道，且第二阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸流过所述EGR旁通管道并流到第一排气处理系统。 

技术方案14：技术方案11的内燃发动机，进一步包括： 

布置在所述EGR供给管道中位于所述进气系统与所述EGR旁通管道的进口之间的的第三阀组件，其配置为在完全打开和完全关闭之间的范围内工作。 

技术方案15：技术方案14的内燃发动机，其中第三阀组件配置为在第三操作模式期间提供可变量的EGR。 

技术方案16：技术方案15的内燃发动机，其中在第三操作模式中，第一阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸流经所述EGR供给管道并流到所述进气系统且第二阀组件处于打开位置以允许排气直接从所述EGR气缸流到所述排气处理系统。 

技术方案17：技术方案11的内燃发动机，其中第一和第二阀组件由控制器电子地控制，该控制器监测发动机和排气系统参数，确定发动机的操作模式和所述阀组件的位置。 

技术方案18：技术方案14的内燃发动机，其中第三阀组件由控制器电子地控制，该控制器监测发动机和排气系统参数，确定发动机的操作模式和所述阀组件的位置。 

本发明的上述特征和优势，以及其它特征和优势当结合附图时从以下本发明的详细描述中会更加显而易见。 

附图说明

在实施例的以下详细描述中，仅仅通过例子描述了本发明的其它目标、特征、优势和细节，该详细说明参考附图，图中： 

附图是具有本发明特征的内燃发动机系统的部分的示意图。 

具体实施方式

以下说明本身仅仅是示例性的且不试图限制本公开、其应用或用途。 

在这里以不同实施例描述的本发明包括用于将排气供给到内燃发动机气缸 的新型装置和方法(即，再生的排气“EGR”)。如上所述，EGR对保持内燃发动机的一些性能参数是有用的，包括保持降低水平的氮氧化物(“NOx”)，氮氧化物是受管制的排气成分，且EGR在以贫化学当量(即，过量的氧)操作的发动机中更为普遍。本发明的基本前提是提供一种具有两种气缸配置的内燃发动机，第一种“工作型”和第二种“EGR型”。虽然所有的气缸都以从发动机提供工作输出的方式操作，但是第一种工作型气缸以正常的空气/燃料比工作，传递最佳的动力和适当的排气排放物给排气处理系统。第二种EGR型气缸以这种方式工作，可能不一定传递最佳的动力和适当的排气排放物，而是替代地将最佳EGR直接传递给第一种工作型气缸的进气口。机械地，第二种EGR型气缸的排气口流体地连接到内燃发动机的进气系统而不是排气处理系统。排气从这些气缸到排气处理系统的路径通过再循环经过进气系统和第一种工作型气缸。 

优选地，内燃发动机的优化将导致在适当的时间和在适当的操作模式期间EGR一致且可靠地供给到工作气缸，以实现工作气缸的最佳性能。应该明白，可以设想本发明可应用于许多内燃发动机配置而不脱离其范围。例如，两缸发动机可包括一个工作气缸和一个EGR气缸，三缸发动机可包括在两冲程循环下工作或四冲程循环下工作的两个工作气缸和一个EGR气缸，四缸发动机可包括两个或三个工作气缸和一个或两个EGR气缸，六缸发动机可包括最多三个工作气缸和三个EGR气缸，八缸发动机可包括最多四个工作气缸和四个EGR气缸，等等。 

现在参考附图，并且仅仅是为了说明的目的，本发明的示例性实施例涉及直列四缸内燃发动机系统10，包括多个发动机气缸12。如所示，在所述实施例中，内燃发动机系统10是直列内燃发动机，包括四个发动机气缸12，然而该配置还可包括任意数量的气缸(在以后详细说明)以及其他配置，如V型配置，水平对置等等，而不影响本发明的应用。 

参考所示示例性实施例中的发动机气缸12，各个气缸数字标记为气缸#1，12A(工作气缸)、气缸#2，12B(EGR气缸)、气缸#3，12C(EGR气缸)和气缸#4，12D(工作气缸)。燃烧空气18经由进气口26进入进气系统24并以已知方式由节气门体28计量。计量后的燃烧空气18与通常被称为再循环排气或EGR30的稀释排气混合以形成由燃烧空气18和EGR30构成的混合物的燃烧充气气32。 

燃烧充气32可通过压缩机20压缩，在所示实施例中，该压缩机为发动机驱动的增压器，并且燃烧充气经由进气歧管34被传送到各个发动机气缸12，进气歧管34包括多个分别对应于发动机气缸12A-12D的进气操作轮34A、34B、34C和34D。燃烧充气32在气缸12内与燃料混合并在其中燃烧。一个或多个点火装置如火花塞36可布置成与气缸12通信并用于点燃气缸中的燃料/空气混合物。 

在示例性实施例中，来自工作气缸12A和12D(气缸#1和气缸#4)中燃料和燃烧充气32燃烧的排气38经由第一排气歧管42的排气道40排出气缸。排气歧管42与排气处理系统44流体连通，该排气处理系统可包括一个或多个用于在排气释放到大气之前对排气成分进行氧化、还原或过滤的排气处理装置46(如氧化催化剂装置、选择性催化剂还原装置、颗粒捕集器、或其组合)。来自EGR气缸12B和12C(气缸#2和#3)中燃料和燃烧充气32燃烧的排气48经由第二排气歧管52的排气道50排出气缸。排气歧管52与EGR供给管道54流体连通，EGR供给管道将排气如EGR30传送到进气系统24。EGR冷却器56可布置在EGR供给管道54内以在其重新进入进气系统作为EGR30并与燃烧空气18混合之前冷却排气48。 

在示例性实施例中，内燃发动机10的气缸点火顺序可以是工作气缸#1，12A、EGR气缸#3，12C、工作气缸#4，12D和EGR气缸#2，12B。这一点火顺序的结果是，将EGR30供给进气系统24的气缸(即，气缸12B和12C)在工作气缸12A和12D的燃烧事件之间点火，从而提供持续流动的EGR30到EGR进气口以便传送燃烧充气32。这样，在内燃发动机10工作期间，燃烧充气32在被传送到气缸12时包括燃烧空气18和EGR30的均质混合物。 

尽管描述的附图实施例具有两个工作气缸和两个EGR气缸，大师在一些应用中，可以设想的是在发动机操作的整个范围内可能要求更少的EGR总量。在示例性实施例中，进气歧管34的进气操作轮34B和34C可包括至少一个节气门体58，其在示例性实施例中由控制器72电子地控制。节气门体58与控制器72信号通信，控制器72监测各种发动机和排气系统参数(如氧传感器73的输入)并调节进入EGR气缸12B和12C的燃烧充气的流量从而调节进入EGR气缸的燃烧充气的组成，使得为工作气缸12A和12B优化排出EGR气缸的排气48。 

在示例性实施例中，EGR旁通管道62在EGR供给管道54和排气处理系统44之间延伸并在排气处理装置46上游的位置流体地连接EGR供给管道54和排气处理系统44。这一定位还可包括与第二排气歧管52流体连通。第一阀组件64布置在EGR供给管道54内位于进气系统24和EGR旁通管道62的进气口68之间。以同样的方式，第二阀组件66布置在EGR旁通管道62内。 

参考表1，在内燃发动机10操作的第一模式(全EGR)的一个示例性实施例中，第一阀组件64处于打开位置以允许排气48流过EGR供给管道54到进气系统24以与燃烧空气18混合，而第二阀组件保持关闭以防止排气48直接从EGR气缸12B和12C流到排气处理系统44。 

表1 

在另一示例性实施例中，在内燃发动机10的一些操作模式期间，EGR30会损害燃烧稳定性且因此可能不是燃烧充气32的理想成分。内燃发动机10的这种操作模式可以包括，但不局限于，当在进气系统24中不期望EGR30内的过多水蒸汽时的冷启动、极轻的负荷如怠速、和在高负荷以及在高发动机转速时高负荷下的操作。在这种情况中，本发明的内燃发动机10可重新配置为在没有或存在有限EGR30的情况下操作。在这种第二操作模式下(怠速/启动)，第一阀组件64处于关闭位置，或被稍微调整以防止大部分或所有的排气48流入EGR供给管道54，而第二阀组件66处于打开或大调整位置以允许排气48流经EGR旁通管道62到排气处理系统44。 

在另一示例性实施例中，在高负荷和高负荷高发动机转速的情况中(例如，节气门大开(“WOT”))供给在5-17％范围内的有限量的EGR30(例如，比发动机正常操作时少)是有利的。在另一示例性实施例中，供给在3-12％范围内的更有限量的EGR30(例如，比发动机正常操作时少)是有利的。这种较少量的EGR30实际上可以允许内燃发动机10以更高的压缩比操作，从而获得更大的动力和增加的燃料效率。在这种情况中，在示例性实施例中，可选的第三阀组件70可布置在EGR供给管道54内位于进气系统24与EGR旁通管道62的进口68之间。第三阀组件70优选配置为允许调节阀构件(未示出)从而允许阀组件在全开和全闭之间的范围内操作(例如节气门体型装置)。在这种内燃发动机10的第三操作模式(部分EGR)期间，第一阀组件64处于大体打开位置以允许排气48流经EGR供给管道54到进气系统24以与燃烧空气18混合，而第二阀组件也保持大体打开以允许排气48直接从EGR气缸12B和12C流到排气处理系统44。当第三阀组件70在全开和全闭位置之间调节时，所需量的EGR30流入进气系统24。在EGR供给管道内由阀组件70的调节引起的背压将迫使剩余的排气48流经EGR旁通管道到排气处理系统44。尽管本发明已经描述为使用第三阀组件70来调节流经EGR供给管道的EGR30，但可以设想假定的适当持久性和分辨特性，第一、第二或两个阀组件64、66的组合可以操作为全开/全闭阀，作为调节阀或其组合；从而无需第三阀组件70。同样地，可以设想假定的适当持久性和分辨特性，第三、第二或两个阀组件70、66的组合可以操作为全开/全闭阀，作为调节阀或其组合；从而无需第一阀组件64。 

可以设想第一、第二和第三阀组件64、66和70可以电子的方式被控制。受电子控制的阀组件与控制器72信号通讯，该控制器监测各种发动机和排气系统参数并确定发动机的操作模式以及因此阀组件的适当位置。 

本发明的应用允许直接EGR内燃发动机10在需要时操作为标准增压内燃发动机。通过去除或控制传送给燃烧充气的EGR的量，直接EGR内燃发动机10的动态范围可以增加，允许在发动机排量的选择上获得更大的自由度并增加满足车辆或其他应用性能需求所需的单位功率。 

虽然已经参考了示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员应理解在不偏离本发明范围的情况可以进行各种变化并可以用等效物来代替本发明的元件。此外，可以进行许多改进以使特定的情形或材料适应本发明的教导 而不偏离本发明的实质范围。因此，本发明不限于作为实施本发明的最佳模式而被公开的具体实施例，相反本发明包括落在本申请范围内的所有实施例。 

Claims (10)

1.一种内燃发动机，包括：

工作气缸；

EGR气缸；

用于将燃烧充气供应给所述气缸的进气系统，

用于从所述工作气缸中去除排气并将排气排放到大气的第一排气系统；

用于从所述EGR气缸中去除排气并经由EGR供给管道将排气供应给所述进气系统的第二排气系统；

在所述EGR供给管道和第一排气处理系统之间延伸并流体连接它们的EGR旁通管道；

布置在所述EGR供给管道中并在所述进气系统与所述EGR旁通管道的进口之间的第一阀组件；和

布置在所述EGR旁通管道中的第二阀组件。

2.权利要求1的内燃发动机，其中在第一操作模式中，第一阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸通过所述EGR旁通管道流到所述进气系统，且第二阀组件处于关闭位置以防止排气直接从所述EGR气缸流到第一排气处理系统。

3.权利要求2的内燃发动机，其中在第一操作模式中，第一阀组件处于调节的、大体打开的位置且第二阀组件处于调节的、大体关闭的位置。

4.权利要求2的内燃发动机，其中在第二操作模式中，第一阀组件处于关闭位置以防止排气从所述EGR气缸流到所述EGR供给管道，且第二阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸流经所述EGR旁通管道并流到第一排气处理系统。

5.权利要求4的内燃发动机，其中在第二操作模式中，第一阀组件处于调节的、大体关闭的位置且第二阀组件处于调节的、大体打开的位置。

6.权利要求1的内燃发动机，进一步包括：

布置在所述EGR供给管道中位于所述进气系统与所述EGR旁通管道的进口之间的的第三阀组件，其配置为在完全打开和完全关闭之间的范围内工作。

7.权利要求6的内燃发动机，其中第三阀组件配置为在第三操作模式期间提供可变量的EGR。

8.权利要求7的内燃发动机，其中在第三操作模式中，第一阀组件处于打开位置以允许排气从所述EGR气缸流经所述EGR供给管道并流到所述进气系统且第二阀组件处于打开位置以允许排气直接从所述EGR气缸流到所述排气处理系统。

9.权利要求1的内燃发动机，其中第一和第二阀组件由控制器电子地控制，所述控制器监测发动机和排气系统参数，确定发动机操作模式和阀组件的相对位置，打开/关闭或在打开和关闭之间的调节位置。

10.一种内燃发动机，包括：

多个工作气缸；

多个EGR气缸；

用于将燃烧充气供应给所述气缸的进气系统，

用于从所述工作气缸中去除排气并将排气排出到大气的第一排气系统；

用于从所述EGR气缸中去除排气并经由EGR供给管道将所述排气供应给所述进气系统的第二排气系统；

在所述EGR供给管道和第一排气处理系统之间延伸并流体连接它们的EGR旁通管道；

布置在所述EGR供给管道中位于所述进气系统与所述EGR旁通管道的进口之间的的第一阀组件；和

布置在所述EGR旁通管道中的第二阀组件。