CN103195593A - 使用分流排气系统和方法的发动机 - Google Patents

Abstract

提供了一种利用分流排气系统来将不同部分的废气分配到涡轮增压器和EGR系统的发动机系统，以及控制废气流的方法。分流排气系统包括与涡轮增压器的涡轮流体连通的高压排气阀以及介于两者间的高压排气歧管。而，低压排气阀与进气系统流体连通，并且低压排气歧管介于两者间。将从发动机排出的初始废气输送到涡轮，同时将从发动机排出的第二废气作为EGR输送到进气系统。使用发动机的高压排气阀和低压排气阀而不是EGR阀，来控制到达涡轮和进气系统的气流。

Description

使用分流排气系统和方法的发动机

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2012年1月6日提交的美国临时专利申请No.61/584016的权益，通过引用该美国临时专利申请的方式将该美国临时专利申请的整个教导和公布并入本文。

技术领域

本发明通常涉及用于内燃系统的排气系统，并且更特别地涉及用于内燃发动机的排气系统，该内燃发动机使用废气再循环以及一个或多个涡轮增压器以提高发动机性能和降低排放。

背景技术

内燃发动机使用燃烧循环来燃烧燃料和氧气以将燃料的能量转化为用于向诸如汽车、机车、发电机、和一些其他装置之类的装置提供动力的机械能量。

许多现代的发动机(火花点火或压缩点火)使用从发动机排出的废气来用于各种有益行动。一个特别的行动是使用废气来向涡轮增压器提供动力。废气的气流驱动涡轮增压器的涡轮，涡轮转而驱动压缩机以增加供应到发动机的空气的量。进入发动机的增加的空气允许更高的能量密度，提高燃料效率以及瞬态响应性，

还使用废气来降低排放。内燃发动机，特别是柴油发动机具有一个问题是，在高燃烧温度下产生NOx。另外，NOx的产生一般是非线性的，从而温度的递增式增大可以显著增大NOx产生率。

内燃发动机，特别是柴油发动机具有的另一个问题是，当燃烧循环相对富燃料地运行时，例如，接近完全燃烧的化学计量比(但仍然具有过量的氧气)，发动机会产生大量的烟尘。烟尘可能抑制发动机、排气系统的下游部件的工作，并且提供不期望的排放。

由于不断增加的能量/燃料成本以及不断越发严格的减排规定，需要增大燃料效率同时减少生成排放的量。

为了减少NOx排放，废气被再循环，以降低燃烧期间汽缸内的温度，这被称为废气再循环(“EGR”，其同样用于指代正被再循环的实际废气)。EGR的主要组分是二氧化碳(“CO₂”)和水蒸气，加上氮气和在先前循环中没有被燃料消耗的剩余氧气。通常，废气基本上是惰性的。二氧化碳和水蒸汽相对于空气具有高比热。因此，需要大量能量来提高这些组分的温度。因此，与假如这些气体不存在相比，在这些气体存在的情况下，燃烧期间的汽缸内温度会降低。EGR可以被用于降低汽缸内温度。

为了提高EGR控制和限制汽缸内温度的能力，在将EGR与进气气体混合之前，EGR通常经过EGR冷却器，该EGR冷却器从EGR去除热量。这降低了EGR的温度，允许EGR在燃烧期间吸收更多能量以更有效控制和维持汽缸内温度。

图1所示的是标准四冲程内燃发动机10的示意性图示。如所示出的，发动机10包括连接到发动机10的所有排气阀14的单个排气歧管12。单个排气歧管12收集由发动机10产生的所有废气。涡轮流路15将排气歧管12耦合到涡轮增压器18的涡轮16。EGR流路20可操作地将废气歧管12耦合到进气流路22以将EGR与进气气体耦合。

这一当前配置具有的一个问题是所有的发动机废气被供给到连接到EGR通路和涡轮入口通路两者的单个排气管中。问题是这些通路中的每个对最佳条件具有不同的要求：(a)EGR通路需要低温废气，该低温废气具有仅够克服进气歧管压力和仅够驱动EGR气流从排气歧管到进气歧管的压力，同时(b)涡轮需要高温、高压和大量的气流以改进涡轮增压器的输出并通过涡轮增压在进气歧管中建立压力。目前，通过使用导致折中的公共的排气歧管来结合这两个功能。EGR回路过热并且需要高压来驱动EGR，而涡轮回路过冷并且压力过低，因为EGR回路已经使用了一些可用压力。通过认识到涡轮回路建立了EGR回路必须克服的增压压力和EGR回路中的额外温度必须通过热交换器去除，使人理解了独立的必要。一旦认识到这些，就会明白到达公共歧管的单个排气阀正时将良好地满足EGR的需要和涡轮的需要两者是不太可能的。

本发明的实施例提供了对本领域现有技术的改进，以改进到达涡轮以及用作EGR的废气的分配以提高燃料效率同时降低排放。根据本文提供的发明详细描述，本发明的这些和其他优点和附加的发明特征将变得清楚。

发明内容

提供控制来自内燃发动机系统的废气流的新的和改进的内燃发动机系统和方法。更具体的，提供使用分流排气来控制废气流的新的和改进的内燃发动机系统和方法。该新和改进的系统和方法被配置为基于废气的热力学状态来分离废气。因此，可以使用热力学上最适当的废气来为涡轮增压器的涡轮提供动力并且使用热力学上最适当的废气用作EGR来用于减少(除了别的之外)NOx的排放。在柴油发动机中由于增大的涡轮功率而可获得的增大的空气量，允许简洁的操作并且可能允许减少的烟尘产生。

在一个特别的实施例中，提供的一种内燃发动机系统包括发动机机体、进气系统、排气系统、曲柄轴和阀相位器装置。发动机机体定义了汽缸。进气系统包括进气歧管、介于汽缸和进气歧管之间的至少一个进气阀，和可操作地耦合到至少一个进气阀以控制进气阀的打开和关闭的进气阀控制装置。排气系统包括高压排气歧管、介于汽缸和高压排气歧管之间的至少一个高压排气阀，和可操作地耦合到该至少一个高压排气阀以控制该至少一个高压排气阀的打开和关闭的高压排气阀控制装置。排气系统还包括低压排气歧管，介于汽缸和低压排气歧管之间的至少一个低压排气阀，和可操作地耦合到至少一个低压排气阀以控制至少一个低压排气阀的打开和关闭的低压排气阀控制装置。阀相位器装置可操作地耦合到进气阀控制装置和低压排气阀控制装置，并且阀相位器装置被配置为相对于曲柄轴同时延迟或提前至少一个进气阀和至少一个低压排气阀的操作。

通过将阀相位器装置耦合到进气阀控制装置和至少低压排气阀控制装置，可以提供更简化的和更具成本效益的控制系统，而没有显著地危及发动机输出效率或NOx和烟尘降低。

在更特别的实施例中，进气阀控制装置和低压排气阀控制装置是凸轮轴上的凸轮凸角，并且阀相位器装置是单个凸轮相位器。在更特别的实施例中，进气阀控制装置、高压排气阀控制装置、和低压排气阀控制装置是在单个凸轮轴上的分开的凸角，并且单个阀相位器装置是单个凸轮相位器。

在一个实施例中，单个阀相位器装置还可操作地耦合到进气阀控制装置、高压排气阀控制装置、和低压排气阀控制装置，并且单个阀相位器装置被配置为相对于曲柄轴同时延迟或提前至少一个进气阀、至少一个高压排气阀和至少一个低压排气阀的操作。

在更特别的实施例中，进气阀控制装置是第一凸轮轴上的凸角；高压排气阀控制装置是第二凸轮轴上被配置为控制至少一个高压排气阀的操作的至少一个第一凸角；并且低压排气阀控制装置是第二凸轮轴上被配置为控制至少一个低压排气阀的操作的至少一个第二凸角。第二凸轮轴上的该至少一个第二凸角被配置为不同于第二凸轮轴上的至少一个第一凸角。

在一个实施例中，发动机机体定义了多个燃烧汽缸。该至少一个高压排气阀包括多个高压排气阀，每个燃烧汽缸具有至少一个高压排气阀。该至少一个低压排气阀包括多个低压排气阀，每个燃烧汽缸具有至少一个低压排气阀。第二凸轮轴上的该至少一个第一凸角包括多个与该多个高压排气阀相关联的第一凸角，并且第二凸轮轴上的该至少一个第二凸角包括多个第二凸角。

在另外的实施例中，提供一种内燃发动机系统，其包括内燃发动机、进气系统、排气系统、涡轮增压器、和废气再循环系统。内燃发动机定义了燃烧汽缸。进气系统向发动机输送气体。排气系统从发动机运走废气。排气系统包括高压排气歧管；介于燃烧汽缸和高压排气歧管之间的高压排气阀；和低压排气歧管；和介于燃烧汽缸和低压排气歧管之间的低压排气阀。涡轮增压器包括在排气系统中与高压排气歧管流体连通的涡轮。废气再循环系统(EGR系统)将低压排气歧管流体地耦合到空气进气系统。EGR系统没有介于低压排气歧管和空气进气系统之间的废气再循环阀(EGR阀)。

在这个实施例中，消除了EGR阀，从发动机系统中消除了昂贵的易保修的组件。EGR阀可以去除是由于从排气系统进入进气系统的EGR流主要通过低压排气阀来控制。

在更特别的实施例中，EGR系统包括废气再循环冷却器(EGR冷却器)。

在另外的实施例中，设置了阀控制系统。阀控制系统被配置为控制高压排气阀的打开和关闭和控制低压排气阀的打开和关闭。阀控制系统被配置为改变高压排气阀的打开角度和关闭角度并且被配置为改变低压排气阀的打开角度和关闭角度。这调整了被准许进入高压排气歧管和低压排气歧管中的个体的废气份额。

在另外的实施例中，阀控制系统被配置为独立于低压排气阀的打开和关闭来调整高压排气阀的打开和关闭。像这样，对高压排气阀和低压排气阀的控制是完全独立和未机械相连的。

在一个实施例中，阀控制系统被配置为延迟或提前高压排气阀的打开和关闭，并且被配置为延迟或提前低压排气阀的打开和关闭。

在一个实施例中，设置了进气阀。阀控制系统被配置为控制进气阀的打开和关闭。

在更特别的实施例中，阀控制系统被配置为连带地延迟或提前进气阀的打开和关闭和延迟或提前低压排气阀的打开和关闭，从而进气阀和低压排气阀的正时肯定被共同提前或延迟。

在甚至更特别的实施例中，阀控制系统被配置为独立于对延迟或提前进气阀的打开和关闭的任何调整，来延迟或提前高压排气阀的打开和关闭。

在一个实施例中，在EGR系统中设置分流器系统。分流器系统被配置为以第一状态将低压排气歧管流体地连接到空气进气系统并且以第二状态将低压排气歧管流体地连接到涡轮下游的排气出口。分流器系统不能递增地调整从低压排气歧管经由分流器系统到达空气进气系统的流量。在这个实施例中，分流器系统不包括EGR阀。

在一个实施例中，EGR系统包括分流器系统。分流器系统被配置为以第一状态将低压排气歧管流体地连接到空气进气系统以及以第二状态将低压排气歧管流体地连接到涡轮上游的排气系统。分流器系统不能递增地调整经过其中的流量。

在一个更特别的实施例中，分流器系统还被配置为以第三状态将低压排气歧管流体地连接到涡轮下游的排气系统。

在一个实施例中，低压排气歧管和空气进气系统之间的流体耦合部不具有阀。

在一个实施例中，低压排气阀控制装置可操作地耦合到至少一个低压排气阀以控制低压排气阀的打开和关闭。低压排气阀控制装置被配置为在四冲程发动机的燃烧汽缸内的活塞的下止点处或之后打开低压排气阀控制装置。

在另外更特别的实施例中，提供了一种控制来自内燃发动机系统的废气流的方法。发动机系统包括：进气系统；高压排气系统，其包括可操作地与涡轮增压器的涡轮流体连通的高压排气阀；和低压排气系统，其包括通过废气再循环系统(EGR系统)可操作地与进气系统流体连通的低压排气阀。该方法包括：利用经过高压排气系统的具有第一数值的第一热力学特征的第一废气流来驱动涡轮；和使第二废气流从低压排气系统经由EGR系统而再循环到进气系统，第二废气流具有第二数值的第一热力学特征，第二数值不同于第一数值。

在更特别的方法中，第一热力学特征是熵值，并且第一数值大于第二数值。在另外的方法中，第一数值至少比第二数值大50J/(kg-K)。

在另外的实施例中，提供了一种控制来自内燃发动机系统的废气流的方法。发动机系统包括：进气系统；高压排气系统，其包括可操作地与涡轮增压器的涡轮流体连通的高压排气阀(“HP排气阀”)；和低压排气系统，其包括通过废气再循环系统(EGR系统)可操作地与进气系统流体连通的低压排气阀。该方法包括利用从内燃发动机通过HP排气阀排出的第一部分的废气来驱动涡轮增压器的涡轮；通过EGR系统来使从内燃发动机排出的第二部分的废气经过LP排气阀再循环到进气系统；接收表示期望进气气体压力的进气气体压力设定点；并且基于进气气体压力设定点来对HP排气阀进行定相，以提供处于足够流速下的第一部分的废气气流来利用足够的功率驱动涡轮从而提供期望的进气气体压力。

在更特别的实施例中，该方法包括测量实际进气气体压力值；将实际进气气体压力值和进气气体压力设定点进行比较；并且如果实际进气气体压力值在进气气体压力设定点的预定范围之外，则调整HP排气阀的定相。

在一个实施例中，调整HP排气阀的定相的步骤包括：如果实际进气气体压力值小于该预定范围，则提前HP排气阀的定相。此外，调整HP排气阀的定相的步骤可以包括：如果实际进气气体压力值大于该预定范围，则延迟HP排气阀的定相。

在一个实施例中，该方法还包括测量第一部分的废气的压力和温度。此外，对HP排气阀进行定相包括使用进气气体压力设定点、测量的压力、测量的温度和理论的进气气体压力控制模型来确定相位。该方法还包括：测量实际进气气体压力值；比较进气气体压力设定点和实际进气气体压力值；以及基于进气气体压力设定点和实际进气气体压力值之间的变化来修正理论的进气气体压力控制模型。该方法用于前馈自适应控制。

在更特别的实施例中，在介于HP排气阀和涡轮增压器的涡轮之间的HP排气歧管内采样第一部分废气的压力和温度。

在另外的实施例中，修正理论的进气气体压力控制模型的步骤包括调整理论的进气气体压力控制模型内的常量。

在一个实施例中，对HP排气阀进行定相的步骤包括使用理论的进气气体压力控制模型来确定HP排气阀的预估定相。

在一个实施例中，该方法还包括：测量第一部分的废气的压力和温度；并且其中，确定HP排气阀的定相包括使用进气气体压力设定点、测量的第一部分废气的压力和温度以及理论的进气气体压力控制模型。

在一个实施例中，该方法还包括：测量实际进气气体压力值；将进气气体压力设定点与实际进气气体压力值进行比较；以及基于进气气体压力设定点和实际进气气体压力值之间的变化来修正理论的进气气体压力控制模型。

在另外的实施例中，提供了一种控制来自内燃发动机系统的废气流的方法。该发动机系统包括：进气系统；高压排气系统，其包括可操作地与涡轮增压器的涡轮流体连通的高压排气阀(“HP排气阀”)；以及低压排气系统，其包括通过废气再循环系统(EGR系统)可操作地与进气系统流体连通的低压排气阀。该方法包括：利用从内燃发动机经过HP排气阀排出的第一部分的废气来驱动涡轮增压器的涡轮；通过EGR系统将从内燃发动机排出的第二部分的废气经过LP排气阀再循环到进气系统；接收EGR流速设定点；并且对HP排气阀进行定相，以提供处于足够流速和热力学状态下的第二部分废气的流速，以在EGR流速设定点下向进气系统提供EGR。

在更特别的实施例中，该方法还包括测量第二部分废气的实际温度值；比较实际温度值和温度设定点温度；并且如果实际温度值不在温度设定点的预定范围之内，则调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相。

在甚至更特别的实施例中，调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相的步骤包括：如果实际EGR温度大于预定范围，则延迟HP排气阀的定相以及提前或延迟LP排气阀。

在另外的实施例中，调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相的步骤包括：如果实际EGR温度小于预定范围，则提前HP排气阀的定相并且提前或延迟LP排气阀。

在一个实施例中，该方法包括测量第二部分废气的实际EGR流速；比较实际EGR流速和EGR流速设定点；并且如果实际EGR流速不在EGR流速设定点的预定范围之内，则调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相。

在一个实施例中，调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相的步骤包括：如果实际EGR流速大于预定范围，则延迟HP排气阀的定相并且提前或延迟LP排气阀。

在另一个实施例中，调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相的步骤包括：如果实际EGR流速小于预定范围，则提前HP排气阀的定相并且提前或延迟LP排气阀。

在另一个实施例中，该方法包括测量第二部分废气的实际压力值和实际温度值，并且对HP和/或LP排气阀进行定相包括使用EGR流速设定点、实际压力值、实际温度值和理论的EGR流量控制模型来确定相位。该方法还包括：测量实际EGR流速；比较EGR流速设定点和实际EGR流速；并且基于EGR流速设定点和实际EGR流速值之间的变化来修正理论的EGR流量控制模型。

在另外的实施例中，该方法包括比较实际温度值和温度设定点；并且如果实际温度值不在温度设定点的预定范围之内，则调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相。

在另外的实施例中，调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相的步骤包括：如果实际EGR温度大于该预定范围，则延迟HP排气阀的定相并且提前或延迟LP排气阀。

在另一个实施例中，该方法包括比较实际温度值和温度设定点；并且如果实际温度值不在温度设定点的预定范围之内，则修正理论的EGR流量控制模型。

在另外的实施例中，可以监测NOx的产生，并且当NOx水平在预定阈值之上时，可以调整高压排气阀和低压排气阀两者的阀正时。在一些情况下，调整HP排气阀和/或LP排气阀的定相的步骤包括：如果NOx的测量水平大于预定阈值，则提前HP排气阀的定相并且提前或延迟LP排气阀的定相。这会导致更大量的废气被用作可以进一步帮助减少NOx的EGR。

另外，可以使用测量的NOx水平来调整有关EGR控制的任何理论模型，特别是理论的EGR流量控制模型。

在更特别的方法中，该方法还包括：测量废气中的测量NOx值；并且比较测量的NOx和预定NOx阈值；并且如果测量的NOx在预定NOx阈值之上，则调整HP排气阀的定相。

在另外的更特别的方法中，调整HP排气阀的定相的步骤包括延迟HP排气阀的定相。

在更特别的方法中，该方法还包括基于测量的NOx和预定NOx阈值之间的变化来修正理论的EGR流量控制模型。

在一个实施例中，该方法还包括：如果测量的NOx在预定NOx阈值之上，则调整LP排气阀的定相。

在一个实施例中，调整HP排气阀和LP排气阀的定相的步骤包括：提前或延迟HP排气阀，同时提前LP排气阀的定相。

在一个实施例中，该方法还包括：测量废气中的测量NOx值；并且比较测量NOx和预定NOx阈值；并且如果测量NOx在预定NOx阈值之上，则调整LP排气阀的定相。

在另一个实施例中，提供了一种提供了完全独立的可变阀正时的内燃发动机系统。内燃发动机包括发动机机体、进气系统、排气系统、曲柄轴和至少一个阀相位器装置。发动机机体定义了燃烧汽缸。进气系统包括进气歧管、介于汽缸和进气歧管之间的至少一个进气阀、和可操作地耦合到至少一个进气阀以控制该进气阀的打开和关闭的进气阀控制装置。排气系统包括：高压排气歧管、介于汽缸和高压排气歧管之间的至少一个高压排气阀、和可操作地耦合到至少一个高压排气阀以该控制至少一个高压排气阀的打开和关闭的高压排气阀控制装置。排气系统还包括低压排气歧管、介于汽缸和低压排气歧管之间的至少一个低压排气阀、和可操作地耦合到至少一个低压排气阀以控制至少一个低压排气阀的打开和关闭的低压排气阀控制装置。至少一个阀相位器装置可操作地耦合到进气阀控制装置、高压排气阀控制装置和低压排气阀控制装置，并且至少一个阀相位器装置被配置为独立地相对于曲柄轴延迟或提前至少一个进气阀、至少一个高压排气阀、和至少一个低压排气阀的操作。

至少一个阀相位器装置可以是一个或多个装置。例如，在一个更特别的实施例中，进气阀控制装置包括第一凸轮轴，高压排气阀控制装置包括第二凸轮轴，而低压排气阀控制装置包括第三凸轮轴。至少一个阀相位器装置包括多个装置，其中每个装置仅控制凸轮轴之一的正时。更特别地，至少一个阀相位器装置包括第一凸轮相位器、第二凸轮相位器和第三凸轮相位器。第一凸轮相位器可操作地耦合到仅第一凸轮轴以独立于至少一个高压排气阀和至少一个低压排气阀来延迟或提前仅至少一个进气阀的操作。第二凸轮相位器可操作地耦合到仅第二凸轮轴以独立于至少一个低压排气阀和至少一个进气阀来延迟或提前仅至少一个高压排气阀的操作。第三凸轮相位器可操作地耦合到仅第三凸轮轴以独立于至少一个高压排气阀和至少一个进气阀来延迟或提前仅至少一个低压排气阀的操作。

在可替代的实施例中，可以将创新的方面应用于不包括可调整的进气阀的内燃发动机(例如二冲程柴油发动机)。内燃发动机系统包括：定义了燃烧汽缸的发动机机体、包括进气歧管的进气系统、排气系统、曲柄轴和至少一个阀相位器装置。排气系统包括高压排气歧管、介于汽缸和高压排气歧管之间的至少一个高压排气阀、和可操作地耦合到至少一个高压排气阀以控制至少一个高压排气阀的打开和关闭的高压排气阀控制装置。排气系统还包括低压排气歧管、介于汽缸和低压排气歧管之间的至少一个低压排气阀、和可操作地耦合到至少一个低压排气阀以控制至少一个低压排气阀的打开和关闭的低压排气阀控制装置。至少一个阀相位器装置可操作地耦合到高压排气阀控制装置和低压排气阀控制装置，并且被配置为独立地相对于曲柄轴延迟或提前至少一个高压排气阀和至少一个低压排气阀的操作。

至少一个阀相位器装置可以是一个或多个装置。例如，在一个实施例中，高压排气阀控制装置包括第一凸轮轴，而低压排气阀控制装置包括第二凸轮轴。至少一个阀相位器装置包括第一凸轮相位器和第二凸轮相位器。第一凸轮相位器可操作地耦合到仅第一凸轮轴以独立于至少一个低压排气阀来延迟或提前仅至少一个高压排气阀的操作。第二凸轮相位器可操作地耦合到仅第二凸轮轴以独立于至少一个高压排气阀来延迟或提前仅至少一个低压排气阀的操作。

在可替代的实施例中，可以将高压排气阀和低压排气阀的阀正时进行耦合，例如在二冲程柴油发动机中。内燃发动机系统包括定义了燃烧汽缸的发动机机体、包括进气歧管的进气系统、排气系统、曲柄轴和单个阀相位器装置。排气系统包括高压排气歧管、介于汽缸和高压排气歧管之间的至少一个高压排气阀、和可操作地耦合到至少一个高压排气阀以控制至少一个高压排气阀的打开和关闭的高压排气阀控制装置。排气系统还包括低压排气歧管、介于汽缸和低压排气歧管之间的至少一个低压排气阀、和可操作地耦合到至少一个低压排气阀以控制至少一个低压排气阀的打开和关闭的低压排气阀控制装置。单个阀相位器装置可操作地耦合到高压排气阀控制装置和低压排气阀控制装置，并且被配置为同时地相对于曲柄轴延迟或提前至少一个高压排气阀和至少一个低压排气阀的操作。

在一个实施例中，通过单个凸轮轴的分离的凸轮凸角来提供高压排气阀控制装置和低压排气阀控制装置。单个阀相位器装置可操作地耦合到该单个凸轮轴。

根据以下结合附图做出的详细描述，本发明的其他方面、目的和优点变得更加清楚。

附图说明

被并入说明书并且形成说明书的一部分的附图图示了本发明的一些方面，并且与描述一起用作解释本发明的原理。在附图中：

图1是现有技术的发动机系统的示意图；

图2是根据本发明包括分流排气装置的发动机系统的实施例的示意图；

图3是针对相比于根据图2的发动机系统的现有发动机系统，比较进入涡轮和用作EGR的废气的热力学属性的温度-熵图；

图4是用于控制为根据本发明的发动机系统的实施例的涡轮提供动力的HP排气阀的示意性涡轮控制回路；

图5是用于控制LP排气阀以将EGR供应到根据本发明的发动机系统的实施例的进气系统的示意性EGR控制回路；

图6是用于调整发动机系统的进气阀、HP排气阀和LP排气阀的阀正时的阀控制系统的实施例，其中HP排气阀的阀正时的定相独立于LP排气阀和进气阀的阀正时的定相。

图7是用于调整发动机系统的进气阀、HP排气阀和LP排气阀的阀正时的阀控制系统的实施例，其中所有阀的定相相等。

图8是根据本发明的包括分流排气装置的发动机系统的可替代实施例的示意图，该分流排气装置包括分流器阀装置。

图9是根据本发明的包括分流排气装置的发动机系统的实施例的示意图，其中该发动机系统是单流的二冲程的发动机系统；

图10是图9的发动机系统的内燃发动机的简化图示；

图11是示出图9的发动机系统的内燃发动机的各种操作的曲柄角的图表；

图12是针对相比于根据图2的发动机系统的现有发动机系统，比较进入涡轮和用作EGR的废气的热力学属性的可用性-焓图；以及

图13是用于调整发动机系统的进气阀、HP排气阀和LP排气阀的阀正时的阀控制系统的实施例，其中所有阀的定相是独立的。

尽管将结合特定优选实施例来描述本发明，但并非旨在将本发明限制于那些实施例中。反之，目的是为了覆盖包括在如所附权利要求限定的本发明精神和范围之内的所有替代、变型和等同形式。

具体实施方式

图2是根据本发明的教导的发动机系统100的实施例的示意图。发动机系统100被配置为通过利用用于控制废气使用的分流排气系统来提高燃料效率和降低排放。这种类型的系统在这里也可以称作“分流设计”。发动机系统100控制废气的使用，以最大化用于各种操作的废气的热力学属性，各种操作包括为涡轮增压器提供动力以及提供废气再循环(EGR)，用于降低除其他方面外的NOx排放和烟尘产生。如上文所述，“EGR”还用于指代被再循环到发动机系统100的新鲜空气进气侧的实际废气。

将首先介绍发动机系统100以及发动机系统100的各个子系统和组件。

众所周知，发动机系统100通常包括内燃发动机102，内燃发动机102被配置为将感应气体与燃料燃烧以产生机械能。燃烧发生在内燃发动机102的发动机机体101的燃烧汽缸103(“汽缸103”)内。燃料和感应气体混合物的燃烧驱动活塞(未示出)，活塞可操作地耦合到曲柄轴105以从燃烧气体产生旋转运动。然后可以使用曲柄轴105的运动来为诸如车辆、发电机、其他机器等等的装置提供动力。发动机机体101、活塞和汽缸盖(未示出)定义了与燃料混合的感应气体被压缩然后燃烧所在的燃烧室。

发动机系统100包括进气系统104，进气系统104用于向汽缸103供应感应气体以与燃料混合，从而用于转变为机械能。进气系统104通常包括暴露于感应气体的源的入口106，该感应气体通常为围绕发动机系统100的环境空气。入口106通过入口和进气歧管108之间的管道网络可操作地流体连接到进气歧管108。

多个进气阀110可操作地介于进气歧管108和汽缸103之间，以选择性控制到达汽缸103的感应气体的输送。进气阀110可以采用各种形式并且可以例如是，凸轮致动或螺线管致动的阀。另外，虽然每个汽缸103被显示有两个进气阀，但是其他实施例可以具有与给定汽缸103相关联的更多或更少的进气阀。

进气阀控制装置109(“IV控制装置109”)可操作地耦合到进气阀110并且与进气阀110交互，以控制进气阀110的打开和关闭。在最低限度，进气阀控制装置109可以采用凸角凸轮轴的形式，凸角凸轮轴例如通过正时带、正时链条或可能地通过齿轮，可操作地耦合到曲柄轴105。在可替代的实施例中，IV控制装置109可以包括阀定相装置，阀定相装置用于调整进气阀110的打开和关闭的正时，例如是凸轮相位器。另外，进气阀控制装置109可以包括电子控制装置或成为发动机系统100的电子控制单元134的部分或耦合到该电子控制单元134，该电子控制单元134用于控制阀打开和关闭以及调整其正时。另外，进气阀控制装置109可以包括螺线管或如本领域公知的其他无凸轮的阀致动器。

在所示出的实施例中，进气冷却器111介于涡轮增压器压缩机128和进气歧管之间以在将感应气体输送到汽缸103之前冷却该感应气体。进气冷却器111通常是气体-气体热交换器，然而，可以实施其他冷却装置。

发动机系统100还包括排气系统112，排气系统112大体被配置为从内燃发动机102带走废气。排气系统112包括出口114，废气经过出口114最终被从发动机系统100排出。通常，废气被排回到围绕内燃发动机102的环境中。

排气系统112通常为分流排气系统，分流排气系统包括高压排气歧管116(“HP排气歧管116”)和低压排气歧管118(“LP排气歧管118”)，当废气离开汽缸103时高压排气歧管116和低压排气歧管118收集不同部分的废气。多个高压排气阀120(“HP排气阀120”)流体地介于HP排气歧管116和汽缸103之间，以选择性地允许第一部分废气离开汽缸103进入HP排气歧管。相似地，多个低压排气阀122(“LP排气阀122”)流体地介于LP排气歧管118和汽缸103之间，以选择性地允许第二部分废气离开汽缸103进入LP排气歧管118。

HP排气阀120和LP排气阀122可以采用各种形式并且可以例如是凸轮致动或螺线管致动的阀。另外，虽然每个汽缸103被示出有一个HP排气阀120和一个LP排气阀122，但是其他实施例可以具有与给定汽缸103相关联的更多HP排气阀120或更多LP排气阀122。另外，单个汽缸103不需要具有与LP排气阀122数量一样的HP排气阀120。可以在形状、尺寸、升程(1ift)等方面不同地配置HP排气阀120和LP排气阀122。

高压排气阀控制装置121(“HPEV控制装置121”)可操作地耦合到HP排气阀120并且与HP排气阀120交互，来控制HP排气阀120的打开和关闭。低压排气阀控制装置123(“LPEV控制装置123”)可操作地耦合到LP排气阀122并且与LP排气阀122交互，来自控制LP排气阀122的打开和关闭。HPEV控制装置121和LPEV123可以采用可操作地(例如通过正时带或正时链条)耦合到曲柄轴105的分离的凸角凸轮轴的形式。在可替代的实施例中，HPEV控制装置121和LPEV控制装置123可以包括诸如凸轮相位器之类的阀相位器机构，用于分别调整HP排气阀120和LP排气阀122的打开和关闭的正时。另外，HPEV控制装置121和LPEV控制装置123可以包括电子控制装置或为发动机系统100的电子控制单元134的一部分或耦合到该电子控制单元134，用于控制阀打开和关闭以及调整其正时。另外，HPEV控制装置121和LPEV控制装置123可以包括螺线管或如本领域公知的用于调整阀正时的其他无凸轮的阀致动器。当使用凸轮轴作为HPEV控制装置121和LPEV控制装置123的一部分时，凸轮轴通常相互分开，例如当使用完全独立的可变阀正时的时候。然而，当使用相同的可变阀正时的时候，HPEV控制装置和LPEV控制装置可以是在单个凸轮轴上分离组的凸角。一组凸角将被配置用于操作HP排气阀120并且另一组凸角将被配置用于操作LP排气阀122。

当使用用于排气阀和进气阀的相同的可变阀正时的时候，同一凸轮轴可以具有三个分离组的凸角，一组凸角被配置作为用于操作IV阀的IV控制装置109，第二组凸角被配置作为用于控制HP排气阀120的HPEV控制装置121，而第三组凸角被配置作为用于控制LP排气阀122的LPEV控制装置123。可替代的，控制IV阀、HP排气阀和LP排气阀的各个凸轮轴可以机械地耦合(例如通过正时链条或齿轮)，使得它们相同地调整正时。

除了凸轮相位器之外，可以在本发明的实施例中使用其他的阀定相装置。例如，Riley的名为“Variable ValveApparatus”的美国专利No.6155216公开的偏心套筒阀定相装置(下文称为“′216专利”)可以用于调整阀正时，在此通过引用的方式将该专利的教导和公开内容全部并入本文。例如，如果系统使用完全独立的阀正时，则IV控制装置109可以包括如上所述的凸轮轴和凸轮相位器。然后可以通过使用′216专利的偏心套筒阀定相装置的机构来提供HPEV控制装置121和LPEV控制装置123。

可以使用另外的阀定相装置。例如，用于调整阀正时的调整摇臂位置的装置，如在Riley的名为“Varying the Phase and Lift of a Rocker Arm on aCamshaft Actuating a Valve or Injector”的美国专利申请公开文本No.US2010/0083922(下文称为“′922公开文本”)中所示出的，在此通过引用的方式将该公开文本的教导和公开内容全部并入本文。

阀定相装置还可以包括电动液压的或机电的阀定相装置。

像这样，本发明的实施例可以使用用于调整阀正时的替代机构。

发动机系统100包括涡轮增压器124，涡轮增压器124包括涡轮126，涡轮126被可操作地定位在排气系统112内并且与废气流体连通，从而至少并且通常仅通过HP排气歧管116而离开内燃发动机102的废气驱动涡轮126。涡轮126流体地介于HP排气歧管116和排气出口114之间并且特别地在排气出口114的上游和HP排气歧管116的下游。

涡轮增压器可以使用固定几何形状的涡轮(例如在自由流动的涡轮增压器或废气门的涡轮增压器中)，但是优选是可变几何形状的涡轮(“VGT涡轮”)，其中进入涡轮的开口是可变的以使废气节流并且允许控制除了其他方面之外的背压。附加地，涡轮增压器可以使用可变喷嘴涡轮。

在所示出的实施例中，涡轮126可操作地耦合到涡轮增压器124的压缩机128，压缩机128可操作位于进气系统104内以辅助增大被供给到内燃发动机102的感应气体的量和压力。压缩机128优选位于进气冷却器111的上游，从而可以使用进气冷却器111来移除加入到感应气体的热能。在可替代的实施例中，涡轮126可以可操作地耦合到涡轮并车传送装置(turbocompounding transmission)，以使涡轮轴可以可操作地耦合到发动机102的曲柄轴。本文使用的“涡轮增压器”应该是通常涵盖至少这些配置，在这些配置中，涡轮驱动压缩器或涡轮为涡轮并车传送装置。

发动机系统100包括废气再循环系统130(“EGR系统130”)，来用于将EGR输送到进气系统104。EGR系统130流体地将LP排气歧管118耦合到进气系统104，以使在LP排气歧管118中收集的废气提供EGR的供给。再次说明，EGR可以用于降低汽缸温度从而降低发动机系统100的NOx产生。

EGR系统130包括EGR冷却器132，EGR经过EGR冷却器132并且EGR在被供应到进气系统104之前被冷却。EGR冷却器132可以采用各种类型，例如是气体-液体或气体-气体的热交换器。

发动机系统100的一些实施例包括电子控制单元134(“ECU134”)，电子控制单元134可操作地耦合到发动机系统100的组件，用以控制和监测各个组件的操作和系统总体上的操作。ECU134可以可操作地耦合到用于监测发动机系统100的各个传感器，这些传感器可以感测节气门位置、曲柄位置、凸轮传感器、冷却剂温度、HP排气口温度和LP排气口温度、HP排气压力和温度和LP排气压力和温度、任何NOx后处理系统之前NOx度量、VVT位置(如果不在凸轮位置上预测的话)、汽缸压力、EGR流速、EGR压力和温度、发动机转速等等。另外，ECU134可以可操作地连接到进气阀控制装置109、HPEV控制装置121和LPEV控制装置123，以分别控制，即延迟和/或提前，进气阀110、HP排气阀120、LP排气阀122的打开和关闭的正时。

分流排气系统的益处在于：如果适当的调谐和配置的话，不需要在EGR系统中包括EGR阀。这样，不需要主动阀来用于递增地使再循环的EGR的量节流，不像如图1所示的现有系统那样。相反，LP排气阀122和LPEV控制装置123可以被配置为控制再循环回到进气系统104的EGR的量，并且发动机系统100完全免于介于低压排气歧管和进气系统之间的EGR阀。通过消除EGR阀，可以从系统中移除易发返修/昂贵的组件并且通过排气阀来执行对EGR的控制。

通过使用分流排气系统(如图2所示的)，利用耦合到分离的独立组的排气阀120、122的分离的独立的排气歧管，可以优化对用于某种目的的那种废气的控制，从而将热力学最优的废气用于为涡轮增压器124的涡轮126提供动力，同时将热力学最优的废气用作EGR。

分流排气系统通过其潜能(potential)来分离废气以优化涡轮中的气流，同时将期望量范围的EGR输送回到进气歧管。已确定的是，离开内燃发动机系统102的汽缸103的初始废气具有初始高压峰值而且普遍处于较高的温度并且因此具有高的工作潜能(work potential)。因此，使用上述分流排气系统设计，可以将初始高压废气(“HP废气”)导向涡轮增压器124的涡轮126。将该HP废气从汽缸103经由HP排气阀120排出并且将该HP废气导向涡轮增压器的涡轮126，用以优化为涡轮增压器124提供动力的可用能量来增大系统的增压潜能。

然后，可以将随后排出的低压废气(“LP废气”)(其往往具有较低的温度和较低的压力)从汽缸103经由LP排气阀122排出，并且经由EGR系统130引导到进气系统104并用作EGR。由于LP废气往往处于较低的温度，所以LP废气更适合用作EGR。一个直接的益处是需要从EGR提取较少的热能。因此，可以设置具有较小的额定负荷的较小EGR冷却器132，降低了成本。

利用这样的分流排气系统可以提供更高的燃料效率和改进的空气-燃料比，而不冒着增大NOx产生的风险。当HP废气和LP废气的热力学属性之间存在可测量差异时尤为如此。一个这样的可测量差异是EGR和用于发动机操作的涡轮排气流之间存在的平均熵差为至少50J/(kg-K)，超过将近20％的全负荷。在这种操作状态下，系统具有显著的益处，因为其涉及内燃发动机系统，尤其是柴油内燃发动机的燃料效率和排放。

图3示出了T-s图(温度-熵)，该图用于确定气体状态的工作潜能，在右上端的气体状态(高温度和高熵)具有用于做功的最高潜能。在左下端的气体状态(低温度-低熵)具有最低的工作潜能。T-s图将如图1中的现有发动机系统与如上述发动机系统100的发动机系统进行比较。该图表示运行在高负载的涡轮增压柴油发动机。结果是发动机仿真建模的示意性表示，该发动机仿真建模旨在产生与现有发动机相同的NOx输出，但是具有更好的燃料经济性和更高的空气-燃料比，以降低烟尘排放。

如图3所示，在现有发动机涡轮增压器入口的废气150平均具有较高温度，但更重要地，比在分流设计中涡轮增压器124的涡轮126入口处的废气152(即，HP废气)具有明显更低的熵值。温度差异部分地由于分流设计中的附加气体所致。通过泵送附加气体，以及大约等量的EGR，在相等速度和负载条件下，分流设计一般会产生比现有发动机略微更低的发动机排气温度。此外，现有发动机的EGR气体154比分流设计中的EGR废气156(例如，LP废气)平均具有更高的温度和更高的熵值。

因此，通过HPEV控制装置121利用适当的HP排气阀120的打开时间，根据增压需要将高工作潜能的气体送到涡轮增压器124，同时由LPEV控制装置123控制的适当定相的LP排气阀122将更低熵值、低温度气体输送到EGR冷却器132并且作为EGR送入进气歧管108。

图12示出来自如图3中使用的相同操作条件的废气流的可用性-焓的图。在本示例中“可用性”通常是废气流做功的能力，例如，如果气流流过涡轮增压器的涡轮。该图证明了现有发动机EGR流410和涡轮增压器进气流412的可用性和焓值是十分相似的。相比之下，分流设计将EGR流414和涡轮增压器进气流416的焓值区分开，将具有更高可用性的更高焓值气体输送到涡轮增压器。

根据本发明实施例的方法包括基于由主ECU发送的EGR流速和进气气体压力设定点来控制废气流的控制策略。这些设定点是基于发动机操作参数来设定的，该发动机操作参数包括但不限制于，速度、负载、瞬态响应要求、NOx、烟尘产生、环境压力和温度。

进气气体压力设定点提供所要求的进气气体压力。进气气体压力要求用于确定满足进气气体压力要求所需要的涡轮功率，以使涡轮增压器124能够提供适当的增压。注意，增压通常是压力在环境压力上的变化，而进气气体压力通常是绝对压力。然而，如本文使用的，增压和进气气体压力一般是同义的。满足进气气体压力要求所必需的涡轮功率确立了HP废气的流速和气体状态(例如，热力学状态)。利用该信息，HPEV控制装置121调整高压排气阀的正时(“HP阀正时”)，用以提供涡轮输入功率(基于热力学计算)以满足进气气体压力要求。

图4是用于实施进气气体压力控制策略的示意性涡轮控制回路160(“TCL160”)，该进气气体压力控制策略用于基于期望的进气气体压力来确定HP阀正时。首先，从ECU134获得进气气体压力设定点162。该设定点值通常由使用发动机载荷和速度等确定期望进气气体压力的主控制回路来确定的。TCL160将测量和分析实际进气气体压力164。如果实际进气气体压力不等于设定点进气气体压力值162，也不在围绕设定点值的预定范围之内，则调整HP排气阀120的HP阀正时。如果实际进气气体压力小于进气气体压力设定点，则提前HP阀正时以允许更高压力和温度的气体进入涡轮126以增大输入功率，并且因此增大涡轮/压缩器速度并且随后增大涡轮增压器的增压，并随后增大进气气体压力。相似地，如果实际进气气体压力大于进气气体压力设定点，则延迟HP阀正时以降低输入到涡轮126中的HP废气的热力学功率，并且随后降低涡轮/压缩器速度，并且因此降低增压并且随后降低进气气体压力。

在图4中，提供更详细的实施例。TCL160是基于模型的控制。基于模型的控制结合自适应前馈和涡轮功率模型，涡轮功率模型包括控制HP阀正时的进气气体压力控制模型以控制对涡轮增压器124的涡轮的供能。在这个实施例中，在HP排气歧管116中的HP废气的压力167和温度169被监测，并且被用于基于这些参数168来确定涡轮功率。与进气气体压力设定点组合的该信息被用于确定HP排气阀120的适当定相。因此该信息允许前馈控制，以通过计算热力学涡轮功率，以及基于HP废气的热力学属性计算的增压压力，来调整HP阀正时。

在一些实施例中，进气气体压力控制模型是自适应性的。在这些自适应性模型中，将实际进气气体压力(通常在进气歧管中测量)与进气气体压力设定点进行比较。实际值和设定点值之间的差异可用于调整进气气体压力模型中的常量，以维持用于前馈控制的模型准确性。更特别地，如果实际的增压和计算的增压之间的误差在预定值之外，则误差可以用于修正模型并且保持其准确性。应当注意的是包括模型常量的进气气体压力控制模型可以存储于ECU134中或可以存储于可操作地耦合到ECU134的单独组件中。

参考图5，确定低压排气阀(“LP排气阀”)的正时，以提供需要供给到进气系统104的EGR的量。再次提到，相比于涡轮，用于EGR的最佳废气，是最低焓值，其在活塞行程的底端之后获得，即在下止点(“BDC”)处获得，在下止点处，内燃发动机102的燃烧室中的燃烧气体已经经过了完全膨胀冷却。这样，LP排气阀122优选在BDC时或之后打开，并且通过LP排气阀122被保持打开的时间来控制EGR流的量，以将废气排到EGR系统130。然而，可以提前LP排气正时以使LP排气阀122可以及时更早打开(即，处于更早的曲柄角)以获得更高的汽缸压力来用于驱动EGR经过LP排气歧管118和EGR系统130。可替代地，也可以延迟LP排气正时以更靠近排气冲程的末端，其中由于来自朝向上止点的活塞运动的压缩导致气缸内压力升高。LP排气阀122的适当定相将使驱动EGR经过EGR系统130所需要的总泵送工作(在放气和排气冲程之间)最小化。

将监测连同低压废气的温度一起的EGR流量需求，并且确定阀打开和关闭时间以确保最低平均温度的EGR气体，同时满足对应适当NOx降低的总量气流需求。使用完全膨胀废气用于EGR的另外的益处是具有较低的焓值，当通过EGR系统130移动EGR时降低了寄生泵送。

图5是用于实施EGR控制策略的EGR控制回路(“EGRCL170”)，该EGR控制策略用于基于期望的EGR流速来确定LP阀正时。再次提到，EGRCL170工作以调整LP阀正时，以致在最低温度下建立足够压力以满足EGR流速设定点。EGRCL170从ECU134获得EGR流速设定点172。由较高层次的主控制回路使用发动机速度和发动机负载等来确定EGR流速设定点172。

在最简单的实施例中，调整LP阀正时以满足EGR流速设定点172。如上文一般指出的，在动力冲程期间提前LP阀正时产生了更多压力用以驱动EGR流过EGR系统130，但是以更高的EGR焓值为代价。LP排气阀的打开和HP排气阀的关闭之间的转变的正时将控制输送到进气歧管的EGR的量。四冲程发动机上的LP排气阀在上行程时将几乎总是打开的。在这样的情况下，使用活塞的向上排气冲程来完成EGR的传送。像这样，通过EGR气体可以由活塞驱动到进气系统104的事实，缓解了与EGR系统130和进气系统104之间必需的压降有关的担忧。另外，不同于现有技术的系统，在一些实施例中，没有供EGR气体流动(即，通过涡轮126)的其他路径，因为这条路径在活塞往复期间的这个点处通常对EGR通路关闭。

不同于单个排气歧管与EGR系统和涡轮增压器的涡轮两者垂直的现有技术设计，在分流设计中，可以配置发动机系统100以使仅用于LP废气的流动路径经过EGR系统。像这样，消除了为了驱动LP废气作为EGR经过EGR系统而对适当的压力差的需要，因为活塞能够驱动EGR经过EGR系统。

在更先进的EGRCL实施例中，使用基于模型的控制来对EGR流和发动机泵送功率进行建模并且优化阀正时，并且可能地，优化在EGRCL170内的计算中的可变几何形状涡轮(VGT)的叶片位置。

更特别地，EGRCL170可以使用EGR流量控制模型，EGR流量控制模型可以是用于穿过孔口(例如，EGR系统130的流动路径中的最小区域或最大限制)的EGR流的理论液体流模型。模型可以使用EGR温度、LP歧管压力、进气歧管压力以及流量限制区域和流量系数或排放系数。模型也可以包括废气脉冲倍增器。当模型被校准时，调整流量系数或排放系数和废气脉冲倍增器，以致对用于宽范围的发动机速度和负载运行条件的EGR流速进行最佳建模。可替代地，可以通过使用EGR系统130中的质量流量测量装置(例如，EGR流速传感器)来校准系统，该质量流量测量装置例如是虚拟传感器、分析越过已知孔口的压降的算法、确定是否提供适当的EGR流速的热线或膜位移装置。在EGR进入进气系统之前在EGR系统130中进行这一采样。

EGR流量控制模型会使用除了EGR流速设定点172之外的LP废气温度和LP废气压力，来确定LP排气阀正时。

EGRCL170可以是自适应的，其中EGR流量控制模型将利用实际EGR流速和EGR流速设定点之间的误差来调整EGR流量控制模型的常量。更特别地，EGRCL170可以测量实际EGR流速值并且将其与EGR流速设定点进行比较。如果这个误差在预定范围之外，则可以更新EGR流量控制模型的常量以保持机载EGR流量控制模型的准确性。还可以使用用于校准的EGR流速传感器来用于对EGR流量控制模型常量的实时原地校准。

除了仅分析EGR流速以外，可以分析EGR的实际温度并且使用EGR的实际温度来调整LP阀正时。例如，EGR设定点可以包括EGR温度设定点。控制排气流量的方法可以包括比较EGR的实际温度和温度设定点。如果实际值和测量值之间的误差在预定范围之外的话，可以使用该误差来调整LP阀正时以及修正EGR流量控制模型。

也可以监测NOx产生并且将NOx产生用于调整HP排气阀和LP排气阀的定相。更特别地，可以测量离开发动机的排气中的实际NOx水平。测量的NOx水平可以与阈值NOx水平进行比较，以确定EGR系统是否以适当流速和热力学状态提供足够EGR以将NOx降低在可接受阈值水平之下。

如果测量的NOx水平过高，则可以调整HP排气阀和LP排气阀的定相，以调整被用作EGR的废气的比例或状态。通常，如果测量的NOx水平过高，则可以延迟HP排气阀正时以试图并获得已经过更多膨胀并且已在发动机活塞上做更多的功的废气，以使其处于更低温度并且更好地用作EGR。可替代地，可以提前HP排气阀和LP排气阀以允许更多废气供给到EGR回路，或可以在提前LP排气阀的同时以任何方式对HP排气阀进行定相，从而可以增加它们的重叠同时允许更多量的EGR。

也可以使用测量的NOx水平来调整和修正任何理论的EGR流量控制模型。在给定发动机操作参数组的情况下，如果测量的NOx水平大于期望，则可以调整EGR流量控制模型以增加EGR或提高被用作EGR的废气的量。

此外，可以使用基于模型的多参数控制来同时控制HP阀正时和LP阀正时，以达到与HP阀正时和LP阀正时设定组合的进气气体压力和EGR流速设定点。

发动机系统100被配置为在上止点之后(ATDC)在120°曲柄到160°曲柄的范围内打开HP排气阀120，而没有涡轮增压促进(turbo boostfacilitation)。涡轮增压促进可以相对于该正时范围将HP排气阀的打开提前额外的5°曲柄到10°曲柄。通过提前甚至更多，可以提高瞬态响应。HP排气阀的持续时间通常为现有的大约65-75％之间。LP排气阀持续时间在现有的大约40-50％之间。另外，LP排气阀122的打开和HP排气阀120的关闭之间的重叠可以在30°曲柄和65°曲柄之间。

进气阀110在上止点之前(BTDC)的60°曲柄到10°曲柄的范围内打开。然而，持续时间增大到比现有发动机更长大约10％。

利用这些操作方法，申请人已确定，通过建模，可以实现发动机性能的显著提高。

利用通常的操作环境和所描述的控制理论，现在将描述操作的更特别的特征，替代实施例、配置和方法。

图6和图7示出阀控制系统，该阀控制系统没有利用用于发动机系统所有阀的完全独立的可变阀正时。相反，使用这些阀控制系统，将至少两个(如果不是全部)组的阀进行定相(即，提前或延迟)相等的量。虽然以下实施例通常被描述为使用凸轮相位器，但是以下示例同样适用于上述讨论的其他类型的阀定相装置。另外，各个实施例可以使用不同类型的阀定相装置的组合。

图6是表示阀控制系统174的实施例的简化示意图。阀控制系统174被可操作地配置为在适当的时候，提前或延迟对进气阀110、HP排气阀120和LP排气阀122的操作(即打开和关闭)。

该实施例中的阀控制系统174包括用于调整阀正时的一对凸轮相位器176、178。ECU134可以被认为是阀控制系统174的一部分并且ECU134将执行上文概述的步骤并且可以可操作地与凸轮相位器176、178通信或控制凸轮相位器176、178的操作以调整阀定相。

第一凸轮相位器176可操作地耦合在曲柄轴105和IV控制装置109之间，在这个实施例中IV控制装置109包括凸轮轴。第一凸轮相位器176还可操作地耦合在曲柄轴105和LPEV控制装置123之间，在这个实施例中LPEV控制装置123包括凸轮轴。第一凸轮相位器176BEI配置为选择性地相等地提前或延迟打开和关闭进气阀110和LP排气阀122的曲柄角。像这样，如果第一凸轮相位器176进行操作以提前正时，例如，提前4°曲柄，则进气阀正时和LP排气阀正时两者将被提前4°曲柄。像这样，进气阀正时和LP阀正时机械地相连。然而，由于使用第一凸轮相位器176进行调整，用于HP排气阀120的阀正时将不会被调整。

第二凸轮相位器178可操作地耦合在曲柄轴105和HPEV控制装置121之间，在这个实施例中HPEV控制装置121包括凸轮轴。第二凸轮相位器178被配置为选择性地提前或延迟打开和关闭HP排气阀120的曲柄角。对HP阀正时的这一调整完全机械独立于对进气阀110或LP排气阀122的阀正时的任何调整。

尽管凸轮相位器176、178被示意性地示为是介于IV控制装置109、HPEV控制装置121和LPEV控制装置123的齿轮/链轮之间的齿轮/链轮时，但是凸轮相位器176、178可以可操作地附着到这些凸轮轴的个体上。例如，被示为HPEV控制装置121的一部分的齿轮/链轮可以完全由第二凸轮相位器178取代。相似地，被示为IV控制装置109和LPEV控制装置123的一部分的齿轮/链轮可以由第一凸轮相位器176取代。

另外，尽管凸轮相位器176被示为可操作地啮合两个分离的齿轮/链轮，但是可以由单个凸轮轴来提供IV控制装置109和LPEV控制装置123，而IV控制装置109为该凸轮轴上的第一组凸轮凸角，LPEV控制装置123可以是该凸轮轴上的第二组凸轮凸角。然后可以直接将凸轮相位器附着或安装在该凸轮轴的末端上。可替代地，如上所述的那样，可以使用其他阀定相装置。

图7是阀控制系统182的另一个实施例的简化示意图。类似于先前的阀控制装置174，阀控制系统182可操作地被配置为延迟或提前对进气阀110、HP排气阀120和LP排气阀122的操作(即打开和关闭)。然而，阀控制系统182比阀控制系统174更简单。

该实施例中的阀控制系统182包括用于调整阀正时的单个凸轮相位器184。再此提到，ECU134可以被认为是阀控制系统182的一部分并且执行以上概述的步骤，并且可以可操作地与凸轮相位器184通信或控制凸轮相位器184的操作。

凸轮相位器184被示为附着到曲柄轴105并且可操作地耦合到IV控制装置109、LPEV控制装置123和HPEV控制装置121。尽管被示为直接耦合到三个阀控制装置109、121、123中的每个，但是凸轮相位器184可以直接耦合到阀控制装置109、121、123之一，并且然后三个阀控制装置109、121、123可以可操作地互联而不是每个直接耦合到凸轮相位器184。

在该实施例中，单个凸轮相位器184被配置为选择性地相对于曲柄轴105相等地同时提前或延迟进气阀110，HP排气阀120和LP排气阀122的操作(即打开和关闭曲柄角)。该阀控制系统182可以因此被称为全相等的可变阀正时控制系统(“全相等的VVT控制系统”)。

在该阀控制系统182中，如果凸轮相位器184进行操作以提前正时，例如，提前4°曲柄，则进气阀正时，HP排气阀正时和LP阀正时中的每个将被提前4°曲柄。因此，进气阀正时，HP排气阀正时和LP阀正时是机械相连的，使得对一个的调整得到了对所有的调整。

另外，尽管凸轮相位器184被示为可操作地啮合三个分离的齿轮/链轮，但是可以通过单个凸轮轴来提供IV控制装置109、LPEV控制装置123和HPEV控制装置121，而IV控制装置109为该凸轮轴上的第一组凸轮凸角，HPEV控制装置121为该凸轮轴上的第二组凸角，而LPEV控制装置123为该凸轮轴上的第三组凸轮凸角。然后凸轮相位器可以直接附着或安装在该凸轮轴的末端上。可替代地，如上所述，可以使用其他的阀定相装置。

这两个阀控制系统174、182比起使用用于三组分离的阀110、120、122中的每个的完全独立阀正时更加简单。因此，凸轮相位器中的每个减少提供了在构造简化性、减少保养和损坏风险方面的优点。

应当注意的是，本发明的实施例不排除使用用于三组阀110、120、122中的每个的全独立阀正时。图13示出了包括三个凸轮相位器185-187的全独立阀控制系统179的实施例。每个凸轮相位器独立地控制个别组的阀的阀正时。例如，凸轮相位器185可以控制进气阀110的阀正时，凸轮相位器186可以控制HP排气阀120的阀正时，凸轮相位器187可以控制LP排气阀122的阀正时。然而，可以使用其他类型的阀定相装置来提供全独立的阀正时。另外，可以实施混合的阀正时装置来控制IV阀110、HP阀120和LP阀122中的个体。

发明的其他实施例可以使用用于进气阀110的固定正时，同时允许对HP排气阀120和LP排气阀122的定相。(例如，这可以发生在以下讨论的单流的两冲程柴油发动机中，其中进气正时是固定的)。HP排气阀120和LP排气阀122的定相可以相连或相互独立。例如，可以使用单个阀定相装置来同时调整HP排气阀120和LP排气阀122两者(即，单个凸轮相位器耦合到具有两个分离组的凸轮凸角的单个凸轮轴)。可替代地，可以使用两个单独的阀定相装置以独立于LP排气阀122来调整HP排气阀120的阀正时。例如，可以连同两个单独的凸轮相位器一起使用两个单独的凸轮轴。一个凸轮轴控制HP排气阀120而另一个凸轮轴控制LP排气阀122。每个凸轮轴具有其自己的定相装置(例如单独的凸轮相位器)。可以使用用于对HP排气阀120和LP排气阀122的阀正时进行定相的替代手段。当独立于LP排气阀122来调整HP排气阀120时，控制其定相的阀定相装置可以针对不同类型的阀具有不同的类型。

以下图表是用于不同阀定相/正时配置的一些不同组合的非穷尽的列表。

在先前的图表中，CP代表凸轮相位器，IPM代表独立定相机构(例如上文讨论的可替代的阀定相装置)，EH代表电动液压阀定相装置，而EM代表机电阀定相装置。

图8示出根据本发明教导的发动机系统200的另外的实施例。

发动机系统200利用类似于发动机系统100的分流排气布置，不同在于其具有允许倾泻EGR的改动的EGR系统230。EGR系统230包括分流器系统，分流器系统包括将被排放的LP废气流引导到LP排气歧管218的分流器阀240。在这个实施例中，分流器阀240不是EGR阀。分流器阀240未被用于递增地对EGR进行节流，而仅仅重新导向其流向。因此，分流器阀仅将工作在“打开”和“关闭”状态。相比于EGR阀，分流器阀将不操作以定义流体流的宽范围。另外，分流器阀240不需要是单向阀以抵抗进气压力，由于EGR系统230不将进气系统204耦合到涡轮增压器224。

EGR系统230包括位于分流器阀240上游的上游导管242，上游导管242将LP废气导向到分流器阀240。第一下游导管244将分流器阀240流体得连接到发动机系统200的进气系统204。当分流器阀240将上游导管242与第一下游导管244耦合时，LP废气形成EGR并被导向到进气系统204。

第二下游导管246流体地介于废气出口214和分流器阀240之间。第二下游导管246耦合在废气出口214和涡轮增压器224的涡轮226之间。当分流器阀240将上游导管242与第二下游导管246耦合时，LP废气仅仅从发动机系统200通过废气出口214排出并且不被用作EGR。

第三下游导管248也可以可选地存在。因此，该第三下游导管248以虚线示出。第三下游导管248流体地介于分流器阀240与HP排气歧管216和涡轮226之间的管道之间。当分流器阀240将上游导管242与第三下游导管248耦合时，LP废气被导向涡轮226以通过进一步为涡轮增压器224提供动力来帮助产生增压。

再次提到，分流器阀240仅仅打开和关闭个体通路而且不会在完全打开和完全关闭之间递增地对通过个体通路的流量进行节流。LP排气阀222控制废气流从汽缸进入LP排气歧管218并且从那里到达分流器阀240。因此，分流器阀以“全部或没有”的原则工作。

先前的发动机系统100、200通常用于四冲程发动机系统。然而，图9中示出了根据本发明的发动机300的另外实施例。该发动机系统300是单流的两冲程发动机。

发动机系统300在很多方面类似于先前的发动机系统100和200，而将仅描述主要差别。

在这个实施例中，发动机系统300包括内燃发动机302，内燃发动机302包括其中具有活塞的一列汽缸303。汽缸303与进气系统304和排气系统312连通，进气系统304用于接收感应气体，而排气系统312用于将燃烧后的废气从内燃发动机302大体带走。排气系统312利用分流设计并且包括HP排气歧管316以及LP排气歧管318。V形配置发动机(未示出)可以具有可以相连或可以不相连的多个HP歧管和/或LP歧管。

在这个实施例中，内燃发动机302包括靠近燃烧室顶部的四个可移动阀。然而，所有的这些阀是排气阀。更特别地，每个汽缸包括两个HP排气阀320和两个LP排气阀322。然而，可替代的实施例仅需要至少一个HP排气阀和至少一个LP排气阀。HP排气阀320介于汽缸303和HP排气歧管316之间。LP排气阀322介于汽缸303和LP排气歧管318之间。

涡轮增压器324在排气系统312内在HP排气歧管316的下游包括涡轮326，并且在进气系统304内在进气系统304的进气歧管308的充气室(plenum)上游包括压缩机328。

LP排气歧管318通过EGR系统330流体地连接到进气系统304。

此外参考图10的简化图，不同于先前的发动机系统100、200，内燃发动机302利用一个或多个进气口313，进气口313将燃烧室317与进气歧管308流体连通，以向燃烧室317供给感应气体。进气口313通常被定位在燃烧室317下方在靠近汽缸的底部或基座(未示出)的位置。

由于气体以单方向经过汽缸303，特别是燃烧室317，所以这个发动机312被认为是单流发动机。

图11示出发动机系统300的阀正时和进气口打开和关闭。将参照图11来解释内燃发动机302的动力循环。

刚刚在上止点(“TDC”)之前，将发生燃料喷射340的启动。在活塞已开始其下落并经过TDC一点之后，将发生燃料喷射342的停止。然后，动力冲程344将发生，因为混合的燃料和进气气体(加上EGR)燃烧向着下止点(“BDC”)驱动活塞。在ATDC将近100°曲柄角处，HP排气阀320将打开346。随着HP排气阀打开，活塞将在ATDC将近135°经过进气口313并且打开在汽缸303侧壁的进气口348。

在BDC的任一侧的30°曲柄内，LP排气阀322将打开350。在LP排气阀322打开之后的30°曲柄内，HP排气阀320将关闭352。进气口313将随后关闭354，因为活塞朝向TDC回程经过进气口313。进气口313关闭之后片刻，LP排气阀322将关闭356。在这时，所有阀和口是关闭的并且将发生压缩冲程358。

如同四冲程发动机的情况，两冲程的HP排气阀和LP排气阀的阀正时将是变化的(在该情况下是独立的或是一致的)。阀正时改变的范围通常少于30°曲柄。可变几何形状的涡轮增压器将有利于最大限度提高性能。可以将所讨论的各种阀正时布置和机构并入两冲程发动机中。然而，将不存在用于调整进气正时的机构，因为进气正时在两冲程发动机中是固定的参数。

通过到以下程度的引用将所有引用物(包括本文列举的公开文本、专利申请和专利)并入本文：如同个体地和具体地指明通过引用将每个引用物并入本文，并且在本文中介绍每个引用物的全文。

在描述本发明的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)对词语“一个”和“一种”和“所述”及相似指示物的使用应当被认为覆盖了单个和多个，除非本文另有所指或与上下文明显矛盾。词组“包括”、“具有”、“包含”应当被认为是开放式词语(即，意味着“包括，但不限制”)，除非另有注明。本文中对数值范围的列举仅仅用作个体地指代落入该范围的每个不同值的速记方法，除非本文另有指示，并且每个不同的数值如同其被个体列举在本文中那样被并入说明书中。本文所述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非本文另有指示或除非与上下文明显矛盾。本文提供的对任何示例和所有示例，或示例性用语(例如“例如”)的使用，仅仅为了更好说明发明并且不是为了限制发明的范围，除非另有声明。说明书中的语言不应该被认为指示对于实践本发明来说必要的任何非要求保护的元素。

本文描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实现本发明的最佳模式。对于阅读前述说明书后的本领域技术人员来说，这些优选实施例的变型将变得明显。发明人希望熟练技工适当地实施这样的变型，并且发明人旨在以本文具体描述的方式之外的其他方式实践本发明。相应地，本发明包括如适用的法律所允许的所附权利要求所列举的主题的所有变型和等同形式。此外，本发明包括了上述元素的在其所有可能的变型中的任意组合，除非本文另有指示或除非与上下文明显矛盾。

Claims (19)

1.一种内燃发动机系统，包括：

定义了燃烧汽缸的发动机机体；

包括进气歧管的进气系统；

排气系统，其包括：

高压排气歧管、介于所述汽缸和所述高压排气歧管之间的至少一个高压排气阀、以及可操作地耦合到所述至少一个高压排气阀以控制所述至少一个高压排气阀的打开和关闭的高压排气阀控制装置；

低压排气歧管、介于所述汽缸和所述低压排气歧管之间的至少一个低压排气阀、以及可操作地耦合到所述至少一个低压排气阀以控制所述至少一个低压排气阀的打开和关闭的低压排气阀控制装置；

曲柄轴；以及

至少一个阀相位器装置，其可操作地耦合到所述高压排气阀控制装置和所述低压排气阀控制装置中的至少一个，所述至少一个阀相位器装置被配置为相对于所述曲柄轴延迟或提前所述至少一个高压排气阀和所述至少一个低压排气阀中的至少一个的操作。

2.如权利要求1所述的内燃发动机系统，其中：

所述进气系统还包括：介于所述汽缸和所述进气歧管之间的至少一个进气阀以及可操作地耦合到所述至少一个进气阀以控制所述进气阀的打开和关闭的进气阀控制装置；

所述至少一个阀相位器装置还可操作地耦合到所述进气阀控制装置，所述至少一个阀相位器装置还被配置为延迟或提前所述至少一个进气阀的操作。

3.如权利要求2所述的内燃发动机系统，其中，所述至少一个阀相位器装置包括单个阀相位器装置，所述单个阀相位器装置可操作地耦合到所述进气控制装置和所述低压排气阀控制装置，并且所述单个阀相位器装置被配置为相对于所述曲柄轴同时延迟或提前所述至少一个进气阀和所述至少一个低压排气阀的操作，并且所述进气阀控制装置和所述低压排气阀控制装置是凸轮轴，而所述单个阀相位器装置是单个凸轮相位器。

4.如权利要求2所述的内燃发动机系统，其中，所述至少一个阀相位器装置包括单个阀相位器装置，所述单个阀相位器装置可操作地耦合到所述进气阀控制装置、所述高压排气阀控制装置和所述低压排气阀控制装置，并且所述单个阀相位器装置被配置为相对于所述曲柄轴同时延迟或提前所述至少一个进气阀、所述至少一个高压排气阀和所述至少一个低压排气阀的操作。

5.如权利要求4所述的内燃发动机系统，其中，所述进气阀控制装置、所述高压排气阀控制装置和所述低压排气阀控制装置是单个凸轮轴上的分离的凸角并且所述单个阀相位器装置是单个凸轮相位器。

6.如权利要求4的内燃发动机系统，其中，所述进气阀控制装置是第一凸轮轴上的第一凸轮凸角，所述高压排气阀控制装置是第二凸轮轴上被配置为控制所述至少一个高压排气阀的操作的至少一个第一凸轮凸角，并且所述低压排气阀控制装置是所述第二凸轮轴上被配置为控制所述至少一个低压排气阀的操作的至少一个第二凸轮凸角，所述至少一个第二凸轮凸角与控制所述至少一个高压排气阀的所述至少一个第一凸角不同。

7.如权利要求6所述的内燃发动机系统，其中，所述发动机机体定义了多个燃烧汽缸，所述至少一个高压排气阀包括多个高压排气阀，而每个燃烧汽缸具有至少一个高压排气阀；所述至少一个低压排气阀包括多个低压排气阀，而每个燃烧汽缸具有至少一个低压排气阀，并且其中，所述第二凸轮轴上的所述至少一个第一凸角包括与所述多个高压排气阀相关联的多个第一凸角，而所述第二凸轮轴上的所述至少一个第二凸角包括多个第二凸角。

8.如权利要求1所述的内燃发动机系统，还包括：

涡轮增压器，其包括在所述排气系统中与所述高压排气歧管流体连通的涡轮；

废气再循环系统(EGR系统)，其将所述低压排气歧管流体地耦合到所述进气系统，所述EGR系统不具有介于所述低压排气歧管和所述进气系统之间的废气再循环阀(EGR阀)。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述EGR系统包括废气再循环冷却器(EGR冷却器)。

10.如权利要求8所述的系统，还包括所述EGR系统内的分流器系统，所述分流器系统被配置为在第一状态下将所述低压排气歧管流体地连接到所述进气系统并且在第二状态下将所述低压排气歧管流体地连接到所述涡轮的下游的排气出口，所述分流器系统不能递增地调节从所述低压排气歧管经由所述分流器系统到达所述进气系统的流量；或者

还包括所述EGR系统内的分流器系统，所述分流器系统被配置为在第一状态下将所述低压排气歧管流体地连接到所述进气系统并且在第二状态下将所述低压排气歧管流体地连接到所述涡轮的上游的排气系统，所述分流器系统不能递增地调节经由分流器系统的流量。

11.如权利要求8所述的系统，其中，所述低压排气歧管和所述进气系统之间的流体耦合部不具有阀。

12.如权利要求8所述的系统，其中，所述低压排气阀控制装置被配置为在四冲程发动机的燃烧汽缸内的活塞的下止点处或之后，打开所述低压排气阀控制装置。

13.如权利要求2所述的内燃发动机系统，其中，所述至少一个阀相位器装置包括单个阀相位器装置，所述单个阀相位器装置可操作地耦合到所述进气控制装置和所述低压排气阀控制装置，并且所述单个阀相位器装置被配置为相对于所述曲柄轴同时延迟或提前所述至少一个进气阀和所述至少一个低压排气阀的操作；或者

其中，所述至少一个阀相位器装置可操作地耦合到所述进气阀控制装置、所述高压排气阀控制装置和所述低压排气阀控制装置，并且所述至少一个阀相位器装置被配置为相对于所述曲柄轴独立地延迟或提前所述至少一个进气阀、所述至少一个高压排气阀和所述至少一个低压排气阀的操作。

14.如权利要求1所述的内燃发动机系统，其中，所述至少一个阀相位器装置仅包括可操作地耦合到所述高压排气阀控制装置和所述低压排气阀控制装置的单个阀相位器装置，并且所述至少一个阀相位器装置被配置为相对于所述曲柄轴同时延迟或提前所述至少一个高压排气阀和所述至少一个低压排气阀的操作；或者

其中，所述至少一个阀相位器装置可操作地耦合到所述高压排气阀控制装置和所述低压排气阀控制装置，并且被配置为相对于所述曲柄轴独立地延迟或提前至少一个高压排气阀和至少一个低压排气阀的操作。

15.一种控制来自内燃发动机系统的排气流的方法，所述内燃发动机系统包括：进气系统；高压排气系统，其包括可操作地与涡轮增压器的涡轮流体连通的高压排气阀；和低压排气系统，其包括可操作地通过废气再循环系统(EGR系统)与所述进气系统流体连通的低压排气阀，所述方法包括：

利用经过所述高压排气系统的具有第一值的第一热力学特征的第一废气流来驱动所述涡轮；以及

将第二废气流从所述低压排气系统经由所述EGR系统再循环到所述进气系统，所述第二废气流具有第二值的第一热力学特征，所述第二值不同于所述第一值。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一热力学特征是熵，并且所述第一值大于所述第二值。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一值比所述第二值大至少50J/(kg-K)。

18.如权利要求15所述的方法，还包括：

接收EGR流速设定点；和

对所述低压排气阀进行定相，来以足够的流速提供第二部分废气的流速，并提供热力学状态，从而在所述EGR流量设定点下将EGR提供到所述进气系统。

19.如权利要求15所述的方法，还包括：

接收表示期望的进气气体压力的进气气体压力设定点；以及

基于所述进气气体压力设定点来对所述高压排气阀进行定相，来以足够的流速提供第一部分废气流，从而以足够的功率驱动所述涡轮，以提供所述期望的进气气体压力。

Images