CN103982335A - 具有排气再循环系统和可变几何涡轮增压器的发动机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机组件包括进气组件；内燃机，限定多个汽缸且配置为燃烧燃料并产生排气；以及排气组件，与多个汽缸的第一子组流体连通。多个汽缸中的每一个被设置为与进气组件流体连通。排气组件被设置为与多个汽缸的第一子组流体连通，且专门的排气再循环系统与多个汽缸中的第二子组和进气组件两者流体连通。该专门的排气再循环系统被配置为引导来自多个汽缸的第二子组的所有排气到进气组件。最终，发动机组件包括涡轮增压器，具有与排气组件流体连通的可变几何涡轮。

Description

具有排气再循环系统和可变几何涡轮增压器的发动机
技术领域
本发明大体涉及一种具有专门的排气再循环的涡轮增压内燃机。
背景技术
内燃机可以在一个或多个燃烧腔内燃烧空气和燃料的混合物，以产生机械输出。在燃烧期间，各种排气被产生并排出到大气。在某些情况下，排气的一部分可以被再循环回到发动机汽缸（经由排气再循环系统）。在汽油发动机中，该惰性的排气可以替换汽缸中一定量的可燃烧混合物，导致增加的发动机效率。在柴油发动机中，排气可以替换在预燃烧混合物中的一些多余的氧气。在每种情况下，再循环排气都可以降低汽缸中的燃烧温度和/或降低某些气态副产品的产生。
发明内容
一种发动机组件包括进气组件；内燃机，限定多个汽缸且配置为燃烧燃料并产生排气；以及排气组件，与多个汽缸的第一子组流体连通。多个汽缸中的每一个被设置为与进气组件流体连通。
排气组件被设置为与多个汽缸的第一子组流体连通，且专门的排气再循环系统与多个汽缸中的第二子组和进气组件两者流体连通。该专门的排气再循环系统被配置为引导来自多个汽缸的第二子组的所有排气到进气组件。
最终，发动机组件包括涡轮增压器，其包括与进气组件流体连通的压缩机和与排气组件流体连通的可变几何涡轮。压缩机和可变几何涡轮通过轴操作地连接。
可变几何涡轮包括在布置在壳体内的可旋转涡轮叶轮，以及多个绕可旋转涡轮叶轮圆周地布置的铰接叶片。铰接叶片被配置为在基本打开和基本关闭位置之间铰接运动，以可控地喷射排气到涡轮叶轮。
排气组件还包括第一排气集管和第二排气集管，且多个汽缸的第一子组包括第一汽缸和第二汽缸。第一排气集管可接收从第一汽缸产生的排气，以及第二排气集管可接收从第二汽缸产生的排气。以这样的方式，该设计可以隔离在相应的第一和第二汽缸之间产生的排气脉冲。
在一个配置中，第一排气集管和第二排气集管可在集管接口处会聚，其中集管接口限定与第一排气集管流体连通的第一集管流动路径，且限定与第二排气集管流体连通的第二集管流动路径。在一个配置中，第一集管流动路径可通过集管流动分隔件从第二集管流动路径内部地隔离开。
可变几何涡轮可包括限定涡轮入口的涡轮壳体。涡轮入口可与所述集管接口联接，且可与所述集管接口流体连通。涡轮流动分隔件可布置在涡轮入口内，且可部分地限定第一涡轮通道和第二涡轮通道。第一涡轮通道可与第一集管流动路径流体连通，且第二涡轮通道与可第二集管流动路径流体连通。在该配置中，涡轮流动分隔件可于是邻接集管流动分隔件。
在另一实施例中，所述多个汽缸可更具体地包括第一汽缸、第二汽缸、第三汽缸和第四汽缸。排气组件于是可包括第一排气集管、第二排气集管和EGR集管。第一排气集管从第一汽缸接收产生的排气。第二排气集管可接收从第二汽缸和第三汽缸两者产生的排气，以及EGR集管可接收从第四汽缸产生的所有排气。此外，多个汽缸可以以下次序依次燃烧燃料：第一汽缸、第三汽缸、第四汽缸和第二汽缸。
本发明的上述特征和优点和其他特征和优点根据下面结合附图对用于执行本发明的最佳模式的详细描述是显而易见的。
附图说明
图1是具有可变几何涡轮增压器和专用排气再循环装置的内燃机组件的示意图；
图2A是在高排气流期间可变几何涡轮增压器的涡轮的示意性截面视图；
图2B是在低排气流期间可变几何涡轮增压器的涡轮的示意性截面视图；
图3是沿图2A的3-3线截取的示意性截面视图，示出了用于将第一和第二排气集管联接到涡轮增压器涡轮壳体的集管接口；
图4是沿图2A的线4-4截取的示意性截面视图，示出了可变几何涡轮增压器涡轮的第一实施例；
图5是沿图2A的线5-5截取的示意性截面视图，示出了可变几何涡轮增压器涡轮的第二实施例。
具体实施方式
参考附图，其中在各视图中相似的参考标号被用于标识相似或相同的部件，图1示意性地示出了发动机组件10，包括内燃机12、进气系统14和排气系统16。进气系统14和排气系统16可每一个分别与发动机12流体连通，且可以通过涡轮增压器18彼此机械地连通。
内燃机12（即发动机12）可以是火花点火内燃机，且可以限定多个汽缸20（称为汽缸1-4）。每一个相应汽缸20可以包括一个或多个燃料喷射器22，其可以选择性地引入液体燃料（作为气雾（aerosol））到每一个汽缸中用于燃烧。每一个汽缸20可以与进气系统14选择性地流体连通，以接收新鲜或充氧空气，且汽缸20中的几个可以选择性地与排气系统16流体连通以排出燃烧副产物。尽管所示发动机12描述了4汽缸发动机，但是本技术可等同地适用于直列三汽缸和六汽缸发动机、V-8，V-10以及V-12构造的发动机，等等。
进气系统14可以大体包括新鲜空气入口24、排气再循环（EGR）混合器26、增压空气冷却器28、节流阀30和进气集管32。如可以理解的，在发动机12操作期间，新鲜空气34可以通过进气系统14而从大气（或从相关的空气清洁组件）经由新鲜空气入口24摄取。节流阀30可以包括可控挡板，其配置为选择性地调节通过进气系统14，且最终进入汽缸20（经由进气集管32）的空气总流动。
排气系统16可包括至少第一排气集管36和第二排气集管38，其可以将流动的排气40引导远离发动机12。排气40可穿过后处理设备42以在经由尾管44离开排气系统16之前催化和/或移除某些副产物。
如上所述，进气系统14和排气系统16可以通过涡轮增压器18机械连通。涡轮增压器18可包括可变几何涡轮60（“VGT60”或“涡轮60”），其与排气系统16流体连通，和压缩机62，其与进气系统14流体连通。涡轮60和压缩机62可经由可旋转轴64机械地联接。涡轮增压器18可利用从发动机12流出的排气40的能量来旋转涡轮60和压缩机62。压缩机62的旋转于是可从入口24吸入新鲜空气34，且将其压缩进入进气系统14的剩余部分。
发动机组件10还可包括专门的EGR系统50，其可直接将来自发动机12的一个或多个汽缸的排气54运送（例如经由EGR集管52）返回到进气系统14中。该再循环排气54可在EGR混合器26处与新鲜空气34混合，且可相应地稀释混合物中的氧含量。EGR的使用在火花点火发动机中已知能增加效率。还已知EGR能降低燃烧温度和来自发动机12的NOx产物。使用独立的EGR集管52运送一个或多个汽缸的全部排气回到进气组件14在本文中被称为“专门的EGR”。
如图1所示，汽缸20中的一个（即汽缸4）为专门的EGR汽缸，其可以供应其100%的排气54回到进气组件14。其余三个汽缸20（即汽缸1-3）的排气40被从发动机12经由排气组件16排出。
图2A和2B示出了可变几何涡轮60的两种状态。在每一种情况下，涡轮60包括壳体70，其限定涡轮入口72。涡轮入口72被配置为将涡轮壳体70经由公共集管接口74与第一和第二排气集管36、38联接。在一种配置中，公用集管接口74可以为单个管，其可以与第一排气集管36和第二排气集管38每一个流体连通。可旋转涡轮叶轮78布置在壳体70中，且与压缩机62机械地联接。多个独立铰接的叶片80被绕可旋转涡轮叶轮78布置，且配置为可控地喷出排气40的流到涡轮叶轮78，在该处排气40然后可以沿大体与叶轮78的旋转轴线对齐的方向离开壳体。
图2A示出了在高流动排气状态82下的可变几何涡轮60；且图2B示出了在低流动排气状态84下的可变几何涡轮60。在高流动状态82下，多个叶片80的每一个被铰接运动到“打开”位置，由此排气40可被允许更自由地接触涡轮叶轮78。在低流动状态84下，多个叶片80的每一个被铰接运动到“基本关闭”位置，由此排气40被喷向涡轮叶轮78。通过将排气40喷向涡轮叶轮78，可变几何涡轮60可以试图保持最小涡轮叶轮速度，即使在低流量情况下也是如此。参考图1，控制器86可以与节流阀30、喷射器22和/或在进气组件14或排气组件16中的各种质量/流量传感器电子通讯，以确定各叶片80的最有效角度状态。一旦这被确定，控制器86可以持续指令叶片80旋转到适当角度。以这样的方式，可变几何涡轮60可以在相当低流量下（当与标准涡轮增压器相比时）提供改善的瞬时响应。
再次参考图1，在典型的4汽缸发动机中，点火次序可依次为：汽缸1；汽缸3；汽缸4；汽缸2。如可以理解的，发动机12于是可以以相同的顺序从汽缸排气。由此，与连续流动相比，排气流更类似于一系列脉冲。
已经发现当排气脉冲彼此间隔开时，发动机效率被最大化。除了降低脉冲之间的干扰，该间隔可降低爆震和/或异常燃烧的发生。为了实现充分脉冲间隔，排气流可以被分为不同股气流，其可以被独立地引入到涡轮增压器18。在具有前述点火次序的理想4汽缸发动机中，该间隔将汽缸1与汽缸4配对，且将汽缸3与汽缸2配对。然而，在本配置中，汽缸4是专门的EGR汽缸，其100%的排气返回到进气组件14。由此，汽缸2和3可保持配对（经由第二排气集管38），而汽缸1可以孤立（经由第一排气集管36），且汽缸4可以独立地再循环。
图3示出了在图2A中示出且沿线3-3截取的集管接口74的一个实施例的横截面视图90。如所示，第一排气集管36和第二排气集管38可以汇聚到单个实体管76，且仍可以保持独立。换句话说，集管接口74可以限定仅与第一排气集管36流体连通的第一集管流动路径92，且可以限定仅与第二排气集管38流体连通的第二集管流动路径94。集管流动分隔件96可以将第一集管流动路径92从第二集管流动路径94隔离。以这样的方式，组装可仅需要将一个部件附接到涡轮60的壳体70，且排气脉冲仍可以与单个流动路径相比被更大程度地分隔。在替代实施例中，集管接口74可以与壳体70一体形成。
为了最大化效率，可以期望保持排气流分隔开直到将排气流引入涡轮叶轮78（理想地在该处每股流将作用在叶轮78的物理不同部分上）。然而，遗憾的是，可变几何涡轮增压器中的多个铰接叶片80可防止流体被隔离到这种程度。
图4示意性地示出了在图2A中示出且沿线4-4截取的可变几何涡轮60的一个实施例的横截面视图100。如所示，涡轮壳体70可包括壳体流动分隔件102，其可以将第一涡轮通道104从第二涡轮通道106部分地隔离。涡轮流动分隔件102可以围绕或基本围绕涡轮叶轮78和多个铰接叶片80，且可以进一步延伸穿过涡轮入口72且与集管流动分隔件96配合/邻接。以这样的方式，第一涡轮通道104可以与第一集管流动路径92流体连通，且第二涡轮通道106可以与第二集管流动路径94流体连通。
第一和第二涡轮通道104，106的每一个可以敞开到铰接叶片80使得排气可以从相应涡轮通道104、106行进穿过相应的叶片80并朝向涡轮叶轮78流动。涡轮流动分隔件102可以从涡轮壳体70延伸到一点，该点位于铰接叶片80可以延伸到（还考虑热膨胀）的最远外部径向距离108处或紧靠该处。以这样的方式，当叶片80旋转到它们的完全打开状态时，它们非常靠近分隔件102，但是并不产生接触。
图5示意性地示出了可变几何涡轮60的另一实施例的截面视图110。该截面视图110可以从类似于图2A所示的涡轮60沿线5-5截取。如所示，涡轮壳体70可包括涡轮流动分隔件102，其可以仅在涡轮入口72内将第一涡轮通道104从第二涡轮通道106部分地隔离开。换句话说，流动分隔件102可以在进入涡轮壳体70的涡形部分之前终止，其中两个排气流体可以结合以呈现到涡轮叶轮的统一流动。在一种配置中，流动分隔件102可以扭转（例如为螺旋形或旋涡形）或包括可帮助促进到涡轮叶轮的排气流的均匀分布的任意其它几何形状。
当前描述的发动机组件10使用专门的EGR系统50，其已经被示出通过促进更有效的燃烧而降低了平均排气温度。由此，专门的EGR系统50可以使得能够在火花点火燃烧发动机上使用可变几何涡轮60而不需要过度设计铰接叶片来承受通常较高的火花点火发动机燃烧温度（其通常比当前任何使用VGT的情况更热）。此外，在VGT壳体中使用本脉冲间隔技术可以提供超过仅应用VGT的附加效率增加。这些技术的组合可以用于增加火花点火汽油发动机组件10的效率，而不会显著增加车辆的重量和成本。
虽然用于执行本发明的最佳方式已经被详细描述，与本发明相关的本领域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本发明的各种替换设计和实施例。任何提及的方向（例如上部、下部、向上、向下、左、右、向左、向右、上方、下方、竖直和水平）仅用于标识目的，以辅助阅读者对本发明的理解，并非产生限制，特别是对于本发明的位置、取向或使用的限制。期望的是，上述说明书中包含或附图中所示的所有内容应该被理解为仅是示例性的而不是限定性的。
交叉申请的相关引用
本申请要求于2013年2月8日申请的美国临时专利申请No.61/762,581的权益，其由此通过参考而全部并入。
关于联邦科研或开发资助项目的声明
本发明是在DOE/NETL授权号DE-EE0005654的政府资助下完成的。本文中描述的本发明可以由美国政府为了美国政府的目的（即非商业目的）制造和使用，而无需为此支付许可费。

Claims (10)

1.一种发动机组件，包括：
进气组件；
火花点火内燃机，限定多个汽缸且配置为燃烧燃料；
其中所述多个汽缸中的每一个与进气组件流体连通；
其中燃料的燃烧在所述多个汽缸中发生并产生排气；
排气组件，与多个汽缸的第一子组流体连通；
专门的排气再循环系统，与多个汽缸的第二子组流体连通，且与进气组件流体连通，所述专门的排气再循环系统被配置为将来自所述多个汽缸的第二子组的所有排气运送到进气组件；以及
涡轮增压器，包括：
压缩机，与进气组件流体连通；
可变几何涡轮，与排气组件流体连通；以及
其中所述压缩机和可变几何涡轮通过轴操作地连接。
2.如权利要求1所述的发动机组件，其中所述排气组件包括第一排气集管和第二排气集管；
其中所述多个汽缸的所述第一子组包括第一汽缸和第二汽缸；
其中所述第一排气集管从第一汽缸接收产生的排气；以及
其中所述第二排气集管从第二汽缸接收产生的排气。
3.如权利要求2所述的发动机组件，其中所述第一排气集管和第二排气集管在集管接口处会聚；
其中集管接口限定与第一排气集管流体连通的第一集管流动路径，且限定与第二排气集管流体连通的第二集管流动路径；以及
其中第一集管流动路径通过集管流动分隔件从第二集管流动路径隔离开。
4.如权利要求3所述的发动机组件，其中可变几何涡轮包括涡轮壳体，其限定涡轮入口；
其中所述涡轮入口与所述集管接口联接，且与所述集管接口流体连通。
5.如权利要求4所述的发动机组件，还包括布置在涡轮入口内的涡轮流动分隔件；
其中所述涡轮流动分隔件部分地限定第一涡轮通道和第二涡轮通道；
其中第一涡轮通道与第一集管流动路径流体连通，且第二涡轮通道与第二集管流动路径流体连通；以及
其中所述涡轮流动分隔件邻接所述集管流动分隔件。
6.如权利要求5所述的发动机组件，其中可变几何涡轮包括布置在壳体内的可旋转涡轮叶轮；以及
多个铰接叶片，其绕所述可旋转涡轮叶轮圆周地布置，且配置为可控地喷射排气到涡轮叶轮。
7.如权利要求6所述的发动机组件，其中所述多个铰接叶片可在打开状态和基本关闭状态之间转换；
其中在所述打开状态中，所述多个铰接叶片的每一个分别延伸到距离可旋转涡轮叶轮的极端径向距离；以及
其中涡轮流动分隔件延伸到靠近多个铰接叶片每一个的极端径向距离的位置。
8.如权利要求5所述的发动机组件，其中涡轮流动分隔件仅在涡轮入口内延伸。
9.如权利要求1所述的发动机组件，其中所述多个汽缸包括第一汽缸、第二汽缸、第三汽缸和第四汽缸；
其中排气组件包括第一排气集管、第二排气集管和EGR集管；
其中所述第一排气集管从第一汽缸接收产生的排气；
其中所述第二排气集管从第二汽缸和第三汽缸两者接收产生的排气；以及
其中所述EGR集管从第四汽缸接收所产生的全部排气。
10.如权利要求9所述的发动机组件，其中所述多个汽缸以以下次序依次燃烧燃料：第一汽缸、第三汽缸、第四汽缸和第二汽缸。
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