CN104047674A - 发动机和用于发动机的通风系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于发动机的通风系统。该通风系统可包括能够将发动机的排气系统与发动机的曲轴箱连接的第一导管、能够联接到曲轴箱的通风口的第二导管和设置在第二导管内的阀。另外，通风系统可包括能够生成指示发动机的曲轴箱内的气体成分的浓度的信号的传感器以及与所述阀和传感器连通的控制器，控制器能够基于信号选择性地运动阀。

Description

发动机和用于发动机的通风系统

技术领域

本发明整体涉及用于内燃发动机的设备和方法，更具体地涉及一种用于清洗发动机曲轴箱的设备和方法。

背景技术

在包括柴油和汽油发动机的内燃发动机中，燃料和空气混合物在燃烧缸内燃烧。燃烧缸中的往复活塞通过在缸下面定位在曲轴箱中的曲轴在上止点和下止点位置之间运动。随着每个活塞朝着其上止点位置运动，它压缩燃烧室中活塞上方的燃料和空气的混合物。被压缩的混合物燃烧和膨胀，向下朝着其下止点位置驱动活塞。

发动机的废气通常经排气烟囱或者尾导管从发动机的燃烧缸释放到大气。但是，这些废气会含有作为燃烧过程的副产品产生的空气污染物的复杂混合物，希望的是减少释放到大气中的这种污染物的量。由于对环境的关注增加，废气排放物标准变得更加严格。从发动机排放到大气的污染物的量可根据发动机的类型、发动机的大小和/或发动机的等级来调整。

发动机制造商们为了符合废气排放规章已经实施的一种方法包括利用废气再循环（EGR）系统。EGR系统通常通过将发动机产生的一部分废气再循环回到发动机的进气与新鲜燃烧空气混合来操作。得到的混合物可产生较低的燃烧温度，并因此产生减少量的被管制污染物。

但是，不是从发动机排放，一些燃烧副产品会通过吹过活塞周围的密封圈而进入曲轴箱，并因此被称为“吹漏气”或者简单为“漏气”。漏气可含有通常在废气中找到的污染物，例如碳氢化合物（HC）、碳氧化合物（CO）、NOx、煤烟和未燃烧或者部分燃烧的燃料。由于曲轴箱部分地填充有润滑油，润滑油与热的发动机部件接触，在高的温度下搅动，漏气也会含有油滴和油蒸汽。另外，曲轴箱会含有一定浓度的一种或多种气体成分，例如曲轴箱内的空气中含有的氧气。

随着漏气在曲轴箱积聚，曲轴箱可被通风以去除漏气从而释放曲轴箱中的压力，并从曲轴箱去除一定量的气体成分（例如，氧气）。一些系统直接将漏气通往大气。但是，由于漏气中的污染物会损害环境，已经开发了其他曲轴箱通风选择。例如，授予Opris的美国专利No.7159386（Opris）公开一种用于内燃发动机的曲轴箱通风系统，由此曲轴箱废气可运送到从发动机排气歧管延伸的主排气导管。特别是，曲轴箱废气与布置在主排气导管中的特定捕具下游的主排气导管汇合。根据Opris，由于特定捕具下游主排气导管中的废气的压力可低于发动机曲轴箱内的压力，曲轴箱废气可在没有泵的帮助下从曲轴箱流到主排气导管。

Opris描述的曲轴箱通风系统包括EGR系统，其可从主排气导管提取主废气并将提取的主废气引导回进气口以便再循环到发动机的燃烧室中。但是，流经Opris公开的EGR系统的废气并不经过曲轴箱用于曲轴箱通风。

如上所述，曲轴箱通风可用来将废气与一种或多种气体成分一起从曲轴箱去除。由于油滴和油蒸汽会在正常发动机操作过程中积累在曲轴箱中，油蒸汽会在通风过程中排放到大气，造成废气排放物。虽然例如油分离器的油过滤装置可结合到曲轴箱通风系统中，以使排放到大气的油蒸汽最少，但一些油蒸汽仍会排放到大气。

本发明的发动机系统和方法旨在克服上述的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。

发明内容

在一个方面，公开一种通风系统。该通风系统可包括能够将发动机的排气系统与发动机的曲轴箱连接的第一导管、能够联接到曲轴箱的通风口的第二导管和设置在第二导管内的阀。另外，通风系统可包括能够生成指示发动机的曲轴箱内的气体成分的浓度的信号的传感器以及与所述阀和传感器连通的控制器，控制器能够基于信号选择性地运动阀。

在另一方面，公开一种发动机。该发动机可包括发动机本体和连接到发动机本体的缸盖，缸盖和发动机本体一起至少部分地限定气缸。曲轴箱可与缸盖相对地连接到发动机本体。发动机还可包括流体连接到气缸的排气系统和流体连接到曲轴箱内部的通风口。另外，第一导管可流体连接在排气系统和曲轴箱之间，第二导管可流体连接到通风口。

在又一方面，公开一种清洗发动机曲轴箱的方法。该方法可包括将来自发动机的废气流引导到发动机曲轴箱、感测发动机曲轴箱内的气体成分的浓度和基于所述浓度选择性地限制离开曲轴箱的废气流。

附图说明

图1是根据一种示例性公开的实施方式的发动机系统的示意表示。

具体实施方式

图1示出一种具有通风系统的示例性内燃发动机10。发动机10可以是任何类型的内燃发动机，例如两冲程或四冲程的汽油或柴油发动机。另外，发动机可自然吸气或者可包括例如涡轮增压或者增压的强制进气。

发动机10可包括发动机本体12以及缸盖13，缸盖连接到发动机本体12并与发动机本体12一起至少部分地限定气缸14。气缸14如图1中所示可以是多个气缸14，可与进气部件和排气部件连接。在一些例子中，进气部件可包括连接到进气歧管18的进气导管16（也称为进气系统），排气部件可包括连接到排气歧管20的主排气导管22（也称为排气系统）。发动机10包括与缸盖13相对地连接到发动机本体12的曲轴箱15。曲轴箱15可容纳曲轴（未显示）以使活塞（未显示）在燃烧缸14内运动。如这里使用的，术语“连接”意思是与图1所示的设备10一致的流体和/或物理连接，除非另外指明。

发动机还可包括从主排气导管22分支的EGR系统28。EGR系统28可包括在一端连接到主排气导管22并在相对的另一端连接到进气导管16的EGR导管30。在一些例子中，EGR系统28还可包括EGR冷却器32，其被构造为冷却流经EGR系统28的废气（也称为排气）。

如图1所示，曲轴箱入口导管38可从EGR导管30分支并与曲轴箱15连接。在一些例子中，曲轴箱入口导管38可包括被构造成将经过EGR系统28再循环的废气的一部分选择性地引入曲轴箱15的曲轴箱入口阀34。曲轴箱入口导管38连接在曲轴箱15上的位置可称为曲轴箱通风入口。

在曲轴箱15的另一侧上，可以具有流体连接到曲轴箱15内部的开口（也称为通风口）。曲轴箱出口系统35可被称为在通风口处流体连接到曲轴箱15。曲轴箱出口系统35可包括流体连接到通风口的曲轴箱出口导管24（也称为曲轴箱通风导管）和曲轴箱出口阀36。曲轴箱出口导管24可与曲轴箱15连接，曲轴箱出口导管24连接在曲轴箱上的位置可被称为曲轴箱通风出口。虽然在图1中被示意性显示在曲轴箱15的不同侧上，曲轴箱入口导管38和曲轴箱出口导管24可定位在曲轴箱15的同一侧上。

如图1所示，可包括控制器41以将曲轴箱出口阀36电连接到设置在曲轴箱内的传感器40。传感器40可设置在曲轴箱15内的任何位置处，并可被构造成检测曲轴箱15内的气体成分的浓度。在一种例子中，传感器40可以是氧气传感器。虽然未显示，控制器41也可电连接到曲轴箱入口阀34。

分离器26也可设置在曲轴箱出口导管24中以便从可流经出口导管24的曲轴箱废气流分离油，如下面更加详细地描述的。这里描述的EGR系统28和曲轴箱出口系统35的部件以及发动机10的任何另外的废气处理装置可共同地构成本发明的曲轴箱通风系统。

发动机10可包括可进一步减少大气排放物的另外的废气处理装置。废气处理装置可设置在主排气导管22和/或曲轴箱出口导管24中以去除颗粒物质和/或催化流经导管22、24的气体。例如，如图1所示，主排气导管22可包括被构造成从废气流去除例如煤烟和/或烟灰的颗粒物质的颗粒过滤器27。颗粒过滤器27可形成为网、筛等。在一些例子中，颗粒过滤器27可以是起催化作用的，或者是可以是在EGR导管30上游设置在主排气导管22中以催化废气的单独的催化单元（未显示）。虽然图1显示了设置在EGR导管30上游的颗粒过滤器27，但在一些例子中，颗粒过滤器27和/或设置在主排气导管22中的任何另外的单独催化单元可位于EGR导管30的下游。

如图1所示，除了颗粒过滤器27，发动机10可包括设置在曲轴箱出口导管24中的单独的催化单元42，使得曲轴箱废气可在通到大气前被催化。用于颗粒过滤器27和/或催化单元42的催化剂可以是氧化催化剂，例如柴油氧化催化剂，其被构造成去除（即，氧化）例如HC和/或CO的污染物。替代地或另外地，也可包括还原催化剂，以去除（即，还原）例如NOx的污染物。此外，催化单元42可被构造成去除作为主要发动机油的可溶有机成分（SOF）。虽然未在图1中显示，催化单元42还可包括加热装置以将催化单元42保持在希望的操作温度（例如，至少约150摄氏度）。可以使用任何类型的加热装置，例如电加热元件和燃烧器。

现在将描述操作发动机10的方法。在一些例子中，该方法可用来从曲轴箱清洗废气和各种气体成分（例如氧气）。在操作过程中，空气可从大气抽吸，被压缩机（未显示）加压，并通过进气导管16到进气歧管18引导到燃烧缸14。在加压空气进入之前、期间和/或之后的任意时刻，燃料可被供应并与燃烧缸14内侧的空气混合。活塞（未显示）的运动可造成燃料/空气混合物燃烧并产生废气。废气可流出排气歧管20并流入主排气导管22。

从主排气导管22，一部分废气可流入EGR导管30并进入EGR系统28。如图1所示，在流入EGR系统28之前，废气可首先流经颗粒过滤器27，如上所述，其可以是起催化作用的颗粒过滤器27。在EGR系统28中，废气可以在其流经EGR冷却器32时被冷却。虽然图1所示的发动机10包括EGR冷却器32，在一些例子中，EGR系统28可不包括EGR冷却器或任何其他这样的冷却机构。

废气流在曲轴箱入口导管38从EGR导管30分支的位置分裂。EGR系统28中的一部分废气可流经曲轴箱入口导管38，而剩余部分的废气可流经EGR导管30，直到到达进气导管16以被引导回燃烧缸14。在一些例子中，很大部分的废气可继续流经EGR导管30，直到流回进气导管16，而较小部分的废气可从EGR导管30分支，并流经曲轴箱入口导管38进入曲轴箱15。“很大部分”的废气可以在流经EGR系统28的废气总量的大约55%和大约95%之间。例如，75%的废气可流经EGR导管30并回到进气导管16，而25%的废气流经曲轴箱入口导管38并进入曲轴箱15。在另一例子中，95%的废气可流经EGR导管30并回到进气导管16，而5%的废气流经曲轴箱入口导管38并进入曲轴箱15。

可以是具有比曲轴箱15内的气体更低浓度的给定气体成分（例如氧气）的惰性气体的废气部分流经曲轴箱入口导管38并进入曲轴箱15。废气可流经曲轴箱15并通过借助曲轴箱出口导管24将曲轴箱15内含有的气体推出去来清洗曲轴箱15。特别是，惰性废气经过曲轴箱15的流动可将氧气清洗出曲轴箱，同时至少一些积累的油蒸汽保持在曲轴箱15内，如下面更加详细地描述的。

为了控制曲轴箱15的清洗（这里也称为曲轴箱通风），曲轴箱入口阀34可设置在曲轴箱入口导管38中，曲轴箱出口阀36可设置在曲轴箱出口导管24中。阀34、36的任一者或两者可以是用于调整经过曲轴箱15的废气流的小的低流量装置。例如，曲轴箱入口阀34可以是低流量阀，使得EGR系统28中的大多数废气流到进气歧管16而不进入曲轴箱15。

针对例如氧气的气体成分的预定浓度（预定值）可以直接经过传感器40或者经过控制器41设置。预定值可以在发动机操作之前或者操作过程中的任何时刻设置。传感器40可连续地或间断地感测并产生指示曲轴箱15内的气体成分（例如氧气）的浓度的信号。基于该信号，控制器41可被编程以选择性地运动曲轴箱出口阀36。例如，如果气体成分的浓度达到或超过预定值，传感器40可向控制器41发送信号，其可打开曲轴箱出口阀36以允许来自EGR系统28的一部分废气流经曲轴箱15，以清洗曲轴箱中含有的废气。在清洗过程中，当气体成分的浓度被确定小于预定值时，传感器40可发送另一信号给控制器41，以通过关闭曲轴箱出口阀36结束清洗。在一些例子中，预定值可以被称为第一预定值。第二预定浓度可以设置为具有小于第一预定值的值。控制器41可被编程以只在气体成分的浓度被确定小于第二预定值时才关闭曲轴箱出口阀36。

在一种例子中，在发动机操作过程中，曲轴箱入口阀34和曲轴箱出口阀36都可关闭，直到从控制器41接收由传感器40生成的气体成分的浓度处于或大于预定值的信号。控制器41可接着基于该信号打开阀34、36，以清洗曲轴箱15。在另一例子中，曲轴箱入口阀34和曲轴箱出口阀36都可在发动机操作过程中打开，直到从控制器41接收由传感器40生成的气体成分的浓度低于预定值（例如，第一预定值或第二预定值中的一个）的信号。控制器41可接着基于该信号关闭阀34、36。当阀34、36中的一者被描述为打开时，流经该阀的流动可被称为不受限制、不受阻挡、自由等等。当阀34、36中的一者被描述为关闭时，流经该阀的流动可被称为受到限制、受到阻挡或者受阻等等。

因此，基于来自传感器40的信号，控制器41可自动调整曲轴箱出口阀36和在一些例子中也调整曲轴箱入口阀34的运动，以控制曲轴箱15的清洗。当阀34、36被控制为如这里描述地选择性地调整曲轴箱通风时，曲轴箱通风系统可称为封闭通风系统。即，经过曲轴箱15的再循环废气的流动由于曲轴箱出口阀36的打开和关闭以及在一些实施方式中还由于曲轴箱入口阀34的打开和关闭可以是中断的或者是间歇的。但是，在一些例子中，阀34、36可持续打开，使得曲轴箱15在发动机操作过程中连续通风，这样通风系统可被称为开放通风系统。

如图1所示，来自曲轴箱的废气可在被排放到大气之前经过分离器26和催化单元42。分离器26可在清洗过程中收集油，催化单元42可用来催化废气。

工业实用性

本发明的发动机10和通风系统可用在各种工业应用中。例如，发动机10和/或通风系统可适用于大型柴油发动机，例如海洋柴油发动机或者火车发动机。发动机10和/或通风系统还可用在各种固定发电应用中。

代替使用抽吸来清洗曲轴箱15，这里描述的发动机10和通风系统通过物理地强迫来自发动机排气歧管的再循环发动机废气经过曲轴箱15。被强迫经过曲轴箱15的废气可以是具有比从曲轴箱15清洗的流体低浓度的成分气体（例如氧气）的惰性气体。因此，清洗可降低曲轴箱内的成分气体的浓度。

除了降低曲轴箱内的成分气体（例如氧气）的浓度外，这里描述的发动机10和通风系统还可降低排放到大气的例如油和油蒸汽的污染物的量。例如，如果阀34、36常开，使得曲轴箱15通过再循环废气连续地清洗，一些油蒸汽会保持在曲轴箱15中。虽然一些油蒸汽也会在清洗过程中从曲轴箱排放，分离器26、催化单元42和沿着曲轴箱出口导管24包括的其他部件可帮助减少排放到大气的污染物的量。作为另一例子，如果控制器41基于来自定位在曲轴箱15内的传感器40的信号控制阀36、38的运动，曲轴箱15可被间歇地清洗。通过间歇地清洗曲轴箱15，成分气体（例如氧气）的浓度可被减小，同时在曲轴箱15内保持较大量的油和油蒸汽。例如，当控制器41基于来自传感器40的信号关闭曲轴箱出口阀36时，废气、油和油蒸汽可保留在曲轴箱15中。虽然在曲轴箱出口阀36打开时一些量的污染物、例如油蒸汽仍会在清洗过程中离开曲轴箱15，但由于经过曲轴箱15的流动可以是间歇的而不是持续的，排放到大气的污染物的量可以减少。

虽然如上所述，曲轴箱15可在曲轴箱15内的气体成分的浓度超过预定浓度时被清洗，但替代地，曲轴箱可基于给定数量的发动机循环或者预定量的时间来清洗。清洗曲轴箱的预定量的时间可经由控制器41预先设置，使得控制器41可在预定量的时间流逝后发送信号以运动（打开或关闭）曲轴箱出口阀36。另外，虽然曲轴箱废气可直接通到大气，在一些例子中，曲轴箱废气可在通往大气前首先经过废气烟囱或者尾管。

本领域技术人员将会明白，可以对本发明的发动机系统和方法进行各种修改和变型。从说明书的考量和本发明的发动机系统和方法的时间，其他实施方式对于本领域技术人员是清楚的。说明书和实例仅意在被认为是示例性的，真正的范围由权利要求书及其等同指明。

Claims (10)

1.一种用于发动机的通风系统，包括：

第一导管，其能够将发动机的排气系统与发动机的曲轴箱连接；

第二导管，其能够联接到曲轴箱的通风口；

阀，其设置在第二导管内；

传感器，其能够生成指示发动机的曲轴箱内的气体成分的浓度的信号；以及

控制器，其与所述阀和传感器连通，控制器能够基于所述信号选择性地运动所述阀。

2.根据权利要求1所述的通风系统，其中，所述阀能够调整离开曲轴箱的流动。

3.根据权利要求1所述的通风系统，包括另外的阀，其设置在所述第一导管内并能够调整进入曲轴箱的废气的流动。

4.根据权利要求1所述的通风系统，其中，所述控制器能够在所述信号指示曲轴箱内的气体成分的浓度大于预定浓度时打开所述阀。

5.根据权利要求1所述的通风系统，其中，所述控制器能够在所述信号指示曲轴箱内的气体成分的浓度小于预定浓度时关闭所述阀。

6.一种清洗发动机曲轴箱的方法，包括：

将来自发动机的废气流引导到发动机曲轴箱；

感测发动机曲轴箱内的气体成分的浓度；以及

基于所述浓度选择性地限制离开曲轴箱的废气流。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括将来自发动机的另外废气流引导到发动机的进气歧管。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，被引导到发动机曲轴箱的废气流的量小于被引导到进气歧管的另外废气流的量。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，当气体成分的浓度超过预定值时，废气流不受限制。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，当气体成分的浓度小于预定值时，废气流受到限制。