CN104121123A - 具有脉冲抑制的专用排气再循环的发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有脉冲抑制的专用排气再循环的发动机。发动机组件包括进气组件、火花点火内燃发动机和排气组件。所述进气组件包括布置在排气再循环(EGR)混合器与背压阀之间的增压空气冷却器。所述增压空气冷却器具有入口和出口，并且所述背压阀被构造为保持所述增压空气冷却器的入口与所述背压阀的出口之间的最小压差。专用排气再循环系统被设置为与至少一个汽缸和所述EGR混合器流体连通。所述专用排气再循环系统被构造为将来自所述至少一个汽缸的所有排气引导至所述EGR混合器以再循环回到所述发动机。

Description

具有脉冲抑制的专用排气再循环的发动机
技术领域
本发明总体涉及具有专用排气再循环的涡轮增压内燃发动机机。
背景技术
内燃发动机(ICE)可以在一个或多个燃烧腔室内燃烧空气和燃料的混合物以产生机械输出。在燃烧期间，各种排气被产生并且排放至大气。在一些情况下，排气的一部分可以被再循环回到发动机汽缸中(通过排气再循环系统)。在汽油发动机中，该惰性排气取代了发动机内大量的可燃烧混合物，导致提高的发动机效率。在柴油发动机中，排气可代替预燃混合物中的一些过多的氧气。在任何一种情况下，再循环的排气可以降低汽缸中的燃烧温度和/或减少某些气态副产物的形成。
内燃发动机通常被要求在可靠的基础上在长时间内产生相当水平的功率。许多这样的ICE组件采用增压装置，比如排气涡轮驱动的涡轮增压器，以在气流进入发动机的进气歧管前压缩气流从而提高功率和效率。
具体地，涡轮增压器是离心式气体压缩机，其强制比在环境气体压力下可实现的更多的空气，因此更多的氧气进入ICE的燃烧腔室。被强制进入ICE的额外的含氧空气量提高了发动机的容积效率，允许该额外的含氧空气量在给定的循环中燃烧更多的燃料，并由此产生更多的功率。
典型的涡轮增压器包括中央轴，该中央轴由一个或多个轴承支撑并且在排气驱动涡轮机叶轮与空气压缩机叶轮之间传递转动运动。涡轮机叶轮和压缩机叶轮两者都被固定到轴，该轴与多个轴承部件组合构成涡轮增压器的转动组件。
发明内容
发动机组件包括进气组件、火花点火内燃发动机和排气组件。进气组件包括布置在排气再循环(EGR)混合器与背压阀的增压空气冷却器。增压空气冷却器具有入口和出口，背压阀被构造为保持增压空气冷却器的入口和背压阀的出口之间的最小压差。
专用的排气再循环系统设置为与至少一个汽缸和EGR混合器流体连通。专用的排气再循环系统被构造为将来自至少一个汽缸的所有排气引导到EGR混合器以再循环回到发动机。
进气组件可以期望的流速将空气提供到多个汽缸中的每一个。提供的空气可包括大气和来自专用的排气再循环系统的再循环排气。排气可包括压力脉冲，该压力脉冲是由内燃发动机的顺次点火的本质引起的。增压空气冷却器可以被构造为如果流速高于预定速率，则缓冲排气脉冲，同时背压阀可以被构造为如果流速低于预定速率，则缓冲脉冲。
发动机组件还可包括涡轮增压器，该涡轮增压器具有与进气组件流体连通的压缩机和与排气组件流体连通的涡轮机。压缩机和涡轮机可以通过轴操作地连接，使得涡轮机可驱动压缩机以在与再循环排气混合之前压缩大气。
当结合附图和所附的权利要求时，本发明的上述特征和优势，以及其他特征和优势从下面对用于实现本发明的优选实施例和最佳模式的详细描述中变得显见。
附图说明
图1是具有专用的排气再循环的内燃发动机组件的示意图；
图2是包括排气再循环混合器、增压空气冷却器和背压阀的进气系统的示意图。
具体实施方式
参见附图，其中各个视图中相似的附图标记用于表示类似或相同的部件，图1示意性地示出了包括内燃发动机12、空气进气系统14和排气系统16的发动机组件10。空气进气系统14和排气系统16可每一个分别与发动机12流体连通，并且可通过涡轮增压器18彼此机械连通。
内燃发动机12(即，发动机12)可以是火花点火内燃发动机或压燃柴油发动机，并且可限定多个汽缸20(标记为汽缸1-4)。相应的汽缸20中的每一个可包括一个或多个燃料喷射器22，该燃料喷射器22可选择地将液体燃料(如气雾)引入用于燃烧的每一个汽缸。每一个汽缸20可以与空气进气系统14选择地流体连通以接收新鲜的/充氧的空气，并且所述汽缸20中的几个可与排气系统16选择地流体连通以排出燃烧的副产品。虽然示出的发动机12描绘的是4缸发动机，但是本技术能够同等地应用到直列三缸和六缸发动机、V-8、V-10、V-12构造的发动机等。
空气进气系统14一般可以包括新鲜空气入口24、排气再循环(EGR)混合器26、增压空气冷却器28、节流阀30和进气歧管32。如在发动机12的操作期间可意识到的，新鲜空气34可通过空气进气系统14从大气(或从关联的空气净化器组件)经由新鲜空气入口24获取。节流阀30可包括可控挡板，该可控挡板被构造为选择地调节通过进气系统14，并最终进入汽缸20(经由进气歧管32)的空气的总流动。
在典型的4缸发动机中，多个发动机汽缸20中的燃烧可以顺次的方式发生。例如，点火顺序可以顺次地为：汽缸1、汽缸3、汽缸4、汽缸2。应意识到的是，发动机12可然后以相同的顺次顺序将气体从汽缸排出，并因此，排气流动可相比于连续流动更接近地类似于一系列脉冲。
已经发现发动机效率在排气脉冲彼此分隔时被最大化。除了减少脉冲之间的相互干扰，分隔还可减少爆震和/或异常燃烧的发生。为了达到充分的脉冲分隔，排气流动可被分成不同的流动，这些流动可以分别经由多个排气歧管引导到涡轮增压器18。因此，在一种构造中，排气系统16可包括导引流动的排气40离开发动机12的第一排气歧管36和第二排气歧管38。排气40可最终经过后处理装置42以在经由尾管44离开排气系统16之前催化和/或移除某些副产品。
如上所述，空气进气系统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可包括与排气系统16流体连通的涡轮机50和与进气系统14流体连通的压缩机52。涡轮机50和压缩机52可以经由可转动轴54机械地联接。涡轮增压器18可利用从发动机12流动的排气40的能量旋转涡轮机50和压缩机52。压缩机52的转动可因此从入口24吸入新鲜空气34并将其压缩进入进气系统14的其他部分。
发动机组件10还可包括专用的EGR系统60，该EGR系统60可从发动机12的一个或多个汽缸直接地引导(例如，经由EGR歧管62)排气64回到进气系统14中。该再循环排气64可在EGR混合器26处与新鲜空气34混合，并且可相应地稀释混合物的氧气含量。已知EGR的用途是提高火花点火发动机中的效率。EGR还已知为降低燃烧温度和减少来自发动机12的NOx的产生。使用单独的EGR歧管62以引导一个或多个汽缸的全部排气回到进气组件14，该组件在此称作“专用的EGR”。
继续参照图1，汽缸21中的一个(即，汽缸4)是专用的EGR汽缸，其可供给其排气64的100％回到进气组件14。剩余三个汽缸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。
以如同汽缸1-3的相似的方式，专用EGR汽缸4可类似地以脉冲的方式排出燃烧气体。虽然使用专门的EGR操作的发动机可表现出提高的燃料效率，但是如果再循环排气64没有适当地与进气空气34混合，则不能得到全部的好处。例如，如果可用的排气的80％被专门地吸入到汽缸3中(例如，由于进气的正时和排气的脉冲)，则EGR对汽缸1、2和4的好处将大大地减少。类似地，汽缸3的性能由于在该汽缸中可燃烧的空气/燃料的相对低的量而明显地降低。
因此，如图2大体示出的，增压空气冷却器28可以布置在EGR混合器26与背压阀70之间以抑制/缓冲所有流速范围内的再循环排气64的脉冲。总的来说，增压空气冷却器28可以是散热器式的热交换器，其可以使用大气72或液体冷却剂流动以冷却新鲜空气/排气混合物74。如可意识到的，气体混合器74可由于经由压缩机52的加压和与高温排气64的混合而比大气温度更热。增压空气冷却器28可冷却气体混合物74以提高其密度/容积效率，同时还降低异常燃烧的可能性。
增压空气冷却器28可包括多个闭合的冷却通路76，该冷却通路76将入口容室78和出口容室80流体地联接。冷却通路76可以由导热材料形成，比如铝，并且还可包括多个热传递结构，比如翼片或金属线，其可促进外部流动的大气或液体冷却剂72和内部包含的气体混合物74之间的热传递。
在大量的气体混合物74被吸入发动机12的高流速情况期间，增压空气冷却器28的入口容室78和冷却通路76可用作气体缓冲器，以减少再循环排气64的脉冲。这种缓冲可由于声学和/或流动阻抗效应而发生。
具体地关于增压空气冷却器28，由于冷却通路76的减小的横截面面积(相比于入口容室78)，流动阻抗建立并且声学调谐效应形成。这些流动阻抗和声学调谐效应可用于缓冲提供在增压空气冷却器28上游的排气脉冲以在下游(即，在发动机侧)形成更均匀的流动。然而，如果上游流速低于流动阻抗和声学调谐产生效果的情况下的流速，则增压空气冷却器28可不幸地失去缓冲排气脉冲的能力。
为了缓冲低流动下的排气脉冲，空气进气系统14可包括布置在增压空气冷却器28与发动机12之间的背压阀70。背压阀70可以操作以确保参考压力与阀70的出口82处的压力之间的最小压差。
背压阀70可包括致动器84或与致动器84连通，该致动器84被构造为根据监测的压差调节阀70。在一种构造中，致动器84可与增压空气冷却器28的用作参考压力的入口88连通(例如，经由信号线86)。如果增压空气冷却器28的入口88与阀70的出口82之间的压差低于预定的量，则致动器84可关闭阀70以增大压差。一旦压差超过最小可允许压差，则致动器84可调节阀70，同时允许冷却的气体混合物90流动至汽缸20。在一种构造中，最小可允许压差可以在2kPa-10kPa的范围内。
在高流速下的操作期间，流动可导致接近增压空气冷却器28的入口78压力的逐步建立。这样，增压空气冷却器28的入口78与阀70的出口82之间的压差可超过最小可允许压差，并且阀70可完全打开(即，不提供或提供微小的流动限制)。如果流速应下降至100％的流动自由地经过冷却通路76的点，则增压空气冷却器28的入口78处的压力可下降到不发生缓冲的水平。响应入口容室78处的该压力下降，背压阀70可关闭，直到入口处的期望的压力为重新达到压差(即，增压空气冷却器28的入口78与节流阀30/汽缸20之间)。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。应将包含在上述描述或在附图中示出的全部内容理解为仅作说明目的，而非限制性的。

Claims (10)

1.一种发动机组件包括：
进气组件，其包括排气再循环(EGR)混合器以及具有入口和出口的增压空气冷却器，所述EGR混合器与增压空气冷却器的入口联接；
火花点火内燃发动机，其限定多个汽缸并且被构造为燃烧燃料；
其中所述多个汽缸的每一个与所述增压空气冷却器的出口联接；
其中所述燃料的燃烧在所述多个汽缸内发生并且产生排气；
排气组件，其与所述多个汽缸的第一子组流体连通；
专用排气再循环系统，其与所述多个汽缸的第二子组和所述EGR混合器流体连通，所述专用排气再循环系统被构造为将来自所述多个汽缸的第二子组的所有排气引导至所述EGR混合器；和
背压阀，其布置在所述增压空气冷却器的出口与所述多个汽缸之间，所述背压阀被构造为保持所述增压空气冷却器的入口与所述背压阀的出口之间的最小压差。
2.如权利要求1所述的发动机组件，其进一步包括涡轮增压器，该涡轮增压器包括：
压缩机，其与所述进气组件流体连通；
涡轮机，其与所述排气组件流体连通；并且
其中所述压缩机和涡轮机通过轴操作地连接。
3.如权利要求1所述的发动机组件，其中所述背压阀包括与所述增压空气冷却器的入口连通的致动器。
4.如权利要求1所述的发动机组件，其中所述增压空气冷却器布置在所述EGR混合器与所述背压阀之间。
5.如权利要求1所述的发动机组件，其中所述进气组件以一定的流速向所述多个汽缸的每一个提供空气；
其中所述提供的空气包括大气和来自于所述多个汽缸的第二子组的排气。
6.如权利要求5所述的发动机组件，其中所述来自多个汽缸的第二子组的排气包括压力脉冲；
其中所述增压空气冷却器被构造为如果流速高于预定速率，则缓冲所述脉冲；和
其中所述背压阀被构造为如果流速低于预定速率，则与所述增压空气冷却器协力缓冲所述脉冲。
7.如权利要求1所述的发动机组件，其进一步包括布置在所述背压阀与所述火花点火内燃发动机之间的节流阀。
8.一种发动机组件包括：
进气组件，其包括布置在排气再循环(EGR)混合器与背压阀之间的增压空气冷却器，所述增压空气冷却器具有入口和出口，并且所述背压阀被构造为保持所述增压空气冷却器的入口与所述背压阀的出口之间的最小压差；
火花点火内燃发动机，其限定多个汽缸并被构造为燃烧燃料；
其中所述多个汽缸的每一个与所述增压空气冷却器的出口联接；
其中所述燃料的燃烧发生在所述多个汽缸内并且产生排气；
排气组件，其与所述多个汽缸的第一子组流体连通；以及
专用排气再循环系统，其与所述多个汽缸的第二子组和所述EGR混合器流体连通，所述专用排气再循环系统被构造为将来自所述多个汽缸的第二子组的所有排气引导至所述EGR混合器。
9.如权利要求8所述的发动机组件，其进一步包括涡轮增压器，该涡轮增压器包括：
压缩机，其与所述进气组件流体连通；
涡轮机，其与所述排气组件流体连通；并且
其中所述压缩机和涡轮机通过轴操作地连接。
10.如权利要求8所述的发动机组件，其中所述背压阀包括与所述增压空气冷却器的入口连通的致动器。
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