CN104421057A - 具有集成的废气再循环阀的压气机盖 - Google Patents

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Abstract

一种压气机组件，其加压从外界环境接收的空气流以传送到内燃发动机，所述内燃发动机具有汽缸体部分和汽缸盖部分。汽缸盖部分配置为将空气-燃料混合物供应到汽缸以在汽缸中燃烧，和从汽缸盖部分供应燃烧后废气。压气机组件包括压气机盖和压气机叶轮，压气机盖配置为接收来自外界环境的空气流；压气机叶轮设置在压气机盖内部且配置为加压空气流。压气机组件还包括废气再循环(EGR)阀，废气再循环(EGR)阀并入到压气机盖中且与汽缸盖部分和压气机叶轮中的每一个流体连通。EGR阀配置为控制燃烧后废气从汽缸盖到压气机盖的传送。还公开了采用这种压气机组件的内燃发动机。

Description

具有集成的废气再循环阀的压气机盖
技术领域
本公开涉及具有集成的EGR阀的压气机盖。
背景技术
在内燃发动机(ICE)中，废气再循环(EGR)是用于汽油和柴油发动机中的氮氧化物(NOx)减排技术。EGR通过将发动机废气的一部分作为惰性气体再循环回到发动机汽缸而工作。
在汽油发动机中，该惰性废气置换汽缸中的可燃烧的燃料-空气混合物的一些部分。在柴油发动机中，惰性废气替换预燃烧的燃料-空气混合物中的过量氧气的一些。因为当氮气和氧气的混合物经受高温时主要形成NOx，因此由EGR引起的较低的燃烧温度减少了燃烧产生的NOx的量。
通常，这种发动机还被要求在可靠的基础上产生持续长时间段的相当高水平的功率，同时保持不错的燃料效率。为了满足这些要求，很多汽油和柴油发动机采用增压装置，比如废气涡轮机驱动的涡轮增压器，以在空气流进入发动机的进气集管之前压缩空气流。
具体地，涡轮增压器是离心压气机，其迫使更多(与在外界环境大气压下可获得的相比)的空气、进而更多的氧气进入ICE的燃烧室。被强制进入ICE的含氧空气的附加的质量提高发动机的容积效率，允许其在给定循环中燃烧更多的燃料，并从而产生更大的功率。
发明内容
本公开的一个实施例涉及一种压气机组件，该压气机组件用于将空气流加压以传送到具有汽缸体部分和汽缸盖部分的内燃发动机。汽缸盖部分配置为将空气-燃料混合物供应到汽缸以在汽缸中燃烧，并从汽缸盖部分排出燃烧后废气。压气机组件包括压气机盖和压气机叶轮，压气机盖配置为接收来自外界环境的空气流，压气机叶轮设置在压气机盖内部且配置为加压空气流。压气机组件还包括废气再循环(EGR)阀，废气再循环(EGR)阀并入到、即结构上集成到压气机盖，且与汽缸盖部分和压气机叶轮中的每一个流体连通；EGR阀配置为控制燃烧后废气从汽缸盖到压气机盖的传送。
压气机盖可包括用于从外界环境接收的空气流的入口，和用于被加压空气流的出口。在这种情形中，EGR阀可并入在入口处，且配置为控制燃烧后废气到从外界环境接收的空气流(即未加压的空气流)中的再次引入。另外，压气机盖可包括布置在入口处的流体流动混合器。因此，流体流动混合器可配置为将燃烧后废气与未加压的空气流混合。
压气机盖可包括用于从外界环境接收的空气流的入口，和用于被加压空气流的出口。在这种情形中，EGR阀可并入在出口处，且配置为控制燃烧后废气到被加压空气流中的再次引入。另外，压气机盖可包括布置在出口处的流体流动混合器。因此，流体流动混合器可配置为将燃烧后废气与被加压的空气流混合。
压气机盖可包括冷却剂通道，冷却剂通道配置为发送冷却剂靠近EGR阀，使得冷却剂去除由再次引入的燃烧后废气产生的热量。
EGR阀可配置为提升阀、蝶形阀和回转阀中的一种。
压气机盖可包括可密封的开口，该开口配置为提供到EGR阀的维修入口。
压气机盖可包括可移除的盖，可移除的盖配置为选择性地打开和闭合开口，以控制到EGR阀的维修入口。
此外，发动机可包括电子控制器。在这种情况中，EGR阀可与控制器电气通信，使得EGR阀由控制器调节。
本公开的另一个实施例涉及具有上述的压气机组件的内燃发动机，该内燃发动机包括汽缸体部分，限定汽缸；往复活塞，设置在汽缸内部；汽缸盖部分，操作地连接到汽缸体部分且配置为将空气-燃料混合物供应到汽缸以在汽缸中燃烧，并且从汽缸盖部分排出燃烧后废气；和压气机组件，配置为加压从外界环境接收的空气流以传送到汽缸，该压气机组件包括：压气机盖，配置为接收来自外界环境的空气流；压气机叶轮，设置在压气机盖内部且配置为加压空气流；和废气再循环(EGR)阀，并入在压气机盖中且与汽缸盖部分和压气机叶轮中的每一个流体连通；其中EGR阀配置为控制燃烧后废气从汽缸盖到压气机盖的传送。
该发动机中的压气机盖包括用于从外界环境接收的空气流的入口和用于被加压空气流的出口，且其中EGR阀并入在入口处且配置为控制燃烧后废气到从外界环境接收的空气流中的再次引入。
该发动机中的中压气机盖包括布置在入口处的流体流动混合器，且其中流体流动混合器配置为混合燃烧后废气和从外界环境接收的空气流。
该发动机中的压气机盖包括用于从外界环境接收的空气流的入口和用于被加压空气流的出口，且其中EGR阀并入在出口处且配置为控制燃烧后废气到被加压空气流中的再次引入。
该发动机中的压气机盖包括布置在出口处的流体流动混合器，且其中流体流动混合器配置为混合燃烧后废气和被加压的空气流。
该发动机中的压气机盖包括冷却剂通道，冷却剂通道配置为将冷却剂发送到靠近EGR阀，使得冷却剂去除由再次引入的燃烧后废气产生的热量。
该发动机中的EGR阀配置为提升阀、蝶形阀和回转阀中的一种。
该发动机中的压气机盖包括可密封的开口，该开口配置为提供到EGR阀的维修入口。
该发动机中的压气机盖包括可移除的盖，可移除的盖配置为选择性地打开和闭合开口，以控制到EGR阀的维修入口。
该发动机进一步包括电子控制器，电子控制器配置为调节EGR阀的操作。
当结合附图和附带的权利要求来看时，本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势将从下文中对实现所述的本发明的最佳模式(一个或多个)和实施例(一个或多个)的详细描述变得显而易见。
附图说明
图1是具有根据本公开的压气机组件的发动机的俯视图，所述压气机组件具有压气机盖和并入到压气机盖内的废气再循环(EGR)阀。
图2是图1中所示的压气机组件的局部剖视图。
图3是图1中所示的压气机组件的放大透视图，其显示了根据本公开的一个实施例的并入在压气机盖入口处的EGR阀。
图4是图1中所示的压气机组件的放大透视图，其显示了根据本公开的另一个实施例的并入在压气机盖出口处的EGR阀。
具体实施方式
参考附图，其中相同的附图标记在若干幅视图中对应于相同或相似的部件，图1示出了内燃(IC)发动机10。发动机10可配置为火花点燃(汽油)或压燃(柴油)发动机。发动机10还包括其中布置有多个汽缸14的汽缸体部分12。发动机10还包括汽缸盖部分16。汽缸盖部分16可安装到汽缸体部分12或结构上与之集成。每个汽缸14包括被配置为在其内往复运动的活塞18。燃烧室20形成在汽缸14内，在汽缸盖部分16的底部表面和活塞18的顶部之间。如本领域技术人员已知的，燃烧室20的每一个经由汽缸盖部分16接收燃料和空气，其中燃料和空气形成燃料-空气混合物，用于随后在所提及的燃烧室内燃烧。汽缸盖部分16还配置为从燃烧室20排出燃烧后气体。
发动机10还包括曲柄轴22，曲柄轴22被配置为在汽缸体部分12内旋转。由于合适比例的燃料-空气混合物在燃烧室20内燃烧，曲柄轴22通过活塞18旋转。在空气-燃料混合物在规定的燃烧室20内燃烧后，特定活塞18的往复运动用于将燃烧后气体24从各汽缸14排出。燃烧后气体24从汽缸14经由排气集管26引导到压气机组件36，压气机组件36将在下文中详细描述。在压气机组件36之后，燃烧后气体24经由废气通道28引导。
发动机10另外包括进气系统30，进气系统30配置为将空气流32从外界环境引导到压气机组件36，并将被加压的空气流32A从压气机组件引导到汽缸14。进气系统30包括进气导管33、用于在汽缸14之间分配空气流的进气集管31、用于降低被加压空气流32A的温度的中间冷却器35、和压气机组件36。尽管未示出，但进气系统30可另外包括压气机组件36上游的空气过滤器，用于将外来颗粒和其他空气携带的碎屑从空气流32去除。压气机组件36配置为加压从外界环境接收的空气流32，而进气导管33配置为将被加压的空气流32A从压气机组件36引导到进气集管31，以经由汽缸盖部分16传送到相应汽缸14。进气集管31另外将被加压的空气流32A分配到汽缸14，以与适当量的燃料混合并用于所得空气-燃料混合物的随后燃烧。
在废气驱动的压气机组件的情形中(如图2所示)，压气机组件36可包括旋转组件37。该旋转组件37包括轴38和安装在其上的涡轮叶轮40。涡轮叶轮40配置为通过从汽缸14排放的燃烧后气体24而与轴38一起绕轴线42旋转。涡轮叶轮40通常由耐高温和氧化的材料形成，诸如镍铬基“因康镍”超合金，以可靠地承受燃烧后气体24的温度，燃烧后气体24的温度在一些发动机中可接近2000华氏度。涡轮叶轮40设置在涡轮壳体44内部，所述涡轮壳体44包括涡轮涡形管或涡室46。涡轮涡室46接收燃烧后废气24并将该废气引导到涡轮叶轮40。涡轮涡室46通常由高强度材料形成，比如铸铁，且配置为实现特定性能特性，比如压气机组件36的效率和响应。
旋转组件还包括安装在轴38上的压气机叶轮48。随着轴38通过燃烧后气体24经由涡轮叶轮40旋转，该轴将旋转施加到压气机叶轮48。作为结果，旋转的压气机叶轮48将从外界环境接收的空气流32加压，以最终传送到汽缸14。压气机叶轮48设置在压气机盖50内部，所述压气机盖50包括涡轮涡形管或蜗室52。压气机涡室52在入口50A处接收未被加压的空气流32并将该空气流引导到压气机叶轮48用于加压。被加压的空气流32A经由出口50B从压气机叶轮48后方的压气机盖50排放。涡室52配置为实现特定的性能特性，比如峰值空气流和压气机组件36的效率。如本领域技术人员所理解的，燃烧后废气24的变化的流量和力影响发动机10的整个运行范围内由压气机叶轮48产生的增压压力的量。压气机叶轮48通常由高强度铝合金形成，高强度铝合金提供给压气机叶轮降低的转动惯量和更快的启动响应。
继续参考图2，旋转组件37经由轴颈轴承54支撑以绕轴线42旋转，且还包括推力轴承56，所述推力轴承56配置为吸收旋转组件37在随着压气机组件36加压空气流32以产生被加压的空气流32A时产生的推力。除了配置为如上所述的由燃烧后气体24驱动的传统类型的压气机组件36(又名涡轮增压器)之外，压气机组件还可配置为电力驱动的单元。在电力驱动的压气机组件的情形中，取代涡轮叶轮40，旋转组件37通常采用促动器(未示出)，比如配置为驱动轴38的电马达。在传统废气能量驱动的压气机组件36的情形中，燃烧后气体24被发送到压气机组件以给旋转组件37供能，且还通过将燃烧后气体在燃烧之前再次引入到空气流32中而提供废气再循环(EGR)。在电驱动压气机组件的情形中，燃烧后气体24不被用来给压气机组件供能，但仍被发送到压气机组件以提供EGR。
如图1-3所示，EGR阀促动器60被并入，即结构上集成到压气机盖50内。EGR阀促动器60配置为控制EGR阀60A的操作。EGR阀60A配置为可变地限制燃烧后气体24从汽缸盖部分经由在EGR入口50C处的EGR阀60A到压气机盖50的传送。因此，EGR阀60A与汽缸盖部分16和压气机叶轮48二者流体连通。另外，压气机盖50限定座62(在图3中示出)，座62配置为接收EGR阀60A并将EGR阀60A关于压气机叶轮48定位。EGR阀60A和EGR入口50C可定位在压气机叶轮48的上游或下游，使得燃烧后气体24通过分别与未被加压的空气流32和被加压的空气流32A混合而从汽缸盖部分16被导向到压气机盖50中。因此，EGR阀60A可并入在入口50A处，以控制燃烧后废气24到未加压空气流32中的再次引入(如图3所示)。替换地，EGR阀60A和EGR入口50C可并入在出口50B处，以控制燃烧后废气24到被加压空气流32A中的再次引入(如图4所示)。
如图3-4中所示，压气机盖50也可以包括流体流动混合器64。流体流动混合器64配置为将燃烧后废气24与空气流32混合。在EGR阀60A并入在入口50A处的情形中，混合器64布置在入口50A处，在EGR阀的下游(图3)。另一方面，在EGR阀60A并入在出口50B的情形中，混合器64布置为靠近在出口50B处(图4)的EGR阀且在EGR阀下游。发动机10可另外包括电子控制器66。控制器66可配置为控制发动机10的操作，且还编程为经由EGR阀促动器60调节EGR阀60A的操作。
一般地，在超过2500华氏度的升高的燃烧温度下，大气中的氮气开始与氧气反应。其结果产生被称为氮氧化物(NOx)的作为废气流的一部分的各种化合物排放物。通常，为了降低NOx的形成，燃烧温度被降低以减慢NOx合成反应速度。典型地，通过将少量的燃烧后气体再次循环经过EGR阀，燃烧温度被降低至低于阈值温度。典型地，在汽油发动机中燃烧后气体的大约5-15％和在柴油发动机中高达50％的燃烧后气体被发送回到燃烧室作为EGR。在汽油和柴油发动机二者中，EGR过程可被用来降低Nox排放物的合成。
在汽油发动机中，EGR的使用可另外通过这样的因素提高发动机效率：降低节流损失和降低的热量消耗。EGR稀释进入空气/燃料混合物且对燃烧温度具有骤冷效应，这将NOx保持在可接受限值内。作为额外的益处，EGR还降低汽油发动机的辛烷要求，这减小提前点火和火花爆震的危险。由于EGR系统将废气的一部分再循环，因此在汽油和柴油发动机二者中，随着时间，EGR阀可被碳质沉积物堵塞，碳质沉积物可引起阀粘连或阻止阀适当地闭合。然而，堵塞的EGR阀可被清洁和返回到适当操作。
如图所示，压气机盖50还可包括冷却剂供应通道68。冷却剂供应通道68配置为发送冷却剂靠近EGR阀60A和到座62附近，使得冷却剂将由再次引入的燃烧后废气24产生的热量从压气机盖50去除。在冷却剂供应通道68内的冷却剂流可通过冷却剂泵(未示出)提供，冷却剂泵还被用来将冷却剂循环遍及发动机10。另外，冷却剂供应通道68中的冷却剂可循环通过专用散热器或冷却器70(在图1中示出)，专用散热器或冷却器70配置为将冷却剂在座62附近从压气机盖50去除的热量除去。
EGR阀60A可配置为提升阀、蝶形阀和回转阀中的一种，分别如图2、3和4所示。如图3所示，压气机盖50可包括可密封的开口72，该开口72配置为提供到EGR阀60A的维修入口。开口72配置为便于去除积碳，所述积碳可由于燃烧后气体24的流动而收集。EGR阀60A的这种清洁可能是最小化阀的可能的粘连以及恢复其适当操作所必要的。压气机盖50还可包括可移除的盖74。盖74可配置为选择性地打开和闭合开口72，以控制到EGR阀60A的维修入口。盖74可经由适当的紧固件76(在图2和3中所示)附接到压气机盖50。
详细描述和附图或视图支持和描述本发明，但是本发明的范围仅由权利要求限定。尽管已详细描述了用于执行要求保护的发明的最佳模式中的一些和其他实施例，但是仍存在用于实践限定在所附权利要求中的本发明的各种替换设计和实施例。此外，显示在附图中的实施例或本说明书中提到的各种实施例的特征不必理解为独立于彼此的实施例。而是，一个实施例的示例之一中描述的每一个特征可以与来自其他实施例的其他期望特征中的一个或多个结合，得到未以文字描述或参考附图描述的其他实施例。因此，这样的其他实施例落入所附权利要求的范围框架内。

Claims (10)

1.一种内燃发动机，包括：
汽缸体部分，限定汽缸；
往复活塞，设置在汽缸内部；
汽缸盖部分，操作地连接到汽缸体部分且配置为将空气-燃料混合物供应到汽缸以在汽缸中燃烧，并且从汽缸盖部分排出燃烧后废气；和
压气机组件，配置为加压从外界环境接收的空气流以传送到汽缸，该压气机组件包括：
压气机盖，配置为接收来自外界环境的空气流；
压气机叶轮，设置在压气机盖内部且配置为加压空气流；和
废气再循环(EGR)阀，并入在压气机盖中且与汽缸盖和压气机叶轮中的每一个流体连通；
其中EGR阀配置为控制燃烧后废气从汽缸盖到压气机盖的传送。
2.如权利要求1所述的发动机，其中压气机盖包括用于从外界环境接收的空气流的入口和用于被加压空气流的出口，且其中EGR阀并入在入口处且配置为控制燃烧后废气到从外界环境接收的空气流中的再次引入。
3.如权利要求2所述的发动机，其中压气机盖包括布置在入口处的流体流动混合器，且其中流体流动混合器配置为混合燃烧后废气和从外界环境接收的空气流。
4.如权利要求1所述的发动机，其中压气机盖包括用于从外界环境接收的空气流的入口和用于被加压空气流的出口，且其中EGR阀并入在出口处且配置为控制燃烧后废气到被加压空气流中的再次引入。
5.如权利要求4所述的发动机，其中压气机盖包括布置在出口处的流体流动混合器，且其中流体流动混合器配置为混合燃烧后废气和被加压的空气流。
6.如权利要求1所述的发动机，其中压气机盖包括冷却剂通道，冷却剂通道配置为将冷却剂发送到靠近EGR阀，使得冷却剂去除由再次引入的燃烧后废气产生的热量。
7.如权利要求1所述的发动机，其中EGR阀配置为提升阀、蝶形阀和回转阀中的一种。
8.如权利要求1所述的发动机，其中压气机盖包括可密封的开口，该开口配置为提供到EGR阀的维修入口。
9.如权利要求8所述的发动机，其中压气机盖包括可移除的盖，可移除的盖配置为选择性地打开和闭合开口，以控制到EGR阀的维修入口。
10.如权利要求1所述的发动机，进一步包括电子控制器，电子控制器配置为调节EGR阀的操作。
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