CN105089863B - 一种多缸四冲程内燃机排气再循环装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了内燃机领域内的一种多缸四冲程内燃机排气再循环装置，包括与内燃机排气门相连的排气道，所述排气道分为两组，第一组排气道的出口连接在内燃机的排气通道的进口，第二组排气道的出口连接在或通过EGR冷却器连接在内燃机的进气通道上，其特征在于：所述第二组排气道至少由两个排气道组成，其中至少一个排气道的出口设有排气选择装置，排气选择装置具有两路出口，第一路出口连接在内燃机的进气通道上，第二路出口连接在内燃机的排气通道上。本发明应用于四冲程增压内燃机上，可充分利用废气能量、定量提供EGR率，并可主动精确分级调节内燃机的EGR率；其优化方案可使内燃机分层燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及四冲程内燃机，特别涉及四冲程内燃机的进、排气系统。
背景技术
排气再循环（简称EGR）技术是降低内燃机氮氧化物的有效措施。内燃机由于工况的变化，需要对EGR率进行调节。目前的EGR率调节：只能根据燃油系统提供燃油和空气量，EGR率被动跟随调节，并且EGR较难精确调节；目前精确调节EGR，只能是EGR有、无调节，实际使用价值较低。随着排放法规越来越严，要求对内燃机的EGR率，进行主动精确调节；内燃机的EGR率的精确调节，是内燃机的难题，而EGR率的主动精确调节，是目前未解决的公认技术难题；所述EGR主动调节，EGR率调节与内燃机的进气量、燃料变化均无关。
发明内容
本发明的目的是提供一种多缸四冲程内燃机排气再循环装置，其应用于四冲程增压内燃机上，可充分利用废气能量、定量分级提供EGR率，并可主动精确分级调节内燃机的EGR率；EGR率的主动精确分级调节，对使用EGR的内燃机，无论是柴油机或还是汽油机等，对其排放性能、动力性能提高等，均具有革命性的突破。其优化方案可使内燃机分层燃烧，大幅降低内燃机的氮氧化物排放而颗粒污染物不恶化；其进一步优化方案，在不降低增压内燃机功率的情况下，大幅提高内燃机的EGR率。
本发明公开了内燃机领域内的一种多缸四冲程内燃机排气再循环装置，包括与内燃机排气门相连的排气道，每缸对应设有一个或两个排气道，所述排气道分为两组，第一组排气道的出口连接在内燃机的排气通道的进口，第二组排气道的出口连接在内燃机的进气通道上，其特征在于：所述第二组排气道至少由两个排气道组成，其中至少一个排气道的出口设有排气选择装置，排气选择装置具有两路出口，第一路出口连接在内燃机的进气通道上，第二路出口连接在内燃机的排气通道上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：其工作时，第二组排气道至少由两个排气道组成，其中至少一个排气道的出口设有排气选择装置，排气选择装置具有两路出口，第一路出口连接在内燃机的进气通道上，第二路出口连接在内燃机的排气通道上，至少使一个排气道排出的气体，在保证内燃机有其它排气道提供EGR的情况下，通过排气选择装置可以对相应气道的废气进行主动精确分级调节。根据内燃机使用工况需要，可进行内燃机的EGR率的主动邮件精确调节，从而保证内燃机有一个排气道的提供EGR率、同时至少还有一个排气道的提供的EGR率可以调节，从而使采用EGR技术的内燃机，在保证较低的氮氧化物排放物的基础上、使用性能大幅提高；优化方案是所述第二组的每个排气道出口均设有排气选择装置，使第二组的每个排气道提供的废气均可主动精确分级调节。
作为本发明的进一步改进，所述排气选择装置由两个流量控制阀或单个换向阀组成。两个流量控制阀，可以使单个排气道的气体的流向进行选择、从而进行主动精确分级调节EGR率；单个换向阀，也可以使单个排气道的气体的流向进行选择、从而进行主动精确分级调节EGR率。
上述技术方案的具体改进之一，所述内燃机是自然吸气内燃机；所述内燃机的排气通道是内燃机的排气管；内燃机的空气滤清器出口经进气管与气缸进气道相连，所述第二组排气道的出口和排气选择装置的第一路出口与内燃机进气通道连接部位均为进气管的进口；所述排气选择装置第二路出口与排气通道的连接部位是排气管的进口；所述排气选择装置由二个流量控制阀组成。进一步具体方案是：所述每缸对应设有一个排气道的三缸自然吸气内燃机；第一组排气道由一缸排气道组成，所述一缸排气道出口与排气管的进口相连；第二组排气道由二缸、三缸排气道组成，三缸排气道的出口与两个流量控制阀的进口相连，一个流量控制阀的出口和二缸排气道的出口均与进气管的进口相连，另一个流量控制阀的出口与排气管的进口相连。
上述技术方案的具体改进之二，所述内燃机是涡轮增压内燃机；所述内燃机的排气通道是内燃机的涡轮增压器涡轮机；内燃机的空气滤清器出口经涡轮增压器的压气机或再通过空气中冷器与进气管相连，进气管再与气缸进气道相连，所述第二组排气道的出口和排气选择装置的第一路出口与内燃机进气通道连接部位均为空气中冷器的进口或进气管的进口；所述排气选择装置第二路出口与排气通道的连接部位是涡轮增压器涡轮机的进口或出口。进一步具体方案是：所述每缸对应设有两个排气道的三缸涡轮增压内燃机；第一组排气道由一缸的两个排气道和二缸的两个排气道组成，所述排气道的出口与涡轮增压器的进口相连；第二组排气道由三缸的两个排气道组成，三缸两个排气道的出口分别与两个流量控制阀的进口相连，三缸的一个排气道的出口与一个换向阀的进口相连，三缸的另一个排气道的出口与另一个换向阀的进口相连，两个换向阀的一个出口均通过EGR冷却器、节流阀与进气管的进口相连，两个换向阀的另一个出口均与涡轮增压器涡轮机的进口相连。
上述技术方案的具体改进之三，所述内燃机是每缸设有两个进气道涡轮增压内燃机；所述内燃机的排气通道是内燃机的涡轮增压器涡轮机；内燃机的空气滤清器出口经涡轮增压器的压气机或再通过空气中冷器与进气管相连，进气管再与每缸的一个进气道相连；所述进气通道还有一个EGR进气管，所述EGR进气管与每缸的另一个进气道相连；所述第二组排气道的出口和排气选择装置的第一路出口与内燃机进气通道连接部位均为EGR进气管的进口；所述排气选择装置第二路出口与排气通道的连接部位是涡轮增压器涡轮机的进口或出口；所述排气选择装置由单个换向阀组成。进一步具体方案是：所述每缸对应设有两个排气道的三缸涡轮增压内燃机；第一组排气道由一缸的两个排气道和二缸的两个排气道组成，所述排气道的出口与涡轮增压器的进口相连；第二组排气道由三缸的两个排气道组成，三缸两个排气道的出口分别与两个换向阀的进口相连，三缸的一个排气道的出口与一个换向阀的进口相连，三缸的另一个排气道的出口与另一个换向阀的进口相连，两个换向阀的一个出口均通过EGR冷却器、节流阀与EGR进气管的进口相连，两个换向阀的另一个出口均与涡轮增压器涡轮机的进口相连。
上述技术方案的具体改进之四，所述内燃机是分段进气涡轮增压内燃机，包括先进气的第一分段进气管和后进气的第二分段进气管；内燃机的空气滤清器出口经涡轮增压器的压气机或再通过空气中冷器，与第一分段进气管相连；所述第二组排气道的出口和排气选择装置的第一路出口与内燃机进气通道连接部位均为第二分段进气管的进口；所述排气选择装置第二路出口与排气通道的连接部位是涡轮增压器涡轮机的进口或出口；所述排气选择装置由单个换向阀组成。进一步具体方案是：所述每缸对应设有两个排气道的三缸涡轮增压内燃机；第一组排气道由一缸的两个排气道组成，所述排气道的出口与涡轮增压器的进口相连；第二组排气道由二缸的两个排气道和三缸的两个排气道组成，二缸的两个排气道、三缸两个排气道的出口分别与四个流量控制阀的进口相连，每个排气道的出口均与相应换向阀的进口相连，四个换向阀的一个出口均通过EGR冷却器、节流阀与第二分段进气管的进口相连，四个换向阀的另一个出口均与涡轮增压器涡轮机的进口相连；所述EGR冷却器还有一路出口经辅助节流阀与所述第一分段进气管相连。
附图说明
图1 本发明一种三缸四冲程自然吸气内燃机排气再循环装置示意图。
图2 本发明一种三缸四冲程涡轮增压内燃机排气再循环装置示意图。
图3 本发明一种三缸四冲程涡轮增压内燃机排气再循环装置优化方案之一示意图。
图4 本发明一种三缸四冲程涡轮增压内燃机排气再循环装置优化方案之二示意图。
图5 本发明一种三缸四冲程涡轮增压内燃机排气再循环装置优化方案之三示意图。
图6 本发明一种三缸四冲程涡轮增压内燃机排气再循环装置优化方案之四示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1，为一种三缸四冲程自然吸气内燃机排气再循环装置，每缸对应设有一个排气门。包括：由排气道1-P组成的第一组排气道，由排气道2-P、3-P组成的第二组排气道，排气通道由排气管P组成，排气选择装置由2个流量调节阀LF1、LF2组成，由空气滤清器10、进气管J、3个进气道1-J、2-J、3-J组成的进气通道, EGR连接管20。3个排气道1-P、2-P、3-P的进口分别与气缸排气门M1、M2、M3相连；排气道2-P的出口同时与流量调节阀LF1、LF2的进口相连；流量调节阀LF1的出口、排气道3-P的出口与EGR连接管20的进口相连，EGR连接管20的出口与进气管J的进口相连，进气管J的进口同时与空气滤清器10的出口相连，进气管J的三个出口分别与气缸进气道1-J、2-J、3-J的3个进口相连，排气道1-P的出口、流量调节阀LF2的出口同时与排气管P的进口相连。
工作时，根据内燃机的具体使用要求，流量调节阀LF1的出口打开、流量调节阀LF2的出口关闭，或流量调节阀LF1的出口关闭、流量调节阀LF2的出口打开。如柴油机小负荷运行时，流量调节阀LF1的出口打开、流量调节阀LF2的出口关闭，二缸、三缸排出的气体，通过排气门M2、M3分别进入排气道2-P、3-P，经排气道2-P、3-P，再经EGR连接管20与空气冷却器K提供空气一起加入进气管G，混合后的气体通过进气管J分别由各自的进气道进入相应的气缸，此时，内燃机的EGR率是定量的66.7% EGR率；当流量调节阀LF1的出口关闭、流量调节阀LF2的出口打开时，如柴油机大负荷运行时，二缸排出的气体，通过排气门M2进入排气道2-P，经排气道2-P、EGR连接管20与空气冷却器K提供空气一起加入进气管G，混合后的气体通过进气管J分别由各自的进气道进入相应的气缸，此时，内燃机的EGR率是定量的33.3% EGR率。即本实施例可以使内燃机的EGR率进行主动有级精确调整，从而使采用EGR技术的内燃机，在保证较低的氮氧化物排放物的基础上、使用性能大幅提高。
本实施例优化方案之一，所述排气压力平衡装置相连的排气道3-P的出口也设有另一排气选择装置，排气选择装置同样由2个流量调节阀组成。此优化方案的收益是：通常情况下，排气道3-P提供内燃机定量的33%EGR率或66.7%EGR率；在内燃机需要提高瞬态加速能力时，排气道2-P、3-P均可停止供应废气再循环，每个气缸均可供应新鲜空气，提高内燃机的动态响应能力。
本实施例优化方案之二，所述每缸对应设有两个排气门，二缸的两个排气道均设有排气选择装置。此优化方案收益是：对于单缸有两个排气道，无论对于增压汽油机、还是增压柴油机，EGR率的有级调节变化率减小50%，对EGR率有级调节的运用均有重大拓展作用。
本实施例可以用于三缸以上的内燃机，只是在本实施例的基础上增加相应的排气道，所增加的排气道分在第一组排气道或第二组排气道。
实施例2
如图2，为一种三缸四冲程涡轮增压内燃机排气再循环装置，每缸对应设有一个排气门。包括：由排气道1-1-P、1-2-P组成的第一组排气道，由排气道2-1-P、2-2-P、 3-1-P、3-2-P组成的第二组排气道，排气选择装置分别由2个换向阀HF3-1、HF3-2组成，排气通道由涡轮增压器的涡轮机W组成，由空气滤清器10、涡轮增压器的压气机Y、空气中冷器KL、进气管J、6个进气道1-1-J、1-2-J、2-1-J、2-2-J、3-1-J、3-2-J组成的进气通道, EGR冷却器EL，EGR连接管20。排气道1-1-P、1-2-P、2-1-P、2-2-P、3-1-P、3-2-P的进口分别与气缸排气门M1-1、M1-2、M2-1、M2-2、M3-1、M3-2分别相连；排气道3-1-P的出口与换向阀HF3-1的进口相连，排气道3-2-P的出口与换向阀HF3-2的进口相连，换向阀HF3-1的一出口、换向阀HF3-2的一出口、排气道3-1-P的出口同时与EGR冷却器EL的进口相连，EGR冷却器EL的出口经EGR连接管20与进气管J的进口相连，换向阀HF3-1的另一出口和换向阀HF3-2的另一出口与涡轮增压器的涡轮机W的进口相连，空气滤清器10的出口经涡轮增压器的压气机Y、空气中冷器KL与进气管J的进口相连，进气管J的6个出口分别与6个进气道1-1-J、1-2-J、2-1-J、2-2-J、3-1-J、3-2-J的进口相连，排气道1-1-P的出口、排气道1-2-P的出口、排气道2-1-P的出口、排气道2-2-P的出口、换向阀HF3-1的另一出口、换向阀HF3-2的另一出口同时与涡轮增压器的涡轮机W的进口相连。
本实施例工作时，换向阀HF3-1、HF3-2根据内燃机的具体使用要求，对排气道3-1-P、3-2-P分别进行有目的的主动换向。在EGR率最大情况下，换向阀HF2-1通向EGR冷却器EL的出口打开、通向排气管的出口关闭（图中换向阀HF1的挡板在水平位置——图中实线，其它换向阀亦同），换向阀HF2-2通向EGR冷却器EL的出口打开、通向排气管的出口关闭，提供内燃机定量的33.3%EGR率，如增压柴油机的小负荷工况；在EGR率中等情况下，换向阀HF2-1通向EGR冷却器EL的出口关闭、通向排气管的出口打开（图中换向阀HF1的挡板在垂直位置——图中虚线），换向阀HF2-2通向EGR冷却器EL的出口打开、通向排气管的出口关闭，提供内燃机定量的16.7%EGR率，如增压汽油机的小负荷工况；如在内燃机需要提高瞬态加速能力时，换向阀HF3-1、HF3-2通向EGR冷却器EL的出口关闭、通向排气管的出口打开，换向阀HF3-2通向EGR冷却器EL的出口关闭、通向排气管的出口打开，可提高内燃机此时，废气的能量全部提供给涡轮机加速，进一步提高内燃机的动态响应能力；本实施例单缸有两个排气道，无论对于增压汽油机、还是增压柴油机，EGR率的有级调节变化率减小50%，本实施例EGR的调节率是16.7%，对EGR率有级调节的运用均有重大拓展作用，更能适应内燃机负荷变化时的主动精确分级调节EGR率。如汽油机的冷态怠速工况，单个气缸的全部EGR量，会使燃烧不正常，反而造成内燃机排放大幅升高，而一个排气道提供EGR，EGR率减小一半，增压汽油机可以平稳运行，汽油机的怠速性能大大改善。
本实施例优化方案之一：所述EGR连接管20，其出口设有节流阀，控制废气再循环的废气流速，进一步满足内燃机的性能要求。
本实施例优化方案之二，如图3。所述进气通道还有一EGR进气管30；所述进气管J与每缸的一个进气道1-1-J、2-1-J、3-1-J的进口相连；EGR连接管20的出口通过节流阀JF与EGR进气管30的进口相连，EGR进气管30与每缸的另一个进气道1-2-J、2-2-J、3-2-J的进口相连。此优化方案的收益是可以使内燃机分层燃烧，大幅降低内燃机的氮氧化物排放而其它排气污染物不恶化。
本实施例优化方案之三，如图4。所述内燃机是分段进气内燃机，进气管是两根，包括先进气的第一分段进气管J1和后进气的第二分段进气管J2, 空气滤清器10的出口经涡轮增压器的压气机Y、空气中冷器KL与第一分段进气管J1的进口相连，第一分段进气管J1的6个出口分别与6个进气道1-1-J、1-2-J、2-1-J、2-2-J、3-1-J、3-2-J的进口相连,EGR连接管20的出口通过节流阀JF与第二分段进气管J2的进口相连。本发明所述进气分段增压内燃机的定义是：增压内燃机进气由进气辅助控制阀分两个时间段进入气缸，第一时间段：上止点前20°～上止点后170°，中冷后的空气、或空气与废气的混合气体由第一进气管J1进入气缸；第二时间段：下止点前30°～下止点后70°，废气向第二进气管提供内燃机所需的EGR废气），由于第一段进气保证了内燃机所需的空气量，第二段进气只增加废气量，可以在不减小内燃机功率的情况下、通过内燃机自身的排气能量、实现高压EGR。此优化方案的收益是：并不因增加EGR率，而减少增压内燃机的功率，是增压内燃机大幅降低氮氧化物排放有效措施。其再进一步优化方案，如图5；所述EGR连接管20还有另一出口，另一出口经辅助节流阀FJF与第一分段进气管J1的进口相连。此进一步优化方案的收益是：在内燃机小负荷的运行工况下，辅助节流阀FJF开启、节流阀JF关闭，EGR的气体由第一分段进气管J1进入气缸，可减小提供EGR气缸的排气背压、降低内燃机的燃油耗；在内燃机大负荷的运行工况下，辅助节流阀FJF关闭、节流阀JF关闭，EGR的气体由第二分段进气管J2进入气缸，从而不减小增压内燃机的功率。
本实施例优化方案之四，如图6。所述二缸的2个排气道2-1-P、2-2-P变更为第二组，其出口分别与换向阀HF2-1、HF2-2的进口相连，换向阀HF2-1的一出口和换向阀HF2-2的一出口同时与EGR冷却器EL的进口相连，换向阀HF2-1的另一出口和换向阀HF2-2的另一出口通过排气管P与涡轮增压器的涡轮机W的进口相连。此优化方案的收益是：进一步加大内燃机有级调节EGR率的调节范围。
本实施例更进一步优化方案是本实施例优化方案之四与其它本实施例优化方案的叠加，其收益是各自化方案收益的叠加。
本实施例可以用于三缸以上的内燃机，只是在本实施例的基础上增加相应的排气道，所增加的排气道分在第一组排气道或第二组排气道。内燃机的气缸数目越多，主动精确分级调节的调节量越小，对内燃机的调节越有利；第二组排气道的数目越多，主动精确分级调节的最大EGR率越高；越多的第二组排气道设有排气选择装置，主动精确分级调节的最大EGR率调节范围越宽广。
Claims (3)
1.一种多缸四冲程内燃机排气再循环装置，包括与内燃机排气门相连的排气道，每缸对应设有一个或两个排气道，所述排气道分为两组，第一组排气道的出口连接在内燃机的排气通道的进口，第二组排气道的出口连接在或通过EGR冷却器连接在内燃机的进气通道上，其特征在于：所述第二组排气道至少由两个排气道组成，其中至少一个排气道的出口设有排气选择装置，排气选择装置具有两路出口，第一路出口连接在内燃机的进气通道上，第二路出口连接在内燃机的排气通道上；
所述排气选择装置由两个流量控制阀或单个换向阀组成；
所述内燃机是涡轮增压内燃机；所述内燃机的排气通道是内燃机的涡轮增压器的涡轮机；内燃机的空气滤清器出口经涡轮增压器的压气机或再通过空气中冷器与进气管相连，进气管再与气缸进气道相连，所述第二组排气道的出口和排气选择装置的第一路出口与内燃机进气通道连接部位均为空气中冷器的进口或进气管的进口；所述排气选择装置第二路出口与排气通道的连接部位是涡轮增压器涡轮机的进口或出口；
所述每缸对应设有两个排气道的三缸涡轮增压内燃机；第一组排气道由一缸的两个排气道和二缸的两个排气道组成，所述排气道的出口与涡轮增压器的进口相连；第二组排气道由三缸的两个排气道组成，三缸两个排气道的出口分别与两个换向阀的进口相连，三缸的一个排气道的出口与一个换向阀的进口相连，三缸的另一个排气道的出口与另一个换向阀的进口相连，两个换向阀的一个出口均通过EGR冷却器、节流阀与进气管的进口相连，两个换向阀的另一个出口均与涡轮增压器涡轮机的进口相连。
2.根据权利要求1所述的一种多缸四冲程内燃机排气再循环装置，其特征在于：所述内燃机是分段进气涡轮增压内燃机，包括先进气的第一分段进气管和后进气的第二分段进气管；内燃机的空气滤清器出口经涡轮增压器的压气机或再通过空气中冷器，与第一分段进气管相连；所述第二组排气道的出口和排气选择装置的第一路出口与内燃机进气通道连接部位均为第二分段进气管的进口；所述排气选择装置第二路出口与排气通道的连接部位是涡轮增压器涡轮机的进口或出口
3.根据权利要求2所述的一种多缸四冲程内燃机排气再循环装置，其特征在于：所述每缸对应设有两个排气道的三缸涡轮增压内燃机；第一组排气道由一缸的两个排气道组成，所述排气道的出口与涡轮增压器的进口相连；第二组排气道由二缸的两个排气道和三缸的两个排气道组成，二缸的两个排气道、三缸两个排气道的出口分别与四个流量控制阀的进口相连，每个排气道的出口均与相应换向阀的进口相连，四个换向阀的一个出口均通过EGR冷却器、节流阀与第二分段进气管的进口相连，四个换向阀的另一个出口均与涡轮增压器涡轮机的进口相连；所述EGR冷却器还有一路出口经辅助节流阀与所述第一分段进气管相连。
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