CN105649726A - 具有涡轮增压器的发动机系统 - Google Patents

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朴钟一
韩东熙
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Abstract

本申请公开了一种具有涡轮增压器的发动机系统，其可以包括：主排气管线，其从排气歧管的一侧分支，并且排放来自燃烧室的排放气体；辅助排气管线，其从排气歧管的另一侧分支，并且排放来自燃烧室的排放气体；第一催化装置，其设置在主排气管线中并且降低包含在排放气体中的有毒物质；涡轮增压器的涡轮，其设置在辅助排气管线中，并且通过排放气体的流动能量来运行；第二催化装置，其设置在涡轮的下游侧，并且降低包含在排放气体中的有毒物质；以及排气路径控制阀，其设置在主排气管线中，并且控制排放气体的路径。

Description

具有涡轮增压器的发动机系统
与相关申请的交叉引用
本申请要求2014年12月2日提交的韩国专利申请第10-2014-0170349号的优先权，其全部内容结合于此用于这种引用的所有目的。
技术领域
本发明涉及一种发动机系统，其中通过使用涡轮增压器来再循环排放气体，以改善低速区间的发动机输出、增加燃烧效率以及提高排放气体的品质。
背景技术
通常，已知柴油发动机相比于汽油发动机具有更少的燃料消耗和更好的效率。通常，由于柴油发动机的高压缩比，柴油发动机呈现出40％范围内的效率。
近来，为了从发动机获得高输出，发动机额外地具有涡轮增压器和中间冷却器。
应用了涡轮增压器的发动机利用涡轮增压器中的压缩机来强压排放气体或者外部空气，并且将由此产生的涡轮增压的空气(高温压缩的空气)供应至发动机。
然而，迅速压缩的空气吸收涡轮增压器中的热量和在压缩过程中产生的热量，从而空气密度降低，使得进气效率变差。因此，通过利用中间冷却器来冷却涡轮增压的空气以得到高密度，使得大量的空气进入发动机燃烧室，从而得到高输出。
目前，为了满足排放气体控制趋势(诸如欧洲的EURO3或者EURO4)，提出了各种系统，其中，对从涡轮增压柴油发动机排放出的、包括CO、HC、Nox等的排放气体的部分进行再循环，从而进一步地降低它们的含量。在这些系统中，典型的是排放气体再循环(EGR)系统。
基于此，进行了如下的研究：在具有涡轮增压器的发动机中，在发动机RPM的中低速区间增加输出扭矩的同时降低燃料消耗，并且还进行了如下的研究：有效地控制再循环气体的供应。
公开于背景技术部分的以上信息仅仅旨在增强对本发明的背景技术的理解，并不构成在这个国家对本领域普通技术人员而言为已知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面致力于提供一种具有涡轮增压器的发动机系统，其可以在低/中速区间降低燃料消耗并且增加输出扭矩，以及可以降低设置于排气管线的排气路径控制阀的热变形，提高耐久性和密封性能，并通过降低涡轮增压器的背压来提高涡轮增压器的效率。
一种具有涡轮增压器的发动机系统，其可以包括：主排气管线，其从排气歧管的一侧分支，并且排放来自燃烧室的排放气体；辅助排气管线，其从排气歧管的另一侧分支，并且排放来自燃烧室的排放气体；第一催化装置，其设置于主排气管线并且降低包含在排放气体中的有毒物质；涡轮增压器的涡轮，其设置于辅助排气管线，并且通过排放气体的流动能量来运行；第二催化装置，其设置在涡轮的下游侧，并且降低包含在排放气体中的有毒物质；以及排气路径控制阀，其设置在主排气管线中，并且控制排放气体的路径。
排气路径控制阀可以设置在第一催化装置的下游侧。
第三催化装置可以设置在第一催化装置的下游侧。
主排气管线和辅助排气管线可以接合，并且形成单一排气管线。
净化排放气体的第三催化装置可以设置在单一排气管线中。
所述发动机系统还可以包括：主进气管线，其将外部空气供应至进气歧管；辅助进气管线，其从主进气管线的上游侧分支，并且连接至主进气管线的下游侧；进气路径控制阀，其设置在主进气管线与辅助进气管线连接处，并且控制在主进气管线中流动的气体；涡轮增压器的压缩机，其设置于辅助进气管线，并且通过涡轮增压器的涡轮来运行；以及中间冷却器，其设置在涡轮增压器的压缩机的下游侧，并且将通过压缩机压缩的空气冷却。
控制供应至进气歧管的气体的节流阀可以设置在进气歧管的进口。
主排气管线与辅助排气管线可以不接合，并且分别将排放气体排放至外部。
排气路径控制阀可以设置在第一催化装置的下游侧。
净化排放气体的第三催化装置可以设置在排气路径控制阀与主排气管线的第一催化装置之间。
主排气管线和辅助排气管线可以分别连接至外部，并且将排放气体排放至外部。
应当理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用车辆，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如，源于非石油能源的燃料)。正如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方案中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方案中进行详细陈述，这些附图和具体实施方案共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1是图示了根据本发明的具有涡轮增压器的示例性发动机系统的示意图。
图2是图示了根据本发明的具有涡轮增压器的示例性发动机系统的示意图。
图3是图示了根据本发明的具有涡轮增压器的示例性发动机系统的示意图。
应当理解的是，附图并非按比例地绘制，而是图示性地简化呈现各种特征以显示本发明的基本原理。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如，具体尺寸、方向、位置和外形)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
具体实施方式
下面将详细地参考本发明的各种实施方案，这些实施方案的示例示于附图中并且描述如下。尽管将结合示例性实施方案来描述本发明，但是将理解的是，本说明书并非旨在将本发明限制于那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替选方式、修改方式、等同方式以及其它的实施方案。
图1是图示了根据本发明的各种实施方案的具有涡轮增压器的发动机系统的示意图。
参见图1，根据本发明的各种实施方案的发动机系统包括：空气滤清器100、主进气管线110、进气路径控制阀115、节流阀120、进气歧管125、辅助进气管线160、涡轮增压器170的压缩机174、中间冷却器117、发动机130、排气歧管135、主排气管线140、第一催化装置145、排气路径控制阀150、辅助排气管线175、涡轮增压器170的涡轮172、第二催化装置180以及第三催化装置155。
空气滤清器100、进气路径控制阀115和节流阀120顺序地设置于主进气管线110。辅助进气管线160从设置于主进气管线110中的空气滤清器100分支，并且连接至进气路径控制阀115与节流阀120之间的主进气管线110。
涡轮增压器170的压缩机174和中间冷却器117顺序地设置于辅助进气管线160。压缩机174连接至涡轮增压器170的涡轮172，并且涡轮172和压缩机174彼此一起旋转。
在发动机130的运行负载小于预定值时，进气路径控制阀115关闭，供应至空气滤清器100的外部空气穿过压缩机174、中间冷却器117和节流阀120而供应至进气歧管125。
在发动机130的运行负载大于预定值时，进气路径控制阀115打开，供应至空气滤清器100的外部空气穿过进气路径控制阀115和节流阀120而供应至进气歧管125。
供应至进气歧管125的外部空气通过每个进气口供应至发动机130的燃烧室。外部空气与燃烧室中的燃料混合，并且混合的气体在燃烧室中燃烧。在燃烧室中燃烧的燃烧气体通过排气口排放至排气歧管135。
主排气管线140从排气歧管135的一侧分支，辅助排气管线175从排气歧管135的另一侧分支。主排气管线140和辅助排气管线175的端部接合，并且形成了单一排气管线190。
第一催化装置145和排气路径控制阀150顺序地设置于主排气管线140。涡轮增压器170的涡轮172和第二催化装置180顺序地设置于辅助排气管线175。
第三催化装置155设置在主排气管线140和辅助排气管线175的连接点处。
在发动机130的运行负载小于预定值时，排气路径控制阀150关闭，将排放气体排放至辅助排气管线175。在辅助排气管线175中流动的排放气体穿过涡轮增压器170的涡轮172、第二催化装置180、第三催化装置155和单一排气管线190而排放至外部。
在发动机130的运行负载大于预定值时，排气路径控制阀150打开，排放气体供应至主排气管线140。在主排气管线140中流动的排放气体穿过第一催化装置145、排气路径控制阀150、第三催化装置155和单一排气管线190而排放至外部。
第一催化装置145、第二催化装置180和第三催化装置155降低有毒物质，例如，HC、CO和NOx，并且捕集包含在主排气管线140或者辅助排气管线175中的流动的排放气体中的颗粒物质。
根据本发明的各个实施方案，由于排气路径控制阀150设置在第一催化装置145的下游侧，所以排气路径控制阀150在相对低的温度运行，并且由此提高了排气路径控制阀150的耐久性。相反，由于第一催化装置145设置在排气歧管135附近，所以催化剂的转化时间(Light-offtime,LOT)变短，改善了排放气体的品质。
另外，降低了排气路径控制阀150的变形，并且提高了排气路径控制阀150的密封性能。同时，由于排气路径控制阀150不干扰涡轮增压器170的涡轮172，降低了确保安装空间的限制，所以改善了组装的便利和维护。
在本发明的各个实施方案中，通过旋转速度和燃料喷入量来预定发动机的运行负载。
图2是图示了根据本发明的各个实施方案的具有涡轮增压器的发动机系统的示意图。将参照图2来描述与图1中所示的元件不同的元件，但是将省略与图1中所示的元件相同或相似的元件的描述。
参见图2，第三催化装置155设置在排气路径控制阀150(其设置于主排气管线140)的下游侧，在辅助排气管线175中流动的排放气体不穿过第三催化装置155，并且排放气体穿过单一排气管线190排放至外部。
在本发明的各个实施方案中，在发动机130的运行负载小于预定值时，排气路径控制阀150关闭，使得排放气体在辅助排气管线175中流动。
由于排放气体流动穿过涡轮增压器170的涡轮172、第二催化装置180以及单一排气管线190，所以涡轮172的下游侧的背压(backpressure)降低，并且涡轮172快速地旋转压缩机174。
在发动机130的运行负载大于预定值时，排气路径控制阀150打开。在排气路径控制阀150打开的状态下，排放气体在主排气管线140中流动。
排放气体通过穿过第一催化装置145、排气路径控制阀150、第三催化装置155以及单一排气管线190而排放至外部。
在本发明的各个实施方案中，进气空气穿过进气路径控制阀115(不穿过中间冷却器117)而供应至发动机130的燃烧室，并且从燃烧室排放的排放气体穿过主排气管线140和单一排气管线190而排放至外部，因而在排气路径控制阀150和进气路径控制阀115打开的状态下，涡轮增压器170不运行。
图3是图示了根据本发明的各个实施方案的具有涡轮增压器的发动机系统的示意图。将参照图3来描述与图1中所示的元件不同的元件，但是将省略与图1中所示的元件相同或相似的元件的描述。
参见图3，第三催化装置155设置在排气路径控制阀150(其设置于主排气管线140)的上游侧。由于辅助排气管线175与主排气管线不连接，所以在辅助排气管线175中流动的排放气体不流经第三催化装置155而排放至外部。
另外，在主排气管线中流动的排放气体直接排放至外部，而不穿过辅助排气管线。
在本发明的各个实施方案中，在发动机130的运行负载小于预定值时，排气路径控制阀150关闭。在排气路径控制阀150关闭的状态下，排放气体在辅助排气管线175中流动。
排放气体通过穿过涡轮增压器170的涡轮172和第二催化装置180而排放至外部。因此，涡轮172的下游侧的背压降低，涡轮172快速地旋转压缩机174。
在发动机130的运行负载大于预定值时，排气路径控制阀150打开。在排气路径控制阀150打开的状态下，排放气体在主排气管线140中流动。
排放气体通过穿过第一催化装置145、第三催化装置155以及排气路径控制阀150而排放至外部。
在本发明的各个实施方案中，进入空气穿过进气路径控制阀115(不穿过中间冷却器117)而供应至发动机130的燃烧室，并且从燃烧室中排放的排放气体穿过主排气管线140而排放至外部，因而，在排气路径控制阀150和进气路径控制阀115打开的状态下，涡轮增压器170不运行。
根据本发明的各个实施方案，通过利用涡轮增压器在现有的自然进气型汽油发动机中设定的rpm或更小的rpm(低速区间)处经由额外地喷射空气而在低速区间内增加扭矩，并且降低了燃料消耗。另外，通过利用自然进气型的小涡轮增压器，可以在高速区间内保持高扭矩，并且在低速区间内增加扭矩。
即，根据本发明的各个实施方案，由于通过在低速区间(通常主要利用)内利用涡轮增压器而对进气进行涡轮增压，并且在高速区间内利用自然进气型，因而可以降低涡轮增压器的容量，增加低速区间的扭矩，并且降低燃料消耗。
前面对本发明具体示例性实施例所呈现的描述出于说明和描述的目的。前面的描述并非旨在穷举，或者将本发明限制为公开的精确形式，且显然的是，根据以上教导若干修改和变化都是可能的。选择示例性实施例并进行描述以解释本发明的特定原理及其实际应用，由此使得本领域的其它技术人员能够利用并实现本发明的各种示例性实施例及其各种可替选方式和修改方式。本发明的范围旨在通过所附权利要求及其等同形式来限定。

Claims (11)

1.一种具有涡轮增压器的发动机系统，所述系统包括：
主排气管线，其从排气歧管的第一侧分支，并且排放来自燃烧室的排放气体；
辅助排气管线，其从所述排气歧管的第二侧分支，并且排放来自燃烧室的排放气体；
第一催化装置，其设置于所述主排气管线，并且降低包含在排放气体中的有毒物质；
涡轮增压器的涡轮，其设置于所述辅助排气管线，并且通过排放气体的流动能量来运行；
第二催化装置，其设置于所述涡轮的下游侧，并且降低包含在排放气体中的有毒物质；以及
排气路径控制阀，其设置于所述主排气管线，并且控制排放气体的路径。
2.根据权利要求1所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，排气路径控制阀设置于所述第一催化装置的下游侧。
3.根据权利要求2所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，第三催化装置设置于所述第一催化装置的下游侧。
4.根据权利要求1所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，所述主排气管线与所述辅助排气管线接合，并且形成单一排气管线。
5.根据权利要求4所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，净化排放气体的所述第三催化装置设置于所述单一排气管线。
6.根据权利要求1所述的具有涡轮增压器的发动机系统，还包括：
主进气管线，其将外部空气供应至进气歧管；
辅助进气管线，其从所述主进气管线的上游侧分支，并且接合至所述主进气管线的下游侧；
进气路径控制阀，其设置在所述主进气管线与所述辅助进气管线连接处，并且控制在所述主进气管线中流动的气体；
涡轮增压器的压缩机，其设置于所述辅助进气管线，并且通过涡轮增压器的涡轮来运行；以及
中间冷却器，其设置于所述涡轮增压器的压缩机的下游侧，并且将通过所述压缩机压缩的空气冷却。
7.根据权利要求6所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，控制供应至所述进气歧管的气体的节流阀设置在所述进气歧管的进口。
8.根据权利要求1所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，所述主排气管线与所述辅助排气管线不接合，并且分别将排放气体排放至外部。
9.根据权利要求1所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，所述排气路径控制阀设置在第一催化装置的下游侧。
10.根据权利要求9所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，净化排放气体的第三催化装置设置在所述排气路径控制阀与所述主排气管线的第一催化装置之间。
11.根据权利要求10所述的具有涡轮增压器的发动机系统，其中，所述主排气管线和所述辅助排气管线分别连接至外部，并且将排放气体排放至外部。
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