CN108699942A - 用于均衡发动机气缸背压的系统和方法 - Google Patents

用于均衡发动机气缸背压的系统和方法 Download PDF

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Abstract

排气歧管包括多个排气进气管道，其构造成流体地连接到发动机并接收来自发动机的相应气缸的排气。至少一个排气进气管道提供从进气口到出气口的排气进气管道的减小的横截面积。由相应的一个排气进气管道出口限定多个弯曲部的每一个。排气进气歧管流体地联接到排气进气歧管并且限定排气进气歧管流体轴线。多个弯曲部的每一个被成形为限定流过其中的排气的进入角。第一弯曲部相对于排气进气歧管流体轴线的第一进入角小于内部第二弯曲部的第二进入角。

Description

用于均衡发动机气缸背压的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月5日提交专利号为62/291,786的美国临时申请的优先权的权益，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于内燃(IC)发动机的后处理系统。
背景技术
排气后处理系统用于接收和处理由诸如IC发动机的发动机产生的排气。常规的排气后处理系统包括若干不同部件中的任一个构造以降低存在于排气中的有害废气的排放水平。例如，用于柴油驱动的IC发动机的某些排气后处理系统包括选择性催化还原(SCR)系统，系统包括配置成将NOX(部分NO和部分NO2)在氨(NH3)存在下转换成无害的氮气(N2)和水蒸气(H2O)的催化剂。通常将还原剂插入排气管道中，将排气连通到SCR系统和/或后处理系统的其他部件。
天然气作为重型发动机的燃料因其具有减少污染物和温室气体排放的潜力而备受关注。通常，天然气发动机包括转换成以天然气运行的柴油发动机，例如使用火花点火(SI)化学计量参数在天然气上运行柴油发动机。例如，一些天然气发动机可以包括转换为用作天然气发动机的排量在6.5L至12L范围内的柴油发动机。这种天然气发动机可以使用化学计量燃烧来操作，其具有冷却的排气再循环和三元催化。然而，简单地将柴油发动机转换为使用天然气操作可能导致发动机经受高热应力；由于体积效率和压缩比低，效率相对较低；发动机气缸上的背压不均匀，可能引起爆震；在功率和转矩密度以及瞬态响应方面表现不佳。
发明内容
本文描述的实施例总体上涉及用于使发动机的多个汽缸上的排气背压相等的系统和方法，并且具体地涉及构造成均衡跨越发动机的多个汽缸上的排气的背压的排气歧管。
在第一组实施例中，排气歧管包括多个排气进气管道。多个排气进气管道的每一个都被构造成流体联接到发动机上，并被构造成从发动机的相应汽缸接收排气。多个排气进气管道中的至少一个可以设有从排气进气管道入口到相应排气进气管道的排气进气管道出口的减小的排气进气管道截面面积。排气歧管还包括多个弯曲部。多个弯曲部中的每一个由相应的一个排气进气管道出口限定。排气歧管还包括排气进气歧管，其流体地联接到多个所述排气进气管道中的至少一部分的排气进气管道出口。多个弯曲部的每一个被成形为限定流过各自排气进气管道出口的排气的进入角。第一弯曲部相对于排气进气歧管流体轴线的第一进入角小于多个弯曲部的第二弯曲部的第二进入角。第一弯曲部构造成接收来自发动机的第一汽缸的排气，第二弯曲部构造成接收来自发动机的第二汽缸的排气。第一汽缸相对于第二汽缸定位在发动机上的外部位置。
另一组实施例中，系统包括发动机，发动机包括多个气缸。多个气缸中的每一个构造成燃烧燃料以产生排气。系统还包括排气歧管，所述排气歧管包括多个排气进气管道。多个排气进气管道的每一个都被构造成流体联接到发动机上，并被构造成从发动机的相应汽缸接收排气。排气歧管也包括至少一个排气进气歧管。所述多个排气进气管道中至少一部分的排气进气管道出口与所述至少一个排气进气歧管流体联接。排气歧管还包括用于均衡由多个气缸中的每个气缸中的燃烧引起的压力脉冲振幅的装置。
另一组实施例中，排气歧管包括第一排气进气管道，其构造成流体地连接到发动机并构造成接收来自发动机的第一气缸的排气。第二排气进气管道构造成流体地连接到发动机并构造成接收来自发动机的第二气缸的排气。发动机具有多个气缸，第一汽缸相对于第二汽缸定位在发动机上的外部位置。第一弯曲部限定椭圆形横截面。第一弯曲部部成形为限定流过第一排气进气管出口的排气的第一进入角。第二弯曲部由第二排气进气管道的第二排气进气管道出口限定。第二弯曲部成形为限定流过第二排气进气管出口的排气的第二进入角。排气进气歧管流体地联接到第一和第二排气进气管道中的每一个。排气进气歧管限定靠近第一排气进气管道的第一横截面面积和靠近第二排气进气管道的第二横截面面积。第一横截面积大于第二横截面积。排气进气歧管限定排气进气歧管流体轴线。相对于排气进气歧管流体轴线的第一进入角小于第二进入角。
在另一组实施例中，排气歧管包括多个排气进气管道。多个排气进气管道的每一个都被构造成流体联接到发动机上，并被构造成从发动机的相应汽缸接收排气。排气进气歧管流体地联接到所述多个排气进气管道中的至少一个的排气进气管道出口。所述多个排气进气管道和所述排气进气歧管中的每一个限定排气进气歧管芯体容积。所述多个排气进气管道和所述排气进气歧管中的每一个成形为基于所述发动机的排量、所述发动机的预期运行功率和排气流经排气歧管的所述预期流速中的每一个来限定所述排气进气歧管芯体容积。
在另一组实施例中，进气歧管包括第一入口构造成流体地连接到涡轮增压器，以便从涡轮增压器接收加压的进气；第二入口构造成流体连接到排气再循环(EGR)系统，以便从EGR系统接收EGR气体。第三入口构造成流体连接到燃料管线，以便从燃料管线接收燃料。多个出口构造成流体连接到发动机。进气歧管通道在第一、第二和第三入口的每一个和多个出口之间延伸。进气歧管通道成形为使得进气、EGR气体、和流经进气排气通道的燃料的每一个的流动方向至少两个回流，以改善进气、EGR气体和燃料的每一个的混合。
应理解，以下更详细讨论的前述概念和附加概念的所有组合(假设这样的概念不相互不一致)被认为是本文公开的主题的一部分。具体而言，出现在本公开结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的主题的一部分。
附图说明
从以下描述和所附权利要求，结合附图，本公开的前述和其他特征将变得更加明显。应理解，这些附图仅描绘了根据本公开的若干实施方式，因此，不应认为是对其范围的限制，本公开将通过使用附图以额外的特征和细节来描述。
图1是根据实施例的包含排气歧管的系统的示意图。
图2A是图1的排气歧管至少部分的侧视图且图2B是图1的排气歧管的至少一部分的仰视图。
图2C是图2A和2B的排气歧管至少部分的侧视图。
图3是从柴油发动机转换的天然气发动机的各种操作参数的示意流程图，改变天然气发动机以获得天然气发动机的高效率。
图4是根据一实施例的包括发动机、进气歧管和排气歧管的系统的俯视图。
图5A是包含在图4系统中的进气歧管和排气歧管的俯视图且图5B是包含在图4系统中的进气歧管和排气歧管的主视图。
图6A是流体联接到涡轮机的图3的系统的排气歧管的透视图且图6B示出排气歧管和涡轮机，其上组装有盖体。
图7是包含于图3的EGR组件的透视图。
图8A-B是限元分析(FEA)模型，示出包含于图3(图8A)中气缸阀座、桥接器和点火器芯周围的水套的传热系数和预测的燃烧工作面温度和最大温度位置(图8B)。
图9是压缩机再循环系统的示意图。
图10是EGR对发动机总指示效率的曲线图。
图11A是燃烧持续时间的曲线图且图11B是点火延迟与曲柄角度50％(CA50)变化的曲线图。
图12是发动机指示的燃料燃烧的曲线图。
图13是图3的发动机的每个气缸中的预混合空气/燃料混合物喷射和进气道燃料喷射(PFI)的曲线图。
图14是使用PFI操作的图3的发动机曲轴的表观热释放对曲柄角曲线图。
图15是计算流体动力学(CFD)模型，示出了包括在图3的系统中的进气系统的模型化性能。。
图16是总结涡轮机损耗因数的条形图。
图17是空气处理架构的示意图。
图18A是联邦测试程序(FTP)循环过程中新鲜空气流的曲线图且图18B是联邦测试程序(FTP)循环过程中EFR分数跟踪的曲线图。
图19是空气/燃料比控制系统的示意图。
图20A-B是在速度A(图20A)和速度B(图20B)处的空气评估器量的曲线图。
图21A-D是示出外环对从图3的系统排放的排气的成分影响的曲线图。
图22A-C是在重型冷FTP瞬时循环过程中NOx(图22A)、甲烷(图22B)和CO(图22C)排放量的曲线图。排放量在发动机输出(EO)、紧密联接的催化剂输出(CC)和系统输出(SO)位置报告。
图23A-C是在重型热FTP瞬时循环过程中NOx(图23A)、甲烷(图23B)和CO(图23C)排放量的曲线图。排放量在发动机输出(EO)、紧密联接的催化剂输出(CC)和系统输出(SO)位置报告。
图24A是累积NOx的曲线图且图24B是针对测试数据的累积甲烷(CH4)冷FTP瞬态循环转换性能预测的曲线图。
图25包括基准和新发动机的峰值气缸压力(PCP)和CA50变化的曲线图。
图26A-B是比较基线发动机(图26A)和新发动机(图26B)的燃烧面温度的FEA模型。
图27是EGR分数对发动机压力变化或Δ压力(DP)的曲线图。
图28是爆震与EGR分数的曲线图。
图29是空气流量和EGR分数对时间的曲线图。
图30是冷/热FTP排放测试的排放结果曲线图。
图31是循环制动热效率(BTE)对较低热值的曲线图。
参考附图贯穿以下整个详细描述。在附图中，除非上下文另有指示，否则类似的符号通常标识类似的组件。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实施方式并不意味着是限制性的。在不脱离本文呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。容易理解的是，如本文一般描述的并且在附图中示出的本公开的方面可以以各种不同的配置来布置、替换、组合和设计，所有这些都是明确预期并作为本公开的一部分。
具体实施方式
本文描述的实施例总体上涉及用于使发动机的多个汽缸上的排气背压均衡的系统和方法，并且具体地涉及构造成均衡跨越发动机的多个汽缸上的排气的背压的排气歧管。
天然气作为重型发动机的燃料因其具有减少污染物和温室气体排放的潜力而备受关注。通常，天然气发动机包括转换成在天然气上运行的柴油发动机，例如使用SI化学计量参数在天然气上运行柴油发动机。例如，一些天然气发动机可以包括转换为用作天然气发动机的排量在6.5L至12L范围内的柴油发动机。这种天然气发动机可以使用化学计量燃烧来操作，其具有冷却的排气再循环和三元催化。
然而，简单地将柴油发动机转换为天然气运行可能会导致发动机承受高热应力；由于体积效率和压缩比低，效率相对较低；发动机气缸上的背压不均可能引起爆震；在功率和转矩密度以及瞬态响应方面表现不佳。例如，由从各个发动机汽缸(例如，从柴油发动机转换的天然气发动机)流出的排气施加的背压可以在多个汽缸之间变化。这可能导致多个气缸上的温度不一致，这可能导致包括在发动机中的多个气缸的至少一部分“热”运行(例如，以超过相应气缸的设计温度的温度运行)。这可能导致发动机“爆震”或提前点火，这进一步降低发动机的效率。
本文描述的系统和方法的各种实施例可提供优于传统发动机系统的益处，包括例如：(1)使气缸上的压力均衡，例如通过排气歧管，该排气歧管构造成使由排气施加在发动机的多个气缸中的每个气缸上的背压相等；(2)在发动机的所有多个气缸上保持一致的温度，以减少爆震，从而提高发动机效率；(3)将排气流的连续面积减少到流体连接到发动机的涡轮机，以保持排气动量并减少流损失；(4)将排气流的轨迹对准EGR系统，以最大化到EGR流路中的动量恢复；(5)限定横截面，该横截面构造成保持排气流与排气歧管或其部件的壁的连接，从而减少湍流和/或动量损失。
图1是根据一实施例的系统100的示意图。系统100包括发动机102、排气歧管110、和可选的涡轮机160和EGR组件170。
发动机102包括发动机组104，在发动机组104内限定多个气缸106。多个气缸106中的每一个构造成燃烧燃料(例如，天然气)以产生排气。发动机102可包括柴油发动机、天然气发动机、汽油发动机、生物柴油发动机、LPG发动机、双燃料发动机、或任何其他合适的发动机。在特定实施例中，发动机102可包括转换成在天然气上运行的柴油发动机。在其他实施例中，发动机102专门设计成在天然气上运行。
排气歧管110流体地联接到发动机102并且构造成接收来自发动机102的排气。排气歧管110构造成使由发动机102的多个气缸106中的每一个燃烧引起的压力脉冲振幅相等。这在本文中也称为均衡由排气施加在多个气缸10中的每个气缸上的背压。如本文所使用的，术语“均衡(equlize)”是指在多个气缸106中的每个气缸中由燃烧引起的排气歧管110中的压力脉冲振幅的变化小于10％。在特定实施方式中，排气歧管110构造成使得均衡压力脉冲幅度在气缸106之间实现小于5％的变化。在进一步地实施方式中，排气歧管110构造成使得均衡压力脉冲幅度在气缸106之间实现小于3％的变化。在某些实施例中，排气歧管110还可能导致多个气缸106的每一个温度实质上是相同的(例如，每个在+/-5％到+/-10％之间，包括其中的所有区间和值)。多个汽缸106的一致压力和温度可以减少爆震，从而最小化102发动机效率的损失。
进一步扩展，排气歧管110可能包括多个排气进气管道112。多个排气进气管道112的每一个都被构造成流体联接到发动机102上，并被构造成从发动机102的相应汽缸106接收排气。多个排气进气管道112中的每一个都可以设有从排气进气管道112入口到其排气进气管道出口的减小的排气进气管道截面面积。排气歧管110也包括至少一个排气进气歧管114。所述多个排气进气管道112中至少一部分的排气进气管道出口与所述至少一个排气进气歧管114流体联接。
例如，如图1和图2A-C所示，排气歧管110可包括第一排气进气歧管114a和第二排气进气歧管114b(统称为“排气进气歧管114”)。排气歧管110也可能包括第一组排气进气管道112a和第二组排气进气管道112b(统称为“排气进气管道112”)。第一组排气进气管道112a与第一排气进气歧管114a流体联接，构造为接收来自多个气缸106的第一部分的排气。此外，第二组排气进气管道112b与第二排气进气歧管114b流体联接，构造为接收来自多个气缸106的第二部分的排气。
排气进气管道入口的截面可能大于排气进气管道出口的截面,造成每个排气进气管道112的排气进气管道横截面积从排气进气管道入口到排气进气管道出口减少。这可以加速排气流向排气进气歧管114，从而防止排气流入排气进气管道112时排气动量或压力的损失。
在一些实施例中，多个排气进气管道112的每一个的排气进气管道出口包括一个弯曲部113，它与相应的排气进气歧管114联接在一起。此外，在某些实施例中，多个排气进气管道112的至少一个排气管道出口定义了一个非圆形截面(如椭圆形或卵形截面)，例如在弯曲部113处。非圆形截面可以防止排气进入排气歧管114时排气从排气进气管道112的侧壁内表面分离出来，从而防止流动损失。
减少排气进气管道的横截面积112和/或在其中所提供的弯曲部113，可以使排气在多个汽缸106的每一个中所产生的背压相等。这也可能导致多个气缸106中的每个温度实质上是相同的，从而减少爆震。
在某些实施例中，排气进气歧管114也可以定义一个横截面面积，从排气进入排气进气歧管114的部分到排气离开排气进气歧管114的部分减少。排气进气歧管114的减小截面面积可以进一步促进排气对多个气缸106上的每个气缸施加的背压相等，例如通过防止排气的动量损失。
第一个出口端口116a和第二个出口端口116b(统称为“出口端口116”)可与第一个排气进气歧管114a和第二个排气歧管114b联接。每个出口端口116定义了一出口端流体轴线117,其与排气进气歧管114的排气进气歧管流体轴线120正交定位(例如,具有60度至120范围内的角度，包括期间所有区间和值)。在一些实施例中，出口端口流体轴线117可以与多个排气进气管道112的排气进气管道流体轴线123平行和/或成一直线，以便最小化排气从排气进气管道112进入涡轮机160所经历的排气圈数。
出口端口116可以使出口端口116的出口端口横截面面积从每个出口端口116的出口端口入口到出口端口出口减小。此外，每个出口端口116可以限定非圆形(例如，椭圆形或卵形)横截面。出口端口116的横截面积和/或椭圆形或卵形横截面的减小还可用于均衡由排气施加在多个气缸106中的每一个上的背压。
出口端口116可以流体地联接到涡轮160(例如，包括在涡轮增压器中的涡轮)。出口端口116的减小的横截面积和/或椭圆形或卵形的横截面可以使排气均匀流入涡轮160。第一出口端口116a和第二出口端口116b可以提供从相应的第一组和第二组多个气缸106接收到涡轮机160的完全分开的排气流，其也可以用于使得排气对多个气缸106中的每一个施加的排气相等。
在一些实施例中，至少一个拉出导管可以流体地联接到至少一个排气进气歧管114。至少一个拉出导管的至少一部分可以限定拉出导管流体轴线126，其与排气进气歧管流体轴线120和出口端口流体轴线117中的每一个正交定位。在各种实施例中，至少一个拉出导管的拉出导管第一部分可限定拉出导管从拉出导管第一部分入口到拉出导管第一部分出口减小的拉出导管横截面面积。
例如，如图1所示，排气歧管110可包括第一拉出导管118a和第二拉出导管118b(本文统称为“拉出导管118”)，其分别流体地连接到第一排气进气歧管114a和第二排气进气歧管114b。
流体连接到排气进气歧管114的拉出导管118的至少一部分可与排气进气歧管114的排气进气歧管流体轴线120和出口端口116的出口端口流体轴线117中的每一个正交定位(例如，以60度到120度的范围内的角度，包括其间的所有区间和值)。例如，拉出导管118可以在第一平面(例如，在X-Y平面)中与排气进气歧管114正交定位并且在第二平面(例如，在Y-Z平面中)中与出口端口116正交定位。
拉出导管118a/b的拉出导管第一部分119a/b可以限定拉出导管第一部分119a/b从拉出导管第一部分入口到拉出导管第一部分出口的减小拉出导管横截面面积。减小的横截面积可用于保持排气流过拉出导管第一部分119a/b的动量，从而减少流动损失。
拉出导管118a/b的拉出导管第一部分119a/b在接头121处彼此流体联接，以便为接头121下游的排气限定单个流动路径。单个流动路径的横截面积减小，直到它到达拉出导管的第一部分出口122或喉部。拉出导管118a/b的第一部分119a/b的侧壁在接头121处以足够小的角度(例如，小于5度)彼此连接，使得朝拉出导管第一部分出口122从每个拉出导管第一部分119a/b流入接头121的排气部分可以经历最小的湍流并且彼此平稳地混合。可以优化拉出导管第一部分出口122的横截面积，以便防止排气经历流动突然损失动量，这可以改变由排气施加在多个气缸106中的一个或多个上的背压。
排气歧管110还可包括扩散器128。扩散器128可以具有相对于拉出导管118的横截面积更大的横截面积，以便降低流过其中的排气的速度、使排气膨胀、和/或降低其温度。扩散器128可以联接到EGR组件170，EGR组件170可以构造成将进入拉出导管118的排气的一部分传送到多个汽缸106，例如，以冷却其中空气/燃料混合物的燃烧温度(例如，以减少爆震)。
拉出导管118可包括拉出导管第二部分124，其流体地连接到扩散器128和每一个拉出导管的第一部分出口122。拉出导管第二部分124可以限定拉出从拉出导管第一部分出口122到拉出导管第二部分124的拉出导管第二部分出口的扩大横截面面积。拉出导管第二部分出口流体地联接到扩散器128。
拉出导管第二部分124的扩大的横截面积可以设置从拉出导管118到扩散器128的排气的压力和流速的平滑减小。这可以防止排气背压的涡流、流动损失或突然变化。拉出导管第二部分124还可包括第一弯曲部125和通向扩散器128的第二弯曲部127。第一弯曲部125和第二弯曲部127可以限定椭圆形或卵形横截面，其可以使排气流保持附接到拉出导管第二部分124的侧壁的内表面，从而防止流动损失。
在一些实施例中，拉出导管第二部分124的上游部分可以限定从其入口到其出口的横截面积相对于拉出导管第二部分124的下游部分的较小变化。上游部分的横截面积相对于下游部分的较小变化可以提供通向扩散器128的排气动量和速度的受控减小，从而防止排气背压的突然变化。
图2A是图1的发动机102和至少一部分排气歧管110的侧视图。图2B是图1的至少部分排气歧管110的仰视图。如图2所示，发动机102的气缸106包括第一气缸130、第二气缸132、第三气缸134、第四气缸136、第五气缸138、和第六气缸140。所有气缸106布置在发动机102中成一直线，其中第一和第六气缸130、140位于发动机102上的最外侧位置，第三和第四气缸134、136位于发动机102上的最内侧位置，以及第二和第五气缸132、138位于发动机102的最外侧和最内侧气缸106之间的中间位置。如本文所使用的，关于发动机102上的汽缸106的位置，术语“外”和“内”是指发动机上的每个汽缸106相对于其他汽缸106的位置。最外侧的气缸106(例如，第一气缸130)临接另一个气缸(例如，第二气缸132)定位。内侧的汽缸(例如，第二汽缸132)邻接两个其他汽缸(例如，第一和第三汽缸130、134)定位。
类似地，排气进气歧管114的排气进气管道112包括第一排气进气管道142、第二排气进气管道144、第三排气进气管道146、第四排气进气管道148、第五排气进气管道150和第六排气进气管道152。第一排气进气管道142构造成流体连接到第一气缸130；第二排气进气管道144构造成流体连接到第二气缸132；第三排气进气管146构造成流体连接到第三气缸134；第四排气进气管道148构造成流体连接到第四气缸136；第五排气进气管道150构造成流体连接到第五气缸138；第六排气进气管道152构造成流体连接到第六气缸140。因此，第一和第六排气进气管道142、152位于发动机102上的最外侧位置；第三和第四排气进气管道144、148位于发动机102的最内侧位置；以及第二和第五排气进气管道146、150定位在发动机102上的最外侧和最内侧排气进气管道112之间的中间位置。如上所述，排气进气歧管114中的至少一个限定了横截面积，该横截面积从排气进入相应的排气进气歧管114的部分减小到排气离开相应的排气进气歧管114的部分。另外，在一些实施例中，排气进气歧管114限定了横截面积，基于发动机102上的排气进气歧管114不同的预期位置，该横截面积也不同。例如，在一些实施例中，排气进气歧管114限定横截面积，该横截面积从最外侧位置减小到最内侧位置，其限定基于安装到发动机102上时预期的排气进气歧管114的构造。这在图2B中最清楚地示出。换句话说，排气进气歧管114在靠近外气缸106处限定比靠近内气缸106更大的横截面积。例如，在一些实施例中，第一排气进气歧管114a限定靠近第一排气进气管道142的第一横截面面积和限定靠近第三排气进气管道146的第二横截面面积，第二横截面面积比第一横截面面积小。
图2C是图2A和2B的一部分排气歧管110的侧视图。如上所述，排气歧管110包括若干设计特征，实施这些设计特征以实现各种设计目标，例如均衡由排气施加在发动机102多个气缸中的每个气缸上的背压或均衡发动机102的多个汽缸中的每个汽缸中由燃烧引起的排气歧管110中的点(例如，靠近出口端口116)上的压力脉冲振幅。另一个设计目标是使排气的总压力最大化，以优化涡轮160和EGR组件170的运行。例如，在一些实施例中，限定每个排气进气管道112和排气进气歧管114的各个部分的形状，使得流过各个排气进气管道112和排气进气歧管114的排气在排气歧管110中的一点处引起相同的压力脉冲振幅。换句话说，无论从哪个气缸排出，排气“都起相同的作用”。另外，限定每个排气进气管道112和排气进气歧管114的各个部分的形状，以使流过各个排气进气管道112和排气进气歧管114的排气压力最大化。
如下面将进一步详细解释的，在一些实施例中，定义至少三个设计参数以便均衡排气歧管110中的压力脉冲幅度。首先，各个排气进气管出口的至少一个弯曲部具有非圆形(例如椭圆形或卵形)的横截面。第二，排气进气管道中的至少一个限定了从排气进气管道入口到排气进气管道出口减小的横截面积。第三，多个弯曲部中的每一个被成形为限定排气流过相应的排气进气管道出口的特定进入角。应理解，定义这些设计参数中的每一个以便实现设计目标。
如图2C所示，每个排气进气管道112包括排气进气管道入口和排气进气管道出口。在操作中，排气从排气进气管道入口，通过排气进气管道112流出排气进气管道出口，并流入排气进气歧管114。例如，如图2A所示，第一排气进气管道142包括第一排气进气管道入口172和第一排气进气管道出口174；第二排气进气管道144包括第二排气进气管道入口176和第二排气进气管道出口178；第三排气进气管道146包括第三排气进气管道入口179和第三排气进气管道出口182。
如上所述，排气进气管道出口174、178、182中的每一个限定了一弯曲部，其中相应的排气进气管道出口174、178、182联接到排气进气歧管114。例如，如图2C所示，第一排气进气管道出口174限定第一弯曲部113、第二排气进气管道出口178限定第二弯曲部184、第三排气进气管道出口182限定第三弯曲部186。
在一些实施例中，第一、第二和第三弯曲部113、184、186中的至少一个限定非圆形(例如，椭圆形或卵形)横截面。例如，在一些实施例中，第一弯曲部113限定非圆形横截面。在一些实施例中，第二和第三弯曲部184、186不限定非圆形横截面。在其他实施例中，第一、第二和第三弯曲部113、184、186中的每一个限定非圆形横截面。
在一些实施例中，排气进气管道112中的至少一个限定了从排气进气管道入口到排气进气管道出口减小的横截面积。例如，在一个实施例中，第三排气进气管道146限定横截面积，该横截面积从第三排气进气管道入口180减小到第三排气进气管道出口182。在一些实施例中，第一排气进气管道142限定了横截面积，该横截面积不会从第一排气进气管道入口172减小到第一排气进气管道出口174。在一些实施例中，配置成靠近发动机100上的内部气缸定位的排气进气管道112限定了从排气进气管道入口到排气进气管道出口减小的横截面积的程度比位于发动机100的外气缸的那些排气进气导管从排气进气管道入口到排气进气管道出口减小的横截面积更大。
在一些实施例中，每个排气进气管道112中的包括一横截面积，该横截面积限定排气进气管道入口与排气进气管道出口之间的面积表(area schedule)。例如，第一排气进气管道142包括沿其长度变化的第一横截面面积，从而在第一排气进气管道入口172和第一排气进气管道出口174之间限定第一面积表；第二排气进气管道144包括第二横截面面积，该第二横截面区域在第二排气进气管道入口176和第二排气进气管道出口178之间限定第二面积表；第三排气进气管道146包括第三横截面面积，该第三横截面面积在第三排气进气管道入口179和第三排气进气管道出口182之间限定第三面积表。在一些实施例中，通过排气进气管道112和排气进气歧管114限定面积表。例如，在一些实施例中，第一面积表由第一排气进气管道142从第一排气进气管道入口172到第一排气进气管道出口174的横截面直径限定，并且进一步限定到第一排气进气管道歧管114a到第一出口端口116a附近(例如，上游)的点。
在一些实施例中，第一面积表是线性的。换句话说，第一排气进气管道142的横截面面积以线性速率从第一排气进气管道入口172处的第一横截面直径减小到第一排气进气管道出口174处的较小的第二直径。在一些实施例中，第二和第三面积表是非线性的。换句话说，例如，第二排气进气管道144的横截面积从第二排气进气管道入口176处的第一横截面直径以非线性速率减小到第二排气进气管道出口178处的较小第二直径。第三排气进气管道146最清楚地示出了非线性面积表。如图2C所示，由于第三弯曲部186附近的横截面直径急剧减小，第三排气管道出口182处的“颈缩”导致第三面积表是非线性的。
面积表还定义了排气进气歧管芯体容积。例如，在一个实施例中，第一排气进气歧管芯体容积是结构的内部容积，其限定排气歧管110的多个排气进气管道112a和第一排气进气歧管114a。在一个实施例中，第一排气进气歧管芯容积是第一出口端口116a上游的多个排气进气管道112a和第一排气进气歧管114a的容积。在一些实施例中，排气歧管110的尺寸被设定成基于容积比限定相对于发动机100的排量的排气进气歧管芯体容积。在其他实施例中，排气歧管110的尺寸基于其他因素，例如发动机100的预期操作功率或通过排气歧管110的排气的预期流速。例如，在一些实施例中，排气歧管110的尺寸更大以用于更大的发动机排量、更高预期运行功率和/或更高预期排气流速。
第一、第二和第三弯曲部113、184、186中的每一个也成形为限定流过相应的排气进气管道出口174、178、182的排气的进入角。例如可限定相对于排气进气歧管流体轴线120的进入角。例如，第一弯曲部113成形为限定第一进入角188；第二弯曲部184成形为限定第二进入角190；并且第三弯曲部186成形为限定第三进入角192。进入角188、190、192被限定以最小化由排气冲击排气进气歧管114壁引起的再循环。在一些实施例中，第一进入角188小于第二和第三进入角190、192中的每一个。换句话说，在一些实施例中，进入角对于构造成定位在发动机100上的外部位置的排气进气管道112而言更小。尽管图1和2A-2B示出了构造成减少排气背压的排气歧管，其可以导致的爆震减少并且发动机(例如，转换成天然气发动机的柴油发动机)发动机的各种其他参数效率提高，发动机的结构也可以构造成提高发动机的效率。例如，图3示出了发动机的各种参数的族谱，其可以被构造成提高发动机(例如，转换成天然气发动机的柴油发动机)的效率。
图4是根据另一实施方式的系统200的俯视图。系统200包括发动机202、排气歧管210、进气歧管250和涡轮机260。在一些实施例中，发动机202可包括15升发动机，其具有六个直列式气缸，其具有137mm的孔和169mm的行程、高达447kW的功率、以及在1,200rpm下高达2,779Nm的扭矩。
排气歧管流体地联接到发动机202。排气歧管210可以基本上类似于排气歧管110(图1)并因此在这里不再详细描述。下面描述系统200的各个部分及其导致发动机202效率提高的新颖特征。
进气歧管和端口通气
增加发动机202效率的一个目的是减少从汽缸到汽缸和从循环到循环的操作参数的变化。影响发动机202效率的主要因素包括进气歧管250、排气歧管210和用于更有效空气处理的端口。进气歧管250和端口构造成增加发动机202的效率。例如，进气歧管250构造成接收来自涡轮增压器、EGR气体和燃料喷射器的每个加压进气。如图4所示，进气歧管250是“S形的”使得包括EGR气体和燃料的进气增压空气在进入发动机202之前经受至少两次回流，这改善了进气增压空气、EGR气体和燃料的组分混合。
在一个实施例中，进气歧管250包括第一、第二和第三入口。第一入口构造成流体地联接到涡轮增压器，以便从涡轮增压器接收加压的进气。第二入口构造成流体地联接到EGR系统，以便从EGR系统接收EGR气体。第三入口构造成流体地连接到燃料管线，以便从燃料管线接收燃料。进气歧管250还包括多个出口，这些出口构造成流体地联接到发动机202。进气歧管还包括在第一、第二和第三入口中的每一个与多个出口之间延伸的进气歧管通道。进气歧管通道成形为使得在进气、EGR气体和燃料的每一个流经进气歧管通路中的流动方向上至少两次回流，以便改善每种进气、EGR燃气和燃料的混合。
进气端口可以具有基型设计，并且完全相同，并且所有排气端口都完全相同。进气歧管250包括从其气室到其进气端口的单独的下拉流道。发动机202的所有汽缸以完全相同的方式拉出充气流，并且在汽缸之间没有串扰。
进气歧管250提供长的混合长度，以实现流动均匀性。进气歧管250的进气端口足够大，以减少进入气缸的流量损失。此外，排气歧管210的排气端口较小用于更高速度流动，以支撑脉冲EGR系统270(参见图7)。排气歧管210向EGR270提供完全分开的脉冲捕获流并将前组与后组隔离。此外，优化排气和EGR系统部件的轨迹和面积表以降低排气的背压。
发动机202的气缸盖包括大进气小排气(BISE)金刚石阀门基型(pattern)。金刚石基型允许产生漩涡，更大的进气阀可以实现更大的进气端口，有助于改善发动机通气。进气端口具有高流量容量和低损耗。进气歧管可包括前端入口设计，具有位于进气端口中心线上方的气室，如图图5A-B所示。单独的，等长流道可以从气室中拉出以供给发动机202的每个气缸以进行一致的充气分配。流道可以朝向进料倾斜，在进料处他们连接到气室，以帮助引导流道向下流动以供给每个气缸。各个流道提供额外的好处，例如进一步分离气缸，以减少或消除与端口燃油喷射(PFI)架构的燃料串扰。
排气端口还包括BISE金刚石阀门基样。较小的排气阀门和端口导致较高的排气流速，这有利地影响脉冲EGR系统270的性能。脉冲EGR系统270的性能可以通过有效的排气流动通道和接头来改善，以使损失最小化。排气歧管210为涡轮机260和EGR系统270提供了大幅降低的损耗系数。
涡轮机械
图6A是流体联接到涡轮机260的图3系统的排气歧管210的透视图而图6示出了排气歧管210和涡轮机260，其组装有位于其上的盖体。涡轮机260构造为向发动机202的每个汽缸提供相同的经验并使损失系数最小化。可以通过优化排气歧管210的轨迹和面积表来最小化损失系数。
通过将到涡轮机260的流体保持完全分开，可以为发动机202的每个汽缸提供相同的排气背压。在一些实施例中，涡轮机可包括双端口电子控制的废气门，以使得能够从排气歧管210的两组(例如，多个出口端口116)吸入排气流，进一步为所有气缸提供相同的通气经历。
排气再循环
图7是包括在图3的系统200中的EGR系统270的透视图。发动机202以化学计量的空气/燃料比(AFR)操作，并且用高达25％的EGR稀释的充气，同时使残余物最小化。除了已经讨论的排气歧管特征之外，可以实现非常有效的流动连接以组合流体。EGR系统270的热部件同时开发并且联接到排气歧管210。在对流动区域进行CFD分析的同时，还进行了设计的热机械疲劳分析以确保耐久性。
油控
通过消除爆震和提前点火源可以实现稳定的火花点火结构。爆震和提前点火的一个原因可能包括油控，特别是来自活塞环和阀杆密封件的油控。为了解决来自阀杆的油侵入，使用比传统密封件干燥四倍的密封件。该密封件还被评定为真空，这对于节流发动机(例如，发动机202)可能是有益的，该节流发动机经常在进气歧管(例如，进气歧管250)中以真空操作。使用具有改进的环动力学的三件式油环(与两件式油环相比)防止了通过气缸的活塞环的油侵入，因此提供改进的油控制。
气缸盖和火花塞冷却
在各种实施例中提到的潜在的预点火源是过热的火花塞。图8A-B是示出包含在图3(图8A)发动机中气缸阀座、桥接器和点火器芯周围的水套的传热系数和预测的燃烧工作面温度和最大温度位置(图图8B)的有限元分析(FEA)模型。
如图8A-B所示，传热系数在桥中最高并且围绕整个点火器孔。发动机点火器孔构造成使得所有冷却剂流过点火器孔，从而为火花塞提供优异的冷却。此外，燃烧面，特别是边缘，也被有效地冷却，以防止热点和提前点火。如图8B所示，燃烧面相对较冷。这不仅可以防止提前点火，还可以确保耐用且鲁棒(robust)的气缸盖，能够承受短暂的爆震和温升。
燃油系统
发动机202硬件允许将端口燃料喷射器放置在两个可能的位置并使用两个可能的喷射器。喷射器可以放置在进气歧管250的流道中和/或发动机202的气缸盖中的进气端口上方。在一些实施例中，发动机202以100％单点燃料喷射(SPFI)或上游混合或在各端口100％多点燃料喷射(MPFI)喷射运行。另外，在各种实施例中，引擎202可以以SPFI和MPFI的任何混合运行。燃烧CFD预测使用端口燃料分配管的好处并且发动机202测试证明了这种情况。
将燃油喷射器定位在端口上方的另一个好处是进气歧管过压(IMOP)，即进气回火减轻。通过在进气节流阀附近的单点喷射，整个进气歧管250包含化学计量的可燃混合物。利用MPFI系统，大部分进气歧管250可以充满空气或可能超过点火极限的非常稀薄的混合物。
压缩机旁通阀
化学计量的燃气发动机由空气节流(与通过燃料节流的柴油发动机相反)，这可能对涡轮机260(例如，涡轮增压器压缩机)构成挑战。当发动机202从高增压状态快速转换到无增压状态(收油门)时，节流板可能会猛然关闭，并且压缩机和节气阀之间的高速、高压充气可能必须减轻，否则压力可能会飙升并找到通过压缩机的低压路径。这被称为压缩机喘振并且可能导致压缩机叶片的负载反向，这可能很快导致疲劳失效。
为了防止这种情况，实施了电控压缩机再循环阀(CRV)。图9是根据一个实施例的压缩机再循环系统300的示意图。压缩机再循环系统300包括CRV302，可控制地致动CRV 302以防止进气回流到压缩机304。CRV302构造成可控制地打开，以提供排出高压空气的路径，以防止压缩机喘振，特别是在收油门事件期间或在任何合适的时间帮助防止喘振。基于各种参数控制CRV302，例如气压、压缩机运行参数、发动机运行参数等。
引擎优化
具有冷却的EGR燃烧系统的化学计量被联接到发动机202，因为它具有提供高BMEP、极低排放和鲁棒操作的能力。发动机202子系统的性能优化和开发分为三个关键区域：燃烧系统、燃料系统和充气系统。
燃烧系统
燃烧系统
燃烧系统的发展主要集中在提高封闭循环效率、减少热传递和在高度稀释条件下短燃烧持续时间和短点火延迟时间的能力。选择高稀释度以控制组件温度并通过减少热传递实现闭合循环效率改进，如图10所示。
使用基于校准燃烧CFD模型的完全燃烧循环分析完成初始燃烧系统工作。基线燃烧系统提供10％至90％的燃烧持续时间，能够耐受高水平的EGR稀释。系统200构造成保持该燃烧持续时间，具有改进的效率和点火延迟。图10是EGR对发动机总指示效率的曲线图。图11A是燃烧持续时间的曲线图且图11B是点火延迟与曲柄角度50％(CA50)变化的曲线图。
如图10所示，从迭代#1到迭代#4的进展表示循环期间旋转水平以及的充气运动发展的研究和对燃烧的影响。迭代#1表示实现的最佳效率，因为最小化了充气损失(chargingpenalities)，代表了效率的权限。迭代#2-#4表示通过影响气缸内充气运动来改善燃烧持续时间而对效率的影响最小的迭代。燃烧持续时间和点火延迟的趋势示于图11A-B。选择迭代#4作为该发动机的燃烧系统，因为它是关键可交付物的最佳权衡。对于恒定的EGR水平，燃料消耗趋势如图12所示。
燃油系统
预混燃烧系统的益处可包括燃料和空气混合物的均匀性。缺点可能包括传输延迟、催化剂抖动幅度衰减和气缸失火时的缓冲技术。端口燃油喷射的挑战是混合分层、物理部件数量和喷射压力要求。MPFI的益处可包括成本、逐缸燃料控制、瞬态响应时间和三元催化剂(TWC)控制。图13是图3的发动机的每个汽缸中的预混合空气/燃料混合物喷射和端口燃料喷射(PFI)的曲线图。观察到由PFI引起的降解燃烧，如图13所示。
进一步开展工作以了解是否可以改进MPFI分层以匹配预混燃烧的性能。图14是使用PFI操作的图3的发动机曲轴的表观热释放对曲柄角的曲线图。通过燃烧CFD评估混合装置的多次迭代以及喷射策略，以比较燃烧性能，如图14所示。MPFI混合观察产生了对预混合注射策略透明的设计和注射策略，允许实现PFI的优点。
充气系统
充气系统构造成向发动机202的每个汽缸提供均匀且相等的空气和EGR混合物。此外，设计充气系统使其可以最小化捕获的残留物。另外，涡轮机260的尺寸涉及成可以适应具有EGR 270的化学计量发动机202的较低流速，并提供必要的压力平衡以驱动期望的EGR水平。评估进气系统用于充气输送和混合物均匀性。由于对充气均匀性和充气分布的严格要求，选择如图15的CFD模型所示的最终的进气配置。
排气系统经过了广泛的测试和开发，以确保良好的气缸平衡，并促进高效的排气事件。图16示出了使用CFD中的新建模方法评估的迭代的概要，以确定涡轮机损耗系数。迭代的重点是几何变化，这些变化改善了歧管中的损失并平衡了各汽缸的损失。选择迭代#8作为发动机202的排气歧管210配置。
控制
空气处理控制
图17是根据一实施方式的空气处理(AH)系统310的示意图。空气处理系统310包括图2的发动机220和图9的CRV302。来自大气的新鲜空气通过空气过滤器312进入系统310。通过涡轮增压器316的压缩机314以及通过增压空气冷却器(CAC)318降低的温度升高压力。该空气存储器与进气空气节流阀(IAT)320一起用于控制进入进气歧管250的空气流量。类似地，从排气歧管210转移的EGR流由EGR阀(EGV)322控制。空气和EGR在进气歧管250中以由阀门控制的速率混合。最后，通过致动CRV 302使压缩机314保持远离喘振区域(surgeregion)。
没有转移到进气歧管250的排气被连通到涡轮增压器316的废气门控涡轮机324，其中废气门阀(WG)326用于控制流体旁通的部分。通过这样做，可以将进入涡轮机324并因此增压的能量控制在一定限度内。该控制包括计算IAT 320、EGV 322和WG 326致动器命令以实现目标发动机新鲜空气流量(FAF)、EGR分数和/或增压。
在化学计量发动机中，FAF与发动机功率直接相关，因此根据驾驶员扭矩请求和发动机速度计算目标FAF。另一方面，用EGR分数减少爆震和PMEP和NOx。EGR分数目标通常被校准为(至少)负载和发动机202速度的函数。最后，有三个执行器允许三个参考(如果可行)的跟踪。空气处理控制的最终目标是涡轮增压器增压，它允许通过泵送效率来权衡(tradeoff)瞬态性能。实现这种权衡的共同目标是IAT 320上的压力下降，其可以例如根据发动机202的负载和速度来存储。
控制是使用AH部件的物理模型设计的，这大大减少了对经验表查找的需求，以解决系统非线性和环境条件的变化。FAF和EGR分数控制性能如图8所示。图18A是联邦测试程序(FTP)循环过程中新鲜空气流的曲线图且图18B是联邦测试程序(FTP)循环过程中EFR分数跟踪的曲线图。总体而言，FAF和EGR分数仍然位于参考值之上，几乎没有例外，其中大部分与涡轮假脱机有关。空闲区域期间的大EGR分数偏差对应于低流量下的EGR流量测量误差。由于EGR阀322在这些区域期间保持关闭，因此实际跟踪误差为零。
空燃比控制
TWC的转换效率与AFR直接相关。因此，AFR是控制系统排放的强大杠杆。图19是根据一个实施例的空气/燃料比控制系统的示意图。AFR控制系统包括具有两环(内环和外环)的级联控制系统。内环调节燃料喷射器的接通时间以精确地跟踪AFR目标，而外环基于催化剂状态确定AFR目标以获得排放成分的最佳转换效率。
内循环由前馈和反馈燃料调度(scheduling)组成。前馈加燃料基于气缸中估计的空气质量调度燃料喷射器接通时间，而反馈基于位于涡轮增压器之后的宽带λ传感器修整前馈计算。由于反馈回路响应缓慢，AFR控制的瞬态性能主要由前馈加燃料决定。由于与空气动力学相比其快速响应时间，喷射器的动态可以忽略不计。因此，空气估计器的精度在定义内环控制性能中起着最重要的作用。开发了一种基于物理的方法，其利用充气虚拟传感器和EGR流量传感器，以准确地预测到气缸的空气流量。图20A-B示出了在不同发动机速度下空气估计器的发动机确定。
外环由前馈平均AFR目标表组成。反馈控制基于位于中间(第一催化剂TWC1和第二催化剂TWC2之间)的宽带O2传感器修整AFR目标。前馈平均λ值通过在各种发动机202操作条件下的稳态催化剂特性测试来预先确定。目标是在中间位置保持恒定的AFR目标，以优化所有排放成分的转换。图21A-D是表示外环控制对从图3的系统200排出的排气成分的影响的曲线图。图21A-D示出了外环控制对系统排放的影响。从各个曲线图中可以清楚地看到具有外环控制的益处。然而，为了满足超低NOx要求，还可以观察到排放成分之间的权衡。
后处理
各种实施方案包括紧密联接的后处理结构，以满足系统输出的超低NOx排放要求。后处理架构由紧密联接的TWC和地面下TWC组成。该架构在高系统效率和封装约束之间提供了适当的妥协。紧密联接的后处理架构在管理冷启动和热启动瞬态排放控制方面表现出卓越的性能。此外，通过基准评估，选择“TWC技术A”以在进入化学计量λ(即空气/燃料比)下实现高NOx转化率和甲烷(CH4)转化率。后处理系统的铂族金属(PGM)负载在紧密联接和地板下TWC之间的设计不同。
图22A-C是在重型冷FTP瞬时循环过程中NOx(图22A)、CH4(图22B)和CO(图22C)排放量的曲线图。排放量在发动机输出(EO)、紧密联接的催化剂输出(CC)和系统输出(SO)位置报告。在冷FTP瞬态循环期间，如图22A-C所示，紧密联合的TWC在加热地板下催化剂之前有效地管理了第一次0-50秒的NOx排放控制。CH4排放在很大程度上通过紧密联接的TWC控制前380秒。在冷FTP循环期间，紧密联接的TWC成功转换了超过70％的累积发动机排出的NOx排放和超过60％的累积发动机输出CH4排放。
图23A-C是在重型热FTP瞬时循环过程中NOx(图23A)、甲烷(图23B)和CO(图23C)排放量的曲线图。排放量在EO、CC和SO地点报告。在热FTP瞬态循环期间，如图23A-C所示，紧密联接架构转换了热FTP循环期间超过70％的累积发动机排出的NOx排放和超过65％的累积发动机输出CH4排放。
各种实施方案包括TWC模型，其能够紧密预测天然气应用的应用循环排放。开发这种模型的主要挑战包括动态储氧机制、复杂的CH4氧化和重整动力学及其与储氧动力学的相互作用、以及TWC应用期间空燃比控制的高度瞬态特性。这种TWC模型的准确性还可能取决于通过精心设计的测试和可靠的数据收集获得正确的动力学机制。
全球动力学TWC模型是在瞬态排放循环期间(例如冷联邦测试程序循环、热联邦测试程序循环和世界协调瞬态循环)使用仅在处理系统之后具有地板下的生产天然气发动机开发和验证的。图24A是累积NOx的曲线图且图24B是针对测试数据的累积CH4冷FTP瞬态循环转换性能预测的曲线图。如图24A-B所示，该模型在冷FTP循环期间对发动机台架测试结果具有后处理CH4和NOx性能的高可预测性。
系统集成
采用系统方法开发一种系统，该系统能够将NOx降低90％，低于现行标准，并且具有与柴油发动机相当的效率。利用如本文所述的进气歧管250、EGR组件270、排气歧管210和燃烧系统，发动机202的鲁棒性得到显著改善。发动机202的鲁棒性在图25中所示，其包括峰值气缸压力(PCP)和基线和发动机202(也称为“新发动机”)的CA50变化的曲线图，显示了峰值扭矩气缸至气缸以及循环到循环变化的改进，其具有西格玛误差条供参考。发动机202上的变化的减小允许更好地控制发动机202，实现更低的排放能力，改进的稳健性/操作范围，更高的发动机效率和增加的功率密度的能力。
除了减少变化之外，还解决了部件耐久性问题。涉及发动机耐久性的重要部件是气缸盖。头部温度的比较示于图26A-B，其为比较基线发动机图26A)和新发动机(图26B)的燃烧面温度的FEA模型。通过修改的设计改善了头部温度，以便降低最高温度并提供燃烧面的均匀冷却。基线和新发动机的比较如下所示。
除了气缸盖之外，排气系统还利用改进的高温材料以提高耐久性以及修改设计以改善歧管的损耗系数并改善EGR分数与发动机△p之间的关系，如图27所示。
以低发动机Δp驱动大量EGR的能力可以允许减少残余物，从而在高负载条件下支持EGR的宽操作范围，这进一步提供了爆震稳健性。高负荷下的EGR范围的一个例子如图28所示，用于峰值扭矩条件。
通过显著改进的发动机设计，控制装置也进行了重新设计，以改善空气处理、燃烧和空气/燃料比控制。该控制系统能够提供瞬态响应、鲁棒性和效率，同时严格控制NOx排放降低。空气处理系统的跟踪性能如图29所示。
使用本文所述的系统，实现了低于当前标准降低90％的NOx排放。排放结果如图30所示。根据各种实施例，利用冷/热FTP排放测试来证明符合0.02g/hp-hr的目标。除了减少的NOx排放之外，燃料经济性相对于满足另一目标的基线发动机显着改善，以证明对柴油发动机的等效燃料消耗。结果如图31所示。
应该注意，本文用于描述各种实施例的术语“示例的”旨在表示这样的实施例是可能的实施例的可能的示例、表示和/或说明(并且这样的术语不打算暗示这样的实施例必须是非凡的或最优的示例)。
如本文所使用的术语“连接”等意味着两个构件直接或间接地彼此连接。这种连接可以是静止的(例如永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这样的连接可以通过两个构件或者两个构件和任何另外的中间构部件彼此一体地形成为单个整体，或者通过两个构件或者两个构件和任何另外的中间构件相互连接来实现。
需要特别注意的是，各种示例实施例的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了一些实施例，但阅读本公开内容的本领域技术人员将容易地认识到实质上不脱离本文所述主题的新颖教导和优点的许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向等)。此外，应该理解的是，如本领域普通技术人员将理解的，来自本文公开的一个实施例的特征可以与本文公开的其他实施例的特征组合。各种示例实施例的设计、操作条件和布置也可以在不脱离本发明的范围的情况下进行其他替换、修改、变化和省略。
尽管说明书包含许多特定的实施方式细节，但这些不应该被解释为对权利要求的任一发明范围的限制，而是作为特定发明的特定实施方式的技术特征的描述。在本说明书中在单独实现的上下文中描述的某些特征也可以在单个实现中组合实现。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以在多个实现中单独或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然特征可以在上面描述为以某些组合起作用并且甚至最初要求如此，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或变型的子组合。

Claims (33)

1.一种排气歧管，其特征在于，包括：
多个排气进气管道，所述多个排气进气管道中的每一个构造成流体地联接到发动机并且构造成接收来自对应发动机汽缸的排气，所述多个排气进气管道的至少一个提供从相应的排气进气管道的排气进气管道入口到相应的排气进气管道的排气进气管道出口的减小的排气进气管道横截面积；
多个弯曲部，所述多个弯曲部中的每一个由相应的一个排气进气管道出口限定；和
排气进气歧管，所述排气进气歧管流体地联接到所述多个排气进气管道中的至少一个的排气进气管道出口，所述排气进气歧管限定排气进气歧管流动轴线，
其中所述多个弯曲部中的每一个被成形为限定流过相应的排气进气管道出口的排气的进入角，所述第一弯曲部相对于所述排气进气歧管流动轴线的第一进入角小于所述多个弯曲部的第二弯曲部的第二进入角，其中所述第一弯曲部构造成接收来自所述发动机的第一汽缸的排气，并且所述第二弯曲部构造成接收来自所述发动机的第二汽缸的排气，所述第一汽缸相对于所述第二汽缸定位在发动机的外部位置。
2.根据权利要求1所述的排气歧管，其特征在于，所述多个弯曲部中的第一弯曲部限定椭圆形横截面。
3.根据权利要求2所述的排气歧管，其特征在于，还包括流体地联接到所述排气进气歧管的出口，所述出口端口限定出口端口流体轴线，所述出口端口流体轴线定位成与所述排气进气歧管的排气进气歧管流体轴线正交。
4.根据权利要求3所述的排气歧管，其特征在于，限定所述排气进气管道的每一个的排气进气管道横截面积的减小、第一弯曲部的椭圆形横截面、和多个弯曲部的每一个的进入角以均衡靠近出口端口的压力脉冲振幅，该压力脉冲振幅由流体连接到排气进气歧管的发动机的多个气缸中的每个气缸中的燃烧引起。
5.根据权利要求4所述的排气歧管，其特征在于，进一步限定所述排气进气管道的每一个的排气进气管道横截面积的减小、第一弯曲部的椭圆形横截面、和所述多个弯曲部的每一个的进入角以最大化靠近出口端口的压力脉冲振幅，该压力脉冲振幅由流体连接到排气进气歧管的发动机的多个气缸中的每个气缸中的燃烧引起。
6.根据权利要求1所述的排气歧管，其特征在于，还包括：
第一面积表，所述第一面积表由多个排气进气管道的第一个的第一横截面面积限定，所述第一排气进气管道构造成接收来自发动机的第一气缸的排气，所述第一面积表限定沿着所述第一排气进气管道第一横截面积线性减少；和
第二面积表，所述第二面积表由多个排气进气管道的第二个的第二横截面面积限定，所述第二排气进气管道构造成接收来自发动机的第二气缸的排气，所述第二面积表限定沿着所述第二排气进气管道的第二横截面积非线性减少。
7.根据权利要求1所述的排气歧管，其特征在于，还包括至少一个与所述至少一个排气进气歧管流体连接的拉出导管，所述至少一个拉出导管的至少一部分限定拉出导管流体轴线，其定位成与排气进气歧管的流体轴线和出口端口的流体轴线的每一个正交。
8.根据权利要求1所述的排气歧管，其特征在于，所述至少一个出口端口使所述出口端口的出口端口横截面面积从所述出口端口的出口端口入口到出口端口出口减小。
9.根据权利要求8所述的排气歧管，其特征在于，所述至少一个出口端口构造成联接到涡轮机。
10.根据权利要求8所述的排气歧管，其特征在于，至少一个拉出导管的拉出导管第一部分可限定拉出导管从拉出导管第一部分入口到拉出导管第一部分出口减小的拉出导管横截面面积。
11.根据权利要求10所述的排气歧管，其特征在于，还包括：
扩散器，
其中，从所述至少一个拉出导管的拉出导管的第二部分流体地连接到所述扩散器和所述拉出导管的第一部分出口，所述拉出导管的第二部分限定了从拉出导管第一部分出口到拉出导管第二部分的拉出导管第二部分出口扩大的横截面积，并且其中拉出导管第二部分出口流体地连接到扩散器。
12.根据权利要求8所述的排气歧管，其特征在于，所述至少一个拉出导管包括多个弯曲部，并且其中所述多个弯曲部中的每个弯曲部限定椭圆形横截面。
13.一种系统，其特征在于，所述系统包括：
发动机，所述发动机包括多个汽缸，所述多个汽缸中的每一个构造成燃烧燃料以产生排气；和
排气歧管，所述排气歧管包括：
多个排气进气管道，所述多个排气进气管道中的每一个构造成流体地连接到发动机并构造成接收来自发动机的相应气缸的排气；
至少一个排气进气歧管，所述多个排气进气管道的至少一部分的排气进气管道出口流体地联接到所述至少一个排气进气歧管；和
用于均衡由多个气缸中的每个气缸中的燃烧引起的压力脉冲振幅的装置。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，还包括至少一个流体地联接到所述至少一个排气进气歧管的至少一个出口端口，所述至少一个出口端口限定出口端口流体轴线，所述出口端口流体轴线定位成与所述排气进气歧管的排气进气歧管流体轴线正交。
15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述用于均衡压力脉冲振幅的装置包括：
多个排气进气管道中的至少一个的排气进气管道入口和排气进气管道出口，所述排气进气管道入口的横截面大于所述排气进气管道出口的横截面，从而引起排气进气管道的进气管道横截面面积从排气进气管道入口到排气进气管道出口减少；和
多个弯曲部，所述多个弯曲部中的每一个由相应的一个排气进气管道出口限定；
其中多个所述弯曲部中的每一个被成形为限定流过相应的排气进气管道出口的排气的进入角，所述多个弯曲部的所述第一弯曲部相对于所述排气进气歧管流动轴线的第一进入角小于所述多个弯曲部的第二弯曲部的第二进入角，其中所述第一弯曲部构造成接收来自所述发动机的第一汽缸的排气，并且所述第二弯曲部构造成接收来自所述发动机的第二汽缸的排气，所述第一汽缸相对于所述第二汽缸定位在发动机的外部位置。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述多个弯曲部中的第一弯曲部限定椭圆形横截面。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，还包括：
与所述至少一个进气歧管流体连接的至少一个拉出导管，所述至少一个拉出导管的至少一部分限定拉出导管流体轴线，所述拉出导管流体轴线定位成与排气进气歧管的流体轴线和出口端口的流体轴线的每一个正交。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述用于均衡所述压力脉冲振幅的装置还包括所述至少一个拉出导管的拉出导管的第一部分，所述拉出导管的第一部分限定了从拉出导管第一部分入口到其拉出导管第一部分出口的减小的拉出导管横截面面积。
19.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述压力均衡装置使所述多个气缸中的每个气缸的温度基本相同。
20.一种排气歧管，其特征在于，包括：
第一排气进气管道，其构造成流体地连接到发动机并构造成接收来自发动机的第一气缸的排气；
第二排气进气管道，其构造成流体地连接到发动机并构造成接收来自发动机的第二气缸的排气，该发动机具有多个气缸，其中第一气缸相对于第二气缸位于发动机的外部位置；
由第一排气进气管道的第一排气进气管道出口限定的第一弯曲部，所述第一弯曲部成形为限定流过第一排气进气管道出口的排气的第一进入角；
由第二排气进气管道的第二排气进气管道出口限定的第二弯曲部，所述第二弯曲部成形为限定流过第二排气进气管道出口的排气的第二进入角；和
排气进气歧管，其流体地联接到第一排气进气管道和第二排气进气管道的每一个，并且所述排气进气歧管限定排气进气歧管流体轴线，
其中，相对于排气进气歧管流体轴线第一进入角小于第二进入角。
21.根据权利要求20所述的排气歧管，其特征在于，所述第一弯曲部限定椭圆形横截面。
22.根据权利要求20所述的排气歧管，其特征在于，所述第二排气进气管道在入口处限定构造成靠近所述发动机的第三横截面面积和靠近所述排气进气歧管的第四横截面面积，所述第三横截面面积大于第四横截面面积。
23.根据权利要求20所述的排气歧管，其特征在于，所述排气进气歧管是第一排气进气歧管，并且还包括：
第二排气进气歧管，所述第二排气进气歧管流体连接到发动机；
在第一端和第二端之间延伸的第一拉出导管，所述第一端流体连接到第一排气进气歧管，所述第一拉出导管在所述第一端限定第五横截面面积以及在所述第二端限定第六横截面面积，所述第五截面面积大于所述第六截面面积；和
在第三端和第四端之间延伸的第二拉出导管，所述第三端流体连接到第二排气进气歧管，所述第二拉出导管在所述第三端限定第七横截面面积以及在所述第四端限定第八横截面面积，所述第七横截面积大于所述第八横截面积。
24.根据权利要求23所述的排气歧管，其特征在于，还包括：
流体连接所述第一拉出导管和所述第二拉出导管的接头；
第三拉出导管，所述第三拉出导管流体连接到所述接头；和
扩散器，所述扩散器流体连接到所述第三拉出导管。
25.根据权利要求20所述的排气歧管，其特征在于，还包括：
出口端口，其流体地连接到排气进气歧管并且构造成流体地连接到涡轮增压器，所述出口端口限定出口端口流体轴线，所述出口端口流体轴线与排气进气歧管的排气进气歧管流体轴线正交定位；和
至少一个与所述至少一个排气进气歧管流体连接的拉出导管，所述至少一个拉出导管的至少一部分限定拉出导管流体轴线，所述拉出导管流体轴定位成与所述排气进气歧管的流体轴线和所述出口端口流体轴线的每一个正交。
26.一种排气歧管，其特征在于，包括：
多个排气进气管道，所述多个排气进气管道中的每一个构造成流体地连接到发动机并构造成接收来自发动机的相应气缸的排气；和
排气进气歧管，所述排气进气歧管流体地联接到所述多个排气进气管道中的至少一个的排气进气管道出口，
其中，所述多个排气进气管道和所述排气进气歧管中的每一个限定排气进气歧管芯体容积，且
其中，所述多个排气进气管道和所述排气进气歧管中的每一个成形为基于所述发动机的排量、所述发动机的预期运行功率和排气流经排气歧管的所述预期流速中的至少一个来限定所述排气进气歧管芯体容积。
27.根据权利要求26所述的排气歧管，其特征在于，所述多个排气进气管道和所述排气进气歧管中的每一个成形为基于所述发动机的排量、所述发动机的预期运行功率和排气流经排气歧管的所述预期流速中的至少两个来限定所述排气进气歧管芯体容积。
28.根据权利要求26所述的排气歧管，其特征在于，所述多个排气进气管道和所述排气进气歧管中的每一个成形为基于所述发动机的排量、所述发动机的预期运行功率和排气流经所述排气歧管的所述预期流速中的每一个来限定所述排气进气歧管芯体容积。
29.根据权利要求26所述的排气歧管，其特征在于，对于具有较大排量的发动机，所述排气进气歧管芯体容积较大。
30.根据权利要求26所述的排气歧管，其特征在于，对于具有较高预期运行功率的发动机，所述排气进气歧管芯体容积较大。
31.根据权利要求26所述的排气歧管，其特征在于，对于具有通过所述排气歧管的较高的预期排气流速的发动机，所述排气进气歧管芯容积较大。
32.根据权利要求26所述的排气歧管，其特征在于，所述多个排气进气管道是第一多个排气进气管道，其中所述排气进气歧管是第一排气进气歧管，并且其中所述排气进气歧管芯体容积是第一排气进气歧管芯体容积，还包括：
第二多个排气进气管道，所述第二多个排气进气管道中的每一个构造成流体地连接到发动机并构造成接收来自发动机的相应气缸的排气；和
第二排气进气歧管，所述第二排气进气歧管流体地联接到所述多个第二排气进气管道中的至少一个的第二排气进气管道出口，
其中，所述多个第二排气进气管道和所述第二排气进气歧管中的每一个限定第二排气进气歧管芯体容积，且
其中，所述多个第二排气进气管道和所述第二排气进气歧管中的每一个被成形为使得所述第二排气进气歧管芯容积与所述第一排气进气歧管芯体容积相同。
33.一种进气歧管，其特征在于，包括：
第一入口，所述第一入口构造成流体地连接到涡轮增压器，以便从涡轮增压器接收加压的进气；
第二入口，所述第二入口构造成流体连接到排气再循环系统，以便从排气再循环系统接收排气再循环气体；
第三入口，所述第三入口构造成流体连接到燃料管线，以便从燃料管线接收燃料；
多个出口，所述多个出口构造成流体连接到发动机；和
进气歧管通道，所述进气歧管通道在第一、第二和第三入口中的每一个和所述多个出口之间延伸，所述进气歧管通道成形为使得进气、排气再循环气体、和流经所述进气歧管通道的燃料的每一个的流动方向至少两个回流，以改善进气、排气再循环气体和燃料的每一个的混合。
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