CN114555924A - 能够在至少两种运行模式下运行的内燃机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机系统(100)，包括：‑内燃机(2)，其包括容纳多个汽缸(4)的缸体(3)、连接到第一组汽缸(4a)的第一进气歧管(6a)、连接到第二组汽缸(4b)的不同的第二进气歧管(6b)以及用于分别接收从第一和第二组汽缸(4a、4b)排出的排气的第一和第二排气歧管(8a、8b)；‑空气入口管线(10)；‑EGR管线(20)，其连接到第一和第二排气歧管(8a、8b)；其中，内燃机系统可在至少两种运行模式下运行，所述至少两种运行模式分别是所有汽缸均被供应燃料的正常运行模式以及第一组汽缸(4a)的汽缸不再被供应燃料的再生运行模式，其特征在于：‑该系统还包括混合单元(30)，该混合单元(30)包括四通阀，所述四通阀(30)具有连接到EGR管线(20)的第一入口(31)和连接到空气入口管线(10)的第二入口(32)、连接到第一进气歧管(6a)的第一出口(33)以及连接到第二进气歧管(6b)的第二出口(34)；‑四通阀被设计成使得，在所述正常运行模式下，供应到第一进气歧管(6a)和第二进气歧管(6b)的进气具有大致相同比例的排气，并且在所述再生运行模式中，供应到第一进气歧管(6a)的进气仅包括排气。

Description

能够在至少两种运行模式下运行的内燃机系统
技术领域
本发明涉及一种能够在至少两种运行模式下运行的内燃机，所述至少两种运行模式分别是正常运行模式和再生运行模式。
本发明可应用于重型车辆，诸如卡车、公共汽车和建筑设备。尽管本发明将针对卡车进行描述，但本发明不限于这种特定的车辆，还可以用于其它车辆，诸如公共汽车、建筑设备和乘用车。本发明还可以用于其它运输工具，诸如轮船和船只。
背景技术
对于车辆内燃机，诸如用于重型车辆的柴油型发动机，通常提供排气后处理系统(EATS)以减少例如氮氧化物(NOx)的排放。这种可以包括诸如选择性催化还原(SCR)转化器的单元的系统需要相对高的排气温度以提供高效的排放减少。
然而，减少燃料消耗的措施可能会减少从发动机到EATS的热量损失。因此，特别是在低负载运行、寒冷的环境温度和/或冷启动事件时，EATS可能无法获得足够的热量来高效运行。
为了提高发动机排气和再生EATS部件的温度，一种已知的解决方案包括停用发动机汽缸中的一些发动机汽缸。这导致输送到其它(活动)汽缸的燃料量增加，以补偿由于汽缸停用而导致的功率下降并且保持相同的扭矩。随着更多的燃料燃烧，排气温度自动升高。
这种解决方案已在US 4,303,053和US 2016/0298557中公开。
然而，该现有技术中提出的解决方案导致发动机结构的复杂性增加，并减少了发动机周围的自由空间，这是车辆安装过程中的主要缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种可在至少两种运行模式下运行的内燃机系统，所述至少两种运行模式分别是正常运行模式和再生运行模式，在再生运行模式中发动机汽缸中的一些发动机汽缸被停用，并且其中避免了已知解决方案的缺点。
该目的通过根据权利要求1所述的系统实现。因此，该目的通过内燃机系统实现。内燃机系统包括：
-内燃机，包括容纳多个汽缸的缸体、连接到第一组汽缸的第一进气歧管、连接到第二组汽缸的不同的第二进气歧管以及用于接收从所述第一组汽缸排出的排气的第一排气歧管和用于接收从所述第二组汽缸排出的排气的第二排气歧管；
-空气入口管线；
-EGR管线，所述EGR管线连接到第一排气歧管和第二排气歧管；
其中，所述内燃机系统能够在至少两种运行模式下运行，所述至少两种运行模式分别是所有汽缸均被供应燃料的正常运行模式以及所述第一组汽缸的汽缸不再被供应燃料的再生运行模式，
其特征在于：
-所述系统还包括混合单元，所述混合单元包括四通阀，所述四通阀具有连接到所述EGR管线的第一入口、连接到空气入口管线的第二入口、连接到所述第一进气歧管的第一出口和连接到所述第二进气歧管的第二出口；
-四通阀被设计成使得，在所述正常运行模式下，供应到所述第一进气歧管和所述第二进气歧管的进气具有大致相同比例的排气，并且在所述再生运行模式中，供应到所述第一进气歧管的进气仅包括排气。
如此构造，本发明的系统允许通过使用发动机进气歧管上游的混合单元来控制供应到发动机汽缸的新鲜空气和排气的流动。因此，该混合单元允许在再生运行模式期间切断停用的发动机汽缸内的新鲜空气供应，同时在正常运行模式期间维持所有发动机汽缸内的新鲜空气和排气的混合物的供应。该混合单元相对于现有技术的解决方案具有保持发动机结构相对简单并且对整个系统的尺寸具有较低影响的优点。
根据本发明的另一方面，该目的通过根据权利要求13所述的车辆来实现。
本发明的其它优点和有利特征在以下描述和从属权利要求中公开。
附图说明
参考附图，下面对作为示例引用的本发明的实施例进行更详细的描述。
在图纸中：
图1是包括内燃机的卡车的侧视图，以及
图2是根据本发明的内燃机系统的示意图，该内燃机系统属于图1的车辆；
图3是本发明的第一实施例的图2所示的内燃机系统的上部分的横截面透视图；
图4a是图3所示的内燃机系统的混合单元的放大图，混合单元处于关闭构造；
图4b是类似于图4a的视图，混合单元处于第一部分打开构造；
图4c是类似于图4a的视图，混合单元处于第二部分打开构造；
图4d是类似于图4a的视图，混合单元处于完全打开构造；
图5是本发明的第二实施例的图2所示的内燃机系统的混合单元的横截面视图。
具体实施方式
图1以部分剖开的侧视图示出了卡车形式的车辆1。车辆1具有用于推进车辆的内燃机2。
参考图2，示出了内燃机系统100，其用于图1的车辆或包括内燃机的任何其它车辆中。系统100包括具有缸体3的内燃机2，缸体3具有多个汽缸4，例如，直列式构造的六个汽缸4。汽缸4分为第一组汽缸4a和第二组汽缸4b。在所示的示例中，在第一组汽缸4a中有三个汽缸4，在第二组汽缸4b中有三个汽缸4。应当注意，本发明同样适用于具有不同汽缸数的发动机，例如汽缸数为两个、三个、七个等。此外，第一组汽缸4a和第二组汽缸4b中的汽缸数可以相互不同。此外，汽缸可以具有不同于直列式构造的构造，例如V形构造。
此外，内燃机2具有用于向第一组汽缸4a提供气体的第一进气歧管6a和用于向第二组汽缸4b提供气体的第二进气歧管6b。内燃机2还具有用于接收从第一组汽缸4a排出的排气的第一排气歧管8a和用于接收从第二组汽缸4b排出的排气的第二排气歧管8b。在替代实施例(未示出)中，第一排气歧管8a和第二排气歧管8b可以共同形成单个排气歧管。
排气的一部分被引导至包括涡轮机16和空气压缩机18的涡轮增压器14，并且被继续向前引导至排气后处理系统22。涡轮增压器14可以用于压缩通过空气入口管线10并且经由混合单元30而供应到第一进气歧管6a和第二进气歧管6b的新鲜空气，空气入口管线和混合单元将在以下段落中详细描述。新鲜空气在被压缩之前可以在空气过滤器24中过滤，并且可以在被压缩之后在增压空气冷却器26中冷却。
排气后处理系统22通常包括多个排气后处理单元，诸如，柴油氧化催化器、微粒过滤器和选择性催化反应器(SCR)。
SCR单元是一种通过催化剂将氮氧化物转化为氮气和水的装置。这些反应的最佳温度范围通常在大约250℃和大约450℃之间。在发动机的正常(驱动)运行模式期间，可以很容易地保持该最佳运行温度。
然而，在内燃机2的怠速或机动发动机运行模式期间，排气的温度下降。其原因是环境温度下的新鲜空气被供给到进气歧管6a、6b，即使燃烧显着减少(如在怠速发动机运行模式中)或根本不发生燃烧(如在机动发动机运行模式中)也是如此。这继而意味着内燃机2简单地将新鲜和冷空气泵送到排气歧管8a、8b并继续向前进入排气后处理系统22。这种冷空气使排气后处理系统22迅速冷却到低于它的最佳运行温度，这继而导致差的排气净化或没有排气净化，从而无法达到所需的排放水平。
为了增加流过排气后处理系统22的排气的温度，本发明提出在再生运行模式下运行系统100，在再生运行模式期间，第一组汽缸4a的汽缸4被控制为不活动，这意味着没有燃料喷射到第一组汽缸4a的汽缸4中，并且在此期间相反的是，第二组汽缸4b的汽缸4被控制为活动的。这意味着在再生运行模式下运行发动机所需的负载仅由第二组汽缸4b提供。这继而意味着来自第二组汽缸4b的排气具有比来自第一组汽缸4a的排气显着更高的温度，这继而增加了整个排气的总温度。
此外，系统100包括EGR管线20，该EGR管线20分别在第一排气歧管8a和第二排气歧管8b处分支，所述EGR管线20流体连接到混合单元30。EGR管线20因此适于向混合单元30供应由内燃机2产生的再循环排气。可以有利地提供布置在第一排气歧管8b下游的第一EGR阀5a和布置在第二排气歧管8b下游的第二EGR阀5b，用于调节供应到EGR管线20的再循环排气量。
混合单元30包括流体连接到EGR管线20的第一入口31、流体连接到空气入口管线10的第二入口32、经由第一管道35流体连接到第一进气歧管6a的第一出口33以及通过第二管道36流体连接到第二进气歧管6b的第二出口34。混合单元30适于控制由空气入口管线10和EGR管线20供应到第一进气歧管6a和第二进气歧管6b的新鲜空气和排气的流动。具体地，在系统100的再生运行模式中，混合单元30适于防止新鲜空气流到第一进气歧管6a和排气流到第二进气歧管6b，同时允许排气流到第一进气歧管6a并且新鲜空气流到第二进气歧管6b。这对应于混合单元30的关闭构造。相反，在系统100的正常运行模式中，混合单元30适于允许新鲜空气和排气的混合物流到第一进气歧管6a和第二进气歧管6b两者。这对应于混合单元30的完全打开构造。此外，在混合单元30的部分打开构造中，混合单元30可以防止新鲜空气流到第一进气歧管6a，但可以允许排气流到第一进气歧管6a和第二进气歧管6b两者。系统100可以有利地包括控制器40，用于根据系统100的运行模式来控制混合单元30的打开、关闭和/或部分打开。
图3示出了本发明第一实施例中图2所示的内燃机系统100的上部分。在该实施例中，如图4d最佳所示，混合单元30包括四通阀，该四通阀包括限定内腔38的外壳37。内腔38具有与四通阀30的第一入口31和第一出口33流体连通的第一部分38a，以及与四通阀30的第二入口32和第二出口34流体连通的第二部分38b，第一部分38a和第二部分38b被中心开口38c分隔开。四通阀30还包括阀瓣39，阀瓣39具有基本扁平的形状，并且包括底端39a和顶端39b。阀瓣39围绕与中心开口38c基本对齐的枢轴39c枢转地连接到外壳37。阀瓣39的长度大于中心开口38c的宽度。因此，如图4a所示，当阀瓣39的底端39a和顶端39b与中心开口38c基本对齐时，阀瓣39邻接抵靠于由外壳37限定的底部邻接表面37a和顶部邻接表面37b，并且关闭中心开口38c。在阀30的这种关闭构造中，由空气入口管线10供应的新鲜空气仅被引导通过第二组汽缸4b。第一组汽缸4a的新鲜空气的吸入因此被控制为零或几乎为零。同时，由EGR管线20供应的全部排气流仅被引导通过第一组汽缸4a。因此，当第一组汽缸4a的汽缸4被控制为不活动并且第二组汽缸4b的汽缸4被控制为活动时，阀30的这种关闭构造将导致整个排气的总温度升高。
参考图4b，其示出了阀30的第一部分打开构造，其中阀瓣39处于其在图4a中所示的位置和其在图4d中所示的位置之间的中间位置。在该位置，阀瓣39的底端和顶端39a、39b靠近底部和顶部邻接表面37a、37b但不接触它们。此外，底端39a与外壳37的底部内表面37c密封接触。该底部内表面37c基本上限定了以枢轴39c为中心的半圆柱形的部分，所述表面37c和所述枢轴39c之间的距离基本上等于底端39a的长度。因此，该密封接触防止在内腔38的底部部分中的在第一部分38a和第二部分38b之间的气体流动。同时，顶端39b距顶部内表面37d的距离足以允许在内腔38的顶部部分中的在第一部分38a和第二部分38b之间的气体的流动。阀30的这种第一部分打开构造将因此导致引导少量排气流过第二组汽缸4b，同时防止新鲜空气流过第一组汽缸4a。
参考图4c，其示出了阀30的第二部分打开构造，其中阀瓣39处于其在图4b中所示的位置和其在图4d中所示的位置之间的中间位置。在该位置，阀瓣39的底端39a和顶端39b距底部邻接表面37a和顶部邻接表面37b以及距底部内表面37c和顶部内表面37d的距离足以允许在内腔38的底部部分和顶部部分两者中的在第一部分38a和第二部分38b的之间的少量气体流动。阀30的这种第二部分打开构造将因此导致引导少量排气流过第二组汽缸4b，同时还允许少量新鲜空气流过第一组汽缸4a。
参考图4d，其示出了阀30的完全打开构造。在这种构造中，阀瓣39的底端39a和顶端39b距底部邻接表面37a和顶部邻接表面37b以及距底部内表面37c和顶部内表面37d的距离足以允许在内腔38的底部部分和顶部部分两者中的在第一部分38a和第二部分38b之间不受限制的气体流动。阀30的这种构造对应于系统100的正常运行模式，其中排气和新鲜空气的混合物被供应到第一组汽缸4a和第二组汽缸4b的汽缸4。
参考图5，示出了四通阀30的替代实施例。在该实施例中，内腔38的第一部分38a和第二部分38b由半圆柱形的中心开口38c分隔开。起到与图3的实施例的阀瓣相同的作用的关闭元件39包括半圆柱形的壁，该壁具有与中心开口38c基本相同的形状，所述壁在内腔38中能够可旋转地在第一位置和第二位置之间移动，该第一位置以虚线示出，在该第一位置中，所述壁与中心开口38c角向对齐以将其关闭，该第二位置以实线示出，在该第二位置中所述壁从中心开口38c角向偏移以将其完全打开。关闭元件39的第一位置对应于阀30的关闭构造，并且闭合元件39的第二位置对应于阀30的完全打开构造。关闭元件39可以有利地设置在所述第一位置和第二位置之间的中间位置(未示出)，其中关闭元件39从中心开口38c略微角向偏移以将其部分地打开。该中间位置对应于阀30的部分打开构造。
应当理解，本发明不限于上述和附图所示的实施例；相反，本领域技术人员将认识到可以在所附权利要求书的范围内进行许多改变和修改。

Claims (13)

1.一种内燃机系统(100)，包括：
-内燃机(2)，所述内燃机(2)包括容纳多个汽缸(4)的缸体(3)、被连接到第一组汽缸(4a)的第一进气歧管(6a)、被连接到第二组汽缸(4b)的不同的第二进气歧管(6b)以及第一排气歧管(8a)和第二排气歧管(8b)，所述第一排气歧管(8a)用于接收从所述第一组汽缸(4a)排出的排气并且所述第二排气歧管(8b)用于接收从所述第二组汽缸(4b)排出的排气；
-空气入口管线(10)；
-EGR管线(20)，所述EGR管线(20)被连接到所述第一排气歧管(8a)和所述第二排气歧管(8b)；
其中，所述内燃机系统能够在至少两种运行模式下运行，所述至少两种运行模式分别是所有汽缸均被供应燃料的正常运行模式以及所述第一组汽缸(4a)的汽缸不再被供应燃料的再生运行模式，
其特征在于：
-所述系统还包括混合单元(30)，所述混合单元(30)包括四通阀，所述四通阀(30)具有被连接到所述EGR管线(20)的第一入口(31)、被连接到所述空气入口管线(10)的第二入口(32)、被连接到所述第一进气歧管(6a)的第一出口(33)和被连接到所述第二进气歧管(6b)的第二出口(34)；
-所述四通阀被设计成使得：在所述正常运行模式下，被供应到所述第一进气歧管(6a)和所述第二进气歧管(6b)的进气具有大致相同比例的排气，并且在所述再生运行模式下，被供应到所述第一进气歧管(6a)的进气仅包括排气。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，控制所述四通阀，使得在所述再生运行模式下，被供应到所述第二进气歧管(6b)的进气包括仅新鲜空气或新鲜空气和排气的混合物。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100)，其特征在于，所述四通阀(30)包括限定内腔(38)的外壳(37)，所述内腔(38)具有第一部分(38a)和第二部分(38b)，所述第一部分(38a)与所述四通阀(30)的所述第一入口(31)和所述第一出口(33)流体连通，所述第二部分(38b)与所述四通阀(30)的所述第二入口(32)和所述第二出口(34)流体连通，所述第一部分(38a)和所述第二部分(38b)被中心开口(38c)分隔开，所述中心开口(38c)被关闭元件(39)选择性地关闭。
4.根据权利要求3所述的系统(100)，其特征在于，所述关闭元件(39)包括在所述内腔(38)内能够可旋转地移动的阀瓣。
5.根据权利要求4所述的系统(100)，其特征在于，所述阀瓣具有底端(39a)和顶端(39b)，所述阀瓣(39)能够在第一位置、第二位置以及优选地中间位置之间可旋转地移动，在所述第一位置中，所述阀瓣(39)的底端(39a)邻接抵靠于底部邻接表面(37a)并且所述阀瓣(39)的顶端(39b)邻接抵靠于顶部邻接表面(37b)，所述底部邻接表面(37a)和所述顶部邻接表面(37b)由所述外壳(37)限定，并且在所述第一位置中所述阀瓣(39)关闭所述中心开口(38c)，在所述第二位置中，所述阀瓣(39)的底端(39a)和顶端(39b)远离所述底部邻接表面(37a)和所述顶部邻接表面(37b)，并且在所述第二位置中所述阀瓣(39)完全打开所述中心开口(38c)，并且所述中间位置处于所述第一位置和所述第二位置之间，在所述中间位置中，所述阀瓣(39)的底端(39a)和顶端(39b)靠近所述底部邻接表面(37a)和所述顶部邻接表面(37b)，并且在所述中间位置中所述阀瓣(39)在所述内腔的靠近所述顶部邻接表面(37b)的顶部部分中打开所述中心开口(38c)同时在所述内腔的靠近所述底部邻接表面(37a)的底部部分中关闭所述中心开口(38c)。
6.根据权利要求5所述的系统(100)，其特征在于，在所述阀瓣(39)的所述中间位置中，所述阀瓣(39)的底端(39a)与所述外壳(37)的底部内表面(37c)密封接触，从而防止在所述内腔的底部部分中的在所述内腔(38)的所述第一部分(38a)和所述第二部分(38b)之间的通过所述中心开口(38c)的气流，并且所述阀瓣(39)的顶端(39b)距所述外壳(37)的顶部内表面(37d)一定距离，从而允许在所述内腔的顶部部分中的在所述第一部分(38a)和所述第二部分(38b)之间的通过所述中心开口(38c)的气流。
7.根据权利要求3所述的系统(100)，其特征在于，所述关闭元件(39)包括具有与所述中心开口(38c)基本相同的形状的半圆柱形的壁，所述壁(39)在所述内腔(38)内能够可旋转地移动。
8.根据权利要求7所述的系统(100)，其特征在于，所述关闭元件(39)能够在第一位置、第二位置以及优选地中间位置之间移动，在所述第一位置中，所述关闭元件与所述中心开口(38c)角向对齐以将所述中心开口关闭，在所述第二位置中，所述关闭元件从所述中心开口(38c)角向偏移以将所述中心开口完全地打开，所述中间位置在所述第一位置和所述第二位置之间，在所述中间位置中，所述关闭元件从所述中心开口(38c)略微角向偏移以将所述中心开口部分地打开。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100)，其特征在于，所述系统还包括用于控制所述四通阀(30)的打开、关闭和/或部分打开的控制器(40)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100)，其特征在于，在排气流向所述EGR管线(20)的路径上分别在所述第一排气歧管(8a)和所述第二排气歧管(8b)的下游布置EGR阀(5a、5b)，所述EGR阀(5a、5b)控制通过所述EGR管线(20)的排气流。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100)，其特征在于，所述第一排气歧管(8a)和第二排气歧管(8b)共同形成单个排气歧管。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100)，其特征在于，所述系统(100)包括涡轮增压器(14)，所述涡轮增压器包括空气压缩机(18)和用于驱动所述压缩机(18)的涡轮机(16)，所述涡轮机(16)被布置成由从第一排气歧管(8a)和所述第二排气歧管(8b)流到排气后处理系统(22)的排气驱动，所述空气压缩机(18)被布置成将压缩空气供应到所述空气入口管线(10)。
13.一种车辆(1)，包括根据前述权利要求中任一项所述的内燃机系统(100)。
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