燃料空气分离器和发动机系统的制作方法

燃料空气分离器和发动机系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及燃料空气分离器和脉冲阻尼器。燃料空气分离器包括具有内部侧壁表面以及邻近的内部顶表面和底表面的腔室。燃料空气分离器的进口通向内部侧壁表面，以便允许燃料和空气进入并引起燃料和空气向下沿着内部侧壁表面螺旋形地流动。吸管通向底表面且沿着内部侧壁表面的轴线延伸至燃料出口，同时将分离的空气释放到大气。
【专利说明】燃料空气分离器和发动机系统

【技术领域】
[0001] 本申请涉及机动车辆工程领域，更具体地，涉及分离机动车辆燃料系统中的空气 与燃料。

【背景技术】
[0002] 在具有高压燃料喷射的机动车辆燃料系统中，燃料中夹带的空气可能具有多种不 良影响。这样的影响包含发动机暂停和停转、困难启动和对燃料喷射系统的损害。在当前 的技术发展水平中，可在燃料泵和压力调节器元件部分中，和最通常地在燃料过滤器外壳 中将夹带的空气与燃料分离。可允许分离的空气进入燃料喷射系统的燃料回流管路，将其 带回到燃料箱，在那里将其排放到大气。
[0003] 上面总结的解决方案有几个劣势。首先，存在于燃料过滤器外壳中的空气可以限 制燃料过滤器的有效过滤面积，以相对高的流速引起燃料过滤器下游的不适当的增压。第 二，在现代机动车辆系统中，多种部件（例如，加热部件）可以将燃料从燃料回流管路送回 到发动机供给管路。如果燃料回流管路运输与燃料分离的空气，该空气将会被再次引回到 发动机供给管路。第三，用于将夹带的空气与燃料分离的元件部分通常很少衰减来自燃料 系统的往复的燃料泵的压力脉冲。因此，可需要另外的元件部分将稳定的燃料流运送给发 动机。 实用新型内容
[0004] 因此，本公开的一个实施例提供具有腔室的燃料空气分离器，其中所述腔室具有 内部侧壁表面以及邻近的内部顶表面和底表面。燃料空气分离器的进口通向内部侧壁表 面，以便允许燃料和空气进入并引起燃料和空气向下沿着内部侧壁表面螺旋形地流动。吸 管通向底表面且沿着内部侧壁表面的轴线延伸至燃料出口。在腔室的顶表面上包含空气出 口，以便将分离的空气释放到大气。利用在机动车辆燃料系统中安装的公开的分离器，且 以不限制燃料过滤器的有效过滤面积或空气到发动机供给管路的再次引入的方式，有效地 将夹带的空气与燃料分离。另外，公开的燃料空气分离器提供由燃料泵往复运动造成的压 力脉冲的有效衰减，能够将燃料更稳定地运送给发动机。
[0005] 在另一个实施例中，提供了在机动车辆燃料系统的燃料空气分离器中将空气与燃 料分离的方法。方法包括：准许燃料和空气切线地进入到燃料空气分离器的腔室的内部侧 壁表面上；在由向下沿着内部侧壁表面的燃料和空气的螺旋形流动引起的地心引力下将空 气与燃料分离；在腔室的内部底表面上聚集燃料；通过通向腔室的内部底表面且平行于内 部侧壁表面的轴线延伸的吸管将燃料释放；和通过腔室的内部顶表面处的出口释放空气。
[0006] 在另一个实施例中，方法进一步包括将腔室内的空气柱暴露于允许进入的燃料和 空气的压力脉冲，以便衰减压力脉动。
[0007] 在另一个实施例中，来自机动车辆的发动机系统的加压的燃料管路的燃料和空气 允许进入，方法进一步包括将通过吸管释放的燃料运送给燃料系统的燃料喷射器。
[0008] 在另一个实施例中，将释放的空气排放到大气，而不是返回到燃料系统。
[0009] 在另一个实施例中，空气经由吸附剂滤罐排放到大气。
[0010] 在另一个实施例中，燃料是柴油燃料。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 图1示意性地显示根据本公开实施例的示例发动机系统的各方面。
[0012] 图2显示根据本公开实施例的示例燃料系统的各方面。
[0013] 图3显示根据本公开实施例的示例燃料空气分离器的各方面。
[0014] 图4和5显示根据本公开实施例的额外燃料系统的各方面。
[0015] 图6图示说明根据本公开实施例利用机动车辆燃料系统中的燃料空气分离器将 空气与燃料分离的示例方法。

【具体实施方式】
[0016] 现在将通过示例和参考上述列出的图示实施例描述本公开的各方面。在一个或 更多实施例中本质上相同的部件、处理步骤和其他元件被同样识别且以最小的重复描述。 然而，应该注意，同样识别的元件也可有某些程度不同。应该进一步注意，在本公开中包含 的图形是示意性的且通常不按比例绘制。相反，可能故意扭曲图中显示的多种图形比例、纵 横比和部件的数目，以便更容易看出某些特征或关系。
[0017] 图1示意性地显示机动车辆的示例发动机系统10的各方面。在发动机系统10中， 将新鲜空气引入空气净化器12,且流向压缩机14。压缩机可以是任何合适的进气压缩机， 例如马达驱动的或传动轴驱动的机械增压器压缩机。然而，在发动机系统10中，压缩机被 机械地连接至涡轮增压器18中的涡轮机16,其中通过膨胀来自排气歧管20的发动机排气 驱动涡轮。在一个实施例中，压缩机和涡轮机可以连接在双涡流涡轮增压器内。在另一个 实施例中，涡轮增压器可以是可变几何涡轮增压器（VGT)，其中根据发动机转速主动地改变 涡轮几何结构。
[0018] 压缩机14经由增压空气冷却器（CAC) 24和节流阀26流体连接至进气歧管22。来 自压缩机的增压的空气经过CAC和在途中的节流阀流向进气歧管。在图示的实施例中，压 缩机旁通阀28连接在压缩机的进口和出口之间。压缩机旁通阀可以是常闭阀，其被配置为 在选择的工况下打开以减轻过多的增压压力。
[0019] 排气歧管20和进气歧管22分别通过一系列排气门32和进气门34连接到一系列 汽缸30。在一个实施例中，排气门和/或进气门可以被电子致动。在另一个实施例中，排气 门和/或进气门可以被凸轮致动。无论电子致动还是凸轮致动，都可以根据期望的燃烧和 排放控制性能的需要调整排气门和进气门打开和关闭的正时。
[0020] 取决于实施例：柴油、生物柴油或其混合物，汽缸30可以被供应多种燃料的任何 一种。在图示的实施例中，来自燃料系统36的燃料经由通过燃料喷射器38的直接喷射被 供应到汽缸。在此处考虑的多种实施例中，可以经由直接喷射、多点喷射、进气道喷射或其 任何组合供应燃料。在发动机系统10中，在任何变化中，燃烧可以经由压缩点火启动。在 其他实施例中，供应的燃料可以包含汽油、乙醇或其混合物，并且燃烧可以经由火花点火启 动。
[0021] 发动机系统10包含高压（HP)排气再循环（EGR)阀40和HP EGR冷却器42。当 打开HP EGR阀时，来自排气歧管20的一些高压排气被抽吸通过HP EGR冷却器进到进气歧 管22。在进气歧管中，为了冷却器燃烧温度、减少的排放物和其他益处，高压排气稀释进气 充气。剩余的排气流到涡轮16,以便驱动涡轮。当期望减少的涡轮扭矩时，某些或所有的排 气可作为替代被引导通过废气门44,绕过/旁通该涡轮。如下面进一步描述的，来自涡轮和 废气门的混合流然后流经发动机系统的多种排气后处理设备。
[0022] 在发动机10中，在涡轮16的下游连接柴油氧化催化剂（D0C) 46。D0C被配置为 氧化存在于发动机排气中的残留C0、氢和碳氢化合物。柴油微粒过滤器（DPF)48连接在 D0C46的下游，并且还原剂喷射器50、还原剂混合器52和选择性催化还原（SCR)级54连接 在DPF48下游。应该注意，对于本公开的不同的实施例，发动机系统中的排气后处理级的性 质、数目和布置可以不同。例如，某些配置可以包含额外的烟粒过滤器或使烟粒过滤与其他 排放控制功能（如NOx捕集）结合的多功能排气后处理级。
[0023] 继续在图1中，所有或部分处理过的排气可以经由消音器56释放到环境。然而， 取决于工况，一些处理过的排气可以被转移通过低压（LP)EGR冷却器58。可以通过打开与 LP EGR冷却器串联连接的LP EGR阀60转移排气。冷却的排气从LP EGR冷却器58流向压 缩机14。通过部分地关闭排气背压阀62,可以在选择的工况期间增加 LP EGR的最大流量 /流动势（flow potential)。其他配置可以包括取代排气背压阀的空气净化器12上游的 节流阀。
[0024] 发动机系统10包含电子控制系统（ECS) 64,其被配置为控制多种发动机系统功 能。ECS64包括传感器接口 66、发动机控制接口 68和车载诊断（0BD)单元70。为了评价发 动机系统10和其中安装发动机系统的车辆的工况，传感器接口 66接收来自在车辆内布置 的多个传感器的输入，多个传感器即流量传感器、温度传感器、踏板位置传感器、燃料压力 传感器等。在图1中显示一些示例传感器，即歧管空气压力（MAP)传感器72、歧管空气温度 传感器（MAT) 74、质量空气流量（MAF)传感器76、N0x传感器78和排气系统温度传感器80。 也可以提供多种其他传感器。例如，发动机控制接口 68被配置为致动电子可控的阀门、执 行器和车辆的其他元件部分，即压缩机旁通阀28、废气门44和EGR阀40和60。
[0025] 图2显示示例燃料系统36A的各方面，其包括提升泵82和高压（HP)燃料喷射泵 84。在图示的实施例中，内部输送泵（ITP)86被连接至HP泵的进口。提升泵和ITP从燃料 箱88将柴油燃料抽吸到HP泵，通过燃料过滤器90A吸入燃料。在图2的实施例中，HP泵 包含左侧出口 92L和右侧出口 92R。这里，来自左侧和右侧出口的加压燃料流向左侧燃料导 轨94L，左侧燃料导轨94L将燃料供应给左侧燃料喷射器38L。加压的燃料也从左侧燃料导 轨流向右侧燃料导轨94R，右侧燃料导轨94R将燃料供应给右侧燃料喷射器38R。如此，将 燃料系统流体连接至发动机。回流管路96L和96R将来自燃料喷射器的未喷射的燃料引导 回ITP。也从左侧燃料导轨提供回流管路98。这个管路将来自燃料导轨的未喷射的燃料， 连同来自HP泵的冷却和润滑的流出物，引导回燃料箱88。
[0026] 不应该以限制的意义解释前述描述或附图的方面，因为也预期到许多变化和组 合。例如，在某些实施例中可省略回流管路98。另外，任何或所有的燃料过滤器90可以包 含额外的元件部分，如油包水（water-in-fuel)传感器、临时存储通过燃料过滤器从燃料 去除的水的蓄水池和永久地排出存储的水的排水管。此外，尽管图示的燃料系统元件部分 与图1的柴油发动机系统兼容，但它也可以被用于汽油直喷（GDI)发动机系统。
[0027] 在此处描述的燃料系统中，燃料管路中夹带的空气的存在可能具有不良的影响， 其包含发动机暂停和停转、困难启动和对燃料泵和燃料喷射器的损害。因此，燃料系统36A 包含连接在燃料箱88和燃料过滤器90A之间的燃料空气分离器100。在其他燃料系统配置 中，可以在别处连接燃料空气分离器。
[0028] 图3显示一个实施例中的燃料空气分离器100的各方面。燃料空气分离器包含具 有内部侧壁表面104的腔室102。内部顶表面106和内部底表面108邻近内部侧壁表面。 进口 110通向内部侧壁表面，以便允许燃料和空气进入腔室。在图示的实施例中，进口邻近 腔室的内部顶表面。它与内部侧壁表面的切线112对齐，引起允许通过进口的燃料和空气 向下沿着内部侧壁表面螺旋形地流动。吸管114通向内部底表面且沿着内部侧壁表面的 中心轴线116向上延伸到燃料出口 118。在图示的实施例中，空气出口 120设置在腔室的内 部顶表面处。在其他实施例中，空气出口可以位于内部侧壁表面中，邻近内部顶表面。
[0029] 简单地回到图2,燃料空气分离器100的进口 110从燃料系统36的上游部件接收 燃料（其可能夹带空气），上游部件例如燃料箱88和提升泵82。燃料（具有显著较少的夹 带的空气）从燃料出口 118运送到燃料系统的下游部件，例如，燃料泵（84、86)、燃料过滤器 90A和燃料喷射器38。同时，与燃料分离的空气通过空气出口 120排入大气。在图2的实 施例中，空气通过碳滤罐122排出，以便减少大气的碳氢化合物排放。然而，在某些实施例 中可以省略碳滤罐，特别是在燃料系统中使用的燃料相对难挥发时，例如，柴油燃料。更通 常的，分离的空气可以被排到任何适当的压力槽，包含燃料箱自身，压力槽可以维持在接近 大气压力。
[0030] 现在继续参考图3，在图示的实施例中，吸管114坚直取向，并且内部顶表面106正 好布置在内部底表面108上方。在其他实施例中，吸管可以至少稍微倾斜，顶表面和底表面 可以彼此水平地偏移。在图示的实施例中，腔室102的内部侧壁表面是圆柱形的，但是这个 特征绝不是必要的，因为在其他实施例中，内部侧壁表面可以是圆锥形的。换句话说，由内 部侧壁表面以及内部顶表面和底表面限定的腔室部分可以是截锥体。因此，在某些实施例 中，内部底表面的直径可以大于内部顶表面的直径。这个特征可以引起打旋的燃料在它传 送到内部底表面期间减速，减少可能将额外空气搅进燃料的湍流。在其他实施例中，内部顶 表面的直径可以大于内部底表面的直径。这个特征可以允许燃料在传送到内部底表面期间 加速，提供空气与燃料的延长的离心分离。
[0031] 在操作期间，燃料空气分离器100从燃料系统的上游部件连续地接收燃料并且将 燃料连续地释放到燃料系统的下游部件。因此，可以在腔室102中维持燃料的稳定状态水 平124,并且吸管114延伸到稳定状态水平之下。如图3显示的，燃料空气分离器中的燃料 的储存可以不完全地填充腔室的体积。因此，在腔室中，空气的短柱126维持在燃料的稳定 状态水平之上。当增加进口处的压力时，压缩该空气，并且当降低进口处的压力时，稀薄该 空气。这种行为有助于衰减燃料中的压力脉冲，导致通过燃料系统的燃料的更稳定的流动。
[0032] 除了空气柱126的压缩和稀薄之外，可以采取其他措施来增强燃料空气分离器 100的压力脉冲阻尼效应。在某些实施例中，具体地，在允许进入进口的燃料和空气的压力 脉冲的影响之下，腔室可以是可弹性变形的。例如，内部底表面、内部顶表面和内部侧壁表 面中的一个或多个可以是可弹性变形的。可弹性变形的表面可以由任何适当的材料形成， 例如弹簧钢或抗碳氢化合物的弹性的聚合物材料。在某些实施例中，即使任何或所有的燃 料空气分离器表面可以变形到某种程度，指示为"可弹性变形"的表面可能在来自燃料系统 的压力脉冲下比没有指示为可弹性变形的表面变形更大程度变形。
[0033] 通过响应于正压力脉冲向外扩张和响应于负压力脉冲向内压扁，腔室102的可弹 性变形的表面动态地调整燃料管路体积，以便补偿正和负压力脉冲，导致压力脉冲的显著 的阻尼。在某些实施例中，当结合腔室内的空气柱的阻尼效应时，可弹性变形的表面的变形 可能是充分的，以便至少与本领域中已知的离散压力脉冲阻尼器一样多地衰减来自燃料系 统的压力脉冲。
[0034] 图4显示一个实施例中的另一个示例燃料系统36B的各方面。燃料系统36B包括 燃料系统36A的很多特征，但是缺少ITP。在选择的条件下，这个燃料系统包括燃料冷却器 128,以便提供回流管路98中的燃料的冷却。系统也包括旁通阀130,其在选择的条件（例 如，在低温时）下将回流的燃料转移到燃料过滤器90A的进口，其中通过尽可能多的保留再 循环燃料中的热来改进性能。
[0035] 在燃料系统36B中，燃料运送模块132A连接在燃料箱88内。燃料空气分离器100 连接在燃料运送模块内，并且吸管114通过燃料箱的壁伸出，例如，连接至离开燃料箱的出 口管路。来自燃料箱的燃料通过伞形阀134进入燃料运送模块的内部。当操作提升泵82 时，伞形阀经由来自喷射泵136的抽吸被偏置到打开位置。喷射泵通过打开的伞形阀抽吸 燃料，从而使得不管模块外的燃料的水平或晃动如何，维持燃料在燃料运送模块内的适当 水平。在图4显示的实施例中，通过来自燃料空气分离器100(例如，来自空气出口 120)的 溢流驱动喷射泵。在高质量燃料可用的环境中，图4的配置可以与汽油或柴油发动机系统 一起使用。
[0036] 图5显不一个实施例中的另一个不例燃料系统36C的各方面。燃料系统36C包 含燃料系统36B的很多特征，但是缺少喷射泵。反而，提升泵82提供将燃料抽吸到腔室138 内的抽吸，在所述腔室中安装提升泵。燃料从第二燃料过滤器90B抽吸到腔室内，该第二燃 料过滤器90B接收来自燃料运送模块132B的内部的燃料。如前述的实施例，燃料通过伞形 阀134进入燃料运送模块。图5的配置在燃料质量欠佳或不一致的环境中可能是最有用的。
[0037] 上述描述的配置能够实现将机动车辆燃料系统中的空气与燃料分离的多种方法。 因此，现在通过举例，继续参考上述配置描述一些这样的方法。然而，应该理解，也可以通过 不同的配置实现此处描述的方法，和本公开的范围内的其他方法。可以在操作发动机10的 任何时间进入方法，并且可以重复地执行所述方法。
[0038] 图6图示用于将在机动车辆燃料系统的燃料空气分离器中的空气与燃料（例如， 柴油燃料或汽油）分离的示例方法140。在方法140的142处，允许燃料和空气沿切线进 入燃料空气分离器的腔室的内部侧壁表面上。如上述描述的，可以允许燃料和空气从机动 车辆燃料系统的加压燃料管路进入。在144处，在由燃料和空气向下沿着内部侧壁表面螺 旋形流动引起的离心力下，空气与燃料分离。在146处，腔室内的空气柱暴露于允许进入的 燃料和空气的压力脉冲，其导致压力脉冲的衰减。在148处，在腔室的内部底表面处向上聚 集燃料。在150处，通过通向内部底表面且平行于内部侧壁表面的轴线延伸的吸管释放燃 料。在152处，通过吸管释放的燃料被运送给发动机系统的燃料喷射器。在154处，通过腔 室的内部顶表面处的出口释放空气。释放的空气可以被排入大气，而不是回流到发动机系 统。在某些实施例中，经由吸附剂滤罐将空气排放到大气。
[0039] 应该理解，上述描述的项目、系统和方法是非限制性示例，因为也预期到许多变化 和延伸。本公开还包含上述项目、系统和方法以及其任何和所有等价物的所有的新颖和非 明显的组合和子组合。
【权利要求】
1. 一种燃料空气分离器，其特征在于包括： 具有内部侧壁表面以及邻近的内部顶表面和底表面的腔室； 进口，其通向所述内部侧壁表面，以便允许燃料和空气进入并引起所述燃料和空气向 下沿着所述内部侧壁表面螺旋形地流动； 吸管，其通向所述底表面且沿着所述内部侧壁表面的轴线延伸至燃料出口；和 在所述顶表面处的空气出口。
2. 根据权利要求1所述的燃料空气分离器，其特征在于其中所述吸管坚直取向。
3. 根据权利要求1所述的燃料空气分离器，其特征在于其中所述内部侧壁表面是圆柱 形的。
4. 根据权利要求3所述的燃料空气分离器，其特征在于其中所述内部顶表面正好在所 述内部底表面上方。
5. 根据权利要求1所述的燃料空气分离器，其特征在于其中所述进口邻近所述内部顶 表面。
6. 根据权利要求1所述的燃料空气分离器，其特征在于其中所述进口与所述内部侧壁 表面的切线对齐。
7. 根据权利要求1所述的燃料空气分离器，其特征在于其中所述内部顶表面的直径大 于所述内部底表面的直径。
8. 根据权利要求1所述的燃料空气分离器，其特征在于其中所述内部底表面的直径大 于所述内部顶表面的直径。
9. 根据权利要求1所述的燃料空气分离器，其特征在于其中在允许进入所述进口的所 述燃料和空气的压力脉冲的影响下，所述腔室是可弹性变形的。
10. -种发动机系统，其特征在于包括： 燃料空气分离器，其具有：腔室，所述腔室具有内部侧壁表面以及邻近的内部顶表面和 底表面；进口，所述进口通向所述内部侧壁表面，以便允许燃料和空气进入并引起所述燃料 和空气向下沿着所述内部侧壁表面螺旋形地流动；吸管，所述吸管通向所述底表面且沿着 所述内部侧壁表面的轴线延伸到燃料出口；和在所述顶表面处的空气出口；和 燃料箱。
11. 根据权利要求10所述的发动机系统，其特征在于其中在所述燃料箱中连接所述燃 料空气分离器，并且所述吸管连接至离开所述燃料箱的出口管路。
12. 根据权利要求10所述的发动机系统，其特征在于进一步包括： 连接至所述进口的燃料泵；和 连接至所述燃料出口的燃料喷射器，所述空气出口排向大气。
13. 根据权利要求12所述的发动机系统，其特征在于其中所述燃料喷射器被连接至所 述发动机系统的燃烧室。
14. 根据权利要求12所述的发动机系统，其特征在于其中所述燃料喷射器被连接至所 述发动机系统的进气歧管或汽缸通道。
【文档编号】F02M37/04GK203879660SQ201320828542
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2012年12月17日
【发明者】E·迈尔斯, 张奕, S·K·阿里, 董愚, C·阿梅斯托 申请人:福特环球技术公司