经由分离式排气装置改善直吹空气的方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及升压内燃发动机的排气系统中的分离式排气装置。
【背景技术】
[0002]发动机可以使用升压装置(诸如涡轮增压器)来增加发动机功率密度。然而，由于增加的燃烧温度，发动机爆震可能会发生。可以通过延迟火花正时来解决发动机爆震；然而，显著的火花延迟会降低燃料经济性并且限制最大扭矩。在升压的状况下，由于高充气温度，爆震是特别成问题的。
[0003]降低充气温度并且因此减少爆震的一种方法是经由直接吹入/直吹(blowthrough)，其中升压的进气在正气门重叠/交叠(overlap)阶段中被直接吹入燃烧室进入排气装置。
[0004]抑制爆震的另一方法是通过用冷却的排气再循环即EGR来稀释进气。Roth(US8495992)示出了控制用于EGR的排气的流动的示例方法，其中分离式排气系统使在放气(blowdown)阶段和扫气(scavenging)阶段中离开燃烧室的排气分开。来自放气阶段的排气被分配到涡轮增压器系统中的涡轮或者被分配到EGR系统，该EGR系统将冷却的EGR气体引导至进气歧管或涡轮增压器中的压缩机的上游。同样，来自扫气阶段的排气被运送到排放控制装置或者被运送到EGR系统，该EGR系统将冷却的气体输送到进气歧管或压缩机的上游。进气门正时和排气门正时被控制以基于发动机工况调节流向涡轮增压器和/或EGR的排气量。
[0005]发明人在此已经认识到潜在的问题，包括解决爆震极限的上述方法的问题。例如，EGR节气门可以被安置在压缩机上游的进气装置中，以提高低背压下的EGR流量，该低背压会使涡轮增压器对喘振更敏感并且增加泵气损失。另外，单独的EGR冷却器可以被用来在热排气能够被供应到进气歧管之前冷却这些热排气，因此增加系统成本并且需要封装空间。此外，在直吹技术被用来减少爆震的示例中，为使排气达到化学计量比而喷射的额外燃料会引起催化剂的超温并影响排放，同时增加燃料消耗。直吹技术的额外限制是其对于压缩机出口压力高于涡轮前(pre-turbine)排气压力时的低发动机转速的受限使用。
【发明内容】
[0006]发明人在此已经认识到上述问题，并且找到了至少部分解决这些问题的方案。在一种示例方案中，提供了一种用于具有分离式排气歧管系统的涡轮增压发动机的方法。该方法包含:使排气通过第一排气门流向涡轮增压器的涡轮；使排气经由第二排气门流向排放控制装置的上游；以及在共同的发动机循环燃烧事件内使低压EGR和直吹空气经由第三气门流向涡轮增压器的上游进入压缩机入口。通过使用适当的气门正时控制，EGR和直吹空气技术的结合能够被用来降低燃烧温度，并且因此减轻发动机爆震。
[0007]例如，在涡轮增压发动机的一个汽缸的燃烧循环期间，第一放气排气部分可以通过第一排气门被引导至涡轮，其中该第一排气门可以在活塞的下止点即BDC位置之前打开，以允许75-80 %的燃烧过的气体离开。第二排气部分可以经由第二排气门输送至排放控制装置，其中该第二排气门在排气冲程的中途打开，以排出10-15%的剩余排气，其被称为“扫气”部分。第一和第二排气门可以在活塞到达上止点即TDC位置之前关闭，从而将一部分(约5-10% )排气留在汽缸内，这部分排气将会由耦接至压缩机入口的第三气门排放。第三气门(也被称为“压缩机入口气门”)可以在排气冲程即将结束时(例如，在TDC之前)打开，并且远在进气冲程开始之后(例如，远在TDC之后)关闭。因此，在一个或多个进气门打开的同时，压缩机入口气门可以打开，以允许新鲜空气进入汽缸。因此，在排气冲程即将结束时汽缸内的残余排气可以与新鲜直吹空气一起被清除，并且经由压缩机入口气门转移到压缩机的入口。
[0008]以此方式，可以通过在一个流径中结合直吹与EGR来减少爆震。通过允许新鲜进气直吹汽缸余隙容积中的任何残余热排气，可以冷却燃烧室。离开燃烧室的排气与直吹空气的混合气可以在压缩机处与另外的新鲜空气混合，在增压空气冷却器即CAC中冷却，并且最终在发动机中作为EGR来再循环，以进一步减少爆震。通过使用CAC来冷却残余排气以及新鲜压缩空气，可以不需要单独的EGR冷却器。另外，通过将压缩机入口气门耦接至压缩机可以省略掉EGR节气门，借以通过汽缸将排气与直吹空气的混合气从高压进气歧管吸入压缩机的低压入口。由于直吹空气和残余排气在低压下被引导至压缩机入口，因此直吹在更大的发动机转速范围内是可能的。此外，可以减少所有排气都流入高压涡轮入口的传统设计中遭遇的排气泵气损失。而且，由于直吹空气不被引导至排放控制装置，因此可以不需要通过喷射额外燃料来维持排气中的化学计量比。总的来说，涡轮增压发动机能够在相对于最大扭矩的更少火花延迟的情况下进行操作。
[0009]应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在【具体实施方式】中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围由随附于【具体实施方式】的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
【附图说明】
[0010]图1描绘了具有分离式排气歧管的涡轮增压发动机系统的示意图。
[0011]图2不出了局部的发动机视图。
[0012]图3描绘了图1的发动机汽缸中的一个汽缸的不例汽缸进气门和排气门正时。
[0013]图4是图示说明基于各种发动机工况激活压缩机入口气门的程序的示例流程图。
[0014]图5描绘了基于各种发动机状况的示例气门操作和因而产生的经由图1中的发动机的一个汽缸的三个通道的排气流。
【具体实施方式】
[0015]以下描述涉及用于借助通过三个不同的通道使发动机汽缸排气而控制发动机(诸如图1-2的发动机系统)中的爆震的系统和方法。具体地，在一个燃烧循环内，排气的第一部分或放气部分可以经由第一通道引导至涡轮增压器的涡轮，排气的第二部分或扫气部分可以经由第二通道引导至排放控制装置，而在排气冲程即将结束时与直吹空气混合的第三排气部分可以通过第三通道引导至涡轮增压器中的压缩机的入口。因此，发动机的每个汽缸可以包含五个气门:两个进气门、两个排气门和一个压缩机入口气门。发动机控制器可以被配置为执行控制程序(诸如图4的程序)，以使压缩机入口气门基于各种发动机工况(诸如在图5中示出的那些工况)进行操作。压缩机入口气门正时可以与排气门以及进气门的正时相协调，以允许EGR和直吹(图3)。
[0016]在以下描述中，进行操作或激活的气门表示气门根据针对给定的一组条件在燃烧循环期间确定的正时而被打开和/或关闭。同样，停用或不进行操作的气门表示气门保持关闭，除非另作说明。
[0017]图1示出了多缸内燃发动机10的示意图，发动机10可以被包括在汽车的推进系统中。发动机10可以包括多个燃烧室(即，汽缸)，这些燃烧室可以在顶部被汽缸盖(未示出)覆盖。在图1示出的示例中，发动机10包括以直列式4缸构造形式布置的燃烧室20、22、24和26。然而，应当理解，尽管图1示出了四个汽缸，但发动机10可以包括任何构造形式(例如，V-6、1-6、V-12、对置4缸等)的任何数量的汽缸。
[0018]每个燃烧室可以经由进气通道28从进气歧管27接收进气。进气歧管27可以经由进气道耦接至燃烧室。例如，进气歧管27在图1中被示为分别经由进气道152、154、156和158耦接至汽缸20、22、24和26。每个进气道可以向其耦接至的汽缸供应空气和/或燃料以用于燃烧。每个汽缸进气道可以分别经由一个或多个进气门与汽缸选择性地连通。汽缸20、22、24和26在图1中被示为均具有两个进气门。例如，汽缸20具有两个进气门32和34，汽缸22具有两个进气门36和38，汽缸24具有两个进气门40和42，而汽缸26具有两个进气门44和46ο在一个示例中，进气通道可以由与每个进气门选择性连通的进气歧管27形成。在其他实施例中，用于单个汽缸的进气通道可以靠近汽缸被分成在中间有壁的两个相邻路径，该通道的每个分开的路径与单个进气门连通。在另一示例中，两个进气门中的每一个可以被控制为在特定的发动机转速下打开，并且因此可以通过共同的进气道与进气歧管连通。
[0019]每个燃烧室可以经由耦接至其上的一个或多个排气道排出燃烧气体。汽缸20、22、24和26在图1中被示为均耦接至两个排气道，这两个排气道分别用于独立地引导燃烧气体的放气部分和扫气部分。例如，排气道33和35被耦接至汽缸22，排气道39和41被耦接至汽缸22，排气道45和47被耦接至汽缸24，而排气道51和53被耦接至汽缸26。每个排气道可以经由排气门与其所耦接至的汽缸选择性地连通。例如，排气道33、35、39、41、45、47、51和53经由其各自的排气门122、132、124、134、126、136、128和138与其各自的汽缸连通。
[0020]这是分离式歧管系统，排气道33、39、45和51可以通向排气歧管55，而排气道35、41,47和53可以并入到排气歧管57内。这个系统中的排气歧管可以被配置为从汽缸20、22,24和26排出燃烧产物。
[0021]发动机10可以包括涡轮增压器190。涡轮增压器190可以包括耦接在共同轴96上的排气涡轮92和进气压缩机94。废气门127可以被耦接在涡轮92的两端。具体地，废气门127可以被包括在耦接在排气涡轮的入口与出口之间的旁路166中，以控制通过涡轮提供的升压量。
[0022]排气歧管可以被设计为独立地引导排气的放气部分和扫气部分。排气歧管55可以经由管160将排气的放气脉冲引导至涡轮增压器190的涡轮92，而排气歧管57可以经由管162将排气的扫气部分引导至涡轮92的下游和排放控制装置72的上游。例如，排气门122、124、126和128通过排气歧管55和管160将排气的放气部分引导至涡轮，而排气门132、134、136和138通过排气歧管57经由管162将排气的扫气部分引导至排放控制装置72。
[0023]从涡轮92排出的排气也可以经过排放控制装置72。在一个示例中，排放控制装置72可以包括多块催化剂砖。在另一示例中，可以使用每个均具有多块砖的多个排放控制装置。在一些示例中，排放控制装置72可以是三元催化剂。在其他示例中，排放控制装置72可以包括一个或多个柴油氧化催化剂即DOC和选择性催化还原催化剂即SCR。在经过排放控制装置72之后，排气可以被引导至排气尾管58。
[0024]除了如在图1中示出的两个进气门和两个排气门外，发动机10的每个汽缸还可以包含第五气门，该第五气门被称为“压缩机入