直接废气再循环系统的制作方法
【专利说明】直接废气再循环系统发明领域
[0001]本申请涉及一种外部废气再循环(EGR)的技术，并且更具体地涉及涡轮增压式内燃机中的高压EGR。
[0002]发明背景
[0003]EGR已被证明为通过降低燃烧温度来减少含氮氧化物(NOx)排放物的一种有效的技术。惰性废气置换燃烧室中的氧气并吸收来自燃烧的热量。当在将再循环废气引入燃烧室之前将其进行冷却时，降低燃烧温度的能力会增加。在火花点火中，节流发动机EGR通过在较低的发动机转速和负载下允许较高的进气歧管压力来减少栗送损失。在外部EGR系统中，部分废气被再循环至进气歧管，在所述进气歧管中废气连同进气一起被再引入燃烧室。在高压EGR系统中，有待从排气歧管再循环的废气的压力必须高于进气歧管压力。排气歧管压力与进气歧管压力之间的这个正压差在发动机运转的整个负载/转速范围中不是一直存在的。为了使得EGR能够处于这些情况下，存在被动和主动的技术来实现所述正压差。
[0004]被动方法包括采用在流动几何形状的横截面中引入减速的被动节流器。例如，可以采用排气系统中的管路中的节流器来升高排气歧管中的背压。节流器可以在废气进入涡轮增压器之前形成在排气歧管出口中，或者节流器自身可以是到涡轮增压器中的入口。通过以这种方式对流通面积进行节流，排气系统中的压力会增加。主动方法包括采用主动节流器和主动栗送技术，在主动节流器中存在改变横截面的流动几何形状的可变阀。例如，主动栗送技术包括供送位于涡轮增压器压缩机进口上游的废气，以使得废气连同进气一起被压缩(加压)并输出至进气歧管。采用例如罗茨式(roots-type)正排量栗的直接EGR栗送系统是增加废气压力的另一种主动技术。
[0005]1979年12月25日授予Hans Heydrich的美国专利号4，179，892公开了一种用于涡轮增压式内燃机的废气再循环技术。发动机的排气歧管被分成两段。第一段排气歧管被引导朝向双涡管涡轮增压器的大涡管。第二段排气歧管被拆分并供送双涡管涡轮增压器的小涡管进口和EGR回路。为了在EGR回路中产生足够的背压，小涡管被设计来提供进入涡轮增压器的流的节流器。由于EGR回路和涡轮增压器的小涡管进口都是由相同段的排气歧管供送的，由小涡管进口提供的节流器必须是足够大的以产生所需的背压，但是不利的结果是这降低了涡轮增压器和发动机栗送效率。
[0006]2002年2月19日授予Whiting等人的美国专利号6，347，619公开了一种用于涡轮增压式发动机的废气再循环系统。每个气缸具有与排气歧管流体连通的主排气阀，和与EGR歧管流体连通的次级排气阀。EGR歧管通过冷启动EGR阀或EGR冷却器/阀组合与进气歧管流体连通。次级排气阀的打开的正时是使得EGR歧管中的压力被维持高于进气歧管中的压力。排气歧管行进至涡轮增压器的进口。在一些发动机应用中，来自不同气缸的排气阀可以例如在一个气缸中的动力冲程结束以及在另一个气缸中的排气冲程结束时的重叠时间同时打开。由于来自所有气缸的废气供送给涡轮增压器进口，从与彼此点火相邻干涉的气缸流动的废气因此降低了涡轮增压器的效率。
[0007]现有技术缺乏用于高压废气再循环系统的技术。存在对用于改进涡轮增压式内燃机中的高压废气再循环的方法和设备的需要。
[0008]发明概述
[0009]一种用于内燃机的改进的废气再循环系统包括被划分成第一部分和第二部分的多个燃烧室。存在与每个燃烧室相联的至少一个进气阀和至少一个排气阀，并且至少一个进气歧管通过相应的进气阀与多个燃烧室流体连通。第一排气歧管通过相应的排气阀与燃烧室的第一部分流体连通，并且第二排气歧管通过相应的排气阀与燃烧室的第二部分流体连通。至少一个EGR排气阀与第二部分中的每个燃烧室相联。EGR歧管通过相应的EGR排气阀与第二部分中的每个燃烧室流体连通，并且与至少一个进气歧管流体连通。在若干个实施方案中，存在EGR冷却器和EGR阀』GR冷却器将EGR歧管与EGR阀流体地连接，并且EGR阀与进气歧管流体连通。
[0010]在优选的实施方案中，存在包括涡轮机和压缩机的涡轮压缩机设备。涡轮机驱动压缩机并且包括第一排气进口和第二排气进口。第二排气进口具有比第一排气进口更小的流通面积。第一排气歧管与第一排气进口流体连通，并且第二排气歧管与第二排气进口流体连通。进气歧管与压缩机流体连通以用于接收包含氧气的压缩气体混合物。
[0011]在各种优选的实施方案中，存在主动技术和被动技术来增加和/或调节EGR歧管中的压力。在第二排气歧管的出口附近的导管中可以存在节流器，所述节流器可操作地来增加第二排气歧管与EGR歧管中的压力。可替代地或此外，在第二排气歧管与第一排气歧管之间可以存在压力调节器，所述压力调节器可操作来减低第二排气歧管与EGR歧管中的压力。可替代地或此外，在涡轮机后面的排气流动路径中可以存在压力调节器，用于改变第一排气歧管、第二排气歧管以及EGR歧管中的背压。可替代地或此外，在第二排气歧管与涡轮机的第二排气进口之间可以存在压力调节器。可替代地或此外，在EGR歧管与第二排气歧管之间可以存在压力调节器。
[0012]在另一个优选的实施方案中，在第二部分的相应燃烧室中的每个排气阀与可变阀致动设备连接，以使得排气阀的正时可以被调节来控制第二排气歧管与EGR歧管中的压力。
[0013]在另一个优选的实施方案中，存在包括进口和出口的重整催化剂。进口与EGR歧管流体连通以用于接收来自所述EGR歧管的废气，并且出口与进气歧管流体连通。燃料喷射器被配置来将气体燃料引入重整催化剂上游的废气中。
[0014]在另一个优选的实施方案中，内燃机还包括涡轮压缩机设备，所述涡轮压缩机设备接收来自第一排气歧管和第二排气歧管的废气。增压空气冷却器被配置来接收来自涡轮压缩机设备的压缩空气。存在可调节阀，所述可调节阀调节从EGR歧管到废气与压缩空气相混合的增压空气冷却器的上游的废气的流动。混合物随后被增压空气冷却器冷却。
[0015]用于内燃机中的废气再循环的改进的方法包括:将内燃机中的燃烧室划分成第一部分和第二部分;使来自燃烧室的第一部分的废气连通至第一排气歧管;通过燃烧室中分开的排气阀使来自燃烧室的第二部分的废气连通至第二排气歧管和EGR歧管；以及使来自EGR歧管的废气连通至至少一个进气歧管。在优选的实施方案中，所述方法包括对来自第二排气歧管的废气流进行节流，以增加第二排气歧管与EGR歧管中的压力。可替代地或此外，所述方法可以包括调节EGR歧管与第二排气歧管的出口之间的压力。可替代地或此外，所述方法可以包括由可变致动的排气阀调节EGR速率来控制第二排气歧管中的压力。
[0016]在优选的实施方案中，所述方法包括使来自第一排气歧管的废气连通至第一涡轮机进口 ；使来自第二排气歧管的废气连通至第二涡轮机进口，所述第二涡轮机进口具有比第一涡轮机进口更小的流通面积；以及利用由废气赋予涡轮机的能量来压缩包含氧气的气体混合物。所述方法可以包括调节第二排气歧管与第一排气歧管之间的压力，其中第二排气歧管中的部分废气被引导朝向第一涡轮机进口，所述第一涡轮机进口可以容纳与第二涡轮机进口的流量相比更大的流量。可替代地或此外，所述方法可以包括调节第二排气歧管与第二涡轮机进口之间的压力。
[0017]在另一个优选的实施方案中，所述方法包括将烃类燃料引入来自EGR歧管的废气中，从而形成废气燃料混合物;重整所述废气燃料混合物以产生至少氢气；