具有后处理系统的排气通道的制作方法
【专利摘要】提供了经由具有可调节回旋叶片的紧凑涡轮机出口锥来调节从排气涡轮机出口下游到排气后处理装置进口的排气流的方法和系统。到达排气后处理装置的排气流基于所需排气温度和后处理装置处的排气流速被调节。在冷起动条件期间，回旋叶片可以被关闭以将排气流朝着后处理装置的一部分集中，同时，在达到后处理装置的起燃温度以后，回旋叶片的位置可以被调节以向到达排气后处理装置的排气流中引入紊流和同质化。
【专利说明】具有后处理系统的排气通道
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2015年04月24日提交的申请号为N0.102015207573.7的德国专利申请的优先权，作为通用参考，其全部内容在此引入。
技术领域
[0003]本说明大体涉及用于具有可调整回旋叶片的涡轮机出口锥的系统和方法，其在排气后处理装置的上游实现了排气流的匀质流分配。
【背景技术】
[0004]本公开涉及一种内燃发动机，其具有用于馈入增压空气的进气系统、用于排放排气的排气排放系统以及至少一个联合排气后处理系统，该排气后处理系统被布置在排气排放系统中并具有用于馈入排气的进气壳体。
[0005]在本公开的上下文中，表述“内燃发动机”包括柴油发动机和火花点火发动机以及混合内燃发动机，混合内燃发动机使用混合燃烧过程和混合驱动，其不仅包括内燃发动机还包括电机，该电机能够传动连接到内燃发动机并且其能够从内燃发动机接收功率或者其作为可切换辅助驱动额外地输出功率。
[0006]根据现有技术，为了降低污染物排放，内燃发动机具备各种排气后处理系统。即使没有附加措施，在足够高的温度水平以及存在足够大的氧量时，未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的氧化适当地发生在排气排放系统中。然而，由于排气温度沿下游方向迅速下降，并且因此迅速降低反应速率，所述反应可能迅速中断。氧的可能欠缺可以通过吹入二次空气进行补偿。尽管如此，为了在所有工况下均能显著降低污染物排放，在排气排放系统中可能需要提供专门的反应堆和/或过滤器。
[0007]利用隔热来最小化热损失，热反应堆设法确保尽可能高的温度水平，同时足够大的反应堆体积被用来确保排气的长的停留时间。长的停留时间和高温水平两者都有助于所需的再氧化。亚化学当量(sub stoich1metric)燃料的较差效率和高成本是不利的。对于柴油发动机，热反应堆在温度水平方面的优势总是比要求的低。
[0008]对于所列的理由，根据现有技术，在火花点火发动机中使用催化反应器，其通过利用催化材料增大某些反应的速度并且确保即使在低温也有氧化。如果氮氧化物被额外地还原，则这可以利用三元催化转化器实现，尽管为了该目的，要求火花点火发动机的化学当量运行(空燃比λ?I)在窄范围内。在此，通过利用存在的非氧化的排气组分还原氮氧化物，其中非氧化组分具体地为一氧化碳，以及未燃烧的碳氢化合物，其中所述排气组分同时被氧化。
[0009]在以过量空气运行的内燃发动机中，也就是例如以稀燃模式运行的火花点火发动机但特别是直喷柴油发动机或直喷火花点火发动机中，由于缺乏还原剂，排气中包含的氮氧化物原则上不能被还原。
[0010]对于未燃碳氢化合物和一氧化碳的氧化，氧化催化转化器因此被布置在排气排放系统中。为了实现充分转化，要求特定工作温度。所谓的起燃温度可能是120°C-25(TC。
[0011]为了还原氮氧化物，采用由选择性催化转化器(SCR)组成的催化转化器，其中为了选择性地还原氮氧化物，还原剂被特意引入排气中。作为还原剂，除了氨和尿素之外，还可以使用未燃的碳氢化合物。后者也被称为HC富集物。未燃碳氢化合物可以被直接引入排气排放系统或者也可以通过发动机内部措施特别地利用实际燃烧之后将会附加燃料后喷射到燃烧室内而被输入。此处，后喷射的燃料不应该在燃烧室内被仍发生的主燃烧或在主燃烧结束后仍存在的高燃气温度点燃，而是应该在充气交换期间被引入排气排放系统中。
[0012]还可以通过氮氧化物存储催化转化器(LNT)来减少氮氧化物排放。在此，氮氧化物最开始(在内燃发动机的稀燃模式期间)被吸收(即所谓的被收集和存储)在催化转化器中，之后在再生阶段期间例如通过缺氧的内燃发动机的亚化学当量操作(λ<1)被还原。
[0013]用于实现富的也就是内燃发动机的亚化学计量操作，进一步可能的发动机内部措施是排气再循环以及如果是柴油发动机就是进气系统的节流。如果还原剂被直接引入排气排放系统，例如通过额外燃料的喷射，则就有可能不需要发动机内部措施。在再生阶段期间，氮氧化物被释放并且基本上被转化成二氧化氮、二氧化碳和水。再生阶段的频率通过氮氧化物的总排放和LNT的存储容量来确定。
[0014]存储催化转化器的温度将优选地位于200°C与450°C之间的温度窗口中，这样首先氮氧化物的急速还原得到确保并且其次在没有重新释放的氮氧化物的转化情况下没有例如通过超高温触发的脱吸发生。
[0015]包含在排气中的硫同样被吸附到LNT并且被规律地在脱硫过程中被移除。针对该目的，LNT可以被加热到高温，通常在600 °C与700°(:之间，并且被供给还原剂，其接着能够通过转换到内燃发动机的富操作获得。LNT的温度越高，脱硫处理越高效，但是不能超过可容许的最高温度。
[0016]根据现有技术，为了最小化烟尘颗粒排放，使用再生颗粒过滤器，其将烟尘从排气中过滤出并且存储它们。积聚的烟尘颗粒可以间歇地在过滤器的再生过程期间被烧掉。用于颗粒过滤器再生的在没有催化剂帮助下近似550°C的高温可以在高发动机负载和高发动机转速操作期间被实现。因此实施额外的措施从而确保所有工况下的过滤器再生是很重要的。
[0017]因为火花点火发动机的排气以及柴油发动机的排气两者都包含未燃碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物以及烟尘颗粒(不同量和品质)，所以通常使用联合排气后处理系统，其包括上面描述的催化转化器、反应器和/或过滤器中的一个或多个。
[0018]联合排气后处理系统可能例如包括存储催化转化器和颗粒过滤器。作为蜂窝式过滤器的颗粒过滤器然后同时用作用于形成存储催化转化器的载体基体。在此，蜂窝式过滤器被涂敷有适于存储并还原包含在排气中的氮氧化物的催化剂材料。这样的系统的特征在于紧凑设计。而且，可以省略多个载体基体，因为颗粒过滤器的载体基体同时被用来形成存储催化转化器。
[0019]试图尽可能靠近内燃发动机出口布置排气后处理系统，例如靠近气缸的出口孔，以便能够最佳使用热的排气并且确保排气后处理系统的快速起燃以及足够高的系统温度。通向各个排气后处理系统的热排气通路应该尽可能短，使得排气被给予短时间的冷却并且排气后处理系统尽可能快地到达它们的工作温度或起燃温度，尤其在内燃发动机的冷启动之后。
[0020]因此总是设法最小化排气排放系统的在气缸出口孔和排气后处理系统之间的部分的热惯性，其能够通过减少所述部分的质量和长度来达到。
[0021]因为上面提到的原因，排气歧管经常被整合到气缸盖中。排气歧管的整合额外允许驱动单元的紧凑封装。而且，排气歧管能够受益于提供在气缸盖内的液型冷却系统结构，这样歧管不需要由能够经受高热负载的昂贵材料制成。
[0022]为了可靠地并根据要求例如在冷启动以后实现有效的排气后处理所必需的温度，需要进一步的措施。而且，为了确保或促进排气排放系统与排气后处理系统一起且因此整个驱动单元的密集封装，需要进一步的措施。
【发明内容】
[0023]本文的发明人认识到上述问题并且确定出一种能够至少部分解决上述问题的方法。在一个示例中，一种方法包括:在冷启动条件期间，关闭连接到排气涡轮机出口锥的多个叶片以使得排气集中流向排气后处理装置的一部分，以及在达到排气后处理装置起燃温度后，调节所述多个叶片的取向以便向到达排气后处理装置的排气流引入紊流和同质化。
[0024]本公开的目的在于提供一种内燃发动机，其中能够更快速地获得有效排气后处理所需要的高温，特别是在冷启动之后，并且获得排气排放系统和排气后处理装置一起的密集封装。
[0025]利用一种内燃发动机来实现所述目的，内燃发动机包括用于馈入充气空气的进气系统、用于排放排气的排气排放系统以及至少一个联合排气后处理系统，其被布置在排气排放系统中并且具有用于馈入排气的进气壳体。壳体包括可调节环状导向装置，该导向装置在中间留了一个开口并且包括能够利用布置在进气壳体内的调节装置旋转的导向叶片。每个导向叶片都被布置在导向叶片专用轴上。可以包含有壁来形成进气壳体，并且该壁包绕环状导向装置在外侧界定，同时以框架方式在导向叶片和壁之间形成间隙。在关闭位置，可调节环状导向装置可以以百叶窗的形式覆盖可展开的输入流横截面的环形区段。
[0026]在根据本公开的内燃发动机的情况下，至少一个排气后处理系统配置有可调节环状导向装置，其被布置在排气后处理装置的进气壳体内并且由于它的存在，能以多种方式影响进入排气处理系统之前的排气流。
[0027]例如，可以利用导向装置向排气流引入紊流例如涡流。排气流也可以被偏转，具体地被扩宽。这允许通过排气后处理系统以及它的载体基体的均匀流动得到实现或确保。同时根据现有技术，流速可能会更局部地发生变化，例如不是载体基体的每个区域都被相同量的排气流过，根据本公开，要被后处理的排气被均匀地或更均匀地分配到整个排气后处理系统上。局部流速得到均化或均衡，由此，通过排气后处理系统的排气量没有如同前述那样多或完全地局部变化。上述描述的效果同时还具有多种优点。
[0028]—方面，进气壳体在排气后处理系统方向上有规则地变宽，能够被制造成相对较短，能够有利地靠近发动机布置排气后处理系统。
[0029]另一方面，呈现的排气后处理系统以其整体被使用，并且因此更有效，以及不会有一些区域尤其中心布置区域比其它区域例如外围区域更集中使用的情况。到这种程度，排气后处理系统因而能被更紧凑地制造，例如具有较小体积，由此排气后处理系统的成本也会降低。
[0030]根据本公开提供的导向装置因此允许排气排放系统与排气后处理系统一起的紧密封装，以及因此驱动单元总体上的紧密封装。
[0031]而且，环状导向装置能够被调节和转移到关闭位置，在该位置，导向装置的导向叶片能够以百叶窗的方式覆盖住排气后处理进口区域的流动横截面的环形区段。
[0032]然后在导向装置的关闭位置，全部排气被引导通过的开口被保留在中央。将导向装置转移到关闭位置具有收缩排气流并且集中要被后处理的整个排气流到排气后处理系统的局部限定区域的效果。这样的排气流的集中经证明是有利于维持排气后处理系统的温度的，即使少量的排气。特别地，冷启动后通过强制收缩或集中排气流可以带来排气后处理系统的局部增温。
[0033]根据本公开的内燃发动机是一种内燃发动机，其中能够更迅速地获得有效排气后处理需要的高温，尤其在冷启动之后，并且其具有排气排放系统和排气后处理一起的紧密封装。
[0034]根据本公开，导向装置可以具有多个可旋转导向叶片。调节装置可具有可旋转调节环，其中可以通过转动所述调节环来调节导向叶片。
[0035]调节装置具有可旋转调节环，其优选相对于进气壳体被同轴地安装。导向叶片经由中间元件运动学地连接到调节环，使得能够通过转动所述环来调节导向叶片。可枢转杆可以被用作用于运动学连接调节环到导向叶片专用轴的中间元件。
[0036]杆可以是在它们的一端在轴侧上分别以旋转结合方式连接到导向叶片专用轴，并且在它们的另一端在环侧上分别可移动地安装在调节环的凹槽内，使得可以通过转动调节环来调节导向叶片。杆可以从调节环指向内，调节环相对于杆是外部调节环，这导致调节环具有较大直径。然而，可枢转杆也可以从调节环指向外。在可选实施例中，调节环然后相对于杆形成内调节环，其特征在于具有较小直径。与具有外调节环相比，内调节环带来更紧凑的排气后处理系统。
[0037]至少一个涡轮机被布置在排气排放系统，优选在所述至少一个排气后处理系统的上游。能够最佳使用热排气的焓并且确保涡轮机的迅速响应行为是有利的。至少一个涡轮机是包括被布置在排气排放系统中的涡轮机和被布置在进气系统中的压缩机的排气涡轮增压器的涡轮机是有利的。
[0038]增压是用于提高性能的主要方法，其中在发动机内的燃烧过程需要的空气被压缩，结果在每个工作循环，更大的空气质量被供应到每个气缸。这样，燃料质量以及因此平均压力能被提高。对于增压，优选使用排气涡轮增压器，其中压缩机和涡轮机被布置在同一轴上。热排气流被供应到涡轮机，在涡轮机内膨胀释放能量，结果引起轴旋转。通过排气流供给涡轮机并且最终供给轴的能量被用来驱动被类似地布置在轴上的压缩机。压缩机供给并且压缩充入它的充气空气，结果获得气缸的增压。在压缩机下游，在进气系统中有利地提供了增压空气冷却器，利用该增压空气冷却器压缩的充气空气在进入所述至少一个气缸之前被冷却。冷却器降低了充气空气温度并且由此增大了充气空气的密度，这样冷却器还对提高气缸的充料作出了贡献，也就是说更多的空气质量。这样，冷却压缩发生。
[0039]与机械增压器相比，排气涡轮增压器的优点是在增压器和内燃发动机之间不存在或不需要用于传递功率的机械连接。机械增压器从内燃发动机提取完全驱动它需要的能量，这因此减小了输出功率并且因此不利地影响效率，而排气涡轮增压器利用了热的排气的排气能量。
[0040]增压是用于增大内燃发动机的功率同时维持不变的扫掠容积的合适方法，或用于减小扫掠容积同时维持相同功率的合适方法。在任何情况下，增压引起容积功率输出的增大和改善的功率-重量比。如果扫掠容积减小，则将使得负载共同地移位到更高负载成为可能，在更高负载处燃料比耗更低。通过将增压与合适的变速器结构相结合，也可以实现通常所说的低速化，利用这个同样可能获得较低的燃料比耗。
[0041]增压因此不断努力辅助内燃发动机的发展以最小化燃料比耗，也就是提高内燃发动机的效率。
[0042]进一步的基本目标在于降低污染物排放。在解决这个问题方面，增压同样是便利的。对于增压的目标配置，具体地有可能获得关于效率和关于尾气排放方面的好处。
[0043]增压内燃发动机的转矩特性曲线可以通过使用多个涡轮增压器得到改善，例如通过并行布置(以与连续的增压装置相似的方式)多个具有相对小的涡轮机横截面的涡轮机，其中，随着排气流速增大，涡轮机依次被激活。通过多个串联的排气涡轮增压器，增压内燃发动机的转矩曲线也可以得到改善，其中一个排气涡轮增压器充当高压级以及一个排气涡轮增压器充当低压级。
[0044]提供了具有至少两个排气涡轮增压器的内燃发动机的实施例，其中每个排气涡轮增压器包括布置在排气排放系统中的涡轮机和布置在进气系统中的压缩机，可能因此也由于上述提到的原因是有利的。
[0045]具有在向所述至少一个排气后处理系统的流动方向上变宽的进气壳体的内燃发动机的实施例可以是有利的。这促使在排气后处理系统的进口区域内的排气流变宽并且导致排气对整个排气后处理系统的均匀冲击。
[0046]在这方面，具有漏斗状的进气壳体的内燃发动机的实施例是有利的。漏斗状提供了进气壳体的连续变宽以及排气流的连续变宽而排气流的压力损失尽可能的小。而且，进气壳体可以是截锥体状的。
[0047]可以在进气壳体内配置套筒。套筒可相对进气壳体被同轴对齐并且可以穿过环状导向装置的中心开口。套筒可以在朝着至少一个排气后处理系统的方向上变宽。套筒可以是锥形状或截锥体状中的一种。而且，可以为套筒配备夹具装置。
[0048]每个导向叶片专用轴可以是直线形式的。轴的直线形式简化了调节装置的运动学，在调节环侧在端部上的导向叶片专用轴的转动造成相关联的导向叶片的纯粹旋转运动，但是曲轴会造成导向叶片的空翻，其使得几乎没有间隙地将可旋转导向叶片布置到进口壳体更困难，并且使得几乎没有间隙地将导向叶片布置到多个不同旋转位置更困难。
[0049]在本发明的情况下，当环旋转，叶片执行纯粹地旋转运动。结果，可旋转导向叶片在进气壳体内的几乎无间隙布置成为可能，尤其是在叶片的每一个旋转位置。与曲轴相比，后者具有重要优势，因为它企图将排气流引引导穿过导向叶片，而不是经由通过导向叶片的间隙。
[0050]可以用致动装置来旋转调节环，其中致动装置可以是电致动装置和机械致动装置。可以为调节环配备托座，例如以滚动轴承的形式。
[0051]应当理解，提供的上面的总结是为了以简化方式介绍原则的选择，所述原则将在下面进一步详细说明。并不意味着确定要求的主题的关键或基本特征，要求的主题的范围通过详细说明后面的权利要求唯一限定。而且，要求的主题不限于解决前面或本公开任何部分记录的任何缺陷。
【附图说明】
[0052]图1示出包括涡轮机出口锥以及排气后处理装置的发动机系统的一个示范实施例。
[0053]图2示出图1中的祸轮机出口锥的示范实施例。
[0054]图3示出一流程图，其阐释了可用来实施基于发动机工况调整涡轮机出口锥的回旋叶片的示范性方法。
【具体实施方式】
[0055]下面的说明书涉及用于改善从排气涡轮机的出口经由涡轮机出口锥到达排气后处理装置的排气流的系统和方法。如图2示出了包括具有可调整回旋叶片的涡轮机出口锥的示范性发动机系统的纵剖面。发动机控制器可以被配置成执行控制程序，例如图3中的示范程序，从而基于发动机工况改变来调整回旋叶片的位置(取向)以最佳化到达后处理装置的排气流。
[0056]图1示意性地示出了包括发动机10的示例发动机系统100的各方面。在所述的实施例中，发动机10为连接到包括由涡轮机116驱动的压缩机114的涡轮增压器13的助推发动机。具体地，新鲜空气沿着进气通道42经由空气滤清器112被引入发动机10并流到压缩机114。压缩机可以使任何合适的进气空气压缩机，例如电机驱动或驱动轴驱动的增压器压缩机。在发动机系统10中，压缩机是涡轮增压器压缩机，其经由轴19机械地连接到涡轮机116，涡轮机116由膨胀的发动机排气驱动。
[0057]如图1所示，压缩机114通过增压空气冷却器(CAC) 18连接到节气门20。节气门20连接到发动机进气歧管22。压缩空气充气从压缩机流过增压空气冷却器18和节气门到进气歧管。在图1所示的实施例中，空气充气在进气歧管内的压力被歧管空气压力(MAP)传感器124检测到。
[0058]一个或多个传感器可以被连接到压缩机114的进口。例如，温度传感器55可以被连接到进口用以估计压缩机进口温度，并且压力传感器56可以被连接到进口用以估计压缩机进口压力。作为另一示例，湿度传感器57可以被连接到进口用以估计进入压缩机的空气充气的湿度。其它传感器可以包括例如空燃比传感器等。在其它示例中，一个或多个压缩机进口条件(例如湿度、温度、压力等)可以根据发动机工况被推断。而且，当排气再循环(EGR)启用时，多个传感器可以估计包括新鲜空气、再循环的压缩空气以及在压缩器进口接收的排气残留的空气充气混合物的温度、压力、湿度以及空燃比。
[0059]废气门致动器(未示出)可以被致动打开从而从涡轮机上游经由废气门倾泄至少一些排气压力到涡轮机下游的位置。通过降低涡轮机上游的排气压力，涡轮机转速能够被降低，这进而有助于减少压缩机喘振。
[0060]进气歧管22通过一系列进气门连接到一系列燃烧室29(未示出)。燃烧室进一步经由一系列排气门(未示出)连接到排气歧管35。在描述的实施例中，示出了单个排气歧管35。然而，在其他实施例中，排气歧管可以包括多个排气歧管管段。具有多个排气歧管管段的结构可以实现将不同燃烧室的排出流导向发动机系统的不同位置。
[0061 ]在一个实施例中，排气和进气门中的每个可以被电子地致动或控制。在另一实施例中，排气和进气门中的每个可以被凸轮致动或控制。无论是电子致动还是凸轮致动，排气和进气门的打开和关闭正时可以根据期望的燃烧和排气控制性能需要被调整。
[0062]经由喷射器66，燃烧室29被供给一种或多种燃料，例如汽油、醇燃料混合物、柴油、生物柴油、压缩天然气等。燃料可以经由直喷、进气道喷射、节气门体喷射或以上的任何组合的方式被供给到燃烧室。在燃烧室内，经由火花点火和/或压缩点火发起燃烧。
[0063]如图1所示，来自一个或多个排气歧管管段的排气被导向涡轮机116用以驱动涡轮机。来自涡轮机和废气门的混合流然后经由包括可调整回旋叶片30的涡轮机出口锥130流过排气控制装置(排气后处理装置)170。涡轮机出口锥可以是漏斗状的，具有靠近涡轮机的锥形端和靠近排气后处理装置170的扩大端。涡轮机出口锥可以进一步包括可调导向装置，由此，进入后处理装置170的排气流可以通过该可调导向装置被调整。可调导向装置包括可经由连接到环32的致动器34通过控制器致动的可调环32。可以调节环从而移动回旋叶片30的位置。多个回旋叶片30可以经由叶片专用轴38和杆36连接到调整环，使得叶片30可以通过旋转环32来被调整。当旋转环32时，叶片30可以执行绕轴38(其作为旋转轴线)的旋转运动。通过调节叶片30的位置，从涡轮机出口到后处理装置的排气流得到了控制。例如通过对叶片30的位置的调整，紊流例如涡流可以被引入排气流。这确保了在整个排气后处理系统170上排气流的均匀分布。在一个实例中，导环32可以被调节以至于完全关闭叶片，由此将收缩排气流以及集中排气体积朝着后处理装置的某一区域。在例如冷起动条件下，排气流的集中(集中的排气能量)有利于维持和/或增大排气后处理装置170的温度，即使只有少量的排气(低排气质量流量)。
[0064]套筒39可以被用来连接涡轮机出口锥130到排气后处理装置170，其中套筒39可以是锥形的或截头锥体形中的一种。夹具装置40可以被用来支撑套筒。这样，涡轮机出口锥和排气后处理装置的紧密封装的(紧凑的)配置提供了最优的进入后处理装置的排气流，同时减少了封装考量。结合图2对涡轮机出口锥130进行详细说明讨论。
[0065]通常，一个或多个排气控制装置170可以包括配置成催化地处理排气流的一个或多个排气后处理催化器，并且由此降低排气流中的一种或多种物质的量。例如，一个排气后处理催化器可以被配置成当排气流是稀的时候从排气流中捕获NOx，并且当排气流是富的时候还原捕获的NOx。在其它实例中，排气后处理催化器可以被配置成歧化(disproport1nate)NOx或借助于还原剂选择性地还原NOx。在另外的其它实施例中，排气后处理催化器可以被配置成氧化排气流中的残余氢氧化物和/或一氧化碳。具有任何这种功能的不同的排气后处理催化器可以被分别地或一起地被布置在排气后处理级中的涂层(wash coats)或其他地方。在一些实施例中，排气后处理级可以包括构造成捕获和氧化排气流中的烟尘颗粒的可再生烟尘过滤器。来自排放控制170的被处理的排气在通过消声器172后可以经由主排气通道102释放到大气中。
[0066]发动机系统10可适于提供外部低压排气再循环(LP-EGR)，使得排气从涡轮机116的下游流出并经由LP-EGR通道在压缩机114的上游将其输送到发动机进气通道42 AGR阀可以被连接到LP-EGR通道用以调整EGR流速。发动机系统还包括高压EGR(HP-EGR)流动通路，其中排气从涡轮机116的上游被吸出并经由HP-EGR通道180在压缩机114的下游再循环进入发动机进气歧管22。同样，EGR阀182可以被连接到HP-EGR通道180用以控制EGR流速。
[0067]一个或多个传感器可以被连接到EGR通道180用于提供关于EGR成分和条件/状况的细节。例如，可以提供温度传感器来确定EGR的温度，可以提供压力传感器来确定EGR的压力，可以提供湿度传感器来确定EGR的湿度或含水量，并且可以提供空燃比传感器来估计EGR的空燃比。可替代地，EGR的条件可以通过连接到压缩机进口的一个或多个温度、压力、湿度以及氧传感器55-57来推断。在一种示例中，空燃比传感器57是氧传感器。
[0068]发动机系统100可以进一步包括控制系统14。所示控制系统14接收来自多个传感器16(在此描述了其中的各种示例)的信息以及向多个致动器18(在此描述了其中的各种示例)发出控制信号。作为一个示例，传感器16可以包括位于排气控制装置上游的排气传感器126、MAP传感器124、排气温度传感器128、排气压力传感器129、压缩机进口温度传感器55、压缩机进口压力传感器56、压缩机进口湿度传感器57以及EGR传感器。其它传感器例如另外的压力、温度、空燃比以及成分传感器可以连接到发动机系统100的各个位置。致动器81可以包括例如，节气门20、EGR阀182、燃料喷射器66以及可调节环致动器34。控制系统14可以包括控制器12。控制器12可以接收来自各种传感器的输入数据，处理输入数据，并且基于对应于一个或多个程序的在其中编程的指令或代码，响应处理的输入数据触发各个致动器。例如，基于发动机工况和排气后处理装置170的温度，连接到环32的致动器34可能被调节从而改变回旋叶片30的取向。图3描述了一种示范控制程序。
[0069]图2示意性地示出了发动机涡轮机出口锥3的示范实施例200，连同联合的排气后处理系统1，其被布置在内燃发动机的排气排放系统中。在一种示例中，涡轮机出口锥3是图1所见的涡轮机出口锥。为了从气缸排放热的排气，内燃发动机具有配有排气通道2的排气排放系统。至少一个排气涡轮增压器被提供以增压气缸。涡轮增压器包括在联合的排气后处理系统I的上游被布置在排气通道2中的涡轮机10。
[0070]在涡轮机10的下游和联合的排气后处理系统I的上游，排气通道2可以形成涡轮机进口锥3。涡轮机出口锥3可以是漏斗状以帮助输送排气到后处理装置I。涡轮机进口锥3在朝向排气后处理系统I的流动方向上扩宽，凭此，在装置I的入口区域内的排气流被扩宽。
[0071]涡轮机出口锥3的壁3a封罩可调导向装置4以调整从涡轮机10到达后处理装置I的排气流。导向装置4可以提供朝着涡轮机出口锥3的中心的无阻区域8。无阻区域8形成内部的扩张锥以用于通过它的排气的膨胀。截头圆锥地形成的套筒9可以相对于涡轮机出口锥3被同轴对齐。该套筒用来将涡轮机出口锥3的较宽端部连接到后处理装置I。套筒9可以通过一对夹具装置9a被保持在涡轮机出口锥3内的固定位置。杆形式的第一夹具装置可以在靠近锥3的套筒9的第一端的上部和壁3a的上部之间被布置在锥3的上部。同样地，杆形式的第二夹具装置可以在靠近锥3的套筒9的第一端的下部和壁3a的下部之间被布置在锥3的下部。第一和第二夹具装置中的每个可以与壁3a成夹角β。在一种示例中，夹角β可以是直角(90度)。夹具装置9a提供了支撑连接锥3至后处理装置I的套筒9的结构完整性。
[0072]可调导向装置4包括多个导向叶片4a，其能够利用调节装置6被旋转。多个导向叶片4a中的每一个导向叶片都沿着壁3a的内表面(沿着锥3的圆周)布置在直线导向叶片专用轴4b上。在一种示例中，叶片可以是矩形的且具有平坦表面。在另一示例中，叶片可以是曲面。每一个叶片可以具有相同的或不同的大小。连接到每个导向叶片的导向叶片专用轴可以是沿着叶片的中央部被连接的。轴4b形成叶片绕其自由旋转360度的轴线。每个轴可以相对于壁3a形成夹角α。在一种示例中，夹角α可以是直角(90度)。
[0073]在导向叶片4a和壁3a的内表面之间允许存在间隙，以便允许导向叶片4a绕轴线(轴4b)的旋转运动。
[0074]调节装置6可以进一步包括可旋转调节环6a。调节环6a可以围绕壁3a形成同心圆。可枢转杆5可以被提供作为中间元件以用于运动耦合调节环6a到导向叶片专用轴4b，使得导向叶片4a通过旋转(转动)调节环6a是可调节的。为了这个目的，杆5可以是分别在它们的轴侧端5’以旋转地结合方式被连接到导向叶片专用轴4b以及可以是在它们的环侧端5”可移动地安装在调节环6a的凹槽中。一组杆5经由与相应叶片4a对应的轴4b把调节环6a的一部分连接到单个叶片4a。每个叶片4a沿着环6a的内圆周被连接到调节环6a的不同部分。
[0075]壁3a的外表面上的调节环6a的托座6b可以利用内滚动轴承6b来承担。连接到调节环6a的电致动装置7可以被利用以根据要求以及当要求时旋转调节环6a。致动器7可以是图1中描述的控制系统的一部分。
[0076]通过调节叶片4a的位置(取向)，能够在后处理装置I的上游调节蜗旋流从而在短流经距离内实现均匀流分布，由此实现相关组件的紧凑封装。叶片4a的取向可以被限定为叶片表面的平面和它的轴线(轴4b)之间的角。通过调节环6a，叶片可以被完全打开，其中叶片的最小表面面积经由区域(开口)8阻塞排气流。在这个位置，理想的扩张锥可以被提供用于排气的膨胀/扩展，而同时在涡轮机出口和后处理装置的进口段之间的压力损失会降低。在另一示例中，环6a可以被调节，以致于导向叶片4a可以被致动从而以百叶窗的方式覆盖涡轮机出口锥3的流通截面积(开口 8)的环形区段。在低排气流速期间和/或在当需要加速加热后处理装置时的条件(例如冷起动)期间，叶片可以被致动到完全关闭位置。在该位置，集中的排气可以被通到后处理装置I的一部分，这有助于促进加速起燃和/或维持装置I的特定部分内的所需温度。
[0077]图1-2示出了各个部件的相对定位的示范结构。如果示出的是彼此直接接触或直接连接，则至少在一个示例中这样的元件可以分别被称为直接接触或直接连接的。类似地，元件被示为接近或邻近彼此，则至少在一个示例中可以分别是接近的或邻近彼此。例如，彼此共面接触布置的部件可以被称为共面接触。作为另一示例，彼此分开地定位的元件且在它们之间仅有空间而没有其它别的部件在至少一个示例中可以被称为这样的。作为另一示例，示出的元件在彼此之上/之下、彼此对面或在彼此左/右可以被称为相对彼此如此。进一步地，如图所示，元件的最顶部元素或点可以称为部件的顶部并且元件的最低部元素或点可以被称为部件的底部，在至少一个示例中。如同在此使用的，顶部/底部、上部的/下部的、上面/下面可以是相对于附图的竖直轴线并且被用于描述图中的各元件相对彼此的位置。因而，示出的在其它元件上面的元件在一种示例中被竖直地定位在所述其他元件的上面。作为另一示例，在图中描述的元件的形状可以被认为是具有那些形状(例如，圆环的、直的、平的、弯曲的、圆角的、斜面的、成角度的或类似的)。进一步地，示出的彼此相交的元件在至少一种示例中可以被认为是相交元件或彼此相交。更进一步地，示出的在另一元件中的元件或示出的在另一元件外面的元件可以在一种示例中被如此认为。
[0078]图3阐述了示范方法300，其可以被实施用于根据发动机工况和排气后处理装置的温度需要来调节图2中的涡轮机出口锥3的回旋叶片的叶片。用于执行方法300和在此包括的方法的其余部分的指令通过控制根据存储在控制器的存储器中的指令并结合从发动机系统的传感器例如如上结合图1和图2所述的传感器接收的信号来执行。根据下面描述的方法，控制器可以使用发动机系统的发动机致动器来调整发动机操作。
[0079]在302，程序包括估计和/或测量当前发动机工况。评定的状况可以包括，例如发动机温度、发动机负载、发动机速度、歧管真空、节气门位置、排气压力、排气空燃比等。在304，基于估计的发动机工况和来自排气传感器的输入，排气温度和排气质量流量可以被估计。排气温度和排气质量流量可以基于发动机温度、发动机速度和发动机负载中的一个或多个发生改变。在一个示例中，在发动机低温和/或低负载操作期间排气温度可能较低。在另一示例中，在发动机低负载和/或低速操作期间排气质量流量可能较低。
[0080]在306，程序包括确定车辆发动机是否正在冷起动条件下运行。当发动机不活动性较长时段之后起动发动机时，或当发动机温度低于阈值例如低于排气后处理装置(例如图2中的装置I)的起燃温度时，发动机冷起动条件可以被确认。而且，当周围温度低于阈值时，冷起动条件盛行。如果确定冷起动条件不存在，则在308，程序包括确定排气后处理装置是否正在再生或是否存在即将来临的再生事件。控制器也可以确定是否由于再生或任何其他目的，需要对排气后处理装置的某一部分进行局部加热。可以要求进行局部加热从而维持排气后处理装置的某一有效部分处于高温。如果基于当前后处理装置操作，确定不需要局部加热，则在310，程序包括确定排气质量流量是否低于阈值质量流量。在低发动机速度和/或负载条件下，排气质量流量可以比阈值质量流量低。
[0081 ] 如果(在306)确定存在冷起动条件，则程序进入步骤312。而且(在308)，如果确定排气后处理装置正在再生(或即将来临的再生被安排)和/或需要局部加热，则程序进入步骤312。进一步地(在310)，一旦确定排气质量流量低于阈值质量流量，程序进入步骤312。在312，控制器向连接到调节环(例如图2中的环6a)的致动器发送信号以通过调节环来关闭叶片。当叶片位于关闭位置时，叶片的表面面积可以阻塞涡轮机出口锥的一部分，由此集中了流出涡轮机的排气质量流量。在314，集中的排气流可以被引导朝着催化器的某一部分。由于排气能量集中到较小面积，所以可以在较短的持续时间内获得后处理装置的起燃温度。而且，通过引导排气能量，在低排气质量流量期间，后处理装置的降温可以减少。
[0082]如果在310，确定排气质量流量高于阈值质量流量，则在316，基于来自一个或多个排气传感器例如连接到排气通道的排气压力传感器的输入，涡轮机出口和后处理装置进口之间的压力损失可以被估计。在318，程序包括确定压力损失是否高于阈值压力损失。阈值压力损失可以对应于这两个排气部件之间的最大允许压力损失以便维持后处理装置的最佳功能。
[0083]如果确定压力损失高于阈值，则在320，控制器向连接到调节环的致动器发送信号从而通过调整所述环完全打开叶片。在完全(最大可能)打开位置，叶片被定位成对经由涡轮机出口锥的排气流提供最小的阻塞。排气可以膨胀并且可以在到达后处理装置的排气流中引入紊流，这进而可以降低压力损失。叶片可以保持在完全打开位置直到压力损失减小到阈值之下。
[0084]如果确定压力损失低于阈值，则在322，连接到调节环的致动器可以基于排气质量流量、排气温度以及后处理装置温度需要来调节叶片位置。通过调节叶片的位置，排气流中的涡旋运动(紊流，例如涡流)可以被控制，这样有助于使得后处理装置上游的排气流均匀。通过这种方式，在324，均匀膨胀的排气可以被输送到排气后处理装置的进口。
[0085]—种示范方法包括，在冷起动条件期间，关闭连接到排气涡轮机出口锥的多个叶片从而集中排气流朝向排气后处理装置的一个部分；以及在达到排气后处理装置的起燃温度之后，调节所述多个叶片的取向从而向到达排气后处理装置的排气流中引入紊流和同质化。在前面的示例中，附加地或可选择地，关闭多个叶片和调节多个叶片的取向包括调节通过多个轴和杆连接到多个叶片中的每一个叶片的环，其中轴形成叶片能绕着其旋转的轴线。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，环被通过托座装置连接到封罩涡轮机出口锥的壁的外表面，并且致动器连接到环以调节环。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，调节多个叶片的取向是基于排气质量流量、排气温度、排气后处理装置的温度要求。任何或全部前面的实例进一步包括，附加地或可选择地，在低于阈值排气流速期间，关闭多个叶片以使得集中的排气质量流向后处理装置的所述部分。任何或全部前面的实例进一步包括，附加地或可选择地，基于涡轮机和排气后处理装置之间的高于阈值的压力损失，打开多个叶片到最大可能程度。
[0086]另一示范发动机系统包括用于排放排气的排气通道、连接到排气通道的涡轮机、连接到涡轮机下游的排气通道的至少一个联合排气后处理系统、连接涡轮机到排气后处理系统的壳体以及具有存储在非暂时性存储器中的计算机可读指令的控制器，所述指令用于:调节从涡轮机下游到排气后处理系统进口的排气流;其中壳体包括在壳体的中间部分形成开口的可调导向装置，并且可调导向装置包括通过利用布置在壳体内的调节装置能够被旋转的多个导向叶片。附加地或可选择地，前面的实例进一步包括壁，该壁封罩壳体和导向装置，同时，在多个叶片的每个导向叶片和壁之间形成空隙。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，每个导向叶片被布置在导向叶片专用轴上，每个导向叶片绕导向叶片专用轴可旋转。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，每个导向叶片专用轴具有直线形状并且和壁形成夹角，其中该夹角为90度。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，调节装置包括:可旋转调节环，通过旋转调节环能够调节多个导向叶片；以及用来调节调节环的旋转的致动器。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，可旋转调节环通过可枢转杆被运动学地连接到每个导向叶片专用轴。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，可枢转杆被分别地在它们的在轴侧的一端以旋转连接方式连接到导向叶片专用轴并且在它们的环侧的另一端可移动地安装到调节环的凹槽内，从而通过调节环的旋转实现对导向叶片的调节。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，壳体是漏斗状和截锥体状之一，且靠近涡轮机的壳体第一端比靠近排气后处理系统的壳体第二端窄，排气后处理系统是NOx捕获器、排气催化器、颗粒过滤器中的一个或多个。任何或全部前面的实例进一步包括，附加地或可选择地，在壳体内相对壳体同轴布置并穿过可调导向装置的中心开口的套筒，其中套筒是漏斗形状和截锥体状之一，且靠近涡轮机的套筒第一端比靠近排气后处理系统的套筒第二端更窄。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，套筒通过多个夹具装置被连接到壳体的壁。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，多个夹具装置包括连接套筒第一端到壁的杆状装置，从而与壁形成夹角，其中该夹角为90度。
[0087]在另一实例中，用于发动机的方法包括:响应所需排气温度和流速，旋转连接到涡轮机出口锥的环，包括调节连接到环的多个回旋叶片的位置以改变涡轮机出口锥的横截面积，回旋叶片分布在涡轮机出口锥的壁的内圆周上，并且环连接到壁的外圆周上。在前面的实例中，附加地或可选择地，调节多个回旋叶片的位置包括:在低于阈值排气流速和低于阈值排气温度中的一个或多个期间，致动多个回旋叶片到关闭位置从而覆盖大部分横截面积以及将集中的排气流从涡轮机出口导向排气后处理装置的一部分。在任何或全部前面的实例中，附加地或可选择地，调节多个回旋叶片的位置进一步包括:在高于阈值排气流率和高于阈值排气温度中的每一个期间，基于所需排气温度和到达排气后处理装置的排气流速中的每一个，将多个回旋叶片打开到一个位置以至少部分打开大部分横截面积并且引导来自涡轮机出口的排气流朝向排气后处理装置。
[0088]这样，通过利用涡轮机出口锥内的可调节回旋叶片，排气均匀性和到达联合排气后处理装置的流动可以得到改善。多个叶片可以基于发动机工况、排气质量流量、排气后处理装置温度要求中的一个或多个被调节，使得排气温度和到达排气后处理装置的流动可以被最佳化。根据需要，排气能量可以被集中并导向以提供排气后处理装置的局部加热，由此加快后处理装置的加热。利用带有可调叶片和调节环的锥状涡轮机出口的技术效果是排气流可以被最佳化，同时确保针对要求的流动所需的不同部件的密集封装。在短的流动通路中的排气的匀质流动可以改善排气后处理装置的性能。
[0089]注意到，本文包括的控制和估算程序的实例能被用于各种发动机和/或车辆系统配置。本文公开的控制方法和程序可以以可执行指令存储在非暂时性存储器中并且可以由包括与各种传感器、致动器以及其它发动机硬件相结合的控制器的控制系统来执行。本文描述的具体程序可以代表多个处理策略中的一个或多个，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等等。同样地，说明的各种动作、操作和/或功能可以按照说明的顺序执行，并行地，或有时省略。同样地，处理的顺序没有必要要求以获得本文描述的示范实施例的特点和优点，但被提供以简易阐述和描述。描述的动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复地执行，这取决于被使用的具体策略。进一步，描述的动作、操作和/或功能可以图形地呈现代码从而被编程输入发动机控制系统中计算机可读存储介质的非暂时性存储器，其中描述的操作通过执行系统中的执行指令来进行，系统包括与电子控制器相结合的各种发动机硬件部件。
[0090]应该理解，本文公开的结构和程序本质上是示范性的，并且这些特定实施例不被认为有限制意义，因为多个变化是可能的。例如，上述技术可以用在V-6、1-4、1-6、V-12、对置-4以及其他发动机型号中。本发明的主题包括所有新颖的和非显而易见的结合以及不同系统和配置的次组合以及本文公开的其他特征、功能和/或性能。
[0091]下面的权利要求详细地指出了某些被认为是新颖的和非显而易见的联合和次组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“一个第一”元件或其等同。这样的权利要求应当被理解为包括一个或多个这样的元件的合并，既不要求也不排除两个或更多这样的元件。公开的特征、功能、元件和/或性能的其它组合和次组合可以通过当前权利要求的修改或通过在本申请或其它相关申请中提出新的权利要求来主张权利。这样的权利要求，相比原始权利要求的范围无论更宽、更窄、相同或不同，同样被认为包括在本发明的主题之内。
【主权项】
1.一种方法，包括: 在冷起动条件期间，关闭连接到排气涡轮机出口锥的多个叶片从而使得排气集中流向排气后处理装置的一部分，以及 在达到排气后处理装置起燃温度后，调节所述多个叶片的取向从而向到达所述排气后处理装置的排气流中引入紊流和同质化。2.根据权利要求1的方法，其中关闭所述多个叶片和调节所述多个叶片的所述取向包括经由多个轴和杆调节连接到所述多个叶片中的每一个叶片的环，其中轴形成叶片能够旋转所绕的轴线。3.根据权利要求2的方法，其中所述环经由托座装置被连接到封罩所述涡轮机出口锥的壁的外表面，并且致动器被连接到所述环以调节所述环。4.根据权利要求1的方法，其中调节所述多个叶片的所述取向基于排气质量流量、排气温度、排气后处理装置的温度要求中的一个或多个。5.根据权利要求1的方法，进一步包括，在低于阈值排气流速期间，关闭所述多个叶片从而使得集中的排气质量流向所述排气后处理装置的所述部分。6.根据权利要求1的方法，进一步包括，基于涡轮机和所述排气后处理装置之间的压力损失高于阈值压力损失，打开所述多个叶片到最大可能程度。7.一种发动机系统，包括: 用于排出排气的排气通道； 连接到所述排气通道的涡轮机； 在所述涡轮机下游连接到所述排气通道的至少一个联合排气后处理系统； 将所述涡轮机连接到所述排气后处理系统的壳体，其中所述壳体包括在所述壳体的中间部分内形成开口的可调导向装置，该可调导向装置包括能够经由被布置在所述壳体内的调节装置被旋转的多个导向叶片；以及 具有存储在非暂时性存储器中的计算机可读指令的控制器，所述计算机可读指令用于: 调节从所述涡轮机下游到所述排气后处理系统的进口的排气流。8.根据权利要求7的系统，进一步包括封罩所述壳体和所述导向装置的壁，同时在所述多个叶片中的每一个导向叶片和所述壁之间形成间隙。9.根据权利要求8的系统，其中每个导向叶片被布置在导向叶片专用轴上，每个导向叶片绕所述导向叶片专用轴可旋转。10.根据权利要求9的系统，其中每个所述导向叶片专用轴是直线形状的并且与所述壁形成一个角度，其中该角度为90度。11.根据权利要求7的系统，其中所述调节装置包括:可旋转调节环，其用于经由所述调节环的旋转来调节所述多个导向叶片的取向；以及用于基于来自所述控制器的输入来调节所述调节环的所述旋转的致动器。12.根据权利要求11的系统，其中所述可旋转调节环经由可枢转杆被运动学地连接到每一个所述导向叶片专用轴。13.根据权利要求12的系统，其中所述可枢转杆分别在它们的轴侧上的一端以旋转连接方式连接到导向叶片专用轴，并且在它们的在环侧上的另一端被可移动地安装到所述调节环的凹槽内，从而经由所述调节环的旋转实现对所述导向叶片的取向的调节。14.根据权利要求7的系统，其中所述壳体是漏斗状和截锥体状之一，且靠近所述涡轮机的所述壳体的第一端比靠近所述排气后处理系统的所述壳体的第二端窄，所述排气后处理系统包括NOx捕获器、排气催化器和颗粒过滤器中的一个或多个。15.根据权利要求7的系统，进一步包括在所述壳体内相对所述壳体被同轴布置并且穿过所述可调导向装置的中心开口的套筒，其中所述套筒是漏斗状和截锥体状之一，且靠近所述涡轮机的所述套筒的第一端比靠近所述排气后处理系统的所述套筒的第二端窄。16.根据权利要求15的系统，其中所述套筒经由多个夹具装置被连接到所述壳体的所述壁。17.根据权利要求16的系统，其中所述多个夹具装置包括将所述套筒的所述第一端连接到所述壁的杆状装置，其与所述壁形成一个角度，其中该角度为90度。18.一种用于发动机的方法，包括: 响应所需排气温度和流速，旋转连接到涡轮机出口锥的环，所述旋转包括调节连接到所述环的多个回旋叶片的位置以改变所述涡轮机出口锥的横截面积，所述回旋叶片分布在所述涡轮机出口锥的壁的内圆周上，所述环被连接到所述壁的外圆周。19.根据权利要求18的方法，其中调节所述多个回旋叶片的位置包括:在低于阈值排流流速和低于阈值排气温度中的一个或多个期间，致动所述多个回旋叶片到关闭位置以覆盖所述横截面积的大部分并且将集中的排气流从涡轮机出口引导向所述排气后处理装置的一部分。20.根据权利要求19的方法，其中调节所述多个回旋叶片的所述位置包括:在高于阈值排气流速和高于阈值排气温度中的每一个期间，致动所述多个回旋叶片到打开位置，所述打开位置的打开程度基于所需排气温度和到达所述排气后处理装置的排气流速中的每个，以便至少部分地打开所述横截面积的所述大部分并且将排气流从所述涡轮机出口引导向所述排气后处理装置。
【文档编号】F01N9/00GK106065800SQ201610380454
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年4月22日 公开号201610380454.5, CN 106065800 A, CN 106065800A, CN 201610380454, CN-A-106065800, CN106065800 A, CN106065800A, CN201610380454, CN201610380454.5
【发明人】J·克默林, F·A·萨默候夫, A·库斯克, H·M·金德尔, V·斯米利亚诺夫斯基, F·J·布林克曼
【申请人】福特环球技术公司