专利名称：内燃机中气体再循环的系统和方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种内燃机中的气体再循环。具体的是，本发明涉及一种用于提供气体再循环的系统和方法，以改善内燃机制动性能、有助于清洁废气再循环(“EGR”)系统并且提供正常的EGR运行。
背景技术：
气体穿过内燃机的流动控制已经被利用以提供车辆内燃机制动。通常，内燃机制动系统可以控制气体的流动以体现压力释放类型的内燃机制动、废气再循环、废气压力调节和/或泄放式(bleeder type)内燃机制动的原理。
压力释放型内燃机制动或者减速系统的操作在本领域中是众所周知的。压力释放型内燃机制动通过抵抗在压缩冲程内燃机活塞的向上运动而降低了内燃机的动能。随着活塞在它的压缩行程上向上移动，被封闭在气缸中的气体被压缩。被压缩的气体抵抗活塞向上的运动。在内燃机制动操作过程中，随着活塞靠近它的冲程的顶部，排气门打开以将气缸中的压缩气体释放到排气歧管。在所述压力从气缸中释放之后，在后续的向下的膨胀冲程上，活塞不能获得在压缩气体中保存的势能。相反，该能量通过内燃机的排气和散热系统被散出。通过散出所述通过压缩气缸充量(charge)而产生的能量，内燃机产生减速功率以有助于使内燃机减速。
泄放式内燃机减速的操作同样早已公知。在内燃机制动的过程中，除了正常的排气门升程，在保持内燃机循环(整个循环的泄放式制动)的整个过程中或者在该循环的一部分(部分循环的泄放式制动)过程中，排气门能够持续地保持微微开启。部分循环的泄放式制动和整个循环的泄放式制动之间的主要区别在于，在大部分的进气行程中，前者不具有排气门升程。
压力释放和/或泄放式内燃机制动系统为操作者提供了对于车辆的增强的控制。合理设计并且调节的内燃机制动系统能够产生阻滞功率，该制动功率在量级上与在正功操作过程中产生的功率的主要部分相等，所述合理设计并且调节的内燃机制动系统并且能够对车辆的主车轮制动系统的制动能力进行补充。因此，内燃机制动系统可以基本延长车辆的主车轮制动系统的寿命。
废气再循环(EGR)的原理也是众所周知的。EGR系统允许废气的一部分回流到内燃机气缸中。通常，有两种类型的EGR系统内部EGR系统和外部EGR系统。外部EGR系统通过外部装置例如外部管系将来自排气口的气体再循环到进气口。内部EGR系统通过开启的内燃机气门将废气再循环返回到内燃机气缸中。
在正功以及内燃机制动操作过程中，EGR都是有用的。在正功过程中，EGR主要被用于通过减少由内燃机产生的NOx的总量来改善排放。在内燃机正功的过程中，一个或多个进气门可被打开以允许燃料以及来自大气的空气进入，所述空气包含气缸中燃烧燃料所需要的氧气。然而，所述空气同样包含大量的氮气。在内燃机气缸内产生的高温使得氮气与任何未利用的氧气发生反应并且形成氮氧化物(NOx)。氮氧化物是柴油发动机释放出的主要污染物之一。由EGR系统提供的再循环的气体已经被内燃机利用，并且仅包含少量的氧气。通过将这些气体与新鲜的空气混合，进入内燃机的氧气的总量可被降低，并且能够形成更少的氮氧化物。另外，再循环的气体可具有将内燃机气缸中的燃烧温度降至低于氮结合氧以形成NOx所需要的温度的作用。结果，EGR系统能够有助于降低所产生的NOx的总量，并且能够改善内燃机的排放。在美国以及其它国家，当前的对于柴油发动机的环境标准以及提出的规范表明，在未来对于改善排放的需要将变得更为重要。
因此，本发明的一些但不必是全部的实施例的一个优点是通过减少由内燃机产生的NOx的总量提供了改善的排放。
EGR系统同样能够被用于改善内燃机制动的效果。在内燃机制动操作过程中，再循环气体允许来自排气歧管的压力更高的气体再循环返回到内燃机气缸中。在后续的内燃机制动事件的时候，再循环气体增加了气缸中的总的气体质量，由此提高了车辆实现的制动效果。通过在内燃机制动循环过程中控制排气歧管和内燃机气缸中的压力和温度，制动的程度能够在各种运行条件下被优化。在内燃机制动过程中，EGR的使用可被称为制动气体再循环或BGR。
因此，本发明的一些但不必是全部的实施例的一个优点是利用气体再循环来改善内燃机制动、提供不同的内燃机制动程度以及利用内燃机转速优化内燃机制动。
EGR系统(阀门、中冷器、通道等)在它们的寿命周期上易于积碳。积碳累积能够降低系统的整体性能，并且能够使得各种系统组件失效。这种状况可能导致降低燃料燃烧效率，并且甚至导致可能的排放允许问题。对这个问题的主要的解决途径是建立定期的维修和清洁周期，这对于长距离任务重的卡车运输业是不理想的。由于这种系统的清洁所涉及的实际困难，这种方法也是成问题的。
因此，本发明的一些但不必是全部的实施例的一个优点是提供了一种用于清洁气体再循环系统组件的方法和设备。
在随后的说明中，部分地阐述了本发明的各种实施例的另外的优点，并且对于本领域中的普通技术人员，根据说明书和/或对本发明的实践，这些优点将是部分显而易见的。
发明内容
对于上述的问题，申请人已经开发出一种新颖的气体再循环系统，用于改善具有进气门、排气门以及气缸的内燃机中的内燃机制动。在一个实施例中，该系统包括排气歧管、进气歧管以及气体再循环通道，其中排气歧管通过排气门可操作地连接到气缸，进气歧管通过进气门可操作地连接到气缸，气体再循环通道适用于在内燃机制动事件过程中，将来自排气歧管的气体再循环到进气歧管。
申请人还开发出一种新颖的方法，该方法能够利用内燃机中的气体再循环来改善内燃机制动，所述内燃机具有进气门、排气门、进气歧管、排气歧管以及气缸。在一个实施例中，该方法包括下列步骤提供将排气歧管连接到进气歧管的气体再循环通道；以及在内燃机制动事件过程中，通过气体再循环通道将来自排气歧管的气体再循环到进气歧管以改善内燃机制动。
应当理解，前面的大致说明以及后面的详细说明是示例性的，并且仅是示例性的，并且不会限制如权利要求所限定的本发明。
为了有助于理解本发明，现在将参考附图，其中相同的附图标记代表相同的元件。
图1是示出根据本发明的一个实施例的气体再循环系统的示意性视图。
图2是示出根据本发明的第二实施例的气体再循环系统的示意性视图。
图3是示出根据本发明的第三实施例的气体再循环系统的示意性视图。
图4是示出根据本发明的第四实施例的气体再循环系统的示意性视图。
图5是示出根据本发明的一个实施例的用于再循环气体的方法的简图。
图6是示出具有和不具有根据本发明的一个实施例的制动气体再循环(“BGR”)的阻滞功率和气缸压力的图形。
图7是示出具有和不具有根据本发明的一个实施例的BGR的空气质量流量和涡轮转速的图形。
图8是示出具有和不具有根据本发明的一个实施例的BGR的冷加压温度和排气返回温度的图形。
图9是示出具有和不具有根据本发明的一个实施例的BGR的在不同的内燃机转速下阻滞功率和加压的图形。
图10是示出具有和不具有根据本发明的一个实施例的BGR的在不同的内燃机转速下排气压力和涡轮转速的图形。
具体实施例方式
现在将详细参考本发明的系统和方法的实施例，附图中示出了所述实施例的实例。参考图1，其中示出了作为内燃机中的气体再循环系统10的本发明的一个实施例，所述内燃机具有内燃机气缸125、一个或多个进气门120以及一个或多个排气门130。该系统10包括排气歧管132和进气歧管122，所述排气歧管132通过排气门130可操作地连接到气缸125，所述进气歧管122通过进气门120可操作地连接到气缸125。排气歧管132可包括单体歧管或者分体歧管。
系统10还包括将系统10的排气侧连接到系统10的进气侧的气体再循环通道150。在一个实施例中，该气体再循环通道150将排气歧管132连接到进气歧管122。然而应当认为，该气体再循环通道150可以将系统10的排气侧上的任何点连接到系统10的进气侧上的任何点。
气体再循环通道150适用于将来自排气歧管132的气体再循环到进气歧管122，并且最后再循环到内燃机气缸125。气体再循环通道150可以适用于在内燃机制动操作过程中、在系统清洁操作过程中和/或在正功废气再循环操作过程中再循环所述气体。所述内燃机制动操作可包括任意的一个或多个下列的事件压力释放制动事件、整个循环的泄放制动事件和/或部分循环的泄放制动事件。
该气体再循环系统10还可以包括用于控制被再循环返回到内燃机气缸125的气体的流动的装置140，如图2所示。流动控制装置140被可操作地连接到排气歧管132。在一个实施例中，如图3和4所示，流动控制装置140可包括涡轮增压器135。所述涡轮增压器包括设置在排气歧管132中的涡轮135以及设置在进气歧管122中的压缩机100。来自正常耗废的内燃机废气的压力使得涡轮135旋转。随着涡轮135旋转，它驱动被连接到涡轮135的压缩机100。旋转的压缩机100产生了压力升高的大量空气(涡轮增压)，这可以在燃烧过程中产生提高的功率，并且因此在内燃机制动事件过程中产生提高的制动效果。
在一个实施例中，涡轮增压器135为可变几何的涡轮增压器(VGT)。VGT具有可活动的组件(几何)，所述组件可改变涡轮增压器的面积，其中，内燃机的废气流动穿过所述面积。在一个实施例中，涡轮增压器135的几何通过改变叶片位置而改变，这产生不同的空气流动通道(或阻力)，废气穿过所述空气流动通道流动。对于可变几何的涡轮增压器，有几个已知的实施例，例如回转叶片(swing-vane)式以及滑动叶片(sliding-vane)式，并且应当认为本发明能够使用这些和/或受让人或其他人开发的新的VGT中的任一种。涡轮增压器135的其它实施例包括但不限于固定几何的涡轮增压器(FGT)、废气减压涡轮增压器和/或能够控制流通面积和/或废气的方向的任何系统或装置，所述的其它实施例被认为是在本发明的范围内。
如图3和4所示，流动控制装置140另外可以包括流动控制部件145，例如排气闸。所述流动控制部件145适用于选择性地限制被再循环回到内燃机气缸125的气体的流动。所述流动控制部件145可位于涡轮增压器135的下游。所述流动控制部件145可操作在从完全打开到完全闭合的位置的全部范围之间。应当认为，所述流动控制部件145可具有或不具有涡轮增压器135。
继续参考图3，气体再循环系统10另外可以包括设置在气体再循环通道150中的气体再循环阀160。应当认为，在本发明的其它实施例中，该气体再循环阀160可以设置在排气歧管132中，所述气体再循环阀160可被设置成适用于控制进入气体再循环通道150中的气体的流动。
在内燃机制动事件过程中，气体再循环阀160可以选择性地打开，于是在内燃机制动事件过程中产生的气体被释放到气体再循环通道150中。可选的是，气体再循环阀160可以保持完全闭合(或者不包括在本发明的本实施例中)，并且在内燃机制动事件过程中产生的气体被引导进入流动控制装置140中。用这种方式，气体再循环系统10也可以提供内部气体再循环过程。气体再循环阀160可操作在从完全打开到完全闭合的位置范围之间。
继续参考图3，气体再循环系统10还可以包括旁通管道164。所述旁通管道164优选将涡轮增压器135的下游的一点连接到气体再循环阀160的下游的气体再循环通道150。单向阀165可以设置在旁通管道164中以防止气体穿过旁通管道164回流。在内燃机制动事件过程中产生的气体被引导穿过涡轮增压器135之后，所述气体可以从旁通管道164再循环到进气歧管122，并且最终穿过气体再循环通道150返回到内燃机气缸125中。旁通管道164允许气体流经涡轮135，所述涡轮135依次驱动压缩机100并且产生更高的增压压力用于更好的内燃机制动效果。在包括涡轮增压器135和流动控制部件145的本发明的一个实施例中，旁通管道164可以防止由流动控制部件145提供的流动限制使得涡轮135停止转动并且防止消除任何的进气增压。
气体再循环系统10还可以包括用于冷却再循环的气体的装置180，如图3所示。冷却装置180优选设置在气体再循环通道150中。应当认为，可以设置支路于是再循环的气体没有被冷却装置180冷却。穿过或者绕过冷却装置180之后，气体被引导穿过进气歧管122，并且被引入内燃机气缸125中，由此，能够增加气缸中的进气。
气体再循环系统10还可以包括中冷器110，如图3和4所示。中冷器110可用于冷却由压缩机100压缩的进气空气，并且用于提供冷却的进气加压。系统10适用于提供热和/或冷却的气体再循环。穿过气体再循环通道150再循环的气体可以被引导到中冷器110的上游或者下游，如图4所示。在本发明的一个实施例中，其中冷却装置180被绕过或者没有提供，中冷器110可冷却进气空气以及再循环的气体。
气体再循环系统10还可以包括内燃机控制装置(ECM)(未示出)用于控制气体再循环系统10的各种组件，于是实现了理想的内燃机制动的程度、系统清洁和/或EGR。ECM可以控制例如涡轮增压器135、流动控制部件145、气体再循环阀160和/或单向阀165。ECM可包括计算机并且可以通过任何连接装置例如导线或通风道被连接到传感器，连接到涡轮增压器135、流动控制部件145、气体再循环阀160、单向阀165、内燃机气缸125、进气歧管122、排气歧管132和/或内燃机系统的任何其它部件。ECM也可以被连接到合适的内燃机组件，例如转速计，所述内燃机组件能够为ECM提供内燃机转速和/或其它内燃机参数的测量。
现在将参考图5来描述本发明的气体再循环系统10的运行。图5是示出用于再循环内燃机中的气体的方法的简图。在内燃机制动操作300的过程中、在清洁操作400的过程中和/或在正功废气再循环操作500的过程中，气体再循环系统10可提供气体再循环。
如图5所示，在内燃机制动操作300的过程中，气体再循环系统10可提供气体再循环。在内燃机制动操作300的过程中，气体再循环系统10可提供内部和/或外部气体再循环。如果需要内部BGR，气体再循环阀160可以被闭合以通过打开的内燃机排气门130将气体引导到内燃机气缸125中。排气门130可具有例如EGR/BGR或泄放式气门升程。流动控制装置140控制再循环回到内燃机气缸125中的气体的流动。在具有流动控制部件145和VGT涡轮增压器135的本发明的一个实施例中，这些装置然后被调节使得制动参数符合或不超出理想的水平，所述制动参数例如制动功率以及在制动载荷、排气压力、排气温度以及涡轮转速上的限制。在仅包括流动控制部件145的本发明的一个实施例中，流动控制部件145可以被调节。
可选的是，如果需要外部BGR，在内燃机制动事件过程中，气体再循环阀160可以选择性地打开于是气体被引导到气体再循环通道150中。在本发明的一个实施例中，其中在涡轮135之前的外部BGR是不需要的，例如其中提供了旁通管道164，在制动事件过程中，气体再循环阀160可以选择性地闭合于是气体被引导穿过涡轮增压器135后，所述气体可以从旁通管道164被再循环到进气歧管122，并且最后穿过气体再循环通道150返回到内燃机气缸125中。在包括VGT涡轮增压器135和流动控制部件145的本发明的一个实施例中，涡轮增压器135和/或流动控制部件145然后可以被调节使得系统参数符合或不超出理想的水平，所述系统参数例如制动功率以及在制动载荷、排气压力、排气温度以及涡轮转速上的限制。在仅包括流动控制部件145的本发明的一个实施例中，流动控制部件145可以被调节。
图6至图10示出了具有和不具有根据本发明的实施例的BGR的各种系统参数。应当理解，图6至图10仅用于示例性的目的，并且所表示的实际值可以改变。
在清洁操作400的过程中，气体再循环系统10可以提供气体再循环。在正常的内燃机EGR过程中，气体再循环系统10的组件可能会积碳，这可能使得组件粘结或者粘着。来自内燃机制动事件的气体可以被引入气体再循环系统10中，并且可以有助于清洁各个系统组件。
清洁操作400可以下列情况下被启动(1)在预定的时间周期；(2)基于积碳程度指示器启动该系统；(3)基于建议“迅速”清洁的内燃机指示灯；和/或(4)由操作员在指示灯或者推荐的清洁周期的基础上从操作室手动启动。在该清洁操作被启动之后，气体再循环阀160被打开。在一个实施例中，气体再循环阀160被打开到完全打开的位置。该系统被切换到内燃机制动操作以产生穿过气体再循环通道150的脉冲气流。该脉冲气流可被控制以通过改变一个或多个内燃机状态来优化清洁操作，所述内燃机状态例如内燃机转速、涡轮转速、歧管压力以及阀门升程和阀门正时。清洁功能可消除对于气体再循环系统10的寿命和耐用性的最大的考虑中的一个。
在正常的内部和/或外部废气再循环操作500的过程中，气体再循环系统10可提供气体再循环。当需要内部废气再循环时，气体再循环阀160可以选择性地闭合，如图5所示。在一个实施例中，气体再循环阀160被闭合到完全闭合的位置。流动控制装置140然后在内燃机运行状态的基础上被控制用于最佳的内部EGR操作，所述内燃机运行状态例如内燃机转速和燃料(载荷)。当需要涡轮135之前的外部EGR操作时，气体再循环阀160可被打开并且涡轮增压器135和流动控制部件145可被控制用于最佳的外部EGR操作。在系统10的一个实施例中，其中没有涡轮增压器135或者在涡轮之前不需要外部EGR，气体再循环阀160可被闭合并且流动控制部件145(以及涡轮增压器135，如果存在的话)可被控制用于最佳的外部EGR操作。
在内燃机制动操作300的过程中和/或在正功废气再循环操作500的过程中，提供内部还是外部废气再循环取决于多个因素，例如EGR要求、内燃机运行状态(例如内燃机转速)和系统性能(例如是否提供了专用的EGR凸轮凸角(cam lobe))。应当认为，在内燃机制动300的过程中和/或在正功废气再循环操作500的过程中，本发明的实施例可提供内部和外部气体再循环的组合。
对于本领域中的普通技术人员来说，在不脱离本发明的范围或实质的前提下，能够作出本发明的变化和修改。
权利要求
1.一种气体再循环系统，用于改善内燃机中的内燃机制动，该内燃机具有进气门、排气门和气缸，所述气体再循环系统包括排气歧管，通过排气门可操作地连接到气缸；进气歧管，通过进气门可操作地连接到气缸；气体再循环通道，适用于在内燃机制动事件过程中将来自所述排气歧管的气体再循环到所述进气歧管。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于控制到内燃机气缸中的再循环的气体流动的装置，所述流动控制装置可操作地连接到所述排气歧管。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述流动控制装置包括涡轮增压器。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述涡轮增压器从包括下列装置的组中选取可变几何的涡轮增压器，废气减压涡轮增压器以及固定几何的涡轮增压器。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述流动控制装置还包括位于所述涡轮增压器的下游的流动控制部件。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述流动控制部件是可操作在完全打开的位置和完全闭合的位置之间的排气闸。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述气体再循环通道中的气体再循环阀。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述气体再循环阀可操作在完全打开的位置和完全闭合的位置之间。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述阀具有第一位置和第二位置，其中所述第一位置用于在内燃机制动事件过程中通过所述气体再循环通道选择性地将来自所述排气歧管的气体再循环到所述进气歧管，所述第二位置用于将气体引导穿过所述流动控制装置。
10.一种利用内燃机中的气体再循环来改善内燃机制动的方法，其中该内燃机具有进气门、排气门、进气歧管、排气歧管以及气缸，所述方法包括下列步骤提供将排气歧管连接到进气歧管的气体再循环通道；和在内燃机制动事件过程中通过气体再循环通道将来自排气歧管的气体再循环到进气歧管。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤提供设置在气体再循环通道中的阀；和在内燃机制动事件过程中选择性的操作所述阀。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，操作所述阀的步骤包括在内燃机制动事件过程中打开所述阀的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括提供外部气体再循环事件过程的步骤。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，操作所述阀的步骤包括在内燃机制动事件过程中闭合所述阀的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括提供内部气体再循环过程的步骤。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括利用再循环的气体来清洁所述进气歧管的步骤。
17.一种在至少一个内燃机运行参数的基础上改善内燃机的运行的方法，该方法包括下列步骤测量内燃机运行参数；在至少两个内燃机运行过程中提供气体再循环，所述至少两个内燃机运行过程从包括下列操作的组中选取内燃机制动运行、清洁运行以及正功废气再循环运行；和在内燃机运行参数的值的基础上控制再循环气体的流动。
全文摘要
本发明公开了一种用于改善内燃机中的内燃机制动的气体再循环系统，所述内燃机具有进气门、排气门以及气缸。所述系统包括排气歧管和进气歧管以及气体再循环通道，所述排气歧管通过排气门可操作地连接到所述气缸，所述进气歧管通过进气门可操作地连接到气缸，所述气体再循环通道适用于在内燃机制动事件过程中将来自排气歧管的气体再循环到进气歧管。
文档编号F02B29/00GK1836099SQ200480023039
公开日2006年9月20日 申请日期2004年4月29日 优先权日2003年6月11日
发明者杨周, 罗布·贾纳克, 尼尔·富克斯 申请人:雅各布斯车辆系统公司