用于发动机的排气系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于发动机的排气系统。排气系统可以具有与发动机气缸相关联的减压阀。排气系统还可具有废气再循环通道，其从减压阀延伸到发动机气缸的进气口。本实用新型公开的排气系统可实施于利用废气再循环的任何动力系统应用中。该排气系统可以利用发动机现有的部件，以提高其能力、改善发动机效率和性能。
【专利说明】用于发动机的排气系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种排气系统，更具体地，涉及一种具有通过压缩阀的废气再循环(EGR)的排气系统。
【背景技术】
[0002]内燃机例如柴油发动机、汽油发动机和气态燃料提供动力的发动机,被供给空气和燃料的混合物，用于在发动机内燃烧，其产生机械功率输出和废气流。该废气可以包括作为燃烧的副产物产生的空气污染物的复杂混合物。并且由于对环境的注意力增加，取决于发动机的类型、发动机的尺寸和/或发动机的等级，发动机排向大气的污染物的量能够被调节。
[0003]发动机制造商已执行以符合废气排放规定的一种方法包括使用废气再循环(EGR)回路。EGR回路通过将由发动机产生的废气的一部分再循环回到发动机进气口，从而与新鲜的燃烧空气混合来操作。所得的混合物，在被点燃时产生更低的燃烧温度和相应减少量的污染物。
[0004]通常，EGR回路利用以下两种策略之一:供体气缸策略或泵送EGR策略。供体气缸策略包括:EGR通道，其接收来自一个或多个供体气缸的废气；以及正常排气通道，其平行于所述EGR通道延伸。作为策略的一部分，限制被选择性地施加于正常排气通道，使得来自供体气缸的更多的废气流再循环回到该发动机的进气口。泵送EGR策略包括外部泵和/或压缩机，其从一些发动机气缸中吸取废气并将废气再循环回到发动机的进气口。
[0005]实现供体气缸策略的典型的发动机公开于Freund等人的美国专利公开第2012/0000448号，其公开于2012年I月5日(以下简称“’448公开文件”)。具体地说，’448公开文件公开了一种柴油发动机系统，包括一组供体气缸和一组非供体气缸。该系统还包括排气歧管、废气再循环(EGR)歧管，和与供体气缸相关联的一个或多个阀组。该EGR歧管与每个供体气缸的出口管道相连接，并将供体气缸中产生的废气供给回到供体气缸和/或非供体气缸作为被该气缸接收的进气的一部分。所述阀组将一个或多个供体气缸产生的废气在排气歧管和EGR歧管之间引导。
[0006]虽然’448公开文件的排气系统在一些应用中可以减少排放，但在某些应用中可能仍然不是最佳的。具体而言，用于废气再循环的专用阀组的使用增加了排气系统中的部件的数量，导致发动机及其相关的控制系统的成本和复杂性增加。
【发明内容】
[0007]本实用新型公开的排气系统，旨在克服现有技术中的一个或多个上述问题和/或其他问题。
[0008]在一个方面，本实用新型提供了一种用于发动机的排气系统，所述排气系统包括与发动机气缸相关联的减压阀；所述排气系统还包括废气再循环通道，其从减压阀延伸至发动机气缸的进气口。
[0009]进一步的，所述排气系统还包括控制器，所述控制器与所述减压阀连通并配置成选择性地使减压阀在通流位置和阻流位置之间移动。
[0010]又进一步的，所述排气系统还包括至少一个传感器，该传感器与所述控制器连通并配置成产生表示与发动机气缸相关联的压力信号。
[0011]其中，所述控制器被配置成在发动机正常操作期间，基于表示与发动机气缸相关联的压力信号，至少部分地打开减压阀；或者，所述控制器被配置成在发动机启动之前，基于表示与发动机气缸相关联的压力信号至少部分地打开减压阀；或者，所述控制器被配置为在发动机正常操作期间选择性地打开减压阀，以将所需量的废气再循环回到发动机气缸的进气口。
[0012]优选的，所述发动机包括多个发动机气缸；减压阀是第一电控减压阀；所述排气系统还包括至少第二电控减压阀；所述第一电控减压阀和所述至少第二电控减压阀与少于全部的发动机的气缸相关联。
[0013]进一步的，所述排气系统还包括至少一个机械控制的减压阀，所述机械控制的减压阀与一个或多个剩余的发动机气缸相关联。
[0014]其中，所述至少一个机械控制的减压阀与大气是直接流体连通的。
[0015]进一步的，所述第一电控减压阀和所述至少第二电控减压阀与位于第一排发动机气缸内的所有发动机气缸相关联；所述至少一个机械控制的减压阀与位于第二排的发动机气缸内的所有发动机气缸相关联。
[0016]在另一个方面，本实用新型还提供了一种处理来自发动机的废气的方法，该方法包括在发动机启动之前选择性地打开减压阀以减少与发动机气缸相关联的压力；该方法还包括在发动机正常操作期间选择性地打开所述减压阀，以将废气从发动机气缸通过废气再循环通道传送并回到发动机气缸中。
[0017]本实用新型公开的排气系统可实施于利用废气再循环的任何动力系统应用中。该排气系统可以利用发动机现有的部件，以提高其能力、改善发动机效率和性能。减压阀在发动机启动之前可以提供减小其各自的燃烧室的压力的传统功能，以及在发动机正常操作期间选择性地再循环废气流回到发动机中。减压阀的多用途性可以有助于减少排气系统中所需的部件数，从而降低动力系统的成本和控制复杂度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是示例性公开的动力系统的示意图。
【具体实施方式】
[0019]图1示出的动力系统10，其具有发动机12、空气引入系统14和排气系统16。为了本公开的目的，发动机12被描绘和描述成四冲程柴油机。然而，本领域的技术人员将认识至IJ，发动机12可为任何其它类型的内燃机，例如为两冲程或四冲程汽油、天然气、或其它气体燃料的动力发动机。空气引入系统14可被构造成将空气或空气和燃料的混合物引入发动机12以用于燃烧。排气系统16可用来将燃烧废气从发动机12引导到大气中。
[0020]发动机12可包括发动机缸体18，其至少部分地限定多个气缸20。活塞(未示出)可滑动地设置在每个气缸20内，以在上止点位置和下止点位置之间往复运动。气缸盖(未示出)可以与每个气缸20相关联。每个气缸20、活塞和气缸盖可一起至少部分地限定燃烧室。在所示的实施例中，发动机12包括布置成V形配置(即，具有第一和第二气缸排22或气缸20、24行的配置)的12个气缸20。但是，可设想发动机12可包括更多或更少数量的气缸20，并且气缸20可布置成直列式结构，相对活塞配置，或成另一配置，如果需要的话。
[0021]发动机12还可配备有一个或多个与各自的气缸20相关联的减压阀。每个减压阀可与相应气缸20的燃烧室流体连通地定位。在一些实施例中，减压阀可以至少部分地设置在所述气缸20的气缸盖内并流体连接到气缸盖的释放端口。应该注意到，其它阀和/或端口也可以设置在每个气缸盖内，例如，进气阀、排气阀、和/或与进气阀和排气阀相关联的端口。
[0022]在公开的实施例中，发动机12具有两种类型的减压阀，包括电控减压阀28和机械控制的减压阀30。在发动机正常操作之前，减压阀28、30可以用于降低它们各自的燃烧室内的压力。具体地，减压阀28、30可被打开以从燃烧室中提取空气和/或液体(例如水、润滑油、燃料)。这可能需要在发动机维护过程中和/或在发动机12已经经历了一段相当长的不活动状态。在一些应用中，降低压力可以帮助启动。
[0023]减压阀30可要求操作员开始致动。例如，减压阀30可以配置为手动调节至阻流(即，闭合位置)位置和通流位置(即打开位置)之间的任何位置。在一个实施例中，每个减压阀30可以是外螺纹，这样操作者可以利用从标准棘轮工具施加扭矩而将所述阀螺纹连接到其相应的释放端口。在另一个实施例中，操作人员可推动或拉动减压阀30，使阀在阻流位置和通流位置之间移动。因为减压阀30需要操作者在打开和关闭位置之间移动阀，减压阀30通常仅在发动机正常操作之前(例如，在发动机启动之前)打开，且在发动机正常操作过程中保持关闭(即，在发动机非启动操作期间)。在所示的实施例中，减压阀30与大气直接流体连通。
[0024]另一方面，减压阀28可由控制器74电子操纵，其可允许增强功能性。例如，减压阀28可以是螺线管操作的阀，具有可移动到阻流和通流位置之间的任何位置的阀元件。减压阀28的阀元件可以被偏压向阻流位置并可基于来自控制器74的信号朝向通流位置移动。因为减压阀28不需要与操作者物理地交互，发动机正常操作期间可使用它们。
[0025]控制器74可以实施为单个微处理器或者多个微处理器，所述微处理器包括用于控制减压阀28操作的装置。许多可购得的微处理器可构造成执行控制器74的功能。应该理解，控制器74可容易地结合在能够控制大量的机器功能的通用机器微处理器中。控制器74可以包括存储器、辅助存储装置、处理器和任何其它用于运行应用程序的构件。各种其它回路可与控制器74相关联，例如电源回路、信号调节回路、螺线管驱动器回路以及其它类型的回路。
[0026]空气引入系统14可以包括多个组件，配置用于调节和引导压缩空气进入气缸20。例如，空气引入系统14可以包括至少一个压缩机32，其与气缸20通过第一和第二进气歧管42、44流体连通。进气歧管42可以与气缸20的排22相关联，而进气歧管44可以与气缸20的排24相关联。压缩机32可实施为固定几何形状压缩机、可变几何形状压缩机或任何其它类型的压缩机，其被配置为接收空气并压缩空气至理想的压力水平。可以构想到，空气引入系统14还可以包括一个或多个冷却器(未示出)，该冷却器定位成在由压缩机32压缩的空气进入发动机12的燃烧室中之前冷却该空气。
[0027]排气系统16可尤其包括至少一个涡轮34，所述涡轮34由来自第一排气歧管和第二排气歧管46，48的废气驱动以旋转空气引入系统14的压缩机32。排气歧管46可以与气缸20的排22相关联，而排气歧管48可以与气缸20的排24相关联。每个涡轮34可实施为固定几何形状涡轮、可变几何形状涡轮或任何其它类型的涡轮机，其配置成接收废气并将废气中的势能转换成机械转动。涡轮34可通过轴36直接和机械地连接到压缩机32以形成涡轮增压器38。在离开发动机12的热废气移动通过涡轮34并在其中膨胀，涡轮机34可以转动并驱动连接的压缩机32以加压进气。
[0028]在通过涡轮机34之后，该废气可在通过公共通道60被排放到大气中之前首先进行处理。特别地，一个或多个废气处理装置(未示出)可定位以接收来自涡轮34的废气。废气处理设备可包括，例如，微粒过滤器，一种或多种催化剂，或本领域已知的其它处理装置。废气处理装置可以构造为去除、捕获、降低、或以其它方式将发动机12的废气流中的污染物转换成无害物质。
[0029]排气系统16还可以包括废气再循环(EGR)回路70，其被配置以选择性地将废气从涡轮34上游的位置转移到空气引入系统14。特别地，EGR回路70可以在第一端以与排气歧管46，48分开的方式与一个或多个气缸20流体连接，并在相对的第二端与空气引入系统14流体连接。在所公开的示例性实施例中，EGR回路70包括废气再循环歧管(EGR)歧管72，其被配置以接收来自减压阀28的废气。在一些实施例中，多个平行通道可从减压阀28延伸到EGR歧管72。减压阀28可构造成选择性地允许或阻止废气通过EGR回路70的流动。例如，在正常发动机操作期间，控制器74可以使一个或多个减压阀28改变到阻流位置和通流位置之间的任何位置。在一个实施例中，在发动机12的相关联的活塞的做功/排气/进气冲程的至少一部分期间，控制器74能够朝向通流位置移动一个或多个减压阀28，使得在所需的温度和/或压力的理想量或流量的废气可以被从相关的气缸20通过EGR回路70推动至进气歧管42、44。
[0030]EGR回路70还包括两条平行通道78、80，它们分别从EGR歧管72单独地延伸到进气歧管42、44在空气引入系统14内压缩机32下游的位置处。冷却器76可设置在EGR歧管72和通道78、80之间以冷却经过的废气。冷却器76可以是任何类型的本领域已知的热交换器，其被配置为冷却流过EGR回路70的废气。例如，冷却器76可以是空气-液体类型的热交换器，其接收来自发动机12 (例如，发动机缸体18)的冷却剂并将冷却剂返回到发动机12。冷却剂可以通过冷却器内间隔开的槽道76，用以从经过相邻槽道的废气吸收热量。应当注意，如果需要的话，冷却器76也可替代地为其它类型的热交换器，例如空气-空气热交换器。
[0031]在公开的实施例中，少于全部的气缸20与EGR回路70相关联。具体地，气缸20的排24具有电子控制的减压阀28，其与EGR回路70相关联，而气缸20的排22具有传统的机械控制的减压阀30，其不与EGR回路70相关联。仅使气缸20的一个排与EGR回路70相关联可降低EGR回路70的复杂性，从而增加了可靠性并减少了成本。另外，为少于所有气缸20配备电控减压阀28也可以降低成本。但是，可以预期的是，根据需要，任何数量的气缸20可配备有电控减压阀28和/或与EGR回路70相关联。进一步可以构想到，任何现有的机械控制的减压阀30可以被替换为电子控制的减压阀28和/或改装成由控制器74自动地控制。
[0032]在通过减压阀28调节流过EGR回路70的废气之前、过程中和/或之后，控制器74可接收指示发动机12的运行状况的数据和/或在排气歧管46、48和/或EGR回路70内的废气的实际的流量、温度、压力、和/或组成。这种数据可以接收自一个或多个传感器82，所述传感器策略上被遍布于排气系统16。在公开的实施例中，至少一个传感器82至少部分地设置在气缸20、EGR歧管72和排气歧管46、48内或其附近。然而，按需要，任何数量的传感器82可以与控制器74相关联并遍布动力系统10。应注意的是，传感器82在图1中示为仅与一个气缸20相关联，以用于观察的目的，并且在另一个实施例中，至少一个传感器82可与每个气缸20相关联。传感器82可以配置为产生表不一个或多个与发动机12和/或排气系统16相关联的参数的信号。可以设想，控制器74还可以从另一控制器或计算机(未示出)和/或发动机12接收数据。
[0033]控制器74可被配置为利用存储的算法、方程、子程序、查找图和/或表来分析所述运行状况数据，并确定通道60之内的废气的期望的流量、数量、和/或组分，以充分地减少排出到大气中的污染物的产生。基于期望的流量、数量、和/或组分，控制器74可以使一个或多个减压阀28相对于发动机12的相关联活塞的做功/排气/进气冲程在正确的定时打开和/或打开期望的量，使得所需的流量、数量以及组分的废气通过EGR回路70进入进气歧管42、44。
[0034]工业实用性
[0035]本实用新型公开的排气系统可实施于利用废气再循环的任何动力系统应用中。本公开的排气系统可以利用发动机12现有的部件，以提高其功能能力，从而改善发动机效率和性能。具体地，减压阀28在发动机启动之前可以提供减小其各自的燃烧室的压力的传统功能，以及在发动机正常操作期间选择性地再循环废气流回到发动机12中。减压阀28的多用途性可以有助于减少排气系统16中所需的部件数，从而降低动力系统10的成本和控制复杂度。EGR回路70的操作现在将参照图1描述。
[0036]在发动机启动之前，发动机12的操作者可以手动将减压阀30调节到至少部分打开一个或多个阀。同时，控制器74可接收来自操作者的输入命令并产生一信号使螺线管至少部分地打开一个或多个减压阀28。可以设想，控制器74还可以从传感器82接收指示一个或多个燃烧室内的压力水平的信号，判定所述压力是否处于适于发动机正常操作的水平，并基于该压力自动打开一个或多个减压阀28。一旦一个或多个减压阀28、30被打开，操作者会控制发动机12旋转至少一转，使得气缸20内的活塞将空气和/或液体推出燃烧室，并将每一相应燃烧室内的压力降低到适合正常发动机操作的压力水平。在公开的实施例中，流过减压阀30的空气和/或液体被释放到大气中，而流过减压阀28的空气和/或液体被释放到EGR歧管72，在那里可以继续通过排气系统16。
[0037]这种解压缩过程可以在一些应用中通过在正常发动机操作之前减小燃烧室内相当高的压力来辅助发动机启动。在一些应用中，如果操作者检测到大量的液体中从一个或多个减压阀30跑出，或者如果传感器82检测到在一个或多个燃烧室内的相当高的压力水平，则操作员可以决定不启动发动机12，以进一步检查动力系统10。否则，操作员可以手动调整减压阀30以关闭阀并输入命令到控制器74，以使螺线管关闭减压阀28，准备正常操作发动机。
[0038]在发动机正常操作期间，可以从大气中吸入空气，由压缩机32加压，并借助于进气歧管42、44导入到气缸20内。加压空气在摄入之前、期间和/或之后的任何时候，燃料可以被供给到并与每个气缸20的燃烧室内的空气混合。每个气缸的活塞20的向上运动可导致燃料/空气混合物的燃烧，产生废气，和活塞的返回向下运动。在活塞向下运动到特定点处时，一部分废气可从燃烧室通过排气歧管46，48排出至涡轮34。
[0039]同样，在发动机正常操作期间，减压阀28可在任何时候选择性打开，以允许一部分废气从一个或多个气缸20流过EGR回路70并通过进气歧管42、44回到发动机12。例如，在相关联的活塞的做功/排气/进气冲程的至少一部分器件，在空气/燃料混合物燃烧期间或之后，在燃烧室内的压力足够高以将废气推出燃烧室并通过EGR回路70时，减压阀28可以被选择性打开。具体地，在废气的压力大于进气歧管42、44内的空气的压力时，废气可以从燃烧室流过EGR回路70并进入进气歧管42，44。因此，控制器74可以被编程以基于从传感器82感测的条件和存储在存储器中的图表，在这个理想时刻，产生针对减压阀28的电子命令信号，导致减压阀28打开到通流位置。
[0040]在一个实施例中，减压阀28可以在做功冲程的一部分期间在相应气缸20内的压力水平约为25巴时打开。减压阀28可保持打开到排气冲程的一部分，直到在相应气缸20内的压力水平小于约10巴为止。在这些特定压力水平打开和关闭减压阀28可以允许所需量的废气从气缸20再循环回到进气歧管42、44。所需的再循环废气的量可以是足以产生较低的燃烧温度并因此产生相应减少量的不希望排放物的量。
[0041]随着废气流动通过EGR回路70，可以在将废气引入到进气歧管42、44中之前由冷却器76冷却废气。此外，排气可被分成两个基本上相等的流，它们流动到通道78、80，允许与进气歧管42、44单独连接。
[0042]本实用新型公开的排气系统可以充分减少排放并提供优于传统EGR策略的优点。具体而言，在EGR回路70中使用电子控制的减压阀28可允许在发动机正常操作期间在理想的时刻和/或压力下打开和关闭阀，从而减少排气系统中的背压和提高燃料效率。另外，所公开的排气系统可以不需要常规的EGR泵或鼓风机和相关的控制回路，从而进一步减少背压，并减少了排气系统的成本。
[0043]对本领域中的技术人员而言，显而易见的是可以对所公开的排气系统做出各种修改和变型。鉴于所公开的排气系统的说明书和实践，其它实施例对于本领域的技术人员来说是显然的。意图是说明书和实施例仅被认为是示例性的，实际保护范围由权利要求书及其等价物指示。
【权利要求】
1.一种用于发动机的排气系统，其特征在于，包括: 与发动机的气缸相关联的减压阀；和 从减压阀延伸至发动机气缸的进气口的废气再循环通道。
2.如权利要求1所述的用于发动机的排气系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述减压阀连通并配置成选择性地使减压阀在通流位置和阻流位置之间移动。
3.如权利要求2所述的用于发动机的排气系统，其特征在于，还包括至少一个传感器，该传感器与所述控制器连通并配置成产生表示与发动机气缸相关联的压力信号。
4.如权利要求3所述的用于发动机的排气系统，其特征在于，所述控制器被配置成在发动机正常操作期间，基于表示与发动机气缸相关联的压力信号，至少部分地打开减压阀。
5.如权利要求3所述的用于发动机的排气系统，其特征在于，所述控制器被配置成在发动机启动之前，基于表示与发动机气缸相关联的压力信号至少部分地打开减压阀。
6.如权利要求2所述的用于发动机的排气系统，其特征在于，所述控制器被配置为在发动机正常操作期间选择性地打开减压阀，以将所需量的废气再循环回到发动机气缸的进气口。
7.如权利要求2所述的用于发动机的排气系统，其特征在于， 所述发动机包括多个发动机气缸； 减压阀是第一电控减压阀； 所述排气系统还包括至少第二电控减压阀；和 所述第一电控减压阀和所述至少第二电控减压阀与少于全部的发动机的气缸相关联。
8.如权利要求7所述的用于发动机的排气系统，其特征在于，还包括至少一个机械控制的减压阀，所述机械控制的减压阀与一个或多个剩余的发动机气缸相关联。
9.如权利要求8所述的用于发动机的排气系统，其特征在于，所述至少一个机械控制的减压阀与大气直接流体连通。
10.如权利要求8所述的用于发动机的排气系统,其特征在于， 所述第一电控减压阀和所述至少第二电控减压阀与位于第一排发动机气缸内的所有发动机气缸相关联；和 所述至少一个机械控制的减压阀与位于第二排的发动机气缸内的所有发动机气缸相关联。
【文档编号】F02D21/08GK203925795SQ201420257245
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】R·P·S·桑吉亚, M·B·古特克 申请人:易安迪机车公司