利用专用废气再循环的多燃料流系统和方法
【专利说明】利用专用废气再循环的多燃料流系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张2013年3月15日提交的美国实用专利申请13/834,632的权益，所述申请的内容以全文引用的方式并入本文中以达所有目的。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及内燃机中的废气再循环，并且更具体地说涉及用于从接收多个燃料流的一个或多个专用汽缸进行废气再循环的系统和方法。
【背景技术】
[0004]由内燃机产生的污染大气的有毒氮氧化物(NOx)是不合需要的，并且在许多情况下是根据政府机构建立的法规来控制。此外，火花点燃式发动机展现出被称作“爆震”的异常燃烧现象，这种现象是在均匀燃烧过程的传播火焰锋面到达之前，在未燃区中的燃烧反应引发快速的不受控制燃烧时发生。控制爆震的一种方法包括通过例如提高混合物均匀性或通过增加由组织化充量运动诱导的湍流等级来增加火焰传播速率。
[0005]用于限制或控制发动机的燃烧温度并且因此减少放的一种技术已经能够使废气的一部分再循环回发动机进气口，以便降低进口空气中的氧含量。这种技术降低了进气充量的燃烧温度，并且继而由于较低的火焰温度而降低燃烧期间的NOx的形成量。为了使废气再循环，提供将排气歧管连接至进口空气供应管线的废气再循环(EGR)管线。
[0006]用来增加火焰传播速率以解决爆震的技术是具有专用于向发动机进口提供EGR流的一个或多个汽缸。当EGR管线与一个或多个专用汽缸连接时，发动机充当正位移栗来驱使EGR流，从而消除在将排气输送至进气系统中的栗送损失，并且允许实现大范围的发动机排出的氧化亚氮排放物。此外，由于来自专用汽缸的排气不会逸出发动机，所以利用专用汽缸进行替代的燃烧过程是可能的。此外，不需要可变几何涡轮增压器来驱使EGR流，从而促进符合目标空气-燃料比。
[0007]利用一个或多个汽缸作为专用EGR汽缸来操作的发动机享有大大简化的控制和压力管理、更少的硬件设备以及其他益处。然而，尽管存在如通过运转专用EGR汽缸以产生如氢气的有利物质来控制燃烧过程的一定能力，但是进行这种控制的能力是有限的，因为在专用和非专用汽缸中使用相同的燃料。例如，某些燃料提供高能量密度，但是不易产生如氢气或一氧化碳的有利物质，所述有利物质增加燃烧速度、减少发动机爆震并且提高燃料经济性。其他燃料更易生成有利气体种类，但是会牺牲能量密度和性能。
[0008]因此，仍存在对包括一个或多个专用汽缸来提供EGR流的系统和方法的进一步改进的需求，以便优化内燃机的操作、性能和燃料经济性。
【发明内容】
[0009]实施方案包括用于具有多个汽缸和专用废气再循环系统的发动机的独特系统和方法。所述专用废气再循环系统在燃烧之前将排气流从发动机的至少一个专用汽缸再循环至进气系统中。所述系统和方法还包括燃料系统，所述燃料系统将第一燃料流提供至多个汽缸，并且将第二燃料流提供至专用汽缸。所述多个汽缸的第一燃料流被控制来提供来自非专用汽缸的约为I的排气λ值，而专用汽缸的第二燃料流被控制来提供排气输出，所述排气输出具有用于利用进口空气流再循环至多个汽缸的所需特性。根据下文描述和附图，其他实施方案、形式、目标、特征、优势、方面和益处将变得显而易见。
[0010]附图简述
[0011]图1是内燃机系统的示意图，所述内燃机系统被配置为从一个或多个专用汽缸提供专用EGR流，并且从一个或多个非专用汽缸提供排气输出流。
[0012]图2是图1的内燃机系统的一部分的示意图，示出了用于专用和非专用汽缸的燃料加注系统的一个实施方案。
[0013]图3是图1的内燃机系统的一部分的示意图，示出了用于专用和非专用汽缸的燃料加注系统的另一个实施方案。
[0014]图4是图1的内燃机系统的一部分的示意图，示出了用于专用和非专用汽缸的燃料加注系统的另一个实施方案。
[0015]图5是图1的内燃机系统的一部分的示意图，示出了用于专用和非专用汽缸的燃料加注系统的另一个实施方案。
[0016]图6是图1的内燃机系统的一部分的示意图，示出了用于专用和非专用汽缸的燃料加注系统的另一个实施方案。
[0017]图7是用于对图1-6的系统的多个汽缸进行燃料加注的流程程序的流程图。
【具体实施方式】
[0018]为达促进对本发明原理的理解的目的，现在将参照附图中所示的实施方案并使用特定语言来描述所述实施方案。然而，应当理解本发明的范围并不意图受此限制，并且本文中预期将在正常情况下由本发明所属领域内的普通技术人员所想到的所说明实施方案的任何变化和其他修改，以及如本文所说明的本发明原理的任何其他应用。
[0019]参照图1，以示意图形式示出用于提供专用EGR流的系统20。示出了系统20，所述系统具有发动机30，所述发动机具有由专用EGR系统或回路21连接的进气和排气系统。发动机30是任何类型的内燃机，并且可包括化学计量发动机、汽油发动机、酒精发动机(如乙醇或甲醇)或者天然气发动机。在某些实施方案中，发动机30包括稀燃发动机，如稀燃汽油机、稀燃酒精发动机、稀燃天然气发动机或者柴油循环发动机。在某些实施方案中，发动机30可以是任何发动机类型，其产生可用于废气再循环(EGR)系统以例如减少爆震和从发动机30的放的排放物。在所示的实施方案中，发动机30包括呈直列式布置的6个汽缸30a-30f。然而，汽缸的数量可以是任何数量，并且汽缸的布置可以是任何布置，并且不受图1中示出的数量和布置的限制。
[0020]发动机30包括至少一个专用EGR汽缸30a，并且剩余汽缸30b_30f并不专用于EGR0然而，汽缸30b-30f可被连接至进气系统，以在某些条件下提供废气再循环。尽管图1中只示出了一个专用EGR汽缸30a，但是也可预期两个或更多专用EGR汽缸。如本文所用的，术语专用EGR应被广义地解读。在至少某些操作条件期间，某个(些)专用汽缸的整个排气输出被再循环至发动机进口的任何EGR布置就是专用EGR布置。在系统20中，来自专用汽缸30a的废气再循环，并且在发动机30的进气歧管28的上游位置处与进口气体组合。再循环废气可在进口 22的混合位置24处的混合器(未示出)处或通过任何其他布置来与进口气体组合。在某些实施方案中，再循环废气直接返回至进气歧管28。图1的专用EGR系统21可以是高压回路或系统，例如，其将专用EGR汽缸30a的排气在如图所示的压缩机50下游的位置处返回至进口 22 ;或者是低压回路，例如，其在压缩机50上游的位置处返回至进口 22。
[0021]发动机30包括至少部分地界定汽缸30a-30f的发动机组70。活塞(未示出)可以可滑动方式设置在每一个汽缸30a-30f内，以在上死区中心位置与下死区中心位置之间往复运动，并且气缸盖(未示出)可与每一个汽缸30a-30f相关联。汽缸30a-30f中的每一个、其相应活塞以及气缸盖形成燃烧室。在所不的实施方案中，发动机30包括六个此类燃烧室。然而，可以预期的是，发动机30可包括更多或更少数量的汽缸和燃烧室，并且汽缸和燃烧室可以“直列式”配置、“V”型配置或任何其他适合的配置来设置。
[0022]系统20还包括可包括一个或多个入口供应管道23的进口 22、混合位置24、进气歧管供应管道26以及连接至发动机30的发动机进气歧管28。系统20还包括耦接至发动机30的排气系统，所述排气系统包括发动机排气歧管32、排气管道34、涡轮增压器46以及与出口管道68连接的后处理系统(未示出)，所述后处理系统包括(例如)用于从废气流中除去一种或多种污染物的三效催化剂。
[0023]在一个实施方案中，发动机30是四冲程发动机。也就是说，对于每一个完全的发动机循环(即，对于每两个完整曲轴旋转)来说，每一个汽缸30a-30f的每一个活塞通过进气冲程、压缩冲程、燃烧或动力冲程以及排气冲程进行移动。因此，在所示的六缸发动机的每一个完全循环期间，存在六个冲程，在所述冲程期间，空气从进气歧管供应管道26被抽入单个燃烧室。在所示的实施方案中，在五个排气冲程期间，排气从单个汽缸30b-30f被排除至排气管道34 ;并且在一个排气冲程期间，废气从汽缸30a被排放至再循环废气供应管道40，以提供约为16%的专用EGR分数。这些冲程与相应系统内的空气和排气的脉动对应。应理解，可以预期其他的专用EGR分数。例如，以说明而不是限制的方式，利用两个专用EGR汽缸的布置提供33%的专用EGR分数，并且利用单个专用汽缸的四汽缸发动机提供25%的专用EGR分数。
[0024]专用EGR系统21包括独立于排气流管道34的再循环废气供应管道40。供应管道40延伸自发动机30的专用汽缸30a的燃烧室，并与所述燃烧室流动连通，从而将废气流供应至供应管道40。专用EGR系统21还可包括EGR冷却器38。专用EGR系统21中的EGR流继续从EGR冷却器38穿过EGR管道44达到混合位置24，在所述混合位置处，EGR流与来自入口供应管道23的入口流混合。EGR管道44被流动耦接至混合位置24并且入口供应管道23被流动耦接至混合位置24，以建立包括来自专用EGR系统21的组合入口流和再循环废气的充量流。在混合位置24处建立的充量流通过进气歧管供应管道26流动耦接至发动机进气歧管28。
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