經(jīng)由分離式排氣裝置改善直吹空氣的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及升壓內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的分離式排氣裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用升壓裝置(諸如渦輪增壓器)來增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度。然而，由于增加的燃燒溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震可能會(huì)發(fā)生?？梢酝ㄟ^延遲火花正時(shí)來解決發(fā)動(dòng)機(jī)爆震；然而，顯著的火花延遲會(huì)降低燃料經(jīng)濟(jì)性并且限制最大扭矩。在升壓的狀況下，由于高充氣溫度，爆震是特別成問題的。
[0003]降低充氣溫度并且因此減少爆震的一種方法是經(jīng)由直接吹入/直吹(blowthrough)，其中升壓的進(jìn)氣在正氣門重疊/交疊(overlap)階段中被直接吹入燃燒室進(jìn)入排氣裝置。
[0004]抑制爆震的另一方法是通過用冷卻的排氣再循環(huán)即EGR來稀釋進(jìn)氣。Roth(US8495992)示出了控制用于EGR的排氣的流動(dòng)的示例方法，其中分離式排氣系統(tǒng)使在放氣(blowdown)階段和掃氣(scavenging)階段中離開燃燒室的排氣分開。來自放氣階段的排氣被分配到渦輪增壓器系統(tǒng)中的渦輪或者被分配到EGR系統(tǒng)，該EGR系統(tǒng)將冷卻的EGR氣體引導(dǎo)至進(jìn)氣歧管或渦輪增壓器中的壓縮機(jī)的上游。同樣，來自掃氣階段的排氣被運(yùn)送到排放控制裝置或者被運(yùn)送到EGR系統(tǒng)，該EGR系統(tǒng)將冷卻的氣體輸送到進(jìn)氣歧管或壓縮機(jī)的上游。進(jìn)氣門正時(shí)和排氣門正時(shí)被控制以基于發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)流向渦輪增壓器和/或EGR的排氣量。
[0005]發(fā)明人在此已經(jīng)認(rèn)識(shí)到潛在的問題，包括解決爆震極限的上述方法的問題。例如，EGR節(jié)氣門可以被安置在壓縮機(jī)上游的進(jìn)氣裝置中，以提高低背壓下的EGR流量，該低背壓會(huì)使渦輪增壓器對喘振更敏感并且增加泵氣損失。另外，單獨(dú)的EGR冷卻器可以被用來在熱排氣能夠被供應(yīng)到進(jìn)氣歧管之前冷卻這些熱排氣，因此增加系統(tǒng)成本并且需要封裝空間。此外，在直吹技術(shù)被用來減少爆震的示例中，為使排氣達(dá)到化學(xué)計(jì)量比而噴射的額外燃料會(huì)引起催化劑的超溫并影響排放，同時(shí)增加燃料消耗。直吹技術(shù)的額外限制是其對于壓縮機(jī)出口壓力高于渦輪前(pre-turbine)排氣壓力時(shí)的低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的受限使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明人在此已經(jīng)認(rèn)識(shí)到上述問題，并且找到了至少部分解決這些問題的方案。在一種示例方案中，提供了一種用于具有分離式排氣歧管系統(tǒng)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。該方法包含:使排氣通過第一排氣門流向渦輪增壓器的渦輪；使排氣經(jīng)由第二排氣門流向排放控制裝置的上游；以及在共同的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)燃燒事件內(nèi)使低壓EGR和直吹空氣經(jīng)由第三氣門流向渦輪增壓器的上游進(jìn)入壓縮機(jī)入口。通過使用適當(dāng)?shù)臍忾T正時(shí)控制，EGR和直吹空氣技術(shù)的結(jié)合能夠被用來降低燃燒溫度，并且因此減輕發(fā)動(dòng)機(jī)爆震。
[0007]例如，在渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)汽缸的燃燒循環(huán)期間，第一放氣排氣部分可以通過第一排氣門被引導(dǎo)至渦輪，其中該第一排氣門可以在活塞的下止點(diǎn)即BDC位置之前打開，以允許75-80 %的燃燒過的氣體離開。第二排氣部分可以經(jīng)由第二排氣門輸送至排放控制裝置，其中該第二排氣門在排氣沖程的中途打開，以排出10-15%的剩余排氣，其被稱為“掃氣”部分。第一和第二排氣門可以在活塞到達(dá)上止點(diǎn)即TDC位置之前關(guān)閉，從而將一部分(約5-10% )排氣留在汽缸內(nèi)，這部分排氣將會(huì)由耦接至壓縮機(jī)入口的第三氣門排放。第三氣門(也被稱為“壓縮機(jī)入口氣門”)可以在排氣沖程即將結(jié)束時(shí)(例如，在TDC之前)打開，并且遠(yuǎn)在進(jìn)氣沖程開始之后(例如，遠(yuǎn)在TDC之后)關(guān)閉。因此，在一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣門打開的同時(shí)，壓縮機(jī)入口氣門可以打開，以允許新鮮空氣進(jìn)入汽缸。因此，在排氣沖程即將結(jié)束時(shí)汽缸內(nèi)的殘余排氣可以與新鮮直吹空氣一起被清除，并且經(jīng)由壓縮機(jī)入口氣門轉(zhuǎn)移到壓縮機(jī)的入口。
[0008]以此方式，可以通過在一個(gè)流徑中結(jié)合直吹與EGR來減少爆震。通過允許新鮮進(jìn)氣直吹汽缸余隙容積中的任何殘余熱排氣，可以冷卻燃燒室。離開燃燒室的排氣與直吹空氣的混合氣可以在壓縮機(jī)處與另外的新鮮空氣混合，在增壓空氣冷卻器即CAC中冷卻，并且最終在發(fā)動(dòng)機(jī)中作為EGR來再循環(huán)，以進(jìn)一步減少爆震。通過使用CAC來冷卻殘余排氣以及新鮮壓縮空氣，可以不需要單獨(dú)的EGR冷卻器。另外，通過將壓縮機(jī)入口氣門耦接至壓縮機(jī)可以省略掉EGR節(jié)氣門，借以通過汽缸將排氣與直吹空氣的混合氣從高壓進(jìn)氣歧管吸入壓縮機(jī)的低壓入口。由于直吹空氣和殘余排氣在低壓下被引導(dǎo)至壓縮機(jī)入口，因此直吹在更大的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是可能的。此外，可以減少所有排氣都流入高壓渦輪入口的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中遭遇的排氣泵氣損失。而且，由于直吹空氣不被引導(dǎo)至排放控制裝置，因此可以不需要通過噴射額外燃料來維持排氣中的化學(xué)計(jì)量比?？偟膩碚f，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在相對于最大扭矩的更少火花延遲的情況下進(jìn)行操作。
[0009]應(yīng)當(dāng)理解，提供以上概述是為了以簡化的形式介紹一些概念，這些概念在【具體實(shí)施方式】中被進(jìn)一步描述。這并不意味著確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或基本特征，要求保護(hù)的主題的范圍由隨附于【具體實(shí)施方式】的權(quán)利要求唯一地限定。此外，要求保護(hù)的主題不限于解決在上面或在本公開的任何部分中提及的任何缺點(diǎn)的實(shí)施方式。
【附圖說明】
[0010]圖1描繪了具有分離式排氣歧管的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖。
[0011]圖2不出了局部的發(fā)動(dòng)機(jī)視圖。
[0012]圖3描繪了圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中的一個(gè)汽缸的不例汽缸進(jìn)氣門和排氣門正時(shí)。
[0013]圖4是圖示說明基于各種發(fā)動(dòng)機(jī)工況激活壓縮機(jī)入口氣門的程序的示例流程圖。
[0014]圖5描繪了基于各種發(fā)動(dòng)機(jī)狀況的示例氣門操作和因而產(chǎn)生的經(jīng)由圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)汽缸的三個(gè)通道的排氣流。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下描述涉及用于借助通過三個(gè)不同的通道使發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸排氣而控制發(fā)動(dòng)機(jī)(諸如圖1-2的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng))中的爆震的系統(tǒng)和方法。具體地，在一個(gè)燃燒循環(huán)內(nèi)，排氣的第一部分或放氣部分可以經(jīng)由第一通道引導(dǎo)至渦輪增壓器的渦輪，排氣的第二部分或掃氣部分可以經(jīng)由第二通道引導(dǎo)至排放控制裝置，而在排氣沖程即將結(jié)束時(shí)與直吹空氣混合的第三排氣部分可以通過第三通道引導(dǎo)至渦輪增壓器中的壓縮機(jī)的入口。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)汽缸可以包含五個(gè)氣門:兩個(gè)進(jìn)氣門、兩個(gè)排氣門和一個(gè)壓縮機(jī)入口氣門。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器可以被配置為執(zhí)行控制程序(諸如圖4的程序)，以使壓縮機(jī)入口氣門基于各種發(fā)動(dòng)機(jī)工況(諸如在圖5中示出的那些工況)進(jìn)行操作。壓縮機(jī)入口氣門正時(shí)可以與排氣門以及進(jìn)氣門的正時(shí)相協(xié)調(diào)，以允許EGR和直吹(圖3)。
[0016]在以下描述中，進(jìn)行操作或激活的氣門表示氣門根據(jù)針對給定的一組條件在燃燒循環(huán)期間確定的正時(shí)而被打開和/或關(guān)閉。同樣，停用或不進(jìn)行操作的氣門表示氣門保持關(guān)閉，除非另作說明。
[0017]圖1示出了多缸內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意圖，發(fā)動(dòng)機(jī)10可以被包括在汽車的推進(jìn)系統(tǒng)中。發(fā)動(dòng)機(jī)10可以包括多個(gè)燃燒室(即，汽缸)，這些燃燒室可以在頂部被汽缸蓋(未示出)覆蓋。在圖1示出的示例中，發(fā)動(dòng)機(jī)10包括以直列式4缸構(gòu)造形式布置的燃燒室20、22、24和26。然而，應(yīng)當(dāng)理解，盡管圖1示出了四個(gè)汽缸，但發(fā)動(dòng)機(jī)10可以包括任何構(gòu)造形式(例如，V-6、1-6、V-12、對置4缸等)的任何數(shù)量的汽缸。
[0018]每個(gè)燃燒室可以經(jīng)由進(jìn)氣通道28從進(jìn)氣歧管27接收進(jìn)氣。進(jìn)氣歧管27可以經(jīng)由進(jìn)氣道耦接至燃燒室。例如，進(jìn)氣歧管27在圖1中被示為分別經(jīng)由進(jìn)氣道152、154、156和158耦接至汽缸20、22、24和26。每個(gè)進(jìn)氣道可以向其耦接至的汽缸供應(yīng)空氣和/或燃料以用于燃燒。每個(gè)汽缸進(jìn)氣道可以分別經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣門與汽缸選擇性地連通。汽缸20、22、24和26在圖1中被示為均具有兩個(gè)進(jìn)氣門。例如，汽缸20具有兩個(gè)進(jìn)氣門32和34，汽缸22具有兩個(gè)進(jìn)氣門36和38，汽缸24具有兩個(gè)進(jìn)氣門40和42，而汽缸26具有兩個(gè)進(jìn)氣門44和46ο在一個(gè)示例中，進(jìn)氣通道可以由與每個(gè)進(jìn)氣門選擇性連通的進(jìn)氣歧管27形成。在其他實(shí)施例中，用于單個(gè)汽缸的進(jìn)氣通道可以靠近汽缸被分成在中間有壁的兩個(gè)相鄰路徑，該通道的每個(gè)分開的路徑與單個(gè)進(jìn)氣門連通。在另一示例中，兩個(gè)進(jìn)氣門中的每一個(gè)可以被控制為在特定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下打開，并且因此可以通過共同的進(jìn)氣道與進(jìn)氣歧管連通。
[0019]每個(gè)燃燒室可以經(jīng)由耦接至其上的一個(gè)或多個(gè)排氣道排出燃燒氣體。汽缸20、22、24和26在圖1中被示為均耦接至兩個(gè)排氣道，這兩個(gè)排氣道分別用于獨(dú)立地引導(dǎo)燃燒氣體的放氣部分和掃氣部分。例如，排氣道33和35被耦接至汽缸22，排氣道39和41被耦接至汽缸22，排氣道45和47被耦接至汽缸24，而排氣道51和53被耦接至汽缸26。每個(gè)排氣道可以經(jīng)由排氣門與其所耦接至的汽缸選擇性地連通。例如，排氣道33、35、39、41、45、47、51和53經(jīng)由其各自的排氣門122、132、124、134、126、136、128和138與其各自的汽缸連通。
[0020]這是分離式歧管系統(tǒng)，排氣道33、39、45和51可以通向排氣歧管55，而排氣道35、41,47和53可以并入到排氣歧管57內(nèi)。這個(gè)系統(tǒng)中的排氣歧管可以被配置為從汽缸20、22,24和26排出燃燒產(chǎn)物。
[0021]發(fā)動(dòng)機(jī)10可以包括渦輪增壓器190。渦輪增壓器190可以包括耦接在共同軸96上的排氣渦輪92和進(jìn)氣壓縮機(jī)94。廢氣門127可以被耦接在渦輪92的兩端。具體地，廢氣門127可以被包括在耦接在排氣渦輪的入口與出口之間的旁路166中，以控制通過渦輪提供的升壓量。
[0022]排氣歧管可以被設(shè)計(jì)為獨(dú)立地引導(dǎo)排氣的放氣部分和掃氣部分。排氣歧管55可以經(jīng)由管160將排氣的放氣脈沖引導(dǎo)至渦輪增壓器190的渦輪92，而排氣歧管57可以經(jīng)由管162將排氣的掃氣部分引導(dǎo)至渦輪92的下游和排放控制裝置72的上游。例如，排氣門122、124、126和128通過排氣歧管55和管160將排氣的放氣部分引導(dǎo)至渦輪，而排氣門132、134、136和138通過排氣歧管57經(jīng)由管162將排氣的掃氣部分引導(dǎo)至排放控制裝置72。
[0023]從渦輪92排出的排氣也可以經(jīng)過排放控制裝置72。在一個(gè)示例中，排放控制裝置72可以包括多塊催化劑磚。在另一示例中，可以使用每個(gè)均具有多塊磚的多個(gè)排放控制裝置。在一些示例中，排放控制裝置72可以是三元催化劑。在其他示例中，排放控制裝置72可以包括一個(gè)或多個(gè)柴油氧化催化劑即DOC和選擇性催化還原催化劑即SCR。在經(jīng)過排放控制裝置72之后，排氣可以被引導(dǎo)至排氣尾管58。
[0024]除了如在圖1中示出的兩個(gè)進(jìn)氣門和兩個(gè)排氣門外，發(fā)動(dòng)機(jī)10的每個(gè)汽缸還可以包含第五氣門，該第五氣門被稱為“壓縮機(jī)入