用于對置活塞發(fā)動機的渦輪復(fù)合式空氣處理結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說明】用于對置活塞發(fā)動機的渦輪復(fù)合式空氣處理結(jié)構(gòu)
[0001]相關(guān)申請/優(yōu)先權(quán)
[0002]本申請包含與下列共同授讓的申請的主題相關(guān)的主題:2011年5月16日提交的美國申請13/068,679 ;2013年2月19日提交的PCT申請US2013/026737 ;以及2013年3月I日提交的美國申請13/782,802。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本領(lǐng)域為二沖程循環(huán)內(nèi)燃發(fā)動機。具體地，本領(lǐng)域涉及帶有空氣處理系統(tǒng)的直流掃氣對置活塞發(fā)動機，所述空氣處理系統(tǒng)為燃燒提供加壓的增壓空氣并處理燃燒產(chǎn)物。在一些方面，這種空氣處理系統(tǒng)再循環(huán)廢氣并將廢氣與加壓的增壓空氣混合以便降低燃燒溫度。
【背景技術(shù)】
[0004]二沖程循環(huán)發(fā)動機為內(nèi)燃發(fā)動機，其用曲軸的單一完整旋轉(zhuǎn)和連接到曲軸的活塞的兩個沖程完成動力循環(huán)。二沖程循環(huán)發(fā)動機的一個示例為對置活塞發(fā)動機，其中兩個活塞相對設(shè)置在汽缸的孔內(nèi)以用于在相反方向上往復(fù)運動。汽缸具有縱向隔開的進氣和排氣端口，進氣和排氣端口位于汽缸的各自末端附近。對置活塞的每個控制一個端口，從而當活塞移動到下止點(BC)位置時打開端口，且當活塞從BC朝上止點(TC)位置移動時關(guān)閉端口。端口中的一個提供孔外燃燒產(chǎn)物的通道，另一個端口用于準許增壓空氣進入孔內(nèi)；這些分別叫做“排氣”和“進氣”端口。
[0005]在圖1A中，二沖程循環(huán)內(nèi)燃發(fā)動機通過具有至少一個帶有端口的汽缸50的對置活塞發(fā)動機49實施。例如，發(fā)動機可具有一個帶有端口的汽缸、兩個帶有端口的汽缸、三個帶有端口的汽缸，或四個或更多帶有端口的汽缸。每個汽缸50具有孔52以及在汽缸壁的各自末端中形成或機加工而成的排氣端口 54和進氣端口 56。排氣端口 54和進氣端口 56中的每個包括開口的一個或多個圓周陣列，其中鄰近的開口通過固體橋接分開。在一些描述中，每個開口稱為“端口 ” ;然而，這種“端口”的圓周陣列的結(jié)構(gòu)與圖1A所示的端口結(jié)構(gòu)沒什么區(qū)別。在所示的示例中，發(fā)動機49進一步包括兩個曲軸71和72。排氣活塞60和進氣活塞62滑動地設(shè)置在孔52中，且它們的末端表面61和63彼此相對。排氣活塞60耦合到曲軸71，且進氣活塞耦合到曲軸72。
[0006]當汽缸50的活塞60和62靠近TC時，燃燒室在活塞的末端表面61和63之間的孔52內(nèi)被限定。燃料通過至少一個燃料噴射器噴嘴100被直接噴射到燃燒室，所述燃料噴射器噴嘴100安置在穿過汽缸50的側(cè)壁的開口中。
[0007]進一步參考圖1A，發(fā)動機49包括空氣處理系統(tǒng)51，其管理提供到發(fā)動機49的增壓空氣的輸送以及通過發(fā)動機49產(chǎn)生的廢氣的輸送。代表性空氣處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括增壓空氣子系統(tǒng)和排氣子系統(tǒng)。在空氣處理系統(tǒng)51中，增壓空氣子系統(tǒng)包括增壓空氣源，其接收進入空氣并將進入空氣處理為增壓空氣，耦合到增壓空氣源的增壓空氣通道，增壓空氣穿過增壓空氣源被輸送到發(fā)動機的至少一個進氣端口，以及增壓空氣通道中的至少一個空氣冷卻器，該空氣冷卻器經(jīng)耦合以在增壓空氣傳送到發(fā)動機的進氣端口或多個進氣端口前接收并冷卻增壓空氣(或包括增壓空氣的氣體混合物)。這種冷卻器能夠包括空氣對液體和/或空氣對空氣設(shè)備，或另一種冷卻設(shè)備。排氣子系統(tǒng)包括排氣通道，其從發(fā)動機的排氣端口輸送排氣產(chǎn)物以用于傳輸?shù)狡渌艢饨M件。
[0008]進一步參照圖1A，空氣處理系統(tǒng)51包括渦輪增壓器120，渦輪增壓器120帶有在共同軸123上旋轉(zhuǎn)的渦輪機121和壓縮機122。渦輪機121耦合到排氣子系統(tǒng)且壓縮機122耦合到增壓空氣子系統(tǒng)。渦輪增壓器120從廢氣中提取能量，所述廢氣退出排氣端口 54并直接從排氣端口 54或從排氣歧管125流入排氣通道124，所述排氣歧管125收集經(jīng)過排氣端口 54輸出的廢氣。就這一點而言，渦輪機121由穿過渦輪機的廢氣旋轉(zhuǎn)。這使壓縮機122旋轉(zhuǎn)，從而引起壓縮機通過壓縮進入空氣生成增壓空氣。增壓空氣子系統(tǒng)包括機械增壓器110。通過壓縮機122輸出的增壓空氣經(jīng)過增壓空氣通道126流到冷卻器127，由此，增壓空氣由機械增壓器110抽到進氣端口。由機械增壓器110壓縮的空氣能夠通過冷卻器129被輸出到進氣歧管130。進氣端口 56接收由機械增壓器110抽取并穿過進氣歧管130的增壓空氣。優(yōu)選地，在多汽缸對置活塞發(fā)動機中，進氣歧管130由進氣集氣室構(gòu)成，所述進氣集氣室與所有汽缸50的進氣端口 56連通。
[0009]圖1A所示的空氣處理系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以通過再循環(huán)廢氣穿過發(fā)動機的帶有端口的汽缸減少由燃燒產(chǎn)生的NOx排放。再循環(huán)的廢氣與增壓空氣混合以降低燃燒溫度峰值，從而降低NOx排放。該過程稱為廢氣再循環(huán)(“EGR”)。所示的EGR結(jié)構(gòu)利用經(jīng)由汽缸外面的EGR環(huán)路輸送到增壓空氣子系統(tǒng)中的新鮮進入空氣的進入流中的廢氣。在閥138的控制下(該閥也可稱為“EGR閥”)，再循環(huán)的氣體流經(jīng)導管131。
[0010]具體EGR環(huán)路結(jié)構(gòu)的示例(其不旨在限制性的)為圖1B所示的高壓配置。就這點而言，高壓力EGR環(huán)路使從輸入源上游獲得的廢氣循環(huán)到渦輪機121再到壓縮機122的輸出的下游的混合點。在該EGR環(huán)路中，導管131和EGR閥138分流一部分來自排氣歧管125的廢氣以與通過壓縮機122輸出到導管126中的增壓空氣混合。如果不要求廢氣/空氣混合，閥138完全關(guān)閉且沒有廢氣的增壓空氣被傳送到汽缸。當閥138逐漸打開時，不斷增加的廢氣量混合到增壓空氣中。相反地，從開放狀態(tài)中，當閥138逐漸關(guān)閉時，不斷減少的廢氣量混合到增壓空氣中。該環(huán)路使再循環(huán)的廢氣經(jīng)歷兩個冷卻器127和129的冷卻作用。如果應(yīng)受較少的冷卻，廢氣部分能夠圍繞冷卻器127分流到機械增壓器110的輸入；該替換物僅通過增壓空氣冷器129使廢氣部分經(jīng)歷冷卻。僅冷卻廢氣的專用的EGR冷卻器能夠被包括在導管131中，且與閥138串聯(lián)，或與閥138的輸出端口和到機械增壓器110的輸入串聯(lián)。
[0011]根據(jù)圖1B，用以操作二沖程循環(huán)對置活塞發(fā)動機的空氣處理系統(tǒng)的控制機械化包括E⑶149。通過自動操作閥138和139(且可能其它閥)、機械增壓器110(如果使用多速度或可變速度設(shè)備)和渦輪增壓器120 (如果使用可變幾何結(jié)構(gòu)設(shè)備)，則ECU控制與加壓的增壓空氣混合的廢氣量以響應(yīng)指定的發(fā)動機工況。當然，用于EGR的閥和關(guān)聯(lián)元件的操作能夠包括電動的、氣動的、機械的以及液壓的致動操作中的任何一個或多個。對于快而準的自動操作，優(yōu)選，閥為帶有連續(xù)可變設(shè)置的高速、計算機控制的設(shè)備。每個閥具有閥打開(到由ECU149控制的一些設(shè)置)以允許氣體流經(jīng)閥的狀態(tài)，和閥關(guān)閉以阻擋氣體流經(jīng)閥的狀態(tài)。
[0012]在諸如圖1A和圖1B所示的二沖程循環(huán)對置活塞中，機械增壓器用于創(chuàng)建發(fā)動機上的正壓力差以便驅(qū)動氣流和EGR流。除機械增壓器外，渦輪增壓器用于提取一些廢氣能量熱以用于驅(qū)動進氣側(cè)上的壓縮機以便增加進入機械增壓器的空氣的密度，從而減少穿過機械增壓器的體積流量和壓力比。用于二沖程循環(huán)對置活塞發(fā)動機的這些空氣處理結(jié)構(gòu)具有強調(diào)的積極目標，諸如增壓空氣的管理和有效傳送和/或經(jīng)傳送以用于燃燒的增壓空氣中的廢氣的輸送和混合的控制。
[0013]然而，當對置活塞發(fā)動機的設(shè)計繼續(xù)演變以用于現(xiàn)代運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用時，用于那些發(fā)動機的空氣處理系統(tǒng)必須越來越有助于改進的性能。因此，使對置活塞發(fā)動機裝備有改進的空氣處理結(jié)構(gòu)是可取的，所述改進的空氣處理結(jié)構(gòu)減少燃料消耗量、改進針對改變工況的瞬態(tài)響應(yīng)和可控性，且改進外EGR驅(qū)動能力，同時不增加發(fā)動機上的機械負荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]二沖程循環(huán)對置活塞發(fā)動機具有空氣處理系統(tǒng)，所述空氣處理系統(tǒng)裝備有渦輪復(fù)合式系統(tǒng)。就這點而言，渦輪復(fù)合式系統(tǒng)包括沖擊式渦輪機(也稱為“沖擊式動力渦輪機”)，其響應(yīng)于排氣流流入渦輪機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)機械輸出。旋轉(zhuǎn)機械輸出耦合到發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)元件。渦輪