具有可變充氣運(yùn)動(dòng)的專用egr汽缸的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及用于調(diào)節(jié)專用發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸組內(nèi)的充氣運(yùn)動(dòng)的方法和系統(tǒng)，專用發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸組提供外部EGR到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和非專用的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸組。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動(dòng)機(jī)可以配備有排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，以從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管轉(zhuǎn)移至少一些排氣到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管。通過提供期望的發(fā)動(dòng)機(jī)稀釋，該系統(tǒng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆震、節(jié)流損失、缸內(nèi)熱損失以及氮氧化合物排放。因此，提升了燃料的經(jīng)濟(jì)效益，尤其是在高水平的發(fā)動(dòng)機(jī)增壓情況下。發(fā)動(dòng)機(jī)還配備有獨(dú)立的汽缸(或汽缸組)，其專用于為其他發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸提供外部EGRo其中，來自專用汽缸組的所有排氣都被再循環(huán)到進(jìn)氣歧管。因此，這允許在大多數(shù)工況下，基本固定的EGR量被提供到發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸。通過調(diào)節(jié)專用EGR汽缸組的燃料添加(例如，調(diào)節(jié)到富運(yùn)行)，可以改變EGR組分，使其包括許多種類，諸如氫，其提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR容限，并且引起燃料經(jīng)濟(jì)效益的益處。
[0003]另外，增加的噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的空氣和/或燃料充氣的運(yùn)動(dòng)可以在相同條件下增加燃燒效率。例如，通過在垂直于流向的方向上引入空氣速度和湍流，充氣運(yùn)動(dòng)可以增加燃燒的效力。通過引入額外的動(dòng)能進(jìn)入燃燒室，點(diǎn)火前部可以更快更平穩(wěn)地穿過燃燒室的容積，以便在熱能被轉(zhuǎn)換為活塞運(yùn)動(dòng)之前，與更多的燃料量相互作用。而且，產(chǎn)生的湍流可以提高燃燒室內(nèi)空氣燃料混合物的均質(zhì)化以及提高燃燒速率，燃燒速率是空氣燃料混合物在燃燒過程中完全燃燒所需要的時(shí)間。在一個(gè)示例中，充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，諸如充氣運(yùn)動(dòng)控制閥，可以被連接在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的進(jìn)氣道的上游，以便增加或減少相應(yīng)汽缸的充氣運(yùn)動(dòng)，由此分別提高或降低汽缸燃燒速率。
[0004]在一種使用充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的方法中，由Gopp和Michelini在US6715476中示出的，充氣運(yùn)動(dòng)控制閥或進(jìn)氣歧管流道控制(或相似的設(shè)備)選擇性地控制進(jìn)入空氣或空氣燃料充氣。在一個(gè)示例中，充氣運(yùn)動(dòng)控制閥被設(shè)置在與每個(gè)汽缸關(guān)聯(lián)的流道內(nèi)，并且經(jīng)由附連到每個(gè)各自閥的驅(qū)動(dòng)器由控制器操作。驅(qū)動(dòng)器可以被獨(dú)立地控制或根據(jù)特定的應(yīng)用以協(xié)調(diào)的方式被控制。而且，排氣再循環(huán)(EGR)回路裝配了 EGR閥，以選擇性地提供來自排氣歧管的部分排氣到進(jìn)氣歧管。在一個(gè)實(shí)施例中，EGR排氣被示出為被引導(dǎo)進(jìn)入充氣運(yùn)動(dòng)控制閥的位置上游的進(jìn)氣歧管，使得在運(yùn)行期間，空氣或空氣燃料充氣連同EGR排氣一起被引導(dǎo)通過充氣運(yùn)動(dòng)控制閥。以此方式，期望的EGR流動(dòng)速率的確定除了其他因素還包括充氣運(yùn)動(dòng)控制閥的位置(打開、關(guān)閉)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]然而，本發(fā)明人在此已經(jīng)認(rèn)識(shí)到該充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和方法潛在的問題。第一，充氣運(yùn)動(dòng)控制閥被說明為根據(jù)來自控制器的命令而打開或關(guān)閉，其中沒有討論閥在打開和關(guān)閉位置之間的打開程度。充氣運(yùn)動(dòng)控制閥的位置的范圍可以被期望根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況獲得每個(gè)汽缸的各種空燃比、湍流比和燃燒速率。而且，EGR系統(tǒng)包括每個(gè)汽缸的EGR回路，其引導(dǎo)排氣的部分從每個(gè)汽缸回到進(jìn)氣歧管?？梢云谕斔椭粊碜詥我黄?或?qū)Ｓ闷捉M)的可變的排氣量，以便增加發(fā)動(dòng)機(jī)性能，同時(shí)為充氣運(yùn)動(dòng)控制和EGR提供更多的選擇。
[0006]在一個(gè)示例中，上述問題可以通過用于發(fā)動(dòng)機(jī)的方法至少部分地被解決，該方法包括:調(diào)節(jié)連接至第一汽缸組的第一充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和連接至第二汽缸組的第二充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備中的每個(gè)，以改變?cè)诘谝黄捉M和第二汽缸組之間的充氣運(yùn)動(dòng)水平，同時(shí)僅將來自所述第二汽缸組的排氣再循環(huán)到進(jìn)氣歧管。以此方式，第一汽缸組和第二汽缸組的期望的燃燒速率的范圍可以經(jīng)由調(diào)整第一充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和第二充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和來自第一汽缸組的排氣再循環(huán)的組合而獲得。
[0007]在另一個(gè)示例中，來自EGR系統(tǒng)的排氣可以以兩種模式被選擇性地控制；非專用EGR模式，其中沒有排氣從第一汽缸組被再循環(huán)到進(jìn)氣歧管中，和專用EGR模式，其中排氣只從第一汽缸組被再循環(huán)到進(jìn)氣歧管。在非專用EGR模式期間，第一充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備和第二充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備可以被調(diào)節(jié)，以維持在兩個(gè)汽缸組之間的共同的充氣運(yùn)動(dòng)水平。在專用EGR模式期間，兩個(gè)充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備可以被調(diào)節(jié)，以在兩個(gè)汽缸組之間改變充氣運(yùn)動(dòng)水平。其他的配置也是可行的，如下面更詳細(xì)的討論。
[0008]應(yīng)當(dāng)理解，提供以上
【發(fā)明內(nèi)容】
是為了以簡化的形式介紹一系列概念，這些概念在【具體實(shí)施方式】中被進(jìn)一步描述。這并不意味著確立所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要特征，要求保護(hù)的主題的范圍由所附權(quán)利要求唯一地限定。另外，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】
[0009]圖1是包括專用EGR支援汽缸組和多個(gè)充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖。
[0010]圖2是圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的燃燒室的示意性描述。
[0011]圖3示出了用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行以在調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備時(shí)改變EGR速率的示例方法。
[0012]圖4示出了對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)條件而轉(zhuǎn)換專用EGR模式和在汽缸組之間調(diào)節(jié)充氣運(yùn)動(dòng)水平的表格。
[0013]圖5示出了根據(jù)在整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而調(diào)節(jié)多個(gè)變量的第一示例性圖示。
[0014]圖6示出了根據(jù)在整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而調(diào)節(jié)多個(gè)變量的第二示例性圖示。
[0015]圖7示出了根據(jù)在整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而調(diào)節(jié)多個(gè)變量的第三示例性圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下說明涉及用于調(diào)節(jié)被傳送到汽缸的充氣運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)和方法，所述汽缸連接或者不連接至專用排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)。圖1示出了包括專用EGR支援汽缸組和多個(gè)充氣運(yùn)動(dòng)設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的示意圖，而圖2示出了圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的燃燒室的示意性描述。圖3示出了用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行以在調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)充氣運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備時(shí)改變EGR速率的示例方法。圖4示出了對(duì)于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)條件，轉(zhuǎn)換專用EGR模式和調(diào)節(jié)汽缸組之間的充氣運(yùn)動(dòng)水平的表格。最后，5-7示出了根據(jù)在整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而調(diào)節(jié)多個(gè)變量的三個(gè)示例性圖示。
[0017]增加的噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的空氣和/或燃料充氣的運(yùn)動(dòng)在一些情況下可以增加燃燒效率。例如，充氣運(yùn)動(dòng)可以通過在垂直于流動(dòng)方向的方向上引入空氣速度而增加燃燒效率。通過引入額外的動(dòng)能到燃燒室中，點(diǎn)火前部可以更快更平穩(wěn)地穿過燃燒室的容積，以便在熱能被轉(zhuǎn)換為活塞運(yùn)動(dòng)之前與更多的燃料量相互作用。而且，產(chǎn)生的湍流可以提高燃燒室內(nèi)空氣燃料混合物的均質(zhì)化。
[0018]充氣運(yùn)動(dòng)控制閥(CMCV)可以被用于通過限制進(jìn)氣歧管內(nèi)的部分進(jìn)氣通道而引入期望的湍流。當(dāng)穿過該限制后，空氣被從遠(yuǎn)端壁反射，該空氣具有水平速度和由進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力差引起的該空氣的初始垂直(流動(dòng)方向)速度。CMCV可以被驅(qū)動(dòng)器控制，該驅(qū)動(dòng)器被編程以在特定的、有利的工況期間產(chǎn)生這種障礙。在其他示例中，可替換的機(jī)械設(shè)備可以被用于調(diào)節(jié)一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的空氣湍流和充氣運(yùn)動(dòng)。
[0019]在一個(gè)示例中，CMCV可以在板-軸旋轉(zhuǎn)配置中實(shí)現(xiàn)，其中板面具有被設(shè)計(jì)為當(dāng)垂直于氣流流動(dòng)對(duì)齊時(shí)覆蓋進(jìn)氣通道的大部分橫截面(這被稱為完全關(guān)閉位置)的幾何構(gòu)型。在完全打開位置中，板可以圍繞其軸旋轉(zhuǎn)，使得板的寬度和軸阻擋氣道，從而允許充分更多的空氣通過。旋轉(zhuǎn)軸通常被定位為通過板面的對(duì)稱軸線或處于板的靠近通道的一個(gè)壁的邊緣。CMCV的形狀可以類似于被用于引導(dǎo)空氣充氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管的節(jié)氣門設(shè)備。CMCV通常被定位在各流道中的節(jié)氣門設(shè)備的下游，所述流道將進(jìn)氣歧管連接到各汽缸。
[0020]公開的系統(tǒng)和方法涉及可以被包括在機(jī)動(dòng)車輛的推進(jìn)系統(tǒng)中的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。具體地，有目的地利用充氣運(yùn)動(dòng)控制的進(jìn)氣系統(tǒng)可以包括在燃燒室內(nèi)引入湍流，以使燃料空氣分布均質(zhì)化。而且，通過燃燒室的點(diǎn)火火焰的前沿可以通過這種額外的運(yùn)動(dòng)被加速，以便燃燒更快速發(fā)生，并且功率可以在做功沖程中的期望點(diǎn)被傳送到曲軸。通過限制部分進(jìn)氣通道，空氣被推入垂直于流動(dòng)方向的方向，以便當(dāng)空氣充氣進(jìn)入室時(shí)，其具有在流動(dòng)方向和與流動(dòng)方向平面正交的方向上的速度分量。在不同的示例中，為了引入更多的翻滾運(yùn)動(dòng)，充氣運(yùn)動(dòng)控制閥可以阻滯進(jìn)氣流的底部，以在進(jìn)氣口的頂部產(chǎn)生與流動(dòng)相同方向上的高速流體。因此，流體沿著進(jìn)氣門的頂部進(jìn)入燃燒室，并且導(dǎo)致增加的翻滾運(yùn)動(dòng)。充氣運(yùn)動(dòng)控制閥(即，設(shè)備)可以被設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，以用上述方式改變發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
[0021]圖1示意性地示出了包括具有四個(gè)汽缸(標(biāo)記為1-4)的發(fā)動(dòng)機(jī)10的示例發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)100的多個(gè)方面。如在此闡述的，四個(gè)汽缸被布置為由非專用EGR汽缸1-3組成的第一汽缸組17和由專用EGR汽缸4組成的第二汽缸組18。發(fā)動(dòng)機(jī)10的每個(gè)燃燒室的詳細(xì)描述參考圖2被提供。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)100可以被連接在車輛上、諸如配置為道路行駛的客車。
[0022]在描述的實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)10是連接至渦輪增壓器13的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪增壓器13包括由渦輪76驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)74。具體地，新鮮空氣沿進(jìn)氣通道42經(jīng)由空氣凈化器53被引入發(fā)動(dòng)機(jī)10，然后行進(jìn)通過壓縮機(jī)74，并且隨后流至增壓空氣冷卻器78。通過進(jìn)氣通道42進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)的周圍空氣的流速可以至少部分通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)氣門20而被控制。壓縮機(jī)74可以是任意適合的進(jìn)氣壓縮機(jī)，諸如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)或傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械增壓器壓縮機(jī)。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10內(nèi)，壓縮機(jī)是經(jīng)由軸19被機(jī)械地連接至渦輪76的渦輪增壓器壓縮機(jī)，并且渦輪76通過膨脹發(fā)動(dòng)機(jī)排氣被驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，壓縮機(jī)74和渦輪76可以被連接在雙渦旋渦輪增壓器內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，渦輪增壓器13可以是可變幾何渦輪增壓器(VGT)，其中渦輪幾何構(gòu)型依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主動(dòng)地改變。
[0023]如圖1所述，壓縮機(jī)74通過增壓空氣冷卻器78被連接至進(jìn)氣節(jié)氣門20。進(jìn)氣節(jié)氣門20被連接至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管25。從壓縮機(jī)74，被壓縮的空氣充氣流動(dòng)通過增壓空氣冷卻器78和節(jié)氣門20至進(jìn)氣歧管25。增壓空氣冷卻器可以是例如空氣到空氣或空氣到水的熱交換器。在圖1中所示的實(shí)施例中，進(jìn)氣歧管內(nèi)的空氣充氣的壓力被歧管空氣壓力(MAP)傳感器24感測(cè)。壓縮機(jī)旁通閥(未示出)可以在壓縮機(jī)74的入口和出口之間串聯(lián)連接。壓縮機(jī)旁通閥可以是常閉閥，其被配置為在選擇的工況下打開以減小過量的增壓壓力。例如，壓縮機(jī)旁通閥可以在降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的情況期間被打開，以轉(zhuǎn)移壓縮機(jī)喘振。
[0024]進(jìn)氣歧管25通過一系列進(jìn)氣門(見圖2)連接至一系列燃燒室30。燃燒室經(jīng)由一系列排氣門(見圖2)被進(jìn)一步連接至排氣歧管36。在描述的實(shí)施例中，排氣歧管36包括多個(gè)排氣歧管區(qū)段，以使來自不同燃燒室的流出物(即，排氣)能夠被引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的不同位置。特別地，來自第一汽缸組17(汽缸1-3)的流出物在被排放控制設(shè)備170的排氣催化劑處理之前，被引導(dǎo)通過排氣歧管36的渦輪76。相比之下，來自第二汽缸組18(汽缸4)的排氣經(jīng)由通道50和排氣催化劑70被輸送回到進(jìn)氣歧管25?？商鎿Q地，來自第二汽缸組18的至少部分排氣經(jīng)由氣門65和通道56被引導(dǎo)至排氣歧管36的渦輪76。通過調(diào)節(jié)氣門65，被從汽缸4引導(dǎo)至相對(duì)于進(jìn)氣歧管的排氣歧管的部分排氣可以變化。在一些示例中，氣門65和通道56可以被省略。
[0025]在一些實(shí)施例中，排氣催化劑70可以配置為水煤氣變換(WGS)催化劑。WGS催化劑70被配置為從在通道50內(nèi)接收的來自汽缸4的富排氣產(chǎn)生氫氣。
[0026]每個(gè)汽缸1-4可以包括內(nèi)部EGR，該內(nèi)部E