用于内燃机换气系统的二次空气系统

摘要

本发明的一个实施方案包括一种方法，该方法包括：在具有一个进气侧和一个燃烧排气侧的内燃机换气系统中，将空气从进气侧注入燃烧气体排气侧。

说明书

本申请要求于2007年1月27日提交的美国临时申请序列号 60/886,921的权益。

技术领域

该披露总体上涉及的领域包括内燃机换气系统及其部件、涡轮增压器 系统和部件、以及制造使用它们的方法。

背景技术

图1是包括用于一个单级涡轮增压器的现代换气系统的一种产品或系 统10的示意图。这样一个系统可以包括一台内燃机12，它被构造和安排 为燃烧一种燃料，例如在氧气(空气)存在下的柴油燃料。系统10可以 进一步包括一个换气系统，该换气系统包括一个进气侧14以及一个燃烧 气体排气侧16。进气侧可以包括与内燃机12相连接、以将空气送入内燃 机12的汽缸内的一个进气歧管18。可以提供一个主进气管路20并且该主 进气管路在一端与进气歧管18相连接(或者成为它的一部分)并且可以 包括用于吸入经由其中的空气的一个开口端24。一个空气过滤器26可以 位于主进气管路20的开口端24处或者在其附近。

燃烧气体排气侧16可以包括与内燃机12相连接、以由此排出燃烧气 体的一个排气歧管28。燃烧气体排气侧16可以进一步包括一个主排气管 路30，该主排气管路具有与排气歧管28相连接(或者成为它的一部分) 的一个第一端32并且具有用于将排气排放到大气的一个开口端34。

这样一种系统可以进一步包括一个第一排气再循环组件40，该组件从 燃烧气体排气侧16延伸到进气侧14。一个第一排气再循环(EGR)阀46 可以被提供为与主排气管路30处于流体联通并且被构造和安排为控制从 排气侧16到进气侧14并且进入内燃机12的排气流。第一EGR组件40 可以包括一个主EGR管线42，该管线具有与其处于流体联通、用于冷却 流经主EGR管线42的排气的一个冷却器44。

系统10可以进一步包括一台涡轮增压器48，该涡轮增压器具有可以 具有一种可变的几何形状、与主排气管路30处于流体联通的一台涡轮机 50，并且具有与主进气管路20处于流体联通、以压缩流经其中的气体的 一台压缩机52。一个空气增压冷却器56可以提供在压缩机52下游的主进 气管路20中。在一个实施方案中，压缩机52可以是一种可变压力的压缩 机，该压缩机被构造和安排为以一个给定的流率来改变气体压力。一个空 气节流阀58可以提供在主进气管路20中(优选地在空气增压冷却器56 的下游)。多个排放物控制部件可以提供在主排气管路30中。例如，在涡 轮机50的下游可以提供一个微粒过滤器54并且还可以提供额外的排放物 控制部件(例如一个催化转化器36以及一个消声器38)。还可以提供额外 的排气后处理装置，如稀NO_X捕集器(lean NO_X trap)。

许多问题已经与例如以上说明的系统的使用和运行相关联。例如，当 过滤器填满碳烟时，更新微粒过滤器54将变得必要。为实现这个目的， 可能希望将富含氧气的空气传送到燃烧气体排气侧16，以便燃烧在催化转 化器或微粒过滤器再生循环过程中来自发动机的富含燃料的混合物(烃 类、一氧化碳)，或者提供一个辅助燃料燃烧器。所提出的这些解决方案 增加了微粒过滤器之前/之中的排气温度，从而以一种快速/有效率的方式 使积聚的碳烟燃烧。在这种情况下，在该微粒过滤器之前的排气系统的压 力可以高达50kPa。

在另一个方案中，为了减少冷启动的排放物，在燃烧气体排气侧16 中需要富含氧气的空气，以便在催化转化器之前或之中燃烧掉HC/CO。所 产生的排气温度的增加使该催化转化器“点燃”，然后该催化转化器进而 开始转化NO_X、HC和CO。在这种情况下，该排气系统中的压力典型地 是很低的，例如小于10kPa。

在另一个方案中，可将NO_X的后处理涂料应用到微粒过滤器、催化转 化器或其他装置上。这些涂料对于典型地在发动机高负载下可见的高排气 温度是特别敏感的，于是可能必需将排气进行冷却。在这种情况下，排气 系统中的压力可能是中等的，例如小于30kPa。

用来克服以上说明的某些缺点而提出的系统可以包括使用空气泵(还 称作二次空气泵)，以便在燃烧气体排气侧16中提供限定量值的气流。然 而，典型地用于汽油发动机的二次空气泵是通过类似于与一台空气送风机 一起使用的一个风扇或叶轮来运行并且直接在发动机启动之后持续一个 相对短的时间段(例如，小于一分钟)，因此不能有效地对抗该排气系统 在延长的运行时间上的一个非常高的压力。例如，对于大于10分钟的运 行时间，由这样一个二次空气泵产生的气流将是非常有限的(例如，2-25 cfm)，除非该二次空气泵以大量的成本来进行相当大地修改。

另一个方案可能要使用二次空气泵以便在燃烧气体排气侧16中提供 限定量值的气流。可以将空气引入该催化转化器之前的主排气管路30并 且在该催化转化器之前的排气管道中将导致碳氢化合物(HC)以及一氧化 碳(CO)的立即燃烧。可替代地，可以利用一种HC存储催化剂以将多种 HC存储在该催化转化器中，直到该催化转化器已经开始转化HC/CO排放 物。然而，这两种解决方案均是昂贵的，并且因为与发动机舱(例如，V8-V12 发动机)中的一个或多个二次空气泵相关联的封装限制或者增加的成本以 及与一种HC存储催化剂装置相关联的封装顾虑，所以汽车生产商们对于 在许多车辆中使用它们迟疑不决。

一种可能的解决方案包括使用一种水/排气热交换器，以使排气冷却到 排气后处理可接受的水平。然而，将热量从排气转移到发动机冷却回路的 一个热交换器将使用车辆散热器来除去热量。因此，由于在与发动机的高 冷却要求相关联的排气系统中的高温将导致需要使散热器被加大尺寸以 便同时适应冷却发动机和冷却热交换器这两种需求。与这类系统相关联的 额外费用包括控制阀门和传感器的连同满足封装要求。

发明内容

本发明的一个实施方案包括一种方法，该方法包括：在具有一个进气 侧和一个燃烧排气侧的一个内燃机换气系统中，将空气从该进气侧注入该 燃烧气体排气侧。

由以下提供的详细说明，本发明的其他示例性实施方案将变得清楚。 应该理解，详细的说明和具体的实例在披露本发明的示例性实施方案的同 时仅旨在用于说明的目的而不是旨在限定本发明的范围。

附图说明

从详细的说明以及这些附图中，本发明的示例性实施方案将得到更加 全面地理解，在附图中：

图1是现有技术发动机换气系统的一个示意图。

图2A是本发明的另一个实施方案的一个示意图。

图2B是本发明的另一个实施方案的一个示意图。

图2C是本发明的另一个实施方案的一个示意图。

图2D是本发明的另一个实施方案的一个示意图。

图2E是本发明的另一个实施方案的一个示意图。

图2F是本发明的另一个实施方案的一个示意图。

图3A是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，该实施方案在空气充入管线中不带有其他装置并且 其中该空气阀控制气流。

图3B是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，在该实施方案中在该空气充入管线中没有其他装置 并且其中该空气阀是完全打开的。

图3C是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，在该实施方案中在该空气充入管线中没有其他装置 并且其中该空气阀是完全关闭的。

图4A是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，在该实施方案中一个燃料燃烧器定位在该空气充入 管线中并且其中该空气阀控制气流。

图4B是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，在该实施方案中一个燃料燃烧器被定位在该空气充 入管线中并且其中该空气阀是完全打开的。

图4C是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，该实施方案在该空气充入管线中带有一个燃料燃烧 器并且其中该空气阀被完全关闭并且该燃烧器被断开。

图5A是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，该实施方案在该空气充入管线中带有一个燃料燃烧 器和一个空气泵并且其中该空气阀是完全打开的。

图5B是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，该实施方案在该空气充入管线中带有一个燃料燃烧 器和一个空气泵并且其中该空气阀是完全关闭的。

图6A是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，该实施方案在该空气充入管线中带有一个升压辅助 装置并且其中该空气阀是完全打开的。

图6B是根据本发明的一个实施方案在一个空气充入管线中的不同位 置处的压力的曲线图，该实施方案在该空气充入管线中带有一个升压辅助 装置并且其中该空气阀是完全关闭的。

具体实施方式

这个或这些实施方案的以下说明在本质上仅是示例性的而决非旨在 限制本发明、其应用或用途。

现在参见图2A，本发明的一个实施方案包括一种产品或系统10，该 产品或系统可以包括下列部件中的一个或多个。系统10可以包括一台内 燃机12(例如)但不限于一台柴油内燃机。进气侧14可以包括与内燃机 12相连接、以将空气送入内燃机12的汽缸内的一个进气歧管18。可以提 供一个主进气管路20并且在一端22与进气歧管18相连接(或者成为它 的一部分)，并且可以包括用于吸入经过其中的空气的一个开口端24。一 个空气过滤器26可以位于主进气管路20的开口端24处或在其附近。

可以提供一个燃烧气体排气侧16，并且该排气侧被构造和安排为排放 来自内燃机12的燃烧排气。燃烧气体排气侧16可以包括与内燃机12相 连接、以由此排出燃烧气体的一个排气歧管28。燃烧气体排气侧16可以 进一步包括一个主排气管路30，该主排气管路具有与排气歧管28相连接 (或者成为它的一部分)的一个第一端32并且可以具有将排气排放到大气 的一个开口端34。

系统10可以进一步包括一个第一排气再循环组件40，该组件从燃烧 气体排气侧16延伸到进气侧14。一个第一排气再循环(EGR)阀46可以 被提供为与主排气管路30处于流体联通或者可以被提供在一个第一排气 再循环管线42中并且被构造和安排为控制经过第一排气管线42、进入进 气侧14并且进入内燃机12的排气流。一个冷却器44可以被提供为与第 一EGR管线42处于流体联通并且用于冷却流经相同管线的排气。

在一个实施方案中，该系统可以包括一台涡轮增压器48，该涡轮增压 器具有与主排气管路30处于流体联通的一台涡轮机50，并且具有与主进 气管路20处于流体联通、以压缩流经其中的气体的一台压缩机52。在本 发明的一个实施方案中，涡轮机50可以具有一种可变涡轮几何形状，使 涡轮机叶片可从至少一个第一位置移动到一个第二位置以改变该涡轮机 的几何形状，并且因此为了流经其中的一个给定的速率而改变该涡轮的旋 转速度。可变涡轮几何形状的装置是本领域普通技术人员所熟知的。Scholz 等人在2006年10月3日发行的美国专利号7,114,919中说明了用于本发 明不同实施方案的一种可变涡轮几何形状装置的一个实例。然而，在本发 明的某些实施方案中，可变涡轮增压器不是必需的。

任选地，一个第二EGR组件70可以被提供用于一种低压力排气再循 环。如果希望的话，第二EGR组件70可以被构造为与第一EGR组件40 完全相同。在一个实施方案中，第二EGR组件70包括一个第二EGR管 线71，该管线具有与主排气管路30相连接的一个第一端72以及与主进气 管路20相连接的一个第二端74。一个第二EGR阀门76可以被提供为与 主排气管路30处于流体联通或者被提供在第二EGR管线71中。一个第 二冷却器78可以被提供为与第二EGR管线71处于流体联通、以冷却流 经其中的排气。主排气管路30可以包括一个节流阀120以控制从开口端 34排出的排气的量值。

在主排气管路30中可以包括多个额外的部件，这些部件包括位于涡 轮机50的下游的一个微粒过滤器54。一个催化转化器36可以位于微粒过 滤器54的上游，并且消声器38可以位于催化转化器36的下游。

根据本发明的一个实施方案，空气可以从主进气管路20经过一条空 气充入管线60而充入主排气管路30，该空气充入管线具有与主排气管路 30相连接的一个第一端62以及与主进气管路20相连接的一个第二端64。 一个空气阀66可以被提供为控制经过空气充入管线60的气流。在一个实 施方案中，空气阀66可以被提供在空气充入管线60中。在另一个实施方 案中，空气阀66可以是一个三通阀，该三通阀位于主进气管路20与空气 充入管线60的接合处，以控制经过主进气管路20以及空气充入管线60 或主排气管路30与空气充入管线60的接合处的气流。

一个空气增压冷却器56可以被提供为与主进气管路20处于流体联通 并且位于压缩机52的下游。任选地，一个空气节流阀58可以位于主进气 管路20中，优选地在空气增压冷却器56的下游。

可以提供一个控制器系统86(例如一个电控模块)并且它可以接收来 自不同的传感器或其他控制器或类似器件(包括可以提供关于发动机速度 或负载的信号的一个发动机传感器88)的输入。并非所有在此说明的传感 器或输入装置示出了将它们与控制器系统86相连接的一条线路，但应该 理解，这类装置通过硬件接线或任何其他的数据传输装置将信息传输到控 制器系统86。一个第一压力传感器90可以被提供在排气歧管28中并且将 多个信号提供给控制器系统86。一个第二压力传感器92可以位于微粒过 滤器54之中或之前或者在其下游以便测量排气的压力，从而间接地确定 聚集在微粒捕获器中的碳烟的量值以及对其进行更新的需要。

可以将一个第一空气压力传感器98提供在空气充入管线60中并且可 以将一个第二空气压力传感器100提供在主进气管路20中(优选地来自 空气增压冷却器56的下游)。还可以将一个温度传感器97提供在空气充 入管线60中。可以将一个进气压力传感器102和/或一种质量流传感器99 提供在进气侧14中，以便测量在其中流动的空气的质量。

控制器系统86可以接收来自不同传感器的输入并且可使用这种输入 来控制空气节流阀58的位置、涡轮增压器48的涡轮机50(当可变时)的 叶片位置、和/或空气阀66的位置，以便控制被注入主排气管路30的空气 的量值。

关于图2A，还有可能在压缩机52下游的一个位置处将空气充入管线 60的第二端64与主进气管路20相连接。

现在参见图2B，本发明的一个实施方案包括与针对图2A说明的系统 相似的一个系统，但是带有额外的与空气充入管线60处于流体联通的一 个燃料燃烧器104。该燃料燃烧器104可以被构造和安排并且被运行以产 生带有足够温度的排气，从而使微粒过滤器54快速更新。一个传感器106 可以与燃料燃烧器104相关联以便提供表明其性质或运行状态的一个信号。 燃料燃烧器104可以燃烧与内燃机12使用的燃料相同的燃料。传感器106 可以运行行地连接到控制器系统86上并且该控制器系统可以控制该燃料燃 烧器104的燃料流动以及点火。

现在参见图2C，本发明的一个实施方案是类似于图2A和图2B示出的 实施方案来构造的，但带有额外的与空气充入管线60处于流体联通的一个 空气泵108。在本发明的一个实施方案中，空气泵108被构造和安排为提供 大约2-25cfm的空气流率。该空气充入管线可以定位在空气阀66的下游。 当该空气泵在空气充入管线60中、在第一端62与第二端64之间的一个位 置定位时，该空气泵可以具有一种简单的设计，因为它不必使压力从A点处 的压力增加到B点处的压力。空气泵108只需增加从C点到B点的压力。 在图2C所示的实施方案中，空气泵108是通过压缩机52被预先加压的。空 气在管线中在C点与B点之间的压力差值典型地小于空气在管线中在A点 到B点之间的压力差值。

现在参见图2D，本发明的一个实施方案包括构造为与针对图2A所说明 的系统类似的一个系统10，但带有与空气充入管线60处于流体联通的一个 加热器110，以便对进入主排气管路30的空气进行加热。加热器110可以是 不同类型中的任何一种，包括电加热器或一种无源加热器，例如，通过将空 气充入管线60定位在热的涡轮增压器壳体附近。一个温度传感器112可以 与加热器110相关联或者被提供在空气充入管线60中并且与控制器系统86 相连接，以便提供表明空气充入管线60中的空气温度的输入。控制器系统 86被构造和安排为响应不同的输入来控制加热器110的运行。

现在参见图2E，本发明的另一个实施方案是与图2A中所示的本发明类 似构造的，但其中空气充入管线60的第二端64可以在压缩机52上游的一 个位置处与主进气管路20相连接。在这个实施方案中，一个升压辅助装置 114被提供为与空气充入管线60处于流体联通。在一个实施方案中，升压辅 助装置114被构造和安排为以大于30cfm(并且更优选地大于50cfm)的速 率使空气流动。该升压辅助装置可以被构造和安排为使空气加压到至少1.2 巴。在这个实施方案中，可以在空气充入管线60中提供一个空气阀66。升 压辅助装置114可以是一种机械、电动或液压驱动装置、或使用一种离心机 或正位移压缩机的其他驱动装置。

现在参见图2F，本发明的另一个实施方案是与图2A中所示的本发明类 似构造的，但是其中空气充入管线60的第二端64可以在压缩机52上游的 一个位置处与主进气管路20相连接。在这个实施方案中，一个升压辅助装 置114被提供为与空气充入管线60处于流体联通。此外，升压辅助装置114 被构造和安排为以大于30cfm(并且更优选地大于50cfm)的速率使空气流 动。该升压辅助装置可以被构造和安排为使空气加压到至少1.2巴。在另一 个实施方案中，一个环形管路116可以在升压辅助装置114下游的一个位置 处与空气充入管线60相连接，并且另一端可以在空气充入管线60的第二端 64与主进气管路20的连接处的下游的一个位置处与主进气管路20相连接。 一个空气旁通阀118可以在空气充入管线60的第二端64与进气管路20的 连接位置的下游的一个位置处并且在环形管路116与主进气管路20的连接 的位置的上游定位在主进气管路20中。在这个实施方案中，空气阀66是一 个三通阀。当主排气管路30中需要额外的空气时，打开升压辅助装置114 以使空气从主进气管路20中的D点流到主排气管路30中的B点。当升压 辅助装置114被用来给压缩机52送入额外的空气时，空气阀66可以至少部 分或完全关闭从升压辅助装置114到主排气管路30的路径，并且通过环形 管路116至少部分打开从升压辅助装置114到主进气管路20的路径。同时， 空气旁通阀118被关闭以避免反向流动。升压辅助装置114可以是一种机械、 电动或液压驱动的装置、或使用一种离心机或正位移压缩机的其他驱动装 置。

图3A至3C是展示在与图2A中所示的构造相似的构造中在不带有其他 装置的空气充入管线60中使用一个空气阀66的不同运行状态的曲线图。

图4A至4C展示了一个实施方案的不同运行状态，该实施方案在空气 充入管线60中包括一个空气阀66以及一个燃料燃烧器104。如图4A所示， 可以使用空气阀66来控制经过空气充入管线60的气流，其中A点处的压力 明显地高于B点处的压力。如图4B所示，当空气阀66被完全打开时，A 点处的压力只略高于B点。如图4C所示，当空气阀66被完全关闭并且燃 料燃烧器104被断开时，B点处的压力高于A点处的压力。

图5A至5B是用于一种系统的不同运行状态的图形，该系统包括一个 燃料燃烧器104和一个空气泵108(例如图2C所展示的)。如图5A所示的， 当空气阀66被完全打开时，A点处的压力略高于B点处的压力。参见图5B， 当空气阀66被完全关闭时，B点处的压力高于A点处的压力。

图6A至6B展示了用于一个系统的不同运行状态，该系统在空气充入 管线60中包括一个升压辅助装置114(例如图2E所展示的)。现在参见图 6A，当空气阀66被完全打开时，A点处的压力略高于B点处的压力。现在 参见图6B，当空气阀66被完全关闭以阻止从升压辅助装置114到主排气管 路30的气流时，B点处的压力高于A点处的压力。

在此说明的不同的实施方案中，应该指出，如果A点处的压力低于B 点处的压力，则气流将被反向。这是一种不希望的情形。因为这个原因，应 该监视和控制经过空气充入管线60的气流。这是能够通过测量空气充入管 线60中的一个限定孔处的压降、通过测量空气阀66中的压降、使用一种可 替代的流量测量装置、或者为了间接的流量测量而使用燃料燃烧器104(整 合的功能)来完成的。可以控制通过空气充入管线60的流量：如果A点处 的压力低于B点，则应该增加A点处的压力。这能够通过调节涡轮机50(当 可变时)并且相应地调节空气节流阀58以使进气流恒定来完成。如果A点 处的压力太高并且因此经过空气充入管线60的气流超过一个预定的目标， 则还可以相应地调节空气阀66。

应该认识到，可以利用在此说明的这些部件的不同变体，例如：一种固 定几何形状的涡轮增压器涡轮机；一种可变涡轮增压器的压缩机，它允许调 节A点处的压力而无需使用一个可变涡轮增压器的涡轮机；使用一种两级涡 轮增压组件而使空气阀66在该高压级压缩机的下游；用于阀门66和118的 不同空气阀设计；将空气阀66与空气节流阀58的功能相结合的一种阀门； 以及在内燃机上使用的任何种类的增压器或其他类型的空气充压器。此外， 本发明不限于柴油发动机。

本发明的一个实施方案包括将一种增压器(例如涡轮增压器)用作一个 辅助空气传送装置。本发明的另一个实施方案包括一种方法，该方法将一种 涡轮增压器用作一个空气泵，以将空气吹送入燃烧气体排气侧16。本发明的 另一个实施方案包括一种方法，该方法使用涡轮增压器48，以对一个空气泵 108进行预先加压。本发明的另一个实施方案包括一种方法，该方法对引入 燃烧气体排气侧16的空气进行预先加热。本发明的另一个实施方案包括一 种方法，该方法使用来自一个压缩机的过量空气来冷却后处理装置。本发明 的另一个实施方案包括一种方法，该方法使用来自一个升压辅助装置的过量 空气，以将空气提供给燃烧气体排气侧16。

本发明的另一个实施方案包括对经过空气充入管线60的气流进行控制 的一种控制策略，该控制策略包括获得表明经过该空气充入管线的气流的信 息。这种信息可以从经过一个文氏管的压降、通过一个质量流量计、来自燃 料燃烧器104的一个信号、或者当不使用燃料燃烧器时来自该排气系统中的 另一个位置的信号来获得。所获得的信息被用来调整空气节流阀58、涡轮机 50(当可变时)、空气阀66以及用来控制经过空气充入管线60的气流的升 压辅助装置114中的至少一个。当空气节流阀58被基本上关闭时，空气节 流阀58可以被定位以增加压力从而将空气推入主排气管路30。可以调整涡 轮机50(当可变时)的这些叶片以改变经过压缩机的气流(某种程度上独立 于空气节流阀58的位置)，这样，当空气节流阀58处于一个固定位置中并 且被稍微关闭时，通过调节该叶片的位置使涡轮机功率增加从而使压缩机的 速度增加，并且因此能够使压缩机52之后的压力增加以将空气推入主排气 侧16。

本发明的实施方案的以上说明在本质上仅是示例性的，因此，其变体不 被视作背离本发明的精神和范围。