用于没有机械增压器的二冲程循环发动机的EGR

摘要

一种带有一个或多个装有端口的汽缸和直流扫气的二冲程循环、涡轮驱动的对置活塞发动机没有机械增压器。所述发动机包括高压EGR回路和EGR回路中的泵，从而增加再循环排气产物的压力。

说明书

优先权和相关申请

本申请是2011年5月16日提交且共同授让的美国专利申请 13/068,679的部分继续，其要求2010年5月18日提交的美国临时专利申 请61/395,845以及2010年8月16日提交的美国临时专利申请61/401,598 的优先权。

本申请包含与2013年2月19日提交且共同授让的PCT申请 US2013/026737相关的主题。

背景技术

本领域涉及二冲程循环内燃发动机。具体地，本领域涉及带有废 气再循环的装有端口的、直流扫气式的、二冲程循环发动机。更具体 地，本领域包括带有一个或多个装有端口的汽缸和直流扫气式的二冲 程循环发动机，其中废气再循环(EGR)结构提供由所述发动机在之 前的循环中产生的一部分废气，其用于和进来的增压空气混合以控制 燃烧过程中氮氧化物的产生。

二冲程循环发动机是内燃发动机，其利用曲轴的单个完整转动和 连接到曲轴的活塞的两个冲程完成动力循环。二冲程循环发动机的一 个示例是对置活塞发动机，其中一对活塞相对设置在汽缸孔内，其用 于沿相反方向往复移动。汽缸有纵向隔开的进气端口和排气端口，以 便靠近汽缸的各自末端设置。对置的活塞控制端口，从而当活塞移动 到它们的底部中心(BC)位置时打开各自的端口，且当活塞朝向它们 的顶部中心(TC)位置移动时关闭端口。一个端口提供孔外的燃烧产 物的通道，其它端口用于准许增压空气进入孔中；这些端口分别叫做 “排气”端口和“进气”端口。

图1中，二冲程循环内燃发动机49由具有至少一个装有端口的汽 缸50的对置活塞发动机体现。例如，发动机可具有一个装有端口的汽 缸、两个装有端口的汽缸、三个装有端口的汽缸，或四个或更多个装 有端口的汽缸。每个汽缸50具有孔52以及在其各自末端形成或机器 加工而成的排气端口54和进气端口56。排气端口54和进气端口56均 包括一个或多个开口的圆周阵列，其中相邻的开口通过固相桥接(solid  bridge)隔开。在一些描述中，每个开口称为“端口”；然而，此类“端 口”的圆周阵列的结构与图1中所示的端口结构没什么不同。排气活 塞60和进气活塞62可滑动地设置在孔52中，且它们的末端表面61 和63彼此相对。排气活塞60被耦接到曲轴71，进气活塞被耦接到曲 轴72。

当汽缸50的活塞60和62位于或靠近它们的顶部中心位置时，燃 烧室在活塞的末端表面61和63之间的孔52中限定。燃料通过至少一 个燃料喷射器喷嘴100直接注入燃烧室，所述燃料喷射器嘴100通过 汽缸50的侧壁被放置在开口中。

进一步参照图1，发动机49包括空气管理系统51，空气管理系统 51管理提供到发动机49的增压空气的输送以及由发动机49产生的废 气的输送。代表性的空气管理系统结构包括增压空气子系统和排气子 系统。在空气管理系统51中，增压空气子系统包括接收进气空气并处 理进气空气到增压空气中的增压空气源，耦接到增压空气源的增压空 气通道，增压空气通过增压空气通道被输送到发动机的至少一个进气 端口，以及增压空气通道中的至少一个空气冷却器，空气冷却器被耦 接以在将增压空气输送到发动机的一个或多个进气端口之前接收并冷 却增压空气(或包括增压空气的气体混合物)。此种冷却器能够包括 空气对液体和/或空气对空气设备，或另一种冷却设备。排气子系统包 括排气通道，排气通道将排气产物从发动机的排气端口输送到排气管。

参照图1，空气管理系统51包括涡轮增压器120，其带有涡轮121 和在共同的轴123上旋转的压缩机。涡轮121耦接到排气子系统且压 缩机122耦接到增压空气子系统。涡轮增压器120从废气中提取能量， 所述废气离开排气端口54并从排气端口54或从排气歧管125直接流 入排气通道124。就这一点而言，涡轮121通过经过其本身的废气旋转。 这使得压缩机122旋转，从而引起压缩机通过压缩进气空气而产生增 压空气。在一些情况下，增压空气子系统包括机械增压器110；在这些 情况下，通过压缩机122输出的增压空气流经增压空气通道126到冷 却器127，由此增压空气通过机械增压器110抽取到进气端口。被机械 增压器110压缩的空气能够穿过冷却器129输出到进气歧管130。进气 端口56接收由机械增压器110抽取通过进气歧管130的增压空气。优 选地，但不必然地，在多汽缸对置活塞发动机中，进气歧管130由与 所有汽缸50的进气端口56相通的进气集气室构成。

图1所示的空气管理结构经配备以通过再循环废气穿过发动机的 装有端口的汽缸而减少由燃烧产生的氮氧化物(NO_X)的排放。再循 环废气与增压空气混合以降低最高燃烧温度，从而降低NO_X的排放。 该过程称为废气再循环(“EGR”)。图1所示的EGR结构利用经由 汽缸外的EGR回路输送到增压空气子系统中的新鲜进气空气的传入流 中。在气门138的控制下，再循环气体流经导管131。

为了在汽缸端口敞开期间给汽缸扫气，用于直流扫气式的二冲程 循环对置活塞发动机的EGR结构要求从进气歧管到排气歧管的正压力 差。因此，为了使废气流经EGR通道进入到增压空气子系统中，汽缸 进气端口中的压力必须始终大于排气端口中的压力。在图1所示的情 况中，增压空气通道中的机械增压器提供该正压力。然而，存在其中 涡轮增压式对置活塞发动机可以不包括机械增压器的其它情况。在这 些情况下，需要确保用于有效的EGR操作的再循环废气的正流。

发明内容

所述问题的解决方法是为涡轮驱动的对置活塞发动机的EGR回路 在EGR回路中配备泵以增加再循环排气产物的压力。

一方面，通过具有耦接到汽缸的排气端口的输入和耦接到增压空 气通道的回路输出的EGR回路提供EGR。EGR回路中的泵产生排气 端口和增压空气通道之间的压力差，该压力差引起废气通过EGR回路 流到其中废气和增压空气混合的增压空气通道中。

附图说明

图1是对置活塞类型的二冲程循环发动机的概念示意图，其中示 出带有EGR的空气管理系统的方面。

图2是图示说明在没有机械增压器的涡轮增压式二冲程循环对置 活塞发动机中用于EGR的结构的概念示意图。

具体实施方式

本说明书中所述的EGR结构呈现在说明性的上下文中，其包括具 有至少一个装有端口的汽缸的类型的直流扫气式的二冲程循环发动 机，在所述汽缸中设置有一对活塞，其中活塞的末端表面相对。“装 有端口的”汽缸包括在其侧壁形成或机器加工而成的进气端口和排气 端口的一个或多个。该解释性上下文意在通过说明性示例的方式为理 解具体EGR结构实施例提供基础。

参照图2，具有类似于图1所示的发动机的结构的对置活塞发动机 配备有EGR回路，但是没有增压空气子系统中的机械增压器的帮助下， EGR回路将废气从排气子系统传送到增压空气子系统中。优选地，EGR 回路结构是高压配置。就这点而言，高压EGR回路将从排气通道124 获得的废气循环通过涡轮121上游的回路输入(输入之前)至压缩机 122下游的混合点(出口之后)。在该EGR回路中，EGR气门138经 操作以通过导管131分流来自排气歧管125的一部分废气，从而使该 分流的废气与通过压缩机122输出的增压空气混合到导管126中。如 果不要求排气/空气混合，则EGR气门138完全闭合且没有废气的增压 空气被输送到汽缸。随着EGR气门138逐渐打开，不断增加的废气量 被混合到增压空气中。该回路使废气受到冷却器127的冷却作用。专 用的EGR冷却器129能够与气门138串联并入导管131中。

包括泵的EGR回路结构：图2所示的高压EGR回路结构包括与 EGR气门138串联的EGR泵200。气门138的出口连接到EGR泵200 的输入，其目的是将再循环废气的压力从排气歧管125中的水平提升 到进气歧管130中的水平。对照通过机械增压器在增压空气子系统中 的压力的施加，该压力由来自导管131中的一个点的泵200施加。该 压力在进气歧管和排气歧管之间创建压力差，该压力差从排气歧管125 抽取一部分废气到导管126，在所述导管126中，该部分废气与增压空 气混合且与之再循环进入到进气歧管130中。优选地，泵200是电力 控制的变速泵，但是其它类型的泵(例如，液压控制的)也是可行的。

动力辅助涡轮增压器：当发动机49正在操作时，为了确保歧管125、 130之间的持续正压力差，涡轮增压器120应该被辅助，这是有用的。 就这点而言，涡轮增压器120包括动力辅助系统210，例如，动力辅助 系统210能够包括电动马达/发电机单元，所述动力辅助系统210在启 动和低负荷状况过程中增加涡轮增压器操作，以便当未辅助的涡轮增 压器操作不足时为其添加能量到增压空气流。可替换的涡轮动力辅助 设备包括液压或气动机制。带有动力辅助系统的涡轮增压器称为“动 力辅助涡轮增压器”。

控制机构：用于利用图2所示的结构的EGR系统的EGR控制过 程通过电力控制单元(EGU)149执行，其响应于指定的发动机工况， 通过自动操作气门138、泵200，以及动力辅助系统210来执行。当然， 气门、节气门和其它可以用于EGR和空气管理控制的关联元件的操作 能够包括电力的、气动的、机械的，以及液压驱动操作中的一个或多 个。为了快速、精确的自动操作，优选地，包括EGR气门138的气门 是带有连续可变设置的高速、高分辨率、计算机控制的设备。

优选地，基于涉及再循环废气和涉及再循环废气与增压空气的混 合物的一个或多个参数，EGR控制过程自动操作这里所示和所述的 EGR系统。由传感器、计算，和查询表中的一个或多个的组合确定参 数值，以便管理个别参数值和一个或多个汽缸中的EGR和混合物参数 的一个或多个比率。

已经参照具有两个曲轴的对置活塞发动机描述了用于没有机械增 压器的二冲程循环发动机的EGR结构；然而，应该理解，EGR系统的 各个方面能够应用到带有一个或多个曲轴的对置活塞发动机。此外， 该EGR结构的各个方面能够应用到带有相对设置和/或设置在一个或 多个曲轴的任一侧上的装有端口的汽缸的对置活塞发动机。因此，提 供给该结构的保护仅通过所附的权利要求限制。