[发明专利]使用分流排气系统和方法的发动机

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2012年1月6日提交的美国临时专利申请No.61/584016的权益，通过引用该美国临时专利申请的方式将该美国临时专利申请的整个教导和公布并入本文。

技术领域

本发明通常涉及用于内燃系统的排气系统，并且更特别地涉及用于内燃发动机的排气系统，该内燃发动机使用废气再循环以及一个或多个涡轮增压器以提高发动机性能和降低排放。

背景技术

内燃发动机使用燃烧循环来燃烧燃料和氧气以将燃料的能量转化为用于向诸如汽车、机车、发电机、和一些其他装置之类的装置提供动力的机械能量。

许多现代的发动机(火花点火或压缩点火)使用从发动机排出的废气来用于各种有益行动。一个特别的行动是使用废气来向涡轮增压器提供动力。废气的气流驱动涡轮增压器的涡轮，涡轮转而驱动压缩机以增加供应到发动机的空气的量。进入发动机的增加的空气允许更高的能量密度，提高燃料效率以及瞬态响应性，

还使用废气来降低排放。内燃发动机，特别是柴油发动机具有一个问题是，在高燃烧温度下产生NOx。另外，NOx的产生一般是非线性的，从而温度的递增式增大可以显著增大NOx产生率。

内燃发动机，特别是柴油发动机具有的另一个问题是，当燃烧循环相对富燃料地运行时，例如，接近完全燃烧的化学计量比(但仍然具有过量的氧气)，发动机会产生大量的烟尘。烟尘可能抑制发动机、排气系统的下游部件的工作，并且提供不期望的排放。

由于不断增加的能量/燃料成本以及不断越发严格的减排规定，需要增大燃料效率同时减少生成排放的量。

为了减少NOx排放，废气被再循环，以降低燃烧期间汽缸内的温度，这被称为废气再循环(“EGR”，其同样用于指代正被再循环的实际废气)。EGR的主要组分是二氧化碳(“CO₂”)和水蒸气，加上氮气和在先前循环中没有被燃料消耗的剩余氧气。通常，废气基本上是惰性的。二氧化碳和水蒸汽相对于空气具有高比热。因此，需要大量能量来提高这些组分的温度。因此，与假如这些气体不存在相比，在这些气体存在的情况下，燃烧期间的汽缸内温度会降低。EGR可以被用于降低汽缸内温度。

为了提高EGR控制和限制汽缸内温度的能力，在将EGR与进气气体混合之前，EGR通常经过EGR冷却器，该EGR冷却器从EGR去除热量。这降低了EGR的温度，允许EGR在燃烧期间吸收更多能量以更有效控制和维持汽缸内温度。

图1所示的是标准四冲程内燃发动机10的示意性图示。如所示出的，发动机10包括连接到发动机10的所有排气阀14的单个排气歧管12。单个排气歧管12收集由发动机10产生的所有废气。涡轮流路15将排气歧管12耦合到涡轮增压器18的涡轮16。EGR流路20可操作地将废气歧管12耦合到进气流路22以将EGR与进气气体耦合。

这一当前配置具有的一个问题是所有的发动机废气被供给到连接到EGR通路和涡轮入口通路两者的单个排气管中。问题是这些通路中的每个对最佳条件具有不同的要求：(a)EGR通路需要低温废气，该低温废气具有仅够克服进气歧管压力和仅够驱动EGR气流从排气歧管到进气歧管的压力，同时(b)涡轮需要高温、高压和大量的气流以改进涡轮增压器的输出并通过涡轮增压在进气歧管中建立压力。目前，通过使用导致折中的公共的排气歧管来结合这两个功能。EGR回路过热并且需要高压来驱动EGR，而涡轮回路过冷并且压力过低，因为EGR回路已经使用了一些可用压力。通过认识到涡轮回路建立了EGR回路必须克服的增压压力和EGR回路中的额外温度必须通过热交换器去除，使人理解了独立的必要。一旦认识到这些，就会明白到达公共歧管的单个排气阀正时将良好地满足EGR的需要和涡轮的需要两者是不太可能的。

本发明的实施例提供了对本领域现有技术的改进，以改进到达涡轮以及用作EGR的废气的分配以提高燃料效率同时降低排放。根据本文提供的发明详细描述，本发明的这些和其他优点和附加的发明特征将变得清楚。

发明内容

提供控制来自内燃发动机系统的废气流的新的和改进的内燃发动机系统和方法。更具体的，提供使用分流排气来控制废气流的新的和改进的内燃发动机系统和方法。该新和改进的系统和方法被配置为基于废气的热力学状态来分离废气。因此，可以使用热力学上最适当的废气来为涡轮增压器的涡轮提供动力并且使用热力学上最适当的废气用作EGR来用于减少(除了别的之外)NOx的排放。在柴油发动机中由于增大的涡轮功率而可获得的增大的空气量，允许简洁的操作并且可能允许减少的烟尘产生。