用于發動機系統的液滴發生器的制作方法

專利名稱：用于發動機系統的液滴發生器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機系統，更具體地涉及一種使用液體發生器的發 動才幾系統。
背景技術：
包括柴油發動機、汽油發動機、天然氣發動機和本領域已知的其它發 動機在內的發動才幾會排出包括空氣污染物的復雜混合物。該空氣污染物既 可包括例如顆粒物質的固態物質又可包括氣態物質，該氣態物質例如可包
括例如N02和N03的氮的氧化物(通常總體表示為"NOx")。
由于對環境的日益關注，排氣排放標準已變得更加嚴格。由發動機排 放的顆粒物質和氣態污染物的量可根據發動機的型號、尺寸和/或種類而進 行管制。為了滿足這些排放標準，發動機制造商已致力于在多種不同的發 動機技術例如燃料的噴射、發動機管理和后處理等等中尋求改進。
例如，已認識到，燃燒室中燃料和空氣的較均勻的混合物可導致較高 效率的燃燒，造成發動機的排放減少。授予Martin等人的美國專利No. 4,052,004 ( "，004專利")公開了 一種用于使輸送至發動機的燃料霧化的 振動霧化器。該霧化器包括用于使得該裝置的體部和噴嘴振動的壓電晶體， 從而燃料借助于噴嘴以細微的霧化形式通過單獨的出口離開。盡管，004專 利的霧化器的確向發動機輸送細微的霧化燃料，但，004專利的噴嘴的形狀 朝向其出口向下變細，從而用于使霧化燃料凝結而不是努力使得將燃料與
空氣形成更均勻的混合物。此外，，004專利并未公開使用與發動機后處理 相連的霧化器。
本發明涉及解決上述缺點中的一個或多個。

發明內容
在一個方面，本發明涉及這樣一種發動機系統，該發動機系統包括進 氣系統、內燃發動機和排氣系統。內燃發動機包括燃料液滴發生器和燃料 噴射器，該燃料噴射器構造成將燃料直接噴射至內燃發動機的燃燒室中。
在另一方面，發動機系統的排氣系統包括壓電式致動的液滴發生器和 后處理裝置。該后處理裝置設置在壓電式液滴發生器的下游。
在另一方面，本發明包括一種發動機系統的操作方法，該方法包括將 燃料從液滴發生器供應至內燃發動機的燃燒室。該方法還包括將燃料從燃 料噴射器供應至內燃發動機的燃燒室。
在另 一方面中， 一種發動機系統的操作方法包括將反應物從壓電式致 動的液滴發生器供應至發動機排氣中。該方法還包括將反應物和發動機排 氣的混合物供應至后處理裝置中。


圖l是根據公開的示例性實施例的發動機系統的示意圖；和 圖2是圖1的發動機系統的壓電式致動器的示意圖。
具體實施例方式
圖1示出發動機系統10。發動機系統10可包括進氣系統12、內燃發 動機14和排氣系統16。進氣系統12可包括常規部件，例如，從周圍空氣 進口 20通向發動機14的進氣歧管22的空氣進口通道18。該空氣進口通 道18可包括壓縮機24和空氣冷卻器26。壓縮機24可以是發動機系統10 的渦輪增壓機的一部分。可設想在進氣系統12中包括附加和/或不同的部 件，例如用于允許發動機排氣流入進口通道18的可控閥(未示出)、空氣 濾清器(未示出)、和/或附加的壓縮機(未示出)。
內燃發動機14可以是柴油發動機、汽油發動機、由氣態燃料提供動 力的發動機，或任何其它類型的發動機。發動機14可包括進氣歧管22、
5多個燃燒室28和排氣歧管30。燃料噴射器34可與各燃燒室28相聯以便 將燃料直接噴射至各個燃燒室28中。圖1中示出的發動機14包括四個燃 燒室28， ^f旦是良動機14可包括更多或更少的燃燒室28。此外，燃燒室28 可設置成"直列式"構型(如圖所示)或"V"構型，或任何其它合適的 構型。可以理解，在發動機14是汽油發動機的本發明的實施例中可省去噴 射器34，并添加火花塞。
發動機14也可包括一個或多個壓電式液滴發生器32。壓電式液滴發 生器32可位于各燃燒室28的上游，且特別地可位于進氣歧管22內、在進 氣歧管22的與單個燃燒室28相聯的部分處。雖然圖l示出與各燃燒室28 相聯的單個壓電式液滴發生器32，但每個燃燒室28可與多于一個發生器 32相聯。此外，可以理解，壓電式液滴發生器32可位于各個燃燒室28的 進口上游的其它位置。壓電式液滴發生器32可以任何常規方式固定于發動 機14。下面將詳細描述壓電式液滴發生器被控制器44經由電線46供應的 電流致動。
參考圖2，壓電式液滴發生器32可以是這種常規形式，例如包括液滴 發生器殼體48,該液滴發生器殼體48包括壓電片/致動器50和具有多個出 口孑L 60的大致平坦的噴射元件52。瑞士那沙泰爾(Neushatd )的Microflow Engineering SA制造了結構類似于壓電式液滴發生器32的液滴發生器。液 滴發生器殼體48的側部可包括進口管道56和進口閥58。壓電式液滴發生 器32的進口管道56可聯接于形成于液滴發生器殼體48內的燃料室54和 燃料供應源(未示出)之間。進口閥58可以具有任何常規形式，例如止回 球閥，或可替代地，可省去進口閥58。壓電式液滴發生器32與常規燃料 噴射器的不同之處至少在于液滴發生器32不帶有單個噴嘴組件。
壓電式致動器50可完全或部分地由壓電型材料制成，例如壓電材料或 壓電陶瓷材料。此外，壓電式致動器50可以是聯接于形成燃料室54的一 部分的構件的單獨的元件。壓電式液滴發生器32的壓電式致動器50可通 過電線46物理地連接于控制器44以便從控制器44接收電流。
可基于期望的待供應至燃燒室28的燃料供應量選擇壓電式液滴發生器32的數量和尺寸，同時考慮與發生器32的部件相關的任何限制和發動 機14的約束。在示例性的實施例中，噴射元件52的出口孔60可構造成給 發動機14提供尺寸約為8微米的液滴。在另一示例實施例中，出口孔60 可被間隔開以便在每平方厘米的噴射元件52上提供大約1220個出口孔 60。可設想出口孔60構造成提供具有其它尺寸例如小于8微米的液滴，以 及以不同的分布方式間隔開，例如每平方厘米比1220個孔更少。
重新參考圖1，排氣系統16可包括從發動機14的排氣歧管30延伸至 發動機系統排氣出口 64的排氣通道62。排氣通道62可包括渦輪36、顆粒 過濾器38、排氣側壓電式液滴發生器40和基于催化劑的裝置42。排氣系 統16中可包括可替代的或附加的部件或裝置。例如，可省去渦輪36和/ 或給排氣系統16添加排氣再循環回路(未示出)和一個或多個后處理裝置 (未示出)。
且可和壓縮才幾24形成渦輪增壓才幾系統的一部分。可向排氣系統16添加與 渦輪36串聯或并聯的附加的渦輪(未示出)。排氣系統16中還可包括合 適的廢氣旁通閥系統(未示出)。
顆粒過濾器38可設置在渦輪36的下游，且可包括過濾介質，該過濾 介質構造成在發動機排氣流過該過濾介質時捕獲顆粒物質。過濾器介質可 包括網狀材料、多孔陶瓷材料(例如堇青石)或任何其它材料和/或包括適 于捕獲顆粒物質的構造。
基于催化劑的裝置42可位于顆粒過濾器38的下游，且可包括催化劑、 NOx吸附劑、NOx吸收劑或本領域已知的任何其它脫硝裝置。例如，基于 催化劑的裝置42可包括一種或多種涂覆有或以其它方式包含液態或氣態 催化劑的基材，例如貴金屬。催化劑可例如通過選擇催化還原將發動機排 氣中的燃燒的副產品還原。在一個示例中，可通過排氣側壓電式液滴發生 器40將尿素形式的反應物噴射至基于催化劑的裝置42上游的排氣通道62 中。噴射至基于催化劑的裝置42的尿素反應物可分解成氨，該氨可通過催 化劑與發動才幾排氣中的NOx反應以形成H20和N2。排氣側壓電式液滴發生器40可以與相聯于發動機14的壓電式液滴發 生器32 (圖2 )相同的方式構造，不同之處在于排氣側發生器40的出口孔 60可定尺寸成用于被噴射的具體的流體(例如尿素)。例如，排氣側壓電 式液滴發生器40的出口孔60可定尺寸成給基于催化劑的裝置42供應尿素 液滴，在示例性實施例中，尿素液滴具有大約25微米的尺寸。排氣側壓電 式液滴發生器40可聯接于基于催化劑的裝置42上游的排氣通道62 (未示 出)，或可選地直接聯接于基于催化劑的裝置42的上游側。類似于壓電式 液滴發生器32， 排氣側壓電式液滴發生器40 ,皮控制器44控制，該控制 器44通過電線66給發生器40供應電流。可設想出口孔60可定尺寸成給 基于催化劑的裝置42供應具有其它尺寸例如小于25 ^t米的尿素液滴。可 以理解，排氣側壓電式液滴發生器40可具體地構造成用于排氣系統16的 高熱環境。
控制器44可包括構造成接收與發動機和/或機器操作參數相關的信息
和/或監一見、記錄、存儲、指示、處理和/或通信這些信息和附加信息的任何
部件。例如，控制器44可包括存儲器、 一個或多個數據存儲裝置、中央處
理單元和/或可用于運行應用程序的任何其它部件。控制器44可與各種已
知的回路例如動力供應線路、信號調節線路、螺線管驅動器線路、通信線 路和其它合適的線路相聯。
控制器44可構造成執行多種處理和控制功能，例如發動機管理(例如 控制器44可包括也稱為ECM的發動機控制模塊)，監視/計算與排氣輸 出及其后處理相關的參數等。特別地，控制器44可構造成基于特定的發動 機系統狀態確定通過電線46供應至發動機14的壓電式液滴發生器32的電 流的時刻和持續時間。例如，在發動機怠速狀態期間，電流可被供應至壓 電式液滴發生器32以便補充或替換燃料噴射器28提供的燃料；或者電流 可被供應至發生器32以便在部分或全部燃料循環(例如預噴射、主噴射和 /或后噴射)期間將燃料輸送至燃燒室28。此外，控制器44可特別地構造 成基于特定的發動機系統狀態確定供應至排氣側壓電式發生器40的電流 的時刻和持續時間。例如，控制器44可確定何時將電流沿著電線66傳送至排氣側壓電式液滴發生器40以及傳送多長時間，以便維持基于催化劑的 裝置42中的氨的合適的量。
發動機系統10的運行可包括通過周圍空氣進口 20將空氣接收至進口 通道18中。然后，進口通道18中的空氣可通過壓縮機24加壓，然后通過 空氣冷卻器26冷卻。然后，被冷卻加壓的空氣通過進氣歧管22進入發動 機14。在進入發動機14的燃燒室28前，冷卻且被加壓的空氣可通過壓電 式液滴發生器32與燃料混合。特別地，控制器44例如基于發動機系統工 作狀態確定壓電式液滴發生器32的壓電式致動器50的致動的合適的時刻 和持續時間。 一旦從控制器44接收到受控的電流，壓電式液滴發生器32、 特別是壓電式致動器50 (圖2)以高頻振蕩，以將燃料通過進口管道56 吸入燃料室54,并通過出口孔60從燃料室54排出流體。壓電式液滴發生 器32的用于噴射燃料的時刻和持續時間可包括在發動機怠速狀態期間，和 /或在部分或全部燃料輸送循環期間，例如在預噴射、主噴射和/或后噴射情 況下。在空氣和燃料混合物進入燃燒室28后，用于期望的燃燒所需的任何 剩余的燃料^C燃料噴射器28噴射至燃燒室內。然后燃燒室中的燃料/空氣 混合物開始燃燒。
在發動機14的做功沖程之后，發動機排氣通過排氣歧管30離開發動 機14。排氣可從排氣歧管30行進至排氣系統16，且更特別地行進至排氣 通道62。排氣可通過渦輪36膨脹，且被顆粒過濾器38過濾。如果發動機 系統參數指示，控制器44可通過電線66供應受控電流，以致動排氣側壓 電式液滴發生器40將尿素噴射至發動機排氣中，且從而將尿素供應至基于 催化劑的裝置42。可由控制器44致動排氣側壓電式液滴發生器40噴射尿 素，該控制器44確定基于催化劑的裝置42中需要更多的氨以便維持基于 催化劑的裝置42和發動機排氣之間足量的化學反應。
一旦被過濾，反應后的發動機排氣離開基于催化劑的裝置42，發動機 排氣通過排氣出口 64離開發動機系統IO。在離開發動機系統IO之后，排 氣可纟皮以其它方式處理并最終排入大氣。
可以理解，雖然圖1示出的發動機系統10既包括發動機14中的進氣側壓電式液滴發生器32又包括排氣側壓電式液滴發生器40,但可從發動 機系統IO中省去一種或另一種發生器32、 40，而仍然在本發明的范圍內。
發動機14中壓電式液滴發生器32的應用可提供燃燒室28中燃料液滴 尺寸的減小，這可導致改進的排放。較小的液滴尺寸(例如小于7微米) 使得燃料和空氣在燃燒室28內更好地混合。燃料和空氣的更好地混合可減 小燃燒期間"過熱部位"(hot spot)的數量，該過熱部位導致附加的有害 的發動機排放。此外，通過使用壓電式液滴發生器32，可通過避免經由燃 料泵或等同的裝置給燃料施加高壓所需的能量而改進發動機系統10的整 體效率。最后，壓電式液滴發生器32可通過使燃料噴射器34避免進行某 些操作而提高噴射器的壽命。
排氣側壓電式液滴噴射器40的應用包括和聯接于發動機14的壓電式 液滴發生器32類似的結構性特點。例如，排氣側壓電式發生器40可避免 要求單獨的尿素泵和相關聯的部件的較為復雜的系統。此外，通過提供這 種小的尿素液滴(例如小于25微米)，可改進基于催化劑的裝置42的效 率，且發生器40可設置成距離基于催化劑的裝置42更近，這是因為需要 較小的空間以實現尿素和排氣的特定的混合。這種所需混合空間的減小可 導致節省發動機系統空間。
工業實用性
公開的系統可適于增加發動機系統的效率和(改進)排氣排放。公開 的系統可用于發動機的任何應用。此應用可包括為機器提供動力，所述機 器例如，固定的設備例如發電機組，或可動的設備例如車輛。公開的系統 可用于任何類型的車輛，例如機動車輛、施工機械(包括道路以及越野用 機械)以及其它重型設備。
對本領域技術人員來說顯而易見的是，可不脫離本發明的范圍而對公 開的發動機系統進行各種改進和變型。考慮在此公開的本發明的說明和應 用，本發明的其它實施例對于本領域技術人員來說也是顯而易見的。例如 排氣系統16可構造成使得排氣側壓電式液滴發生器40可用在可通過流體混合而得以促進的任何類型的后處理裝置的上游。例如，將燃料噴射至柴
油氧化催化器(未示出)以促進排氣系統16的顆粒過濾器的再生，或噴射
至柴油顆粒過濾器的上游以將排氣的溫度升高至再生的水平。如在此理解
的，后處理裝置可以是位于排氣系統16中且促進減小有害排放的任何裝
置。說明和示例僅被視為示例性的，本發明的真正范圍由隨后的權利要求 及其等同物限定。
權利要求
1.一種發動機系統(10)，包括進氣系統(12)；內燃發動機(14)；和排氣系統(16)；其中，內燃發動機包括燃料液滴發生器(32)，和燃料噴射器(34)，該燃料噴射器構造成將燃料直接噴射至內燃發動機的燃燒室(28)中。
2. 根據權利要求1所述的發動機系統，其特征在于，燃料液滴發生 器包括壓電式致動器(50)。
3. 根據權利要求1所述的發動機系統，其特征在于，燃料液滴發生 器聯接于內燃發動機的進氣歧管(22)。
4. 根據權利要求1所述的發動機系統，其特征在于，液滴發生器包 括噴射元件(52 ),每平方厘米的該噴射元件具有至少1220個出口孔(60 )。
5. 根據權利要求1所述的發動機系統，其特征在于，液滴發生器構 造成將尺寸小于7微米的燃料液滴供應至燃燒室中。
6. 根據權利要求1所述的發動機系統，其特征在于，液滴發生器位 于排氣系統中。
7. 根據權利要求6所迷的發動機系統，其特征在于，排氣系統中的 液滴發生器包括壓電式致動器。
8. 根據權利要求7所述的發動機系統，其特征在于，壓電式致動的 液滴發生器構造成給下游的后處理裝置(42)提供反應物。
9. 根據權利要求8所述的發動機系統，其特征在于，壓電式致動的 液滴發生器構造成給后處理裝置提供尺寸小于25微米的尿素液滴。
10. —種操作發動機系統(10)的方法，包括 將反應物從壓電式致動的液滴發生器(40)供應至發動機排氣；將反應物和發動機排氣的混合物供應至后處理裝置(42)。
11. 根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述反應物包括尿素。
12. 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，從壓電式致動的液滴 發生器供應反應物包括供應具有小于25微米的尺寸的尿素。
全文摘要
本發明涉及一種發動機系統(10)，包括進氣系統(12)、內燃發動機(14)和排氣系統(16)。該內燃發動機包括燃料液滴發生器(32)和燃料噴射器(34)，該燃料噴射器構造成將燃料直接噴射至內燃發動機(14)的燃燒室(28)中。
文檔編號F02M27/08GK101675220SQ200880014044
公開日2010年3月17日 申請日期2008年4月16日 優先權日2007年4月30日
發明者V·西奧多羅夫 申請人:卡特彼勒公司