專利名稱：內燃發動機的制作方法
技術領域：
本發明的示例性實施例涉及具有排氣再循環系統的內燃發動機，且尤其涉及ー種這樣的內燃發動機，其具有專門用于生產和供應再循環排氣至發動機其它氣缸的發動機氣缸和用于向其進行輸送的裝置。
背景技術：
隨著對車輛經濟性關注的增加，汽車制造商轉向較小的、較輕的車輛和獨特的動力系統來提高效率。排氣再循環(“EGR”)在大部分傳統的內燃發動機中被用于幫助減少在低負荷時的節流損失，并改善爆震容差和減少排氣中的氮氧化物(“NOx”)水平。在以貧的化學當量運行且因而傾向于排放更高水平的NOx排放物的內燃發動機中，EGR作為排放·物減少器是特別重要的。內燃發動機系統的配置中考慮的ー種建議是利用一個或多個氣缸作為專門的EGR源。具體地說，在四缸發動機中，例如四個氣缸中的兩個或三個將以正常的空氣、燃料和EGR混合物運轉(工作氣缸)。這些氣缸產生的排氣將作為排氣離開內燃發動機并在其釋放到大氣之前在排氣處理系統中進行處理。四個氣缸中的一個或兩個以定制的空氣和燃料水平運轉(EGR氣缸)，該定制的空氣和燃料水平可由與各種發動機、車輛和排氣系統傳感器進行信號通訊的發動機控制器確定。在這些氣缸中產生的排氣被傳遞到進氣系統以提供EGR。這種配置允許更濃的EGR，其包含更高水平的氫，從而改善了抗爆震性能、燃料消耗和燃燒穩定性同時仍然允許化學當量燃燒的排氣保留在排氣處理系統中與催化處理裝置相適應。在ー些操作模式下，所述的系統設計可能會損害內燃發動機的工作穩定性。這些模式可能跟隨冷啟動、極輕的負荷(例如，空轉)、高負荷和在高發動機轉速下的高負荷。
發明內容
在示例性的實施例中，內燃發動機包括工作氣缸、EGR氣缸、用于給氣缸提供燃燒充氣的進氣系統、用于將排氣從工作氣缸去除到大氣的第一排氣系統、用于將排氣從EGR氣缸去除并經由EGR供給管道將排氣供給進氣系統的第二排氣系統、在EGR供給管道和第一排氣處理系統之間延伸并流體地連接它們的EGR旁通管道、布置在EGR供給管道中并在進氣系統和EGR旁通管道的進ロ之間的第一閥組件和布置在EGR旁通管道中的第二閥組件。本發明提供以下技術方案。技術方案I :ー種內燃發動機，包括工作氣缸；EGR 氣缸；
用于將燃燒充氣供應給所述氣缸的進氣系統，用于從所述工作氣缸中去除排氣并將排氣排放到大氣的第一排氣系統；用于從所述EGR氣缸中去除排氣并經由EGR供給管道將排氣供應給所述進氣系統的第二排氣系統；在所述EGR供給管道和第一排氣處理系統之間延伸并流體連接它們的EGR旁通管道；布置在所述EGR供給管道中并在所述進氣系統與所述EGR旁通管道的進ロ之間的第一閥組件；和布置在所述EGR旁通管道中的第二閥組件。 技術方案2 :技術方案I的內燃發動機，其中在第一操作模式中，第一閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸通過所述EGR旁通管道流到所述進氣系統，且第二閥組件處于關閉位置以防止排氣直接從所述EGR氣缸流到第一排氣處理系統。技術方案3 :技術方案2的內燃發動機，其中在第一操作模式中，第一閥組件處于調節的、大體打開的位置且第二閥組件處于調節的、大體關閉的位置。技術方案4 :技術方案2的內燃發動機，其中在第二操作模式中，第一閥組件處于關閉位置以防止排氣從所述EGR氣缸流到所述EGR供給管道，且第二閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸流經所述EGR旁通管道并流到第一排氣處理系統。技術方案5 :技術方案4的內燃發動機，其中在第二操作模式中，第一閥組件處于調節的、大體關閉的位置且第二閥組件處于調節的、大體打開的位置。技術方案6 :技術方案I的內燃發動機，進ー步包括布置在所述EGR供給管道中位于所述進氣系統與所述EGR旁通管道的進ロ之間的的第三閥組件，其配置為在完全打開和完全關閉之間的范圍內工作。技術方案7 :技術方案6的內燃發動機，其中第三閥組件配置為在第三操作模式期間提供可變量的EGR。技術方案8 :技術方案7的內燃發動機，其中在第三操作模式中，第一閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸流經所述EGR供給管道并流到所述進氣系統且第二閥組件處于打開位置以允許排氣直接從所述EGR氣缸流到所述排氣處理系統。技術方案9 :技術方案I的內燃發動機，其中第一和第二閥組件由控制器電子地控制，所述控制器監測發動機和排氣系統參數，確定發動機操作模式和閥組件的相對位置，打開/關閉或在打開和關閉之間的調節位置。技術方案10 :技術方案6的內燃發動機，其中第三閥組件由控制器電子地控制，該控制器監測發動機和排氣系統參數，確定發動機的操作模式和所述閥組件的位置。技術方案11 :ー種內燃發動機，包括多個工作氣缸；多個EGR氣缸；用于將燃燒充氣供應給所述氣缸的進氣系統，用于從所述工作氣缸中去除排氣并將排氣排出到大氣的第一排氣系統；用于從所述EGR氣缸中去除排氣并經由EGR供給管道將所述排氣供應給所述進氣系統的第二排氣系統；
在所述EGR供給管道和第一排氣處理系統之間延伸并流體連接它們的EGR旁通管道；布置在所述EGR供給管道中位于所述進氣系統與所述EGR旁通管道的進ロ之間的的第一閥組件；和布置在所述EGR旁通管道中的第二閥組件。技術方案12 :技術方案11的內燃發動機，其中在第一操作模式中，第一閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸經由所述EGR旁通管道流入所述進氣系統，且第二閥組件處于關閉位置以防止排氣直接從所述EGR氣缸流到第一排氣處理系統。技術方案13 :技術方案12的內燃發動機，其中在第二操作模式中，第一閥組件處于關閉位置以防止排氣從所述EGR氣缸流到所述EGR供給管道，且第二閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸流過所述EGR旁通管道并流到第一排氣處理系統。 技術方案14 :技術方案11的內燃發動機，進ー步包括布置在所述EGR供給管道中位于所述進氣系統與所述EGR旁通管道的進ロ之間的的第三閥組件，其配置為在完全打開和完全關閉之間的范圍內工作。技術方案15 :技術方案14的內燃發動機，其中第三閥組件配置為在第三操作模式期間提供可變量的EGR。技術方案16 :技術方案15的內燃發動機，其中在第三操作模式中，第一閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸流經所述EGR供給管道并流到所述進氣系統且第二閥組件處于打開位置以允許排氣直接從所述EGR氣缸流到所述排氣處理系統。技術方案17 :技術方案11的內燃發動機，其中第一和第二閥組件由控制器電子地控制，該控制器監測發動機和排氣系統參數，確定發動機的操作模式和所述閥組件的位置。技術方案18 :技術方案14的內燃發動機，其中第三閥組件由控制器電子地控制，該控制器監測發動機和排氣系統參數，確定發動機的操作模式和所述閥組件的位置。本發明的上述特征和優勢，以及其它特征和優勢當結合附圖時從以下本發明的詳細描述中會更加顯而易見。
在實施例的以下詳細描述中，僅僅通過例子描述了本發明的其它目標、特征、優勢和細節，該詳細說明參考附圖，圖中附圖是具有本發明特征的內燃發動機系統的部分的示意圖。
具體實施例方式以下說明本身僅僅是示例性的且不試圖限制本公開、其應用或用途。在這里以不同實施例描述的本發明包括用于將排氣供給到內燃發動機氣缸的新型裝置和方法(即，再生的排氣“EGR”)。如上所述，EGR對保持內燃發動機的ー些性能參數是有用的，包括保持降低水平的氮氧化物(“NOx”)，氮氧化物是受管制的排氣成分，且EGR在以貧化學當量(即，過量的氧)操作的發動機中更為普遍。本發明的基本前提是提供一種具有兩種氣缸配置的內燃發動機，第一種“工作型”和第二種“EGR型”。雖然所有的氣缸都以從發動機提供工作輸出的方式操作，但是第一種工作型氣缸以正常的空氣/燃料比エ作，傳遞最佳的動カ和適當的排氣排放物給排氣處理系統。第二種EGR型氣缸以這種方式工作，可能不一定傳遞最佳的動カ和適當的排氣排放物，而是替代地將最佳EGR直接傳遞給第一種工作型氣缸的進氣ロ。機械地，第二種EGR型氣缸的排氣ロ流體地連接到內燃發動機的進氣系統而不是排氣處理系統。排氣從這些氣缸到排氣處理系統的路徑通過再循環經過進氣系統和第一種工作型氣缸。優選地，內燃發動機的優化將導致在適當的時間和在適當的操作模式期間EGR —致且可靠地供給到工作氣缸，以實現工作氣缸的最佳性能。應該明白，可以設想本發明可應用于許多內燃發動機配置而不脫離其范圍。例如，兩缸發動機可包括ー個工作氣缸和一個EGR氣缸，三缸發動機可包括在兩沖程循環下工作或四沖程循環下工作的兩個工作氣缸和一個EGR氣缸，四缸發動機可包括兩個或三個工作氣缸和一個或兩個EGR氣缸,六缸發動機可包括最多三個工作氣缸和三個EGR氣缸，八缸發動機可包括最多四個工作氣缸和四個EGR氣缸，等等。現在參考附圖，并且僅僅是為了說明的目的，本發明的示例性實施例涉及直列四 缸內燃發動機系統10,包括多個發動機氣缸12。如所不，在所述實施例中，內燃發動機系統10是直列內燃發動機，包括四個發動機氣缸12，然而該配置還可包括任意數量的氣缸(在以后詳細說明)以及其他配置，如V型配置，水平對置等等，而不影響本發明的應用。參考所示示例性實施例中的發動機氣缸12，各個氣缸數字標記為氣缸#1，12A (エ作氣缸)、氣缸#2，12B (EGR氣缸)、氣缸#3,12C (EGR氣缸)和氣缸#4，12D (工作氣缸)。燃燒空氣18經由進氣ロ 26進入進氣系統24并以已知方式由節氣門體28計量。計量后的燃燒空氣18與通常被稱為再循環排氣或EGR30的稀釋排氣混合以形成由燃燒空氣18和EGR30構成的混合物的燃燒充氣氣32。燃燒充氣32可通過壓縮機20壓縮，在所示實施例中，該壓縮機為發動機驅動的增壓器，并且燃燒充氣經由進氣歧管34被傳送到各個發動機氣缸12，進氣歧管34包括多個分別對應于發動機氣缸12A-12D的進氣操作輪34A、34B、34C和34D。燃燒充氣32在氣缸12內與燃料混合并在其中燃燒。ー個或多個點火裝置如火花塞36可布置成與氣缸12通信并用于點燃氣缸中的燃料/空氣混合物。在示例性實施例中，來自工作氣缸12A和12D (氣缸#1和氣缸#4)中燃料和燃燒充氣32燃燒的排氣38經由第一排氣歧管42的排氣道40排出氣缸。排氣歧管42與排氣處理系統44流體連通，該排氣處理系統可包括一個或多個用于在排氣釋放到大氣之前對排氣成分進行氧化、還原或過濾的排氣處理裝置46 (如氧化催化劑裝置、選擇性催化劑還原裝置、顆粒捕集器、或其組合)。來自EGR氣缸12B和12C (氣缸#2和#3)中燃料和燃燒充氣32燃燒的排氣48經由第二排氣歧管52的排氣道50排出氣缸。排氣歧管52與EGR供給管道54流體連通，EGR供給管道將排氣如EGR30傳送到進氣系統24。EGR冷卻器56可布置在EGR供給管道54內以在其重新進入進氣系統作為EGR30并與燃燒空氣18混合之前冷卻排氣48。在示例性實施例中，內燃發動機10的氣缸點火順序可以是工作氣缸#1，12A、EGR氣缸#3,12C、工作氣缸#4，12D和EGR氣缸#2，12B。這一點火順序的結果是，將EGR30供給進氣系統24的氣缸(即，氣缸12B和12C)在工作氣缸12A和12D的燃燒事件之間點火，從而提供持續流動的EGR30到EGR進氣ロ以便傳送燃燒充氣32。這樣，在內燃發動機10工作期間，燃燒充氣32在被傳送到氣缸12時包括燃燒空氣18和EGR30的均質混合物。盡管描述的附圖實施例具有兩個工作氣缸和兩個EGR氣缸，大師在一些應用中，可以設想的是在發動機操作的整個范圍內可能要求更少的EGR總量。在示例性實施例中，進氣歧管34的進氣操作輪34B和34C可包括至少ー個節氣門體58，其在示例性實施例中由控制器72電子地控制。節氣門體58與控制器72信號通信，控制器72監測各種發動機和排氣系統參數(如氧傳感器73的輸入)并調節進入EGR氣缸12B和12C的燃燒充氣的流量從而調節進入EGR氣缸的燃燒充氣的組成，使得為工作氣缸12A和12B優化排出EGR氣缸的排氣48。在示例性實施例中，EGR旁通管道62在EGR供給管道54和排氣處理系統44之間延伸并在排氣處理裝置46上游的位置流體地連接EGR供給管道54和排氣處理系統44。這一定位還可包括與第二排氣歧管52流體連通。第一閥組件64布置在EGR供給管道54內位于進氣系統24和EGR旁通管道62的進氣ロ 68之間。以同樣的方式,第二閥組件66布 置在EGR旁通管道62內。參考表1，在內燃發動機10操作的第一模式(全EGR)的一個示例性實施例中，第一閥組件64處于打開位置以允許排氣48流過EGR供給管道54到進氣系統24以與燃燒空氣18混合，而第二閥組件保持關閉以防止排氣48直接從EGR氣缸12B和12C流到排氣處理系統44。表I
模式 j閥64 I閥66 節氣門體70 ''氣流___(可選的)__全EGR 打開/調整關閉/調整打開/調整—從EGR氣缸到進氣ロ _
怠速/啟動關閉/調整打開/調整關閉/調整所有(大部分)氣體經過排氣
____系統_
高速關閉/調整打開/調整關閉/調整所有(大部分)氣體經過排氣
_____系統(用于較高負荷和速度)—
部分EGR打開/調整打開/調整調整EGR根據需要到進氣ロ&到
_ JL LI排氣系統在另ー示例性實施例中，在內燃發動機10的ー些操作模式期間，EGR30會損害燃燒穩定性且因此可能不是燃燒充氣32的理想成分。內燃發動機10的這種操作模式可以包括，但不局限于，當在進氣系統24中不期望EGR30內的過多水蒸汽時的冷啟動、極輕的負荷如怠速、和在高負荷以及在高發動機轉速時高負荷下的操作。在這種情況中，本發明的內燃發動機10可重新配置為在沒有或存在有限EGR30的情況下操作。在這種第二操作模式下(怠速/啟動)，第一閥組件64處于關閉位置，或被稍微調整以防止大部分或所有的排氣48流入EGR供給管道54，而第二閥組件66處于打開或大調整位置以允許排氣48流經EGR旁通管道62到排氣處理系統44。在另ー示例性實施例中，在高負荷和高負荷高發動機轉速的情況中(例如，節氣門大開(“W0T”))供給在5-17%范圍內的有限量的EGR30(例如，比發動機正常操作時少)是有利的。在另ー示例性實施例中，供給在3-12%范圍內的更有限量的EGR30(例如，比發動機正常操作時少)是有利的。這種較少量的EGR30實際上可以允許內燃發動機10以更高的壓縮比操作，從而獲得更大的動カ和增加的燃料效率。在這種情況中，在示例性實施例中，可選的第三閥組件70可布置在EGR供給管道54內位于進氣系統24與EGR旁通管道62的進ロ 68之間。第三閥組件70優選配置為允許調節閥構件(未示出)從而允許閥組件在全開和全閉之間的范圍內操作(例如節氣門體型裝置)。在這種內燃發動機10的第三操作模式(部分EGR)期間，第一閥組件64處于大體打開位置以允許排氣48流經EGR供給管道54到進氣系統24以與燃燒空氣18混合，而第二閥組件也保持大體打開以允許排氣48直接從EGR氣缸12B和12C流到排氣處理系統44。當第三閥組件70在全開和全閉位置之間調節時，所需量的EGR30流入進氣系統24。在EGR供給管道內由閥組件70的調節引起的背壓將迫使剰余的排氣48流經EGR旁通管道到排氣處理系統44。盡管本發明已經描述為使用 第三閥組件70來調節流經EGR供給管道的EGR30，但可以設想假定的適當持久性和分辨特性，第一、第二或兩個閥組件64、66的組合可以操作為全開/全閉閥，作為調節閥或其組合；從而無需第三閥組件70。同樣地，可以設想假定的適當持久性和分辨特性，第三、第二或兩個閥組件70、66的組合可以操作為全開/全閉閥，作為調節閥或其組合；從而無需第一閥組件64。可以設想第一、第二和第三閥組件64、66和70可以電子的方式被控制。受電子控制的閥組件與控制器72信號通訊，該控制器監測各種發動機和排氣系統參數并確定發動機的操作模式以及因此閥組件的適當位置。本發明的應用允許直接EGR內燃發動機10在需要時操作為標準增壓內燃發動機。通過去除或控制傳送給燃燒充氣的EGR的量，直接EGR內燃發動機10的動態范圍可以增カロ，允許在發動機排量的選擇上獲得更大的自由度并增加滿足車輛或其他應用性能需求所需的單位功率。雖然已經參考了示例性實施例對本發明進行了描述，但本領域技術人員應理解在不偏離本發明范圍的情況可以進行各種變化并可以用等效物來代替本發明的元件。此外，可以進行許多改進以使特定的情形或材料適應本發明的教導而不偏離本發明的實質范圍。因此，本發明不限于作為實施本發明的最佳模式而被公開的具體實施例，相反本發明包括落在本申請范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種內燃發動機，包括 工作氣缸； EGR氣缸； 用于將燃燒充氣供應給所述氣缸的進氣系統， 用于從所述工作氣缸中去除排氣并將排氣排放到大氣的第一排氣系統； 用于從所述EGR氣缸中去除排氣并經由EGR供給管道將排氣供應給所述進氣系統的第二排氣系統； 在所述EGR供給管道和第一排氣處理系統之間延伸并流體連接它們的EGR旁通管道； 布置在所述EGR供給管道中并在所述進氣系統與所述EGR旁通管道的進口之間的第一閥組件；和 布置在所述EGR旁通管道中的第二閥組件。
2.權利要求I的內燃發動機，其中在第一操作模式中，第一閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸通過所述EGR旁通管道流到所述進氣系統，且第二閥組件處于關閉位置以防止排氣直接從所述EGR氣缸流到第一排氣處理系統。
3.權利要求2的內燃發動機，其中在第一操作模式中，第一閥組件處于調節的、大體打開的位置且第二閥組件處于調節的、大體關閉的位置。
4.權利要求2的內燃發動機，其中在第二操作模式中，第一閥組件處于關閉位置以防止排氣從所述EGR氣缸流到所述EGR供給管道，且第二閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸流經所述EGR旁通管道并流到第一排氣處理系統。
5.權利要求4的內燃發動機，其中在第二操作模式中，第一閥組件處于調節的、大體關閉的位置且第二閥組件處于調節的、大體打開的位置。
6.權利要求I的內燃發動機,進一步包括 布置在所述EGR供給管道中位于所述進氣系統與所述EGR旁通管道的進口之間的的第三閥組件，其配置為在完全打開和完全關閉之間的范圍內工作。
7.權利要求6的內燃發動機，其中第三閥組件配置為在第三操作模式期間提供可變量的 EGR。
8.權利要求7的內燃發動機，其中在第三操作模式中，第一閥組件處于打開位置以允許排氣從所述EGR氣缸流經所述EGR供給管道并流到所述進氣系統且第二閥組件處于打開位置以允許排氣直接從所述EGR氣缸流到所述排氣處理系統。
9.權利要求I的內燃發動機，其中第一和第二閥組件由控制器電子地控制，所述控制器監測發動機和排氣系統參數，確定發動機操作模式和閥組件的相對位置，打開/關閉或在打開和關閉之間的調節位置。
10.一種內燃發動機，包括 多個工作氣缸； 多個EGR氣缸； 用于將燃燒充氣供應給所述氣缸的進氣系統， 用于從所述工作氣缸中去除排氣并將排氣排出到大氣的第一排氣系統； 用于從所述EGR氣缸中去除排氣并經由EGR供給管道將所述排氣供應給所述進氣系統的第二排氣系統；在所述EGR供給管道和第一排氣處理系統之間延伸并流體連接它們的EGR旁通管道；布置在所述EGR供給管道中位于所述進氣系統與所述EGR旁通管道的進口之間的的第一閥組件；和 布置在所述EGR旁通管道中的第二閥組件。
全文摘要
一種內燃發動機，包括工作氣缸、EGR氣缸、用于將燃燒充氣供給氣缸的進氣系統、用于將排氣從工作氣缸排出到大氣的第一排氣系統、用于將排氣從EGR氣缸排出并經由EGR供給管道將排氣供給進氣系統的第二排氣系統、在EGR供給管道和第一排氣處理系統之間延伸并流體地連接它們的EGR旁通管道、布置在EGR供給管道中并在進氣系統和EGR旁通管道的進口之間的第一閥組件和布置在EGR旁通管道中的第二閥組件。
文檔編號F02M25/07GK102733936SQ201210161748
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月13日 優先權日2011年4月13日
發明者A·W·海曼, R·E·貝克, R·S·麥卡爾平 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司