用于對置活塞發動機的渦輪復合式空氣處理結構的制作方法
【專利說明】用于對置活塞發動機的渦輪復合式空氣處理結構
[0001]相關申請/優先權
[0002]本申請包含與下列共同授讓的申請的主題相關的主題:2011年5月16日提交的美國申請13/068,679 ;2013年2月19日提交的PCT申請US2013/026737 ;以及2013年3月I日提交的美國申請13/782,802。
技術領域
[0003]本領域為二沖程循環內燃發動機。具體地，本領域涉及帶有空氣處理系統的直流掃氣對置活塞發動機，所述空氣處理系統為燃燒提供加壓的增壓空氣并處理燃燒產物。在一些方面，這種空氣處理系統再循環廢氣并將廢氣與加壓的增壓空氣混合以便降低燃燒溫度。
【背景技術】
[0004]二沖程循環發動機為內燃發動機，其用曲軸的單一完整旋轉和連接到曲軸的活塞的兩個沖程完成動力循環。二沖程循環發動機的一個示例為對置活塞發動機，其中兩個活塞相對設置在汽缸的孔內以用于在相反方向上往復運動。汽缸具有縱向隔開的進氣和排氣端口，進氣和排氣端口位于汽缸的各自末端附近。對置活塞的每個控制一個端口，從而當活塞移動到下止點(BC)位置時打開端口，且當活塞從BC朝上止點(TC)位置移動時關閉端口。端口中的一個提供孔外燃燒產物的通道，另一個端口用于準許增壓空氣進入孔內；這些分別叫做“排氣”和“進氣”端口。
[0005]在圖1A中，二沖程循環內燃發動機通過具有至少一個帶有端口的汽缸50的對置活塞發動機49實施。例如，發動機可具有一個帶有端口的汽缸、兩個帶有端口的汽缸、三個帶有端口的汽缸，或四個或更多帶有端口的汽缸。每個汽缸50具有孔52以及在汽缸壁的各自末端中形成或機加工而成的排氣端口 54和進氣端口 56。排氣端口 54和進氣端口 56中的每個包括開口的一個或多個圓周陣列，其中鄰近的開口通過固體橋接分開。在一些描述中，每個開口稱為“端口 ” ;然而，這種“端口”的圓周陣列的結構與圖1A所示的端口結構沒什么區別。在所示的示例中，發動機49進一步包括兩個曲軸71和72。排氣活塞60和進氣活塞62滑動地設置在孔52中，且它們的末端表面61和63彼此相對。排氣活塞60耦合到曲軸71，且進氣活塞耦合到曲軸72。
[0006]當汽缸50的活塞60和62靠近TC時，燃燒室在活塞的末端表面61和63之間的孔52內被限定。燃料通過至少一個燃料噴射器噴嘴100被直接噴射到燃燒室，所述燃料噴射器噴嘴100安置在穿過汽缸50的側壁的開口中。
[0007]進一步參考圖1A，發動機49包括空氣處理系統51，其管理提供到發動機49的增壓空氣的輸送以及通過發動機49產生的廢氣的輸送。代表性空氣處理系統結構包括增壓空氣子系統和排氣子系統。在空氣處理系統51中，增壓空氣子系統包括增壓空氣源，其接收進入空氣并將進入空氣處理為增壓空氣，耦合到增壓空氣源的增壓空氣通道，增壓空氣穿過增壓空氣源被輸送到發動機的至少一個進氣端口，以及增壓空氣通道中的至少一個空氣冷卻器，該空氣冷卻器經耦合以在增壓空氣傳送到發動機的進氣端口或多個進氣端口前接收并冷卻增壓空氣(或包括增壓空氣的氣體混合物)。這種冷卻器能夠包括空氣對液體和/或空氣對空氣設備，或另一種冷卻設備。排氣子系統包括排氣通道，其從發動機的排氣端口輸送排氣產物以用于傳輸到其它排氣組件。
[0008]進一步參照圖1A，空氣處理系統51包括渦輪增壓器120，渦輪增壓器120帶有在共同軸123上旋轉的渦輪機121和壓縮機122。渦輪機121耦合到排氣子系統且壓縮機122耦合到增壓空氣子系統。渦輪增壓器120從廢氣中提取能量，所述廢氣退出排氣端口 54并直接從排氣端口 54或從排氣歧管125流入排氣通道124，所述排氣歧管125收集經過排氣端口 54輸出的廢氣。就這一點而言，渦輪機121由穿過渦輪機的廢氣旋轉。這使壓縮機122旋轉，從而引起壓縮機通過壓縮進入空氣生成增壓空氣。增壓空氣子系統包括機械增壓器110。通過壓縮機122輸出的增壓空氣經過增壓空氣通道126流到冷卻器127，由此，增壓空氣由機械增壓器110抽到進氣端口。由機械增壓器110壓縮的空氣能夠通過冷卻器129被輸出到進氣歧管130。進氣端口 56接收由機械增壓器110抽取并穿過進氣歧管130的增壓空氣。優選地，在多汽缸對置活塞發動機中，進氣歧管130由進氣集氣室構成，所述進氣集氣室與所有汽缸50的進氣端口 56連通。
[0009]圖1A所示的空氣處理系統經構造以通過再循環廢氣穿過發動機的帶有端口的汽缸減少由燃燒產生的NOx排放。再循環的廢氣與增壓空氣混合以降低燃燒溫度峰值，從而降低NOx排放。該過程稱為廢氣再循環(“EGR”)。所示的EGR結構利用經由汽缸外面的EGR環路輸送到增壓空氣子系統中的新鮮進入空氣的進入流中的廢氣。在閥138的控制下(該閥也可稱為“EGR閥”)，再循環的氣體流經導管131。
[0010]具體EGR環路結構的示例(其不旨在限制性的)為圖1B所示的高壓配置。就這點而言，高壓力EGR環路使從輸入源上游獲得的廢氣循環到渦輪機121再到壓縮機122的輸出的下游的混合點。在該EGR環路中，導管131和EGR閥138分流一部分來自排氣歧管125的廢氣以與通過壓縮機122輸出到導管126中的增壓空氣混合。如果不要求廢氣/空氣混合，閥138完全關閉且沒有廢氣的增壓空氣被傳送到汽缸。當閥138逐漸打開時，不斷增加的廢氣量混合到增壓空氣中。相反地，從開放狀態中，當閥138逐漸關閉時，不斷減少的廢氣量混合到增壓空氣中。該環路使再循環的廢氣經歷兩個冷卻器127和129的冷卻作用。如果應受較少的冷卻，廢氣部分能夠圍繞冷卻器127分流到機械增壓器110的輸入；該替換物僅通過增壓空氣冷器129使廢氣部分經歷冷卻。僅冷卻廢氣的專用的EGR冷卻器能夠被包括在導管131中，且與閥138串聯，或與閥138的輸出端口和到機械增壓器110的輸入串聯。
[0011]根據圖1B，用以操作二沖程循環對置活塞發動機的空氣處理系統的控制機械化包括E⑶149。通過自動操作閥138和139(且可能其它閥)、機械增壓器110(如果使用多速度或可變速度設備)和渦輪增壓器120 (如果使用可變幾何結構設備)，則ECU控制與加壓的增壓空氣混合的廢氣量以響應指定的發動機工況。當然，用于EGR的閥和關聯元件的操作能夠包括電動的、氣動的、機械的以及液壓的致動操作中的任何一個或多個。對于快而準的自動操作，優選，閥為帶有連續可變設置的高速、計算機控制的設備。每個閥具有閥打開(到由ECU149控制的一些設置)以允許氣體流經閥的狀態，和閥關閉以阻擋氣體流經閥的狀態。
[0012]在諸如圖1A和圖1B所示的二沖程循環對置活塞中，機械增壓器用于創建發動機上的正壓力差以便驅動氣流和EGR流。除機械增壓器外，渦輪增壓器用于提取一些廢氣能量熱以用于驅動進氣側上的壓縮機以便增加進入機械增壓器的空氣的密度，從而減少穿過機械增壓器的體積流量和壓力比。用于二沖程循環對置活塞發動機的這些空氣處理結構具有強調的積極目標，諸如增壓空氣的管理和有效傳送和/或經傳送以用于燃燒的增壓空氣中的廢氣的輸送和混合的控制。
[0013]然而，當對置活塞發動機的設計繼續演變以用于現代運輸系統中的應用時，用于那些發動機的空氣處理系統必須越來越有助于改進的性能。因此，使對置活塞發動機裝備有改進的空氣處理結構是可取的，所述改進的空氣處理結構減少燃料消耗量、改進針對改變工況的瞬態響應和可控性，且改進外EGR驅動能力，同時不增加發動機上的機械負荷。
【發明內容】
[0014]二沖程循環對置活塞發動機具有空氣處理系統，所述空氣處理系統裝備有渦輪復合式系統。就這點而言，渦輪復合式系統包括沖擊式渦輪機(也稱為“沖擊式動力渦輪機”)，其響應于排氣流流入渦輪機產生旋轉機械輸出。旋轉機械輸出耦合到發動機的旋轉元件。渦輪