CN102787906A - 强制吸气和排气*** - Google Patents

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D.T.莱斯特
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Abstract

本发明涉及内燃发动机，更具体地涉及用于内燃发动机的强制吸气和排气***。在排气***的一个示例性实施方式中，所述***包括与内燃发动机流体连通的排气歧管以及与所述排气歧管流体连通的强制吸气器件，所述强制吸气器件包括壳体。所述***进一步包括流动控制器件以控制所述强制吸气器件与催化剂基体之间的流体连通并且控制所述排气歧管与所述催化剂基体之间的流体连通。

Description

强制吸气和排气***
技术领域
本发明涉及内燃发动机，更具体地涉及用于内燃发动机的排气***和强制吸气***。
背景技术
内燃发动机的发动机控制模块控制供给至发动机的燃烧室的燃料和空气的混合物。在空气／燃料混合物点燃之后，发生燃烧并且燃烧气体通过排气门流出燃烧室。所述燃烧气体由排气歧管引导至催化剂(或“催化转化器”)和／或其他排气后处理***。
在发动机运转期间-例如在起动期间，燃烧气体进入排气***，然而后处理***的部件-例如催化剂尚未加热到能充分移除污染物以符合相关法规的程度。进一步，在起动期间，强制吸气器件包括用作散热器的部件-例如涡轮叶片，从而使排气***部件的加热变慢。因此，在起动期间，由于催化剂对应的较低性能，排出气体流到凉的排气***部件-例如催化剂可导致排放水平不合乎要求。
发明内容
在本发明的一个示例性实施方式中，排气***包括与内燃发动机流体连通的排气歧管以及与所述排气歧管流体连通的强制吸气器件，所述强制吸气器件包括壳体。所述***进一步包括流动控制器件，以便控制强制吸气器件与催化剂基体之间的流体连通并且控制排气歧管与所述催化剂基体之间的流体连通。
在本发明的另一个示例性实施方式中，排气***包括与内燃发动机流体连通的排气歧管、与所述排气歧管流体连通的强制吸气器件壳体以及定位在所述强制吸气器件壳体中的烃吸附器，该烃吸附器定位在强制吸气器件及排气歧管下游并且定位在催化剂基体上游。所述***进一步包括第一流动控制器件以控制所述强制吸气器件与所述壳体之间的流体连通，还包括第二流动控制器件以控制所述排气歧管与所述强制吸气器件壳体中的烃吸附器之间的流体连通。
在本发明的又一个示例性实施方式中，用于引导排出气体的方法包括：从内燃发动机接收排出气体到排气歧管中并且控制第一排出气流从所述排气歧管通过强制吸气器件进入所述强制吸气器件下游的壳体的第一通道。所述方法还包括控制第二排出气流从所述排气歧管进入壳体的第二通道，其中所述壳体的第二部分包括定位在催化剂基体上游的烃吸附器。
方案1. 一种排气***，包括：
与内燃发动机流体连通的排气歧管；
与所述排气歧管流体连通的强制吸气器件，所述强制吸气器件包括壳体；以及
流动控制器件，所述流动控制器件控制所述强制吸气器件与催化剂基体之间的流体连通并且控制所述排气歧管与所述催化剂基体之间的流体连通。
方案2. 如方案1所述的***，其中所述流动控制器件包括第一流动控制器件和第二流动控制器件，其中所述第一流动控制器件控制第一排出气流通过强制吸气器件进入催化剂基体，而所述第二流动控制器件控制来自排气歧管的第二排出气流进入所述催化剂基体。
方案3. 如方案2所述的***，其中所述来自排气歧管的第二排出气流包括进入催化剂基体的第二排出气流，所述进入催化剂基体的第二排出气流构造成能够在起动期间加热所述催化剂基体。
方案4. 如方案2所述的***，包括所述壳体内的烃吸附器，其中所述烃吸附器定位在所述催化剂的上游并且在所述流动控制器件的下游。
方案5. 如方案4所述的***，其中所述第二流动控制器件控制所述第二排出气流进入所述烃吸附器，其中所述烃吸附器存储烃并且允许一部分排出气体在起动期间流入催化剂基体从而加热所述催化剂基体。
方案6. 如方案5所述的***，其中所述第一流动控制器件在起动阶段之后打开以允许第一排出气流通过强制吸气器件进入壳体，同时所述第二流动控制器件部分限制所述第二排出气流流动通过烃吸附器，从而从所述烃吸附器释放烃。
方案7. 如方案4所述的***，其中所述烃吸附器是绕所述壳体的中心壁设置的同心环形构件，所述中心壁限定中心通道以便第一气流从强制吸气器件进入催化剂。
方案8. 如方案1所述的***，其中所述催化剂包括三元催化剂。
方案9. 一种排气***，包括：
与内燃发动机流体连通的排气歧管；
与所述排气歧管流体连通的强制吸气器件壳体；
定位在所述强制吸气器件壳体中的烃吸附器，该烃吸附器定位在强制吸气器件及排气歧管的下游并且定位在催化剂基体的上游；
第一流动控制器件，所述第一流动控制器件控制所述强制吸气器件与所述壳体之间的流体连通；以及
第二流动控制器件，所述第二流动控制器件控制所述排气歧管与所述强制吸气器件壳体中的烃吸附器之间的流体连通。
方案10. 如方案9所述的***，其中所述第一流动控制器件使第一排出气流能够在起动阶段之后通过强制吸气器件进入催化剂基体，而所述第二流动控制器件使第二排出气流能够在起动期间进入烃吸附器。
方案11. 如方案10所述的***，其中所述烃吸附器的温度在所述起动期间低于选定温度并且在起动阶段之后高于所述选定温度。
方案12. 如方案11所述的***，其中所述烃吸附器在温度低于所述选定温度时吸附烃并且在高于所述选定温度时释放烃。
方案13. 如方案9所述的***，其中所述烃吸附器是绕所述壳体的中心壁设置的同心环形构件，所述中心壁限定中心通道以便流体从强制吸气器件流通进入催化剂基体。
方案14. 如方案9所述的***，其中所述催化剂包括三元催化剂。
方案15. 一种用于引导排出气体的方法，所述方法包括：
从内燃发动机接收排出气体到排气歧管中；
控制第一排出气流从所述排气歧管通过强制吸气器件进入所述强制吸气器件下游的壳体的第一通道；以及
控制第二排出气流从所述排气歧管进入壳体的第二通道，其中所述壳体的第二部分包括定位在催化剂基体上游的烃吸附器。
方案16. 如方案15所述的方法，其中控制所述第二气流包括控制气流进入绕所述壳体的中心壁设置的同心环形烃吸附器，所述中心壁限定用于所述强制吸气器件到所述催化剂基体之间的流体连通的第一通道。
方案17. 如方案16所述的方法，其中控制所述第一气流包括控制气流穿过所述第一通道进入所述催化剂基体。
方案18. 如方案16所述的方法，其中控制所述第一气流包括控制所述第一气流穿过所述强制吸气器件进入所述催化剂基体。
方案19. 如方案16所述的方法，其中控制所述第一气流包括在起动期间限制气流穿过所述第一通道进入所述催化剂基体。
方案20. 如方案19所述的方法，其中控制所述第二气流包括在起动阶段之后限制气流穿过所述同心环形烃吸附器。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将通过下面结合附图对本发明的详细描述而变得显而易见。
附图说明
在下面对实施方式的详细描述中，仅通过示例来呈现其他特征、优点和细节，所述详细描述参阅附图进行，附图中：
图1示出了示例性的内燃发动机；
图2是示例性的涡轮增压器的一部分的侧剖视图；以及
图3是示例性的涡轮增压器的一部分的侧剖视图。
具体实施方式
下面的描述本质上仅是示例性的，并非旨在限制本发明、其应用或用途。应当理解的是，相应的附图标记在所有附图中指代相同或相应的部件或特征。
根据本发明的示例性实施方式，图1示出了示例性的内燃发动机100，在本实例中内燃发动机100是直列4缸发动机，其包括发动机本体和缸盖组件104、排气***106、诸如涡轮增压器108的强制吸气器件以及控制器110。排气歧管120联接至所述发动机本体和缸盖组件104，所述排气歧管120可与所述发动机本体和缸盖组件104一体形成或在其外部。另外，发动机本体和缸盖组件104包括气缸(未示出)，其中所述气缸接收燃烧空气和燃料的组合。燃烧空气／燃料混合物燃烧从而导致设置在所述气缸中的活塞(未示出)往复运动。活塞的往复运动使曲轴(未示出)旋转以传递原动力至车辆动力系(未示出)或至发电机，或者就内燃发动机100的静态应用情形来说传递至这种动力的其他静态接受者(未示出)。空气／燃料混合物的燃烧使排出气流122穿过排气歧管120、涡轮增压器108并进入排气***106。涡轮增压器108的示例性实施方式可采用双涡盘或双涡轮技术。
排气***106包括罐126以及可选的下游排气处理器件130，所述罐126具有定位在所述罐126内的涂覆催化剂的基体128(即，排气处理器件)。排出气体132从涡轮增压器108流动穿过排气***106，从而减少污染物并随后释放到大气中。在示出的实施方式中，排出气流122驱动涡轮增压器的涡轮叶片(未示出)，从而提供能量来形成压缩空气充气142。在示例性实施方式中，压缩空气充气142由充气冷却器144冷却并且被输送通过导管146至进气歧管148。所述压缩空气充气142提供与气缸(未示出)中的燃料燃烧的额外的燃烧空气(当与非涡轮增压的自然吸气发动机比较时)，从而改进了内燃发动机100的动力输出和效率。涂覆催化剂的基体128可以是构造成减少来自气流的污染物的任何适当的催化剂设计，例如三元催化剂。如在此使用的，术语控制器意指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件程序或固件程序的处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路和／或提供所述功能的其他适当部件。
继续参阅图1，在示例性内燃发动机100的起动期间，部件-例如涂覆催化剂的基体128可采取选定的时间量来预热到操作温度。具体地说，当加热到操作温度时，涂覆催化剂的基体128更有效地从排出气体132移除污染物。因此，提供了一种用于涡轮增压器108和排气***106的方法和装置来使涂覆催化剂的基体128在操作温度下移除排出气流122、132中的污染物从而减少排放。如在此阐述的，涂覆催化剂的基体128的操作温度为催化剂能够移除足够数量的污染物从而实现选定目标-例如符合排放标准的温度或温度范围。
图2是与排气歧管120流体连通的示例性的涡轮增压器108的一部分的侧剖视图。由此，涡轮增压器108由从排气歧管120接收的排出气流122驱动。涡轮增压器108包括壳体200，所述壳体200容纳通过轴204联接至压缩机叶轮(未示出)的涡轮叶片202。壳体200还容纳第一流动控制器件206和第二流动控制器件208。进一步，壳体200包括与涂覆催化剂的基体128(图1)流体连通的通道。第一流动控制器件206示出为处于隔离或打开位置。还示出了第一流动控制器件206的闭合位置210，其中所述闭合位置210使来自涡轮增压器108的第一排出气流212能够流动。在第一流动控制器件206的隔离或打开位置，限制了第一排出气流212通过涡轮增压器108。进一步，当第一流动控制器件206处于闭合位置210时，限制了来自排气歧管120的第二排出气流214。在一个实施方式中，在发动机起动期间第一流动控制器件206处于隔离位置，其中所述第二排出气流214向下游流动而作为排出气流132进入涂覆催化剂的基体128(图1)。排出气流(132、214)流入涂覆催化剂的基体128从而将所述涂覆催化剂的基体128加热至操作温度，从而使污染物减少。在涂覆催化剂的基体128达到操作温度之后，第一流动控制器件206移动到闭合位置210，从而使来自涡轮增压器108的第一排出气流212能够流动。由此，在起动期间，限制了第一排出气流212从而使涂覆催化剂的基体128被第二排出气流214加热。与使所有排出气体都穿过涡轮增压器108相比，这会将涂覆催化剂的基体128更快地加热到适当的操作温度，所述涡轮增压器108可充当使涂覆催化剂的基体128的加热变慢并可导致在起动期间排放增加的散热器。因此，通过在起动期间引导排出气体(214、132)来加热涂覆催化剂的基体128，所述布置使污染物减少。
示例性的流动控制器件(206、208)可按照下述方式操作。第一流动控制器件206在发动机起动期间处于隔离位置，以允许第二排出气流214从排气歧管120向下游流动并且进入涂覆催化剂的基体128。在该时间期间，第二流动控制器件208闭合。第二排出气流214绕过涡轮叶片202从而将涂覆催化剂的基体128快速地加热到操作温度。在将涂覆催化剂的基体128上的催化剂加热到操作温度之后，第一流动控制器件206可移动至完全(210)或部分限制流动的位置，从而允许第一排出气流212进入被加热的涂覆催化剂的基体128。因此，所述布置在起动期间通过直接来自发动机排气歧管120的排出气流214将涂覆催化剂的基体128快速地加热从而使污染物减少。在一个实施方式中，流动控制器件(206、208)是基于所述器件的位置选择性地控制和限制在通道、壳体和／或空腔之间的流体流动或流体连通的任何适当器件。第二流动控制器件208作为废气门来操作，从而在操作期间控制涡轮增压器108的增压水平。示例性的流动控制器件(206、208)包括以电、液压或气动方式控制的门或阀。流动控制器件(206、208)可联接至适当的控制器，例如控制器110(图1)。如在此阐述的，限制流体流动包括部分地和／或完全地限制流动，其中所述流动流体的量可根据***约束和期望的性能来控制。
图3是与排气歧管120流体连通的示例性的涡轮增压器301的一部分的侧剖视图。涡轮增压器301被构造成接收来自排气歧管120的排出气流122。涡轮增压器301包括壳体300，所述壳体300容纳通过轴304联接至压缩机叶轮(未示出)的涡轮叶片302。所述壳体300还容纳第一流动控制器件306、第二流动控制器件308以及第三流动控制器件310。所述第一流动控制器件306示出为处于隔离位置。另外，还示出了第一流动控制器件306的打开位置311，其中所述打开位置311使第一排出气流312能够穿过涡轮增压器301。在示出的隔离位置，来自涡轮增压器301的第一排出气流312被第一流动控制器件306限制。第二流动控制器件308示出为处于允许第二排出气流314进入设置在环形通道320中的烃吸附器318的打开位置。第二流动控制器件308的闭合位置313限制第二排出气流314，从而减少或限制流入烃吸附器318的气流。如下面描述的，由第二流动控制器件308的位置导致的流动限制的量可根据***状况改变。示例性的第三流动控制器件310是在操作期间控制涡轮增压器301的增压水平的废气门。在一个实施方式中，流动控制器件(306、308、310)是基于所述器件的位置来选择性地控制流体流动的任何适当器件。进一步，流动控制器件(306、308、310)可包括单个流动控制器件或多个流动控制器件。示例性的流动控制器件(306、308、310)包括以电、液压或气动方式控制的门或阀。壳体300可由单件铸造金属形成或由通过焊接、紧固件或其他适当的联接器件联接的多个零件制成。进一步，壳体300与通道或管道一体形成或包括通道或管道，所述通道或管道与涂覆催化剂的基体128流体连通。
示例性的流动控制器件(306、308、310)可按照下述方式操作。第一流动控制器件306在发动机起动期间处于隔离位置，其中第二流动控制器件308处于打开位置从而允许第二排出气流314从排气歧管120向下游流动并且进入烃吸附器318。在该时间期间，第三流动控制器件310闭合。烃吸附器318被构造成当所述烃吸附器318低于选定温度(例如，在起动期间)时从第二排出气流314吸附烃。在起动期间，烃吸附器318保留烃类，同时所述烃吸附器318和涂覆催化剂的基体128被排出气流314和326加热。在将涂覆催化剂的基体128加热到操作温度之后，第二流动控制器件308允许部分限制第二排出气流314，从而使排出气流326以及吸附的烃类从烃吸附器318流入涂覆催化剂的基体128。因此，一旦涂覆催化剂的基体128被加热到操作温度，第一流动控制器件306就移动到打开位置311从而允许排出气流312从涡轮增压器301进入中心通道324。中心通道324由壳体300的中心壁322限定。在起动阶段之后排出气流(312、132)被引导进入涂覆催化剂的基体128，其中所述加热的涂覆催化剂的基体128从气体中移除污染物。在起动阶段之后，第二流动控制器件308部分地限制排出气流314，其中所述烃吸附器318通过第二排出气流314加热成高于选定的温度，从而通过排出气流326释放烃至涂覆催化剂的基体128。在从烃吸附器318释放绝大部分量的烃之后，第二流动控制器件308移动至闭合位置313。因此，在起动期间，第一排出气流312被第一流动控制器件306限制，同时第二流动控制器件308将第二排出气流314引导进入烃吸附器318从而吸附污染物直至涂覆催化剂的基体128被加热并且能够减少污染物。
继续参阅图3，烃吸附器318是包括构造成吸附烃的材料的同心环形构件。示例性的烃吸附器318在第一选定温度或低于第一选定温度-例如当凉(例如，在发动机起动期间)时吸附烃。烃吸附器318还允许限制的排出气流326(移除了烃的)进入涂覆催化剂的基体128，从而加热催化剂。在烃吸附器318被加热到第二选定温度或高于第二选定温度时，所述烃吸附器318被构造成释放一部分或全部吸附的污染物。取决于吸附器材料，第二选定温度可大约与第一选定温度相同或大于所述第一选定温度。由此，壳体300、烃吸附器318以及流动控制器件(306、308)的布置通过在发动机起动期间并且直至涂覆催化剂的基体128被加热之前吸附污染物来使污染物减少，其中在发动机和部件被加热到充足的操作温度之后所述污染物从烃吸附器318释放进被加热的涂覆催化剂的基体128。
虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是所属领域技术人员将会理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可对本发明做出各种改变并且可用等同元件来代替本发明的元件。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可做出多种改型以使本发明的教导适应特定情况或材料。因此，本发明将不局限于所公开的特定实施方式，相反，本发明将包括落入本申请的范围内的所有实施方式。

Claims (10)

1.一种排气***，包括：
与内燃发动机流体连通的排气歧管；
与所述排气歧管流体连通的强制吸气器件，所述强制吸气器件包括壳体；以及
流动控制器件，所述流动控制器件控制所述强制吸气器件与催化剂基体之间的流体连通并且控制所述排气歧管与所述催化剂基体之间的流体连通。
2.如权利要求1所述的***，其中所述流动控制器件包括第一流动控制器件和第二流动控制器件，其中所述第一流动控制器件控制第一排出气流通过强制吸气器件进入催化剂基体，而所述第二流动控制器件控制来自排气歧管的第二排出气流进入所述催化剂基体。
3.如权利要求2所述的***，其中所述来自排气歧管的第二排出气流包括进入催化剂基体的第二排出气流，所述进入催化剂基体的第二排出气流构造成能够在起动期间加热所述催化剂基体。
4.如权利要求2所述的***，包括所述壳体内的烃吸附器，其中所述烃吸附器定位在所述催化剂的上游并且在所述流动控制器件的下游。
5.如权利要求4所述的***，其中所述第二流动控制器件控制所述第二排出气流进入所述烃吸附器，其中所述烃吸附器存储烃并且允许一部分排出气体在起动期间流入催化剂基体从而加热所述催化剂基体。
6.如权利要求5所述的***，其中所述第一流动控制器件在起动阶段之后打开以允许第一排出气流通过强制吸气器件进入壳体，同时所述第二流动控制器件部分限制所述第二排出气流流动通过烃吸附器，从而从所述烃吸附器释放烃。
7.如权利要求4所述的***，其中所述烃吸附器是绕所述壳体的中心壁设置的同心环形构件，所述中心壁限定中心通道以便第一气流从强制吸气器件进入催化剂。
8.如权利要求1所述的***，其中所述催化剂包括三元催化剂。
9.一种排气***，包括：
与内燃发动机流体连通的排气歧管；
与所述排气歧管流体连通的强制吸气器件壳体；
定位在所述强制吸气器件壳体中的烃吸附器，该烃吸附器定位在强制吸气器件及排气歧管的下游并且定位在催化剂基体的上游；
第一流动控制器件，所述第一流动控制器件控制所述强制吸气器件与所述壳体之间的流体连通；以及
第二流动控制器件，所述第二流动控制器件控制所述排气歧管与所述强制吸气器件壳体中的烃吸附器之间的流体连通。
10.一种用于引导排出气体的方法，所述方法包括：
从内燃发动机接收排出气体到排气歧管中；
控制第一排出气流从所述排气歧管通过强制吸气器件进入所述强制吸气器件下游的壳体的第一通道；以及
控制第二排出气流从所述排气歧管进入壳体的第二通道，其中所述壳体的第二部分包括定位在催化剂基体上游的烃吸附器。
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