发动机系统论文和设计-马修·沃克

全文摘要

一种发动机系统包括：发动机，其包括多个发动机汽缸、进气歧管和排气歧管；以及复合涡轮增压器系统，其具有驱动第一压缩机的第一涡轮机以及驱动第二压缩机的第二涡轮机。发动机系统还包括进气管路，其包括第一压缩机、第二压缩机和至少一个进气歧管；以及排气管路，其包括排气歧管、第二涡轮机和第一涡轮机。发动机系统还包括位于多个发动机汽缸的子集下游的发动机的排气歧管中的排气控制阀；以及废气再循环管路，其具有上游端和下游端，上游端被定位成接收来自多个发动机汽缸的子集的排气，下游端在第一压缩机的下游和第二压缩机的上游联接到进气管路。

主设计要求

1.一种发动机系统，其特征在于包括：发动机，其包括多个发动机汽缸、进气歧管和排气歧管；复合涡轮增压器系统，其具有驱动第一压缩机的第一涡轮机以及驱动第二压缩机的第二涡轮机；进气管路，其包括所述第一压缩机、所述第二压缩机和所述至少一个进气歧管；排气管路，其包括所述排气歧管、所述第二涡轮机和所述第一涡轮机；排气控制阀，其位于所述多个发动机汽缸的子集下游的所述发动机的排气歧管中；和废气再循环管路，其具有上游端和下游端，所述上游端被定位成接收来自所述多个发动机汽缸的子集的排气，所述下游端在所述第一压缩机的下游和所述第二压缩机的上游联接到所述进气管路。

设计方案

1.一种发动机系统，其特征在于包括：

发动机，其包括多个发动机汽缸、进气歧管和排气歧管；

复合涡轮增压器系统，其具有驱动第一压缩机的第一涡轮机以及驱动第二压缩机的第二涡轮机；

进气管路，其包括所述第一压缩机、所述第二压缩机和所述至少一个进气歧管；

排气管路，其包括所述排气歧管、所述第二涡轮机和所述第一涡轮机；

排气控制阀，其位于所述多个发动机汽缸的子集下游的所述发动机的排气歧管中；和

废气再循环管路，其具有上游端和下游端，所述上游端被定位成接收来自所述多个发动机汽缸的子集的排气，所述下游端在所述第一压缩机的下游和所述第二压缩机的上游联接到所述进气管路。

2.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括位于所述废气再循环管路中的废气再循环阀。

3.根据权利要求2所述的发动机系统，其特征在于，其中所述排气控制阀和所述废气再循环阀各自配置成在完全打开和完全关闭条件之间移动。

4.根据权利要求3所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括控制器，所述控制器配置为当所述发动机达到稳态条件时提供信号以完全关闭所述排气控制阀并且完全打开所述废气再循环阀。

5.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，其中所述汽缸的子集等于所述发动机的所述多个发动机汽缸的总数的至少25%。

6.根据权利要求5所述的发动机系统，其特征在于，其中，所述发动机包括至少十个汽缸。

7.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，其中，所述废气再循环管路的下游端在中间冷却器的下游联接至所述进气管路。

8.根据权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，其中所述废气再循环管路包括冷却器。

9.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，其中所述发动机是火花点火式气体燃料动力发动机。

10.根据权利要求1所述的发动机系统，其特征在于，其中，所述发动机包括多个排气歧管，并且所述排气控制阀位于所述多个排气歧管中的一个排气歧管中。

设计说明书

技术领域

本实用新型总体上涉及内燃机系统。更具体地说，本实用新型涉及复合涡轮增压内燃机系统的废气再循环系统。

背景技术

内燃机系统可以包括复合涡轮增压器系统。复合涡轮增压器系统包括配置有流体串联连接的一对涡轮机的一对涡轮增压器，以及流体串联连接的一对压缩机。每个涡轮机机械地连接到压缩机，以利用发动机排气驱动压缩机。压缩机又对供应给发动机汽缸的发动机进气增压。

这种发动机系统还可以包括废气再循环（EGR）系统，以帮助控制不期望的污染物气体和颗粒物的产生。EGR系统使发动机排气的一部分再循环到进来的发动机进气中，从而降低汽缸中的氧气浓度，这进而降低了汽缸内燃烧温度和排气温度的峰值。因此，EGR系统减少了通常在较高燃烧温度下产生的某些污染物例如氮氧化物（NOx）的形成。此外，再循环废气促进废气中未燃烧的碳氢化合物的燃烧，从而进一步减少发动机排放。然而，提供EGR降低了发动机效率。

具有EGR系统的发动机系统的一个示例可以在美国专利No. 9,051,903中找到，该专利公开了一种EGR系统，其将来自一个或两个排气歧管的废气再循环到进气歧管中。虽然'903专利所描述的EGR系统可能是有益的，但是可以改进这种发动机系统的效率。

发明内容

本实用新型的发动机系统可以解决上述的一个或多个问题和\/或现有技术中的其它问题。然而，本实用新型的保护范围由所附权利要求来限定，而不是由解决任何特定问题的能力来限定。

根据本实用新型的一个方面，一种发动机系统包括：发动机，其包括多个发动机汽缸、进气歧管和排气歧管；以及复合涡轮增压器系统，其具有驱动第一压缩机的第一涡轮机以及驱动第二压缩机的第二涡轮机。发动机系统还包括：进气管路，其包括第一压缩机、第二压缩机和至少一个进气歧管；以及排气管路，其包括排气歧管、第二涡轮机和第一涡轮机。发动机系统还包括位于多个发动机汽缸的子集下游的发动机的排气歧管中的排气控制阀；以及废气再循环管路，其具有上游端和下游端，上游端被定位成接收来自多个发动机汽缸的子集的排气，下游端在第一压缩机的下游和第二压缩机的上游联接到进气管路。

进一步包括位于所述废气再循环管路中的废气再循环阀。

所述排气控制阀和所述废气再循环阀各自配置成在完全打开和完全关闭条件之间移动。

进一步包括控制器，所述控制器配置为当所述发动机达到稳态条件时提供信号以完全关闭所述排气控制阀并且完全打开所述废气再循环阀。

所述汽缸的子集等于所述发动机的所述多个发动机汽缸的总数的至少25%。

所述发动机包括至少十个汽缸。

所述废气再循环管路的下游端在中间冷却器的下游联接至所述进气管路。

所述废气再循环管路包括冷却器。

所述发动机是火花点火式气体燃料动力发动机。

所述发动机包括多个排气歧管，并且所述排气控制阀位于所述多个排气歧管中的一个排气歧管中。

根据本实用新型的另一方面，一种发动机系统包括：火花点火式气体燃料动力发动机，其包括至少十个发动机汽缸、进气歧管和排气歧管；以及复合涡轮增压器系统，其具有驱动第一压缩机的第一涡轮机以及驱动第二压缩机的第二涡轮机。发动机系统还包括：进气管路，其包括第一压缩机、第二压缩机和至少一个进气歧管；以及排气管路，其包括排气歧管、第二涡轮机和第一涡轮机。发动机系统还包括排气控制阀，排气控制阀位于多个发动机汽缸的子集下游的发动机的排气歧管中，该子集包括发动机的多个发动机汽缸的总数的至少25%；以及废气再循环管路，其具有上游端和下游端，上游端被定位成接收来自多个发动机汽缸的子集的排气，下游端在第一压缩机的下游和第二压缩机的上游联接到进气管路。

根据本实用新型的又一方面，一种发动机系统具有发动机、复合涡轮增压器系统、进气管路、排气管路和废气再循环管路，包括一种方法，该方法包括：通过包括复合涡轮增压器系统的第一压缩机和第二压缩机的进气管路供应进气流体，并且供应至多个发动机汽缸，并且在多个发动机汽缸中燃烧进气流体。该方法进一步包括将来自这些汽缸的排气引导通过排气管路，该排气管路包括复合涡轮增压器系统的第二涡轮机和第一涡轮机；以及在第一压缩机下游和第二压缩机上游的位置处，选择性将来自多个汽缸的子集的排气通过废气再循环管路引导至进气管路。

本实用新型可以降低发动机系统的总泵送平均有效压力，从而提高发动机系统运行效率。

附图说明

结合在本实用新型中并构成本实用新型一部分的附图示出了各种示例性实施例，并与说明书一起用于解释所公开的实施例的原理。

图1示出了根据本实用新型的发动机系统的示意图。

图2是运行图1的发动机系统的方法的流程图。

具体实施方式

尽管将参照火花点火式气体燃料（即，天然气）动力发动机系统描述本实用新型，但这仅仅是示例性的。通常，本实用新型可应用于任何其它类型的内燃机，包括但不限于柴油发动机或汽油发动机。内燃机可用于为诸如机车之类的机器提供动力。

为实现本实用新型的目的，“流体连接”的两个元件包括以流体可以从一个元件移动到另一个元件的这种方式附接、联接或以其它方式连接（例如，经由管道、管路、管或其它连接）的两个元件。在本实用新型中，相对术语，例如“近似”、“基本上”、“大体上”或“大约”用于指示所述值的±5%的可能变化。

图1示出了包括火花点火式天然气发动机10和复合涡轮增压器系统12的内燃机系统5。发动机10包括容纳在发动机机体16中的多个汽缸14（例如，20个汽缸）。虽然发动机10被描述为具有20个汽缸，但是发动机可以包括至少10个汽缸，或者在一些情况下小于10个汽缸。发动机10被示为具有两排汽缸14，然而，本实用新型不限于该实施例。多个汽缸14可以布置成直列式、V型或其它构型。发动机10可包括与发动机汽缸14相关联的常规阀、火花塞、歧管等。

发动机进气可以通过与第一涡轮增压器22流体连接的进气管路18接收到发动机系统5中。第一涡轮增压器22包括具有入口26和出口28的第一压缩机24。进气管路18连接到第一压缩机入口26。第一压缩机24与第一涡轮机70机械联接，使得第一涡轮机70的旋转驱动\/旋转第一压缩机24。第一涡轮机70具有用于接收发动机排气的入口72和将发动机排气供给后处理系统（未示出）的出口74。

第一压缩机出口28通过管路29流体串联连接到第二涡轮增压器32的第二压缩机34。管路29中可以包括具有常规结构的中间冷却器30。第二压缩机34具有入口36和出口38。第二压缩机34与第二涡轮机64机械联接，使得第二涡轮机64的旋转驱动\/旋转第二压缩机34。

如图1所示，第二压缩机出口38可以经由管路43流体连接至后冷却器40和发动机进气歧管42。进气歧管42与发动机10的每个汽缸14流体连接。虽然在图1中仅示意性地示出了一个进气歧管42，但是应当理解，可以在发动机系统5中包括多于一个的进气歧管。虽然未示出，但是燃料可以在任何适当的位置引入发动机系统5，如本领域已知。例如，燃料可以直接引入到发动机汽缸14中，或者引入到多个汽缸14上游的进气歧管42中。用于发动机系统5的燃料可以包括天然气，例如压缩天然气（CNG）或液化天然气（LNG）。另外或可选地，燃料可以包括汽油、柴油、生物柴油、乙醇、生物乙醇、甲烷、丙烷或任何其它适用于内燃机的燃料。

发动机10的汽缸14还连接到一个或多个发动机排气歧管50、51。如以下将更详细地描述的，发动机汽缸14的全部或少于全部可以通过排气歧管50、51经过排气管路76流体连接到第二涡轮机64的入口66。第二涡轮机64的出口68与第一涡轮机70的入口72流体连接。如上所述，第一涡轮机出口74可以连接到后处理系统（未示出），包括一个或多个催化剂、消声器、热交换器等。

排气歧管50可包括排气控制阀（ERV）54，其位于发动机汽缸14的子集下游，但位于发动机10的其它汽缸14的上游。ERV 54控制来自发动机汽缸14的子集（“EGR汽缸55”）的排气是否经由排气管路76排出发动机进入第二涡轮机64，或者通过废气再循环（“EGR”）管路56再循环到发动机10的进气侧，这将在下面更详细地讨论。

如图1所示，ERV 54可以设置在例如连接到排气歧管50的五（5）个发动机汽缸的下游，但是设置在排气歧管50的其余五（5）个汽缸的上游。因此，ERV 54控制发动机10的二十（20）个汽缸14的百分之二十五（25%）。应当理解，由ERV 54控制的发动机汽缸14的数量和百分比仅是示例性的，并且在不脱离本公开的情况下，ERV 54可以控制发动机汽缸14的至少25%、大于25%或小于25%。

ERV 54可以是设计成承受排气歧管50的热量和微粒的阀，并且可以包括例如电控蝶形阀或任何其它适当的阀。可以基于从控制器100接收的信号在完全打开条件和完全关闭条件之间致动ERV 54。在完全打开条件下，来自EGR汽缸55的废气行进到排气管路76，而在完全关闭条件下，来自EGR汽缸55的废气行进通过EGR管路56朝向第二压缩机34流去。

在第一压缩机24和中间冷却器30的下游以及第二压缩机34的上游位置，EGR管路56将排气歧管50和EGR汽缸55与管路29流体连接。虽然EGR管路56示意性地示出为在ERV 54的上游联接到排气歧管50，但是应当理解，EGR管路56可以替代地定位在ERV 54处作为ERV54的一部分。此外，如这里所使用的，第二压缩机34上游的位置包括将EGR管路56直接连接到第二压缩机34的入口36。EGR管路56可选择地在后冷却器40的上游、但在第一压缩机24的下游连接到管路29。EGR管路56可以包括催化剂57、EGR冷却器58和EGR阀60。EGR阀60可由控制器100致动，以与ERV 54配合在打开位置和关闭位置之间移动，从而控制废气流入管路29并因此流入第二压缩机34。应当理解，发动机系统5将被设计或定制为使得获得适当的压力以提供上述流体流。这可以包括，例如，确定第一和第二涡轮增压器22、32的尺寸以提供期望的流量和压力。

控制器100可以通过信号路102连接到ERV 54和EGR阀60，以监测和控制每个阀的运动。发动机系统5的控制器100可以包括一个或多个微处理器、存储器、软件和固件，用于执行各种功能，例如图2中提供的功能。控制器100还可以连接到各种其它发动机传感器和\/或发动机部件（未示出），以发送和接收用于监测和控制发动机参数的信号，如本领域中已知的。这些发动机传感器\/部件可以监测和\/或控制例如燃料速度、发动机速度、排气微粒等，如本领域已知的。

工业实用性

所公开的发动机系统5可用于任何需要进行废气再循环以减少排放的机器中。例如，本公开的发动机系统可用于机车发动机系统。

发动机系统5的示例性运行在图2中示出。在步骤200，启动发动机10并且使流体通过复合涡轮增压器系统12流入发动机10。最初，EGR阀60完全关闭，并且ERV54完全打开。进气通过进气管路18供应到第一涡轮增压器22的第一压缩机入口26。进气行进通过第一压缩机24、中间冷却器30、第二压缩机34、后冷却器40并进入发动机进气歧管42。然后，压缩和冷却的进气流入多个汽缸14。

将燃料引入发动机系统5以在多个汽缸14内产生空气和燃料的混合物。通过使用与发动机汽缸14相关联的火花塞（未示出）点燃空气燃料混合物来燃烧多个汽缸内的混合物。将排气通过排气歧管50从多个汽缸14排出并进入排气管路76。排气流经第二涡轮机64并流经第一涡轮机70，然后到达后处理系统（未示出）。

控制器100持续地监控发动机系统5的运行，以确定发动机运行是否已经达到稳态条件（步骤202），对应于通常恒定的燃料速率和\/或发动机转速。如果发动机系统5已经达到稳态，则ERV 54被致动为完全关闭并且EGR阀60被致动为完全打开（步骤204）。关闭ERV 54，来自EGR汽缸55的排气通过EGR管路56到达第二压缩机34的进气口。流经EGR管路56的废气流经催化剂57，并在通过管路29再次引入第二压缩机入口34之前由EGR冷却器58冷却。当控制器100监视发动机系统5以检测对应于燃料率和\/或发动机转速通常不恒定的情况的发动机瞬时条件（步骤206）时，发动机系统5继续在该条件下运行。如果检测到发动机系统瞬时条件，EGR阀60被完全关闭，并且ERV 54被完全打开以运行发动机系统而不需要废气再循环（步骤208）。发动机系统5然后返回到步骤202，监控发动机系统5的性能以指示稳态条件。

通过在EGR期间将EGR汽缸55与其余的发动机汽缸14隔离，EVR汽缸可以经历比其余的发动机汽缸14更低的排气压力。这可以降低发动机系统5的总泵送平均有效压力（PMEP），从而提供更有效的发动机系统。这种较低的总PMEP在高功率密度发动机（即，具有至少10巴BMEP的发动机系统）中可能更显著，因为在这种发动机系统中期望的EGR的百分比（即，供给EGR排气的总发动机汽缸的至少大约25%）。此外，在第一压缩机24的下游向第二压缩机34提供EGR排气可以允许涡轮增压器尺寸（以及相关联的响应性）与发动机效率的平衡。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的系统进行各种修改和变化。考虑到本文所公开的本实用新型的说明书和实践，本领域技术人员将明白本公开的其它实施例。本说明书和实施例仅被认为是示例性的，本实用新型的保护范围由所附权利要求来确定。

设计图

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