技术领域
[0001] 本
发明一般涉及一种发动机系统，且更特别地涉及一种用于减少涡轮增压
内燃机中的污染物排放的技术，该污染物例如是氮
氧化物(NOx)。
背景技术
[0002] 各种类型的内燃机用于驱动车辆，例如
机车、客车和其它装备。内燃机可包括一个或多个用于压缩进气(如空气)的
涡轮增压器，该进气被供应到发动机内的一个或多个
燃烧室。每个
涡轮增压器包括由来自发动机的废气驱动的涡轮和由该涡轮驱动的
压缩机。而且，该压缩机接收将被压缩的空气(atmospheric air)且提供压缩的空气到燃烧室。
[0003] 典型地，涡轮增压内燃机操作来使得发动机中的进气
歧管压
力高于
排气歧管压力。在某些传统系统中，废气再循环(EGR)被用于减少发动机操作中不期望的NOx排放。不幸地，难以在基本上克服进气和排气歧管之间的压力差的同时控制废气的废气再循环。此外，这样的技术与耗油率(SFC)和颗粒物(PM)排放有相当的冲突，且不提供在机车操作的负载循环的和在高海拔的节流
阀档位设定的整个范围内的废气再循环的有效控制。
[0004] 因此，需要提供一种
涡轮增压发动机系统，其大大减少各种发动机操作状况的NOx排放，同时实现希望的发动机耗油率(SFC)。
发明内容
[0005] 根据某一
实施例，本技术具有一系统。该系统包括内燃机，该内燃机具有
进气歧管和排气歧管。该系统还包括高压涡轮增压器，该高压涡轮增压器具有驱动地连接到
高压压缩机的可变几何高压涡轮，其中该可变几何高压涡轮由来自排气歧管的废气的第一部分驱动，其中高压压缩机被设置以压缩进气并提供压缩的进气到进气歧管。该系统还包括低压涡轮增压器，该低压涡轮增压器具有驱动地连接到低压压缩机的可变几何低压涡轮，其中该可变几何低压涡轮由来自排气歧管的废气的第二部分驱动，其中低压压缩机被设置以压缩来自排气歧管的废气的第三部分并提供压缩的废气的第三部分到进气歧管，其中所述废气的第一和第二部分彼此不同。
[0006] 根据某一实施例，本技术具有发动机系统的操作方法。该方法包括引导来自内燃机的废气的第一部分以驱动高压涡轮增压器的可变几何高压涡轮，和引导废气的第二部分以驱动低压涡轮增压器的可变几何低压涡轮。该方法还包括引导废气的第三部分到低压涡轮增压器的低压压缩机，以压缩废气的第三部分以进气到内燃机中，其中废气的第一部分和第二部分彼此不同。
[0007] 根据某一实施例，本技术具有减少内燃机中的污染物排放的方法。该方法包括连接具有高压压缩机和可变几何高压涡轮的高压涡轮增压器到内燃机。该方法还包括在大致与高压涡轮增压器平行的流动配置中，连接具有低压压缩机和可变几何低压涡轮的低压涡轮增压器，其中大致平行流动配置包括废气的第一部分从内燃机到可变几何高压涡轮，和废气的第二部分从内燃机到可变几何低压涡轮。
附图说明
[0008] 参考附图阅读下面的详细说明，可更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中相同的标号表示相同的部分，其中：
[0009] 图1是根据本技术的实施例的具有废气再循环的涡轮增压内燃机系统的示意图；
[0010] 图2是根据本技术的实施例的具有用于减少来自系统的污染物排放的另一典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统的示意图；
[0011] 图3是根据本发明的实施例的具有典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机的示意图，该机构连接到发动机左排和右排；
[0012] 图4是具有根据本技术的实施例的具有发动机的典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统的示意图，该发动机具有用于发动机左排和右排的单独的进气和排气歧管；
[0013] 图5是根据本技术的实施例的具有用于发动机的典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统的示意图，该发动机的发动机左排和右排具有共用进气歧管；
[0014] 图6是根据技术的实施例的具有用于发动机的典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统的的示意图，该发动机具有连接到发动机左排和右排的单独的涡轮增压器；
[0015] 图7是根据本技术的实施例的具有用于发动机的典型废气再循环机构的另一涡轮增压内燃机系统的示意图，该发动机具有用于发动机左排和右排的共用中冷器(intercooler)；
[0016] 图8是根据本技术的实施例的图1-7的的涡轮增压内燃机在不同EGR冷却器
温度下的NOx排放和
制动耗油率(BSFC)的图表230。
具体实施方式
[0017] 如下详述，本技术的实施例用于减少例如用在机车和车辆中的涡轮增压内燃机系统中的排放。例如，该内燃机可包括
火花点火发动机和
压缩点火发动机，例如
柴油发动机。特别地，本技术包括使用与涡轮增压发动机内的进气一起的选择性废气再循环来最小化来自该系统的排放，例如NOx排放。特别地，废气和进气的混合降低了峰值燃烧温度和绝热火焰温度，由此减少来自该系统的排放。
[0018] 现在转到附图，首先参考图1，示出了具有典型废气再循环机构12的涡轮增压内燃机系统10。涡轮增压内燃机系统10的例子包括交通工具(如机车、
汽车、飞机、船只(
船舶)、重型施工设备/车辆等)，发电系统、工业或商业自动化系统、
泵等。在图示的实施例中，该系统10包括内燃机14，该内燃机14具有进气歧管16和排气歧管18。在该实施例中，进气歧管压力大于排气歧管压力。在某一实施例中，该内燃机14包括
压缩点火发动机，例如柴油机。而且，该系统10包括高压涡轮增压器20，该高压涡轮增压器20具有可变几何高压涡轮22，该涡轮经由轴26驱动地连接到高压压缩机24。另外，该系统10包括低压涡轮增压器28，该低压涡轮增压器28具有可变几何低压涡轮30，该涡轮经由轴34可驱动地连接到低压压缩机32。换句话说，从排气歧管18流动的废气被分为到涡轮22和30的平行或同步的气流，而不是一个接一个涡轮地流过。此外，可变几何高压涡轮22和可变几何低压涡轮30便于在系统10的和特别是在高海拔的操作的整个
节流阀档位设定的范围内减少排放。
[0019] 在操作中，可变几何高压涡轮22由来自排气歧管18的第一部分废气36驱动，其经由分为
导管38和其它导管的导管37而被引导到高压涡轮22，如下述。此外，高压压缩机24通过轴26被高压涡轮22驱动，且被设置以压缩进气40。来自高压压缩机24的压缩的空气42然后经由导管44被导向进气歧管16。
[0020] 类似地，可变几何低压涡轮30被来自排气歧管18的第二部分废气46驱动。在该实施例中，第二部分废气46经由从导管37分出的导管48而被引导到低压涡轮30。再者，低压压缩机32经由轴34被低压涡轮30驱动，且被设置以压缩来自排气歧管18的第三部分废气50。来自排气歧管18的第三部分废气50经由从导管37分出的导管52引导到低压压缩机32。压缩的第三部分废气54经由导管56被提供给进气歧管16。在该实施例中，第一和第二部分废气36和46彼此不同。而且，第三部分废气50与第一和第二部分废气36和46不同。换句话说，第一、第二和第三部分废气36、46和50是同步的或平行的气流，它们是从排气歧管18穿过导管37排出的整个废气流的各个分量。应注意，第一、第二和第三部分的分量可取决于应用的类型。在一个实施例中，废气再循环(EGR)的百分比是大约12。
[0021] 系统10还包括中冷器(IC)或冷却器58，其位于低压压缩机32的下游，且被设置以在引入进气歧管16前冷却第三部分废气54。另外，中冷器(IC)或冷却器60设置在高压压缩机24的下游，且被设置以冷却来自高压压缩机24的压缩的进气42。在该实施例中，冷却器58和60有助于减少系统的排放和对系统耗油率(SFC)的相对较小的影响。而且，系统10还包括废气再循环(EGR)阀62，以控制第三部分废气50到低压压缩机32的流动。
控制器64被连接到EGR阀62，以基于发动机操作状况控制经由EGR阀62的气流，该发动机操作状况例如为档位、海拔、
环境温度和诸如高压涡轮
喷嘴环面积、穿过低压涡轮30的流速和EGR冷却器温度或低压涡轮增压器28的性能或高压涡轮增压器20的性能等等这样的其它因素。有利地，如上所述的废气的再循环大大减少了来自系统10的污染物的排放。
在某一实施例中，来自低压涡轮30和高压涡轮22的部分废气66和68可在系统10内再循环，以减少排放，如下参考图2所述。在某些其它实施例中，颗粒物
过滤器(未示出)可被用于过滤来自排气66和68的任意微粒。
[0022] 图2是具有用于减少系统70污染物排放的另一典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统70的示意图。在该实施例中，来自低压涡轮30和高压涡轮22的部分废气72经由导管74被引导到低压压缩机32，且经由低压压缩机32而被压缩。此外，压缩的气体54被导向进气歧管16。再者，EGR阀62可被用于控制废气72到低压压缩机32的流动。与图1的实施例相反，废气72在涡轮22和30的下游而非上游获得。换句话说，废气流72与废气流36和46是
串联而非并联关系。而且，控制器64连接到EGR阀62用于基于发动机操作状况来控制穿过EGR阀62的流动。在图示的实施例中，系统70还包括颗粒物过滤器76，其被设置以过滤来自低压涡轮30和高压涡轮22的废气66和68中的颗粒物。此外，在某一实施例中，系统70包括
电机78，其被设置以在内燃机14的选择的操作状况下驱动低压涡轮增压器30。
[0023] 图3是具有连接到发动机左排82和右排84的典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统80的示意图。在图示的实施例中，发动机14包括设置在发动机左排82和右排84中的多个(如2、3、4、5、6、7、8或更多)燃烧
气缸。此外，来自发动机左排82的部分废气86经由导管88被引导到低压涡轮30，以驱动涡轮30，该涡轮30又驱动低压压缩机32。另外，来自发动机右排84的部分废气90经由导管92而被引导到低压压缩机32以被压缩。来自低压压缩机32的压缩气54被随后引入发动机14的进气歧管16。再者，来自发动机左排82的废气流86可通过EGR阀62和控制器64控制。此外，如前述，高压涡轮22被来自排气歧管18的废气36驱动。高压涡轮22驱动高压压缩机24，以压缩进气40且随后引导压缩的空气进入进气歧管16。应注意，来自左排82和右排84的不同部分的流动通过各个涡轮和压缩机的废气流是并联的，而不是串联的。
[0024] 图4是具有用于发动机102的典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统100的示意图，该发动机102具有用于发动机左排和右排(如燃烧室或
活塞-
气缸组件的左串和右串)的单独的进气和排气歧管。在图示的实施例中，发动机102包括发动机左排104和发动机右排106，其包括分别标为Cy1 L8到Cy1 L1和Cy1 R8到Cy1 R1的活塞-气缸组件。此外，发动机左排104包括进气歧管108和排气歧管110。类似地，发动机右排106包括进气歧管112和排气歧管114。发动机系统100包括具有可变几何高压涡轮118和高压压缩机120的高压涡轮增压器116。另外，系统100包括具有低压压缩机124和可变几何低压涡轮126的低压涡轮增压器122。在图示的实施例中，低压涡轮增压器122大致平行于高压涡轮增压器116设置。换句话说，废气被以同步和独立的方式从不同出口从排气歧管110和114提供给这些涡轮增压器116和112，而不是以顺序或串联的方式从一个涡轮增压器到另一个。此外，高压涡轮118经由轴128驱动地连接到高压压缩机120。类似地，低压涡轮126经由轴130驱动地连接到低压压缩机124。
[0025] 在图4所示的实施例中，来自发动机左排104和右排106的废气在系统100内再循环。在操作中，高压涡轮118被来自左排104和右排106的排气歧管110和114的部分废气132和134驱动。此外，高压压缩机120经高压涡轮118被驱动，且被设置以压缩进气136。压缩的进气被随后导向左排104和右排106的进气歧管108和112，如参考标号138和140所示。在某一实施例中，中冷器142和144可被用于在压缩空气138和140被引入进气歧管108和112之前冷却压缩空气138和140。此外，来自高压涡轮118的废气146可经由颗粒过滤器148而被过滤，且随后排放到大气，如参考标号150所示。
[0026] 而且，低压涡轮126被来自排气歧管110的部分废气152驱动。在该实施例中，EGR阀154被用于控制废气152的流动。低压压缩机124被低压涡轮126驱动，且接收来自发动机右排106的排气歧管114的部分废气156。在某一实施例中，颗粒过滤器158可被设置在低压压缩机124的上游，用于过滤气156中的颗粒物。此外，压缩气体被导向进气歧管108和112，如参考标号160和162所示。在某一实施例中，冷却器164可被用于在气体160和162被引入进气歧管108和112之前冷却它们。而且，考虑过滤器(未示出)可被设置在低压涡轮增压器122的下游，以过滤来自低压涡轮126的废气中的颗粒物。在某一实施例中，压缩机旁路阀166可被用于引导部分未压缩废气156到进气歧管108和112。例如，压缩机旁路阀可被以低档位设定(lower notch setting)操作，以引导部分未压缩废气156到进气歧管108和112。
[0027] 图5是具有用于发动机172的典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统170的示意图，该发动机172的左排和右排具有共用进气歧管。在图示的实施例中，发动机172包括发动机左排174和发动机右排176，它们具有多个燃烧气缸或活塞-气缸组件，例如分别标为Cy1 L8到Cy1 L1和Cy1 R8到Cy1 R1。此外，发动机172包括连接到左排174和右排176的排气歧管182和184和共用进气歧管180。如图所示，来自排气歧管182和184的部分废气132和134被用于驱动高压涡轮118，该高压涡轮118经由轴128又驱动高压压缩机120。此外，进气136进入高压压缩机120，且来自高压压缩机120的压缩的进气气流138和140分别穿过左中冷器142和右中冷器144导向共用进气歧管180。再者，来自高压涡轮118的废气146在排出到大气前可通过微粒过滤器148，如箭头150所示。类似地，来自发动机左排174的排气歧管182的部分废气152被引导以驱动低压涡轮126，且来自发动机右排176的排气歧管184的部分废气被引导到低压压缩机124，以进一步压缩和引入进气歧管180。有利地，如下所述，系统170内的废气再循环有助于大大减少来自系统170的排放。再者，在图5的实施例中，废气流并联而非串联地穿过各个涡轮和压缩机。换句话说，废气同时且独立地穿过各个涡轮和压缩机，而不是依次穿过压缩机或依次穿过涡轮。
[0028] 图6是具有用于发动机172的典型废气再循环机构的涡轮增压内燃机系统190的示意图，该发动机172具有连接到发动机左排和右排的单独的涡轮增压器。在图示的实施例中，系统190包括连接到发动机左排174和右排176的第一高压涡轮增压器192和第二高压涡轮增压器194。此外，系统190包括以非顺序的或大致平行且独立的构造与第一和第二高压涡轮增压器192和194连接的低压涡轮增压器122。第一高压涡轮增压器192包括可变几何高压涡轮196和高压压缩机198。类似地，第二高压涡轮增压器194包括可变几何高压涡轮200和高压压缩机202。而且，高压压缩机198经由轴204驱动地连接到高压涡轮196。类似地，高压压缩机202经由轴206可驱动地连接到高压涡轮200。在本实施例中，系统190包括排气歧管182和184以及共用进气歧管180，如前参考图5所述。
[0029] 在操作中，高压涡轮196被来自发动机左排174的排气歧管182的部分废气208驱动。类似地，高压涡轮200被来自发动机右排176的排气歧管184的部分废气210驱动。此外，高压压缩机198和202分别被高压涡轮196和200驱动。高压压缩机198和202接收进气212，且被构造以压缩进气212以产生压缩的进气气流214和216，其随后被导向进气歧管180。在该实施例中，用于在引入进气歧管180前冷却压缩的进气214和216的中冷器218和202被设置在高压压缩机198和202的下游。此外，如前参考图5所述，低压涡轮126被来自排气歧管182的废气152驱动。此外，来自排气歧管184的废气156被导向低压压缩机124，且被随后再循环到进气歧管180。
[0030] 图7是具有用于发动机172的典型废气再循环机构的另一涡轮增压内燃机系统220的示意图，该发动机172具有用于发动机左排和右排的共用中冷器。该实施例的废气再循环的配置类似于图5所示的实施例。如前所述，来自排气歧管182和184的废气132和
134被用于驱动高压涡轮增压器116的高压涡轮118。此外，进气136经由高压压缩机120而被压缩，高压压缩机120由高压涡轮118驱动。在该实施例中，共用中冷器222被设置在高压压缩机120的下游，以冷却来自高压压缩机120的压缩的进气224，和随后引导压缩的进气224进入进气歧管180，如参考标号226所示。
[0031] 参考图1-7的上述废气再循环有助于大大减少来自涡轮增压发动机系统的污染物排放。图8是图1-7的涡轮增压内燃机在不同EGR冷却器温度下的NOx排放和制动耗油率(BSFC)的典型结果的图表230。在所示的实施例中，横坐标轴232表示废气再循环冷却器温度，纵坐标轴234表示来自图1-7的涡轮增压内燃机的NOx排放变化的百分比。此外，纵坐标轴236表示涡轮增压内燃机系统的BSFC变化的百分比。在不同EGR冷却器温度下的NOx排放用曲线238表示，BSFC的变化用示例性曲线240表示。在该实施例中，不同EGR冷却器温度表示涡轮增压内燃机系统中的不同EGR比。
[0032] 如所示，在一段时间内来自系统的NOx排放238随EGR冷却器温度的降低而减少。因此，由于系统内的EGR比降低，来自该系统的NOx排放238被大大减少。此外，在该实施例中，如曲线240所示，系统的BSFC在不同EGR冷却器温度下没有显著改变。在所示的实施例中，系统内的EGR提供约42％的NOx变化的百分比的好处，而没有显著降低BSFC。
[0033] 上述方法的各个方面具有不同的用途，例如车辆、机车等使用的涡轮增压内燃机。如上所述，系统内的选择的废气再循环由此有助于以环境友好的方式操作发动机。另外，上述技术有助于大大减少不同发动机操作状况的NOx排放，同时实现想要的发动机耗油率(SFC)。
[0034] 虽然仅示出和描述了发明的一些特征，本领域技术人员可进行许多
修改和变化。因此应理解，所附的
权利要求书是要
覆盖本发明实质精神内的所有修改和变化。
