ПРЯМАЯ СИСТЕМА РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2018 года по МПК F02M26/05 F02D21/08 F02B37/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к методике внешней рециркуляции выхлопных газов (EGR) и, в частности, к EGR высокого давления в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Было доказано, что EGR является эффективной методикой для снижения выбросов оксида азота (NO_x) путем понижения температур сгорания. Инертный выхлопной газ замещает кислород в камере сгорания и поглощает тепло от сгорания. Способность понижать температуры сгорания увеличивается, когда рециркуляционные выхлопные газы охлаждаются перед введением в камеру сгорания. В дросселированных двигателях с электрозажиганием EGR снижает потери на прокачивание, допуская более высокие давления во впускном коллекторе при более низких скоростях двигателя и нагрузках. Во внешних системах EGR часть выхлопных газов рециркулируется во впускной коллектор, где они повторно вводятся в камеры сгорания вместе с входящим воздухом. В системе EGR высокого давления давление выхлопных газов, подлежащих рециркуляции из выпускного коллектора, должно быть выше, чем давление во впускном коллекторе. Эта положительная разность давления между давлением в выпускном и впускном коллекторах не всегда присутствует по всему диапазону нагрузок/скорости работы двигателя. Для запуска EGR в таких условиях существуют пассивные и активные методики для достижения положительной разности давления.

[0003] Пассивные способы включают применение пассивных сужений, приводящих к уменьшению поперечного сечения геометрии потока. Например, сужение в трубопроводе в выхлопной системе может применяться для повышения противодавления в выпускном коллекторе. Сужение может быть сформировано на выходе из выпускного коллектора перед попаданием выхлопных газов в турбокомпрессор, или сужение может быть само по себе входом в турбокомпрессор. Посредством сужения проходного сечения подобным способом давление в выхлопной системе увеличивается. Активные способы включают применение активных сужений в тех случаях, когда присутствует регулируемый клапан для изменения поперечного сечения геометрии потока, и активных способов накачки. Например, активный способ накачки включает подачу выхлопных газов вверх от входного отверстия турбокомпрессора так, что они сжимаются (нагнетаются) вместе с входящим воздухом и выходят во впускной коллектор. Прямая система накачки EGR, например, как нагнетательный насос Рутса, представляет другую активную методику для увеличения давления выхлопных газов.

[0004] В патенте США №4179892, выданном 25 декабря 1979 года Hans Heydrich, раскрыта методика рециркуляции выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом. Выпускной коллектор двигателя разделен на две секции. Первая секция выпускного коллектора направлена к большой улитке двухулиточного турбокомпрессора. Вторая секция выпускного коллектора разделена и питает как входное отверстие малой улитки двухулиточного турбокомпрессора, так и на схему EGR. Для создания достаточного противодавления в схеме EGR малая улитка выполнена с возможностью обеспечения сужения потока в турбокомпрессоре. Поскольку как схема EGR, так и входное отверстие малой улитки турбокомпрессора питаются из одной и той же секции выпускного коллектора, сужение, обеспеченное входным отверстием малой улитки, должно быть достаточно большим для создания необходимого противодавления, но неблагоприятным исходом является то, что это снижает эффективность турбокомпрессора и насоса двигателя.

[0005] В патенте США №6347619, выданном 19 февраля 2002 года Whiting et al., раскрыта система рециркуляции выхлопных газов для двигателя с турбонаддувом. Каждый цилиндр имеет первичный выпускной клапан, сообщающийся по текучей среде с выпускным коллектором, и вторичный выпускной клапан, сообщающийся по текучей среде с коллектором EGR. Коллектор EGR сообщается по текучей среде с впускным коллектором посредством либо клапана холодного запуска EGR, либо комбинации охладителя/клапана EGR. Регулировка времени открытия вторичных выпускных клапанов такая, что давление в коллекторе EGR поддерживается выше, чем давление во впускном коллекторе. Выпускной коллектор направлен во входное отверстие турбокомпрессора. В некоторых применениях двигателя, выпускные клапаны из разных цилиндров могут быть открыты одновременно, например, перекрываясь на конце рабочего хода в одном цилиндре и на конце выпускного хода в другом цилиндре. Поскольку выхлопные газы из всех цилиндров питают входное отверстие турбокомпрессора, выхлопные газы, вытекая из цилиндров, в которых происходит сгорание рядом, взаимодействуют друг с другом, тем самым снижая эффективность турбокомпрессора.

[0006] Существующий уровень техники испытывает недостаток методик для систем рециркуляции выхлопных газов высокого давления. Существует необходимость в способе и устройстве для улучшения рециркуляции выхлопных газов высокого давления в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Улучшенная система рециркуляции выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания содержит ряд камер сгорания, разделенных на первую секцию и вторую секцию. Присутствуют по меньшей мере один впускной клапан и по меньшей мере один выпускной клапан, соединенные с каждой камерой сгорания, и по меньшей мере один впускной коллектор сообщается по текучей среде с рядом камер сгорания посредством соответствующих впускных клапанов. Первый выпускной коллектор сообщается по текучей среде с первой секцией камер сгорания посредством соответствующих выпускных клапанов, а второй выпускной коллектор сообщается по текучей среде со второй секцией камер сгорания посредством соответствующих выпускных клапанов. По меньшей мере один выпускной клапан EGR соединен с каждой камерой сгорания во второй секции. Коллектор EGR сообщается по текучей среде с каждой камерой сгорания во второй секции посредством соответствующих выпускных клапанов EGR и по меньшей мере с одним впускным коллектором. В некоторых вариантах реализации изобретения присутствует охладитель EGR и клапан EGR. Охладитель EGR соединяет по текучей среде коллектор EGR с клапаном EGR, а клапан EGR сообщается по текучей среде с впускным коллектором.

[0008] В предпочтительном варианте реализации изобретения присутствует устройство турбокомпрессора, содержащее турбину и компрессор. Турбина приводит в действие компрессор и содержит первое и второе входные отверстия выхлопной системы. Второе входное отверстие выхлопной системы имеет меньшее проходное сечение, чем первое входное отверстие выхлопной системы. Первый выпускной коллектор сообщается по текучей среде с первым входным отверстием выхлопной системы, а второй выпускной коллектор сообщается по текучей среде со вторым входным отверстием выхлопной системы. Впускной коллектор сообщается по текучей среде с компрессором для получения сжатой газовой смеси, содержащей кислород.

[0009] В различных предпочтительных вариантах реализации изобретения присутствуют как активные, так и пассивные методики увеличения и/или регулирования давления в коллекторе EGR. Возможно наличие сужения в трубопроводе рядом с выходом из второго выпускного коллектора, выполненного с возможностью увеличения давления как во втором выпускном коллекторе, так и в коллекторе EGR. Альтернативно или дополнительно, возможно наличие газового редуктора между вторым выпускным коллектором и первым выпускным коллектором, выполненным с возможностью снижения давления во втором выпускном коллекторе и коллекторе EGR. Альтернативно или дополнительно, возможно наличие газового редуктора на пути потока выхлопных газов после турбины для изменения противодавления в первом выпускном коллекторе, втором выпускном коллекторе и коллекторе EGR. Альтернативно или дополнительно, возможно наличие газового редуктора между вторым выпускным коллектором и вторым входным отверстием выхлопной системы турбины. Альтернативно или дополнительно, возможно наличие газового редуктора между коллектором EGR и вторым выпускным коллектором.

[0010] В другом предпочтительном варианте реализации изобретения каждый выпускной клапан в соответствующих камерах сгорания второй секции соединен с устройством варьируемого управления клапанами так, чтобы регулировка времени выпускного клапана могла быть приспособлена для управления давлением во втором выпускном коллекторе и коллекторе EGR.

[0011] В другом предпочтительном варианте реализации изобретения присутствует катализатор риформинга, содержащий входное отверстие и выходное отверстие. Входное отверстие сообщается по текучей среде с коллектором EGR для получения из него выхлопных газов, а выходное отверстие сообщается по текучей среде с впускным коллектором. Топливная форсунка сконфигурирована для введения газообразного топлива в поднимающийся поток выхлопных газов в катализаторе риформинга.

[0012] В другом предпочтительном варианте реализации изобретения двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит устройство турбокомпрессора, которое получает выхлопные газы из первого и второго выпускных коллекторов. Охладитель всасываемого воздуха сконфигурирован для получения сжатого воздуха из устройства турбокомпрессора. Имеется регулируемый клапан, регулирующий поток выхлопных газов из коллектора EGR вверх с потоком от охладителя всасываемого воздуха, где выхлопные газы смешиваются со сжатым воздухом. Смесь затем охлаждается с помощью охладителя всасываемого воздуха.

[0013] Улучшенный способ рециркуляции выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания включает разделение камер сгорания в двигателе внутреннего сгорания на первую секцию и вторую секцию; сообщение выхлопных газов из первой секции камер сгорания с первым выпускным коллектором; сообщение выхлопных газов из второй секции камер сгорания со вторым выпускным коллектором и коллектором EGR посредством отдельных выпускных клапанов в камерах сгорания; и сообщение выхлопных газов из коллектора EGR по меньшей мере с одним впускным коллектором. В предпочтительном варианте реализации изобретения способ включает ограничение потока выхлопных газов из второго выпускного коллектора для увеличения давления во втором выпускном коллекторе и коллекторе EGR. Альтернативно или дополнительно, способ может включать регулирование давления между коллектором EGR и выходом из второго выпускного коллектора. Альтернативно или дополнительно, способ может включать регулирование скорости EGR путем переменного приведения в действие выпускных клапанов для управления давлением во втором выпускном коллекторе.

[0014] В предпочтительном варианте реализации изобретения способ включает сообщение выхлопных газов из первого выпускного коллектора с первым входным отверстием турбины; сообщение выхлопных газов из второго выпускного коллектора со вторым входным отверстием турбины, при этом второе входное отверстие турбины имеет меньшее проходное сечение, чем первое входное отверстие турбины; и сжатие газовой смеси, содержащей кислород, с помощью энергии, переданной указанной турбине посредством указанных выхлопных газов. Способ может включать регулирование давления между вторым выпускным коллектором и первым выпускным коллектором, при этом часть выхлопных газов во втором выпускном коллекторе направлена к первому входному отверстию турбины, которое может вмещать больший объем потока по сравнению с таковым второго входного отверстия турбины. Альтернативно или дополнительно, способ может включать регулирование давления между вторым выпускным коллектором и вторым входным отверстием турбины.

[0015] В другом предпочтительном варианте реализации изобретения способ включает введение углеводородного топлива в выхлопные газы из коллектора EGR с образованием смеси выхлопных газов с топливом; риформинг смеси выхлопных газов с топливом для получения по меньшей мере водорода; и сообщение водорода и оставшихся выхлопных газов по меньшей мере с одним впускным коллектором. В еще одном предпочтительном варианте реализации изобретения способ включает сжатие входящего воздуха с помощью турбокомпрессора; смешивание выхлопных газов со сжатым входящим воздухом; охлаждение смеси выхлопных газов и сжатого входящего воздуха перед введением смеси по меньшей мере в один впускной коллектор.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016] На ФИГ. 1 проиллюстрирован схематический вид двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно первому варианту реализации изобретения.

[0017] На ФИГ. 2 проиллюстрирован схематический вид двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно второму варианту реализации изобретения, включающему катализатор риформинга на пути потока рециркулированных выхлопных газов.

[0018] На ФИГ. 3 проиллюстрирован схематический вид 4-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно третьему варианту реализации изобретения.

[0019] На ФИГ. 4 проиллюстрирован схематический вид двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно четвертому варианту реализации изобретения, включающему газовый редуктор для регулирования давления между коллектором EGR и расположенным ниже выходом из выпускного коллектора.

[0020] На ФИГ. 5 проиллюстрирован схематический вид двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно пятому варианту реализации изобретения, включающему газовый редуктор для регулирования давления между выпускным коллектором и входным отверстием турбины.

[0021] На ФИГ. 6 проиллюстрирован схематический вид двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно шестому варианту реализации изобретения, включающему разделенный впускной коллектор.

[0022] На ФИГ. 7 проиллюстрирован схематический вид двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно седьмому варианту реализации изобретения, в котором выхлопные газы смешиваются со сжатым входящим воздухом перед попаданием в охладитель нагнетаемого воздуха.

[0023] На ФИГ. 8 проиллюстрирован схематический вид двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно восьмому варианту реализации изобретения, подобному варианту реализации изобретения на ФИГ. 7, но в котором смесь выхлопных газов и входящего воздуха регулируется.

[0024] На ФИГ. 9 проиллюстрирован схематический вид двигателя внутреннего сгорания, с применением рециркуляции выхлопных газов согласно девятому варианту реализации изобретения, в котором выхлопные газы смешиваются со сжатым входящим воздухом перед одной стадией охлаждения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0025] Методику рециркуляции выхлопных газов, изложенную в данном документе, можно применять в двигателях с двумя или несколькими камерами сгорания. Ссылаясь на первый вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на ФИГ. 1, в качестве примера, двигатель 101 внутреннего сгорания проиллюстрирован с шестью камерами 11, 12, 13, 14, 15 и 16 сгорания. Каждая камера сгорания имеет пару соответствующих впускных клапанов 21, 22, 23, 24, 25 и 26, выполненных с возможностью обеспечения прохождения смеси, содержащей воздух, из впускного коллектора 50 в соответствующие камеры 11, 12, 13, 14, 15 и 16 сгорания посредством соответствующих впускных портов. В этом раскрытии впускные порты представлены в качестве линий между впускным коллектором 50 и соответствующими впускными клапанами 21, 22, 23, 24, 25 и 26. Воздух попадает в двигатель 101 посредством воздушного фильтра 60 и нагнетается с помощью устройства турбокомпрессора 75. Турбина 80 приводится в действие с помощью выхлопных газов из камер сгорания для приведения в действие компрессора 70 с помощью вала 90. Температура входящего воздуха повышается после сжатия. Охладитель 95 всасываемого воздуха применяется для понижения температуры входящего воздуха перед попаданием во впускной коллектор 50 посредством дроссельного клапана 110. Рециркуляционный клапан 120 компрессора выполнен с возможностью рециркуляции сжатого и охлажденного воздуха из охладителя 95 посредством компрессора 70 для защиты компрессора от помпажа/остановки, когда регулируется дроссельный клапан 110. Например, когда дроссельный клапан 110 неожиданно закрывается, воздушная пробка из компрессора 70 отражается от клапана 110 и возвращается в выходное отверстие компрессора, что может быть нанести повреждения. При открывании клапана 120, поскольку давление на входном отверстии компрессора меньше давления в выходном отверстии компрессора, пробка вернется во входное отверстие компрессора, что является предпочтительным.

[0026] Камеры 11, 12, 13, 14, 15 и 16 сгорания разделены на первую секцию 130, содержащую камеры 11, 12 и 13, и вторую секцию 140, содержащую камеры 14, 15 и 16. Каждая из камер 11, 12 и 13 сгорания содержит пару соответствующих выпускных клапанов 31, 32 и 33, которые позволяют выхлопным газам течь из камер сгорания в первый выпускной коллектор 150 посредством соответствующих выпускных портов. В иллюстративном примере этого первого варианта реализации изобретения каждый цилиндр имеет пару выпускных портов, но в других вариантах реализации камеры 11, 12 и 13 сгорания каждая имеют лишь по меньшей мере один выпускной клапан и порт. Камеры 14, 15 и 16 сгорания содержат соответствующие выпускные клапаны 34, 35 и 36, которые позволяют выхлопным газам протекать из камер сгорания во второй выпускной коллектор 160 посредством соответствующих выпускных портов. Кроме того, камеры 14, 15 и 16 сгорания содержат соответствующие выпускные клапаны 44, 45 и 46 EGR, которые позволяют выхлопным газам протекать из камер сгорания в коллектор 170 EGR посредством соответствующих портов EGR. В этом раскрытии выпускные порты представлены в виде линий между выпускными клапанами 31, 32, 33, 34, 35 и 36 и их соответствующими выпускными коллекторами, а порты EGR представлены в виде линий между клапанами 44, 45 и 46 и коллектором 170.

[0027] Блок 75 турбокомпрессора представляет собой двухулиточный турбокомпрессор в варианте реализации настоящего изобретения, также известный как разделенный турбокомпрессор. Турбина 80 содержит входное отверстие 180 большой улитки и входное отверстие 190 малой улитки. В других вариантах реализации изобретения можно применять одноулиточный блок турбокомпрессора, где оба выпускных коллектора 150 и 160 питают одно входное отверстие турбины. Выхлопные газы в первом выпускном коллекторе 150 направлены во входное отверстие 180 большой улитки, а выхлопные газы во втором выпускном коллекторе 160 направлены к входному отверстию 190 малой улитки. В комбинации с входным отверстием 190 малой улитки, сужение 200 в трубопроводе рядом с выходом из второго выпускного коллектора 160 увеличивает противодавление в коллекторе 160 и в коллекторе 170 EGR, чтобы давление было больше давления во впускном коллекторе 50, как будет описано более подробно ниже. После выхода из турбины 80 выхлопные газы направляются к катализатору 210. Сбрасывающая заслонка 220 может быть открыта, чтобы выхлопные газы могли обойти турбину 80 непосредственно по направлению к катализатору 210.

[0028] Выхлопные газы, протекающие через коллектор 170, направляются из коллектора в охладитель 230 EGR, в котором понижается температура выхлопных газов. В применениях, в которых используется сжиженный природный газ (LNG), охладитель 230 EGR может содержать теплообменник, в котором LNG имеет жидкий теплоноситель для удаления тепла из выхлопных газов, и такое удаленное тепло повышает температуру LNG, способствуя испарению. Охлаждающая жидкость двигателя может быть использована в качестве жидкого теплоносителя, если LNG не доступен для этой цели. После охладителя 230 EGR выхлопные газы направляются посредством клапана 240 EGR к впускному коллектору 50. Выпускные клапаны 44, 45 и 46 EGR работают рядом с концом рабочего хода и/или в выхлопном ходе их соответствующих камер сгорания так, что давление в коллекторе 170 EGR выше давления во впускном коллекторе 50. Скорость EGR (соотношение рециркулированных выхлопных газов к впускному коллектору 50) зависит от разницы давления между вторым выпускным коллектором 160 и коллектором 170 EGR, когда соответствующие выпускные клапаны 34, 35 и 36 и выпускные клапаны 44, 45 и 46 EGR открыты одновременно. Однако давление в камерах сгорания для большого количества выхлопных клапанов и клапанов EGR выше, чем оба эти давления, таким образом, положительная разность давления стремится в направлении к коллектору 170 EGR. То есть давление в камере сгорания PCC, для каждой камеры 14, 15 и 16 сгорания, выше давления P160 во втором выпускном коллекторе 160 и давления P170 в коллекторе 170 EGR, если по меньшей мере часть клапанов открыта. В раскрытом устройстве и методике, в предпочтительных вариантах реализации изобретения второй выпускной коллектор имеет пиковое давление P160, как правило, ниже пикового давления P170 в коллекторе EGR. Активные и/или пассивные методики смещения могут быть использованы для увеличения давления в коллекторе 170 EGR по сравнению с P160. Например, сужения 200 на выходе из второго выпускного коллектора 160 повышает давление как в коллекторе 160, так и в коллекторе 170 EGR. Подобное повышение давления можно получить путем сужения входного отверстия 190 малой улитки турбины, которое можно использовать в комбинации с сужением 200. Преимущественно использовать двухулиточный турбокомпрессор, поскольку остаются постоянные эффекты выхлопного импульса, что улучшает эффективность турбокомпрессора путем снижения нежелательных импульсных помех между потоками выхлопных газов из моментов воспламенения в соседних цилиндрах. В других вариантах реализации изобретения выпускные клапаны 34, 35 и 36 и выпускные клапаны 44, 45 и 46 EGR могут использовать варьируемое управление клапанами для контроля как подъема, времени действия, так и основной регулировки времени клапанов для регулирования потока во второй выпускной коллектор 160 и, таким образом, давления в коллекторе 170 EGR. В этих вариантах реализации изобретения сужение 200 не требуется. Например, в одной функциональной методике выпускные клапаны 34, 35 и 36 могут рано открываться (в их соответствующих циклах) для продувки выпускного давления, а выпускные клапаны 44, 45 и 46 EGR могут открываться позже после снижения температуры выхлопных газов. Может применяться поэтапное открывание и закрывание клапана, что может обеспечить закрывание выпускных клапанов 34, 35 и 36 раньше, чем выпускных клапанов 44, 45 и 46 EGR для отделения выхлопных газов для EGR.

[0029] В других вариантах реализации изобретения вместо или в дополнение к сужению 200 может присутствовать сужение, или более предпочтительно газовый редуктор в форме клапана 201, с регулируемым проходным сечением на пути выхлопных газов после турбины 80 или после катализатора 210 (проиллюстрировано на ФИГ. 1), способствующего увеличению давления в коллекторе 170 EGR. Энергия в выхлопных газах снижается после турбины и после катализатора, что подвергает клапан меньшему напряжению по сравнению с напряжением на сужении 200. Результатом этого подхода является увеличенное противодавление в первом выпускном коллекторе 150, что необязательно необходимо все время. Если двигатель 101 содержит тормоза двигателя, то клапан 201 может преимущественно улучшить торможение двигателем путем увеличения потерь на прокачивание.

[0030] В дополнительных вариантах реализации изобретения газовый редуктор в форме клапана 202 с регулируемым проходным сечением можно применять между вторым выпускным коллектором 160 и первым выпускным коллектором 150. Если применяется сужение 200 клапана 202, клапан соединяет выпускное выходное отверстие коллектора 160 выше от сужения 200 с выпускным выходным отверстием коллектора 150. Клапан 202 выполнен с возможностью переменного понижения давления в коллекторах 160 и 170 в коллектор 150, где входное отверстие 180 большой улитки может вмещать большие объемы потока.

[0031] Ссылаясь теперь на ФИГ. 2, двигатель 102 проиллюстрирован согласно второму варианту реализации изобретения, и подобные части в этом и дополнительных вариантах реализации изобретения первому варианту реализации изобретения имеют подобные ссылочные позиции и могут быть не описаны подробно, если вообще описаны. Схема EGR содержит катализатор 260 риформинга со встроенной подачей топлива, используемый для получения водорода (H₂) и монооксида углерода (CO) из выхлопных газов, полученных из коллектора 170 EGR, которые используются для улучшения характеристик сгорания, таких как воспламеняемость и скорость горения. Устройство 250 впрыскивания топлива вводит топливо, такое как смесь газообразного топлива, содержащую метан, хотя другие виды топлива могут быть использованы, в выхлопные газы для обогащения смеси EGR перед катализатором 260 риформинга. Улучшения характеристик сгорания улучшают стойкость смеси EGR и изменений скорости, и изменений качества топлива. Катализатор 260 риформинга использует горячий водяной пар в выхлопных газах и топливо на основе метана, распыляемое из устройства 250 впрыскивания (в других вариантах реализации изобретения другие виды топлива могут быть использованы), и преобразует их в H₂ и CO. Воспламеняемость и скорость горения улучшаются для воздушной/топливной/прошедшей риформинг EGR смеси по сравнению с воздушной/топливной/не прошедшей риформинг EGR смесью. В применениях воспламенения от сжатия задержка воспламенения топливной воздушной смеси уменьшается, когда H₂ вводят в камеру сгорания.

[0032] Ссылаясь теперь на ФИГ. 3, двигатель 103 проиллюстрирован согласно третьему варианту реализации изобретения, включающему четыре камеры 11, 12, 14 и 15 сгорания. Этот вариант реализации изобретения отличается от варианта реализации изобретения на ФИГ. 1 количеством цилиндров и направлением выпускных портов в коллекторы, как проиллюстрировано. Типичный порядок зажигания для 4-цилиндрового двигателя является 1-3-4-2 (номер цилиндра начиная с правой стороны), который на иллюстрации двигателя 103 на ФИГ. 3 преобразуется в порядок зажигания камер сгорания: 12, 14, 11 и 15. Каждое входное отверстие 180 и 190 турбины получает импульс выхлопных газов из соответствующих выпускных коллекторов каждые 360 градусов. Ссылаясь вновь на ФИГ. 1, типичный порядок зажигания для 6-цилиндрового двигателя является 1-5-3-6-2-4, который на иллюстрации двигателя 101 на ФИГ. 1 преобразуется в порядок зажигания камер сгорания: 16, 12, 14, 11, 15 и 13. Соответственно, в варианте реализации шестицилиндрового двигателя на фигуре 1 каждое входное отверстие 180 и 190 турбины получает импульс выхлопных газов из соответствующих выпускных коллекторов каждые 240 градусов. На фигуре 3 проиллюстрировано, что, несмотря на описанные различия между вариантами реализации четырехцилиндрового и шестицилиндрового двигателей, остальное устройство и методика работы остаются, по существу, одинаковыми.

[0033] Ссылаясь теперь на ФИГ. 4, двигатель 104 проиллюстрирован согласно четвертому варианту реализации изобретения, включающему газовый редуктор 175 для снижения давления в коллекторе 175 EGR до необходимого уровня. Редуктор 175 может представлять собой дисковый затвор, а также другие типы редукторов. Сужение 200 создает противодавление и повышает давление в коллекторе 170 EGR. Редуктор 175 используется при необходимости большего контроля для понижения давления в коллекторе 170 EGR до необходимого уровня. Эта методика улучшает реакцию на скорость EGR и позволяет контролировать скорость EGR с улучшенной стойкостью и меньшим изменением.

[0034] Ссылаясь теперь на ФИГ. 5, двигатель 105 проиллюстрирован согласно пятому варианту реализации изобретения, включающему газовый редуктор 165 для увеличения противодавления на пути выхлопных газов и давления в коллекторе 170 EGR. Редуктор 165 может быть дисковым затвором, а также другими типами редукторов. Редуктор 165 работает вместе с клапаном 240 EGR для контроля необходимой скорости EGR. Желательное открывание каждого соответствующего клапана 165 и 240 зависит от скорости двигателя и нагрузки. При низких скоростях двигателя клапан 240 EGR, как правило, полностью открыт, а клапан 165 частично закрыт.При высокой скорости двигателя клапан 240 EGR ограничен (по сравнению с низкой скоростью), а клапан 165 полностью открыт.В других вариантах реализации изобретения клапан 240 EGR не требуется, так что охлажденные выхлопные газы EGR из охладителя 230 направляются непосредственно во впускной коллектор 50. В этих вариантах реализации изобретения скорость потока в EGR контролируется газовым редуктором 165. Варианты реализации изобретения без клапана 240 EGR представляют собой более простые системы, но существует недостаток относительно контроля скорости EGR, а также времени реакции на работу двигателя в неустановившемся режиме, в то время как варианты реализации изобретения, использующие оба клапана 165 и 240, обеспечивают более эффективный контроль скорости EGR.

[0035] Ссылаясь теперь на ФИГ. 6, двигатель 106 проиллюстрирован согласно шестому варианту реализации изобретения. Впускной коллектор разделен на секцию 51 и секцию 52. Каждая секция имеет соответствующие дроссельные клапаны 111 и 112, и клапаны 241 и 242 EGR. Путем контроля соответствующих клапанов можно контролировать количество выхлопных газов, протекающих в секции 51 и 52 впускного коллектора. Это является преимущественным, когда двигатель 106 функционирует в режиме прерывания цилиндра, например, при низкой нагрузке, когда топливо подается только в часть цилиндров. Если EGR используется при низкой нагрузке и используются только камеры 14, 15 и 16 сгорания, выхлопные газы могут быть более эффективно направлены в эти камеры сгорание, когда клапан 241 EGR закрыт. Хотя двигатель 106 проиллюстрирован с газовым редуктором 175, вышеизложенные активные и пассивные методики для увеличения давления в коллекторе 170 EGR могут быть использованы в вариациях варианта реализации изобретения на ФИГ. 6.

[0036] Ссылаясь теперь на ФИГ. 7, 8 и 9, двигатели 107, 108 и 109 проиллюстрированы согласно дополнительным вариантам реализации изобретения, отличающимся тем, что выхлопные газы смешиваются со сжатой всасываемой смесью перед охладителем 95 всасываемого воздуха. Выхлопные газы из этих двигателей имеют высокое содержание водяного пара при подаче газообразного топлива, например природного газа, по сравнению с подачей топлива бензином. Традиционно для избегания конденсации выхлопные газы следует сохранять при достаточно высокой температуре для поддержания воды, оставшейся в виде пара, для избегания потенциального повреждения компонентов двигателя при конденсации (например, такое повреждение может быть вызвано кислотной эрозией и каплеударной эрозией). Это ограничивает степень того, насколько выхлопные газы можно охладить. Температура горючей смеси, попадающей в цилиндры, затем повышается при смешивании относительно горячих выхлопных газов после охладителя EGR (<100-150°C) с еще более холодной всасываемой смесью (~50°C). В вариантах реализации настоящего изобретения при смешивании высоко насыщенных выхлопных газов с ненасыщенным всасываемым воздухом из компрессора 70, температура конденсации смеси ниже температуры конденсации отдельно выхлопных газов. Когда эта смесь попадает в охладитель 95 всасываемого воздуха, конденсация, следовательно, меньше, что позволяет охлаждать выхлопные газы до более низкой температуры. Общая низкая температура воспламенения увеличивает плотность горючей смеси (тем самым улучшая объемную эффективность) и снижает возможность преждевременного воспламенения и удара. Двигатели 107 и 108 являются похожими и отличаются лишь расположением впускного дросселя 110, при этом расположение дросселя двигателя 108 обеспечит улучшенную передаточную характеристику, поскольку комбинированная смесь регулируется, в то время как только всасываемая смесь регулируется в двигателе 107. Двигатель 107 улучшил концентрации EGR при низкой нагрузке по сравнению с двигателем 108, поскольку выхлопные газы смешиваются с всасываемой смесью после дросселя, что значит, что выхлопные газы не подвергаются падению давления благодаря дросселю. Двигатель 109 отделяет охладитель 230 EGR и обеспечивает первую стадию охлаждения посредством охладителя 95 всасываемого воздуха (следует отметить, что охладитель 95 может быть расположен после дроссельного клапана 110 в других вариантах реализации изобретения, подобных таковому на ФИГ. 7 без охладителя 230 EGR). При охлаждении горячих выхлопных газов на первой стадии охлаждения теплообменник должен уметь справляться с высокими температурами выхлопных газов. Традиционные охладители всасываемого воздуха имеют алюминиевую конструкцию, по сравнению с традиционными охладителями EGR, которые имеют конструкцию из нержавеющей стали, способную выдерживать высокие температуры.

[0037] Одним преимуществом вышеизложенных вариантов реализации изобретения является то, что в предпочтительных вариантах реализации изобретения количество выхлопных клапанов, соединенных с коллектором EGR, можно выбирать для способствования заданной скорости EGR в диапазоне около 25%, что является эффективной скоростью для стабильности сгорания. Предыдущие системы EGR, в которых применяли специальные цилиндры для EGR, могут достичь этой скорости для 4-цилиндровых двигателей, но не для 6-цилиндровых двигателей. Например, в 6-цилиндровых двигателях доступные скорости EGR близко к 25% будут либо 16,6% (1 из 6 цилиндров), либо 33,3% (2 из 6 цилиндров). В описанных ранее вариантах реализации изобретения эффективная скорость EGR определяется относительным общим числом выхлопных клапанов по сравнению с выхлопными клапанами EGR, а не количеством цилиндров, тем самым выбор доступных скоростей EGR более усовершенствован в наиболее необходимой области. В предыдущих системах EGR применение полностью специального коллектора EGR, получающего выхлопные газы из половины цилиндров, означает, что 50% выхлопных газов могут быть рециркулированы. Для достижения 25% скорости EGR необходимо отвести выхлопные газы во входное отверстие турбины или после турбины в катализатор.

[0038] Другим преимуществом вышеизложенных вариантов реализации изобретения является применение асимметричного двухулиточного турбокомпрессора, где цилиндры разделены для настройки импульса турбины и где входное отверстие одной улитки ограничено для увеличения выхлопного противодавления для приведения в действие EGR. Сужение на ограниченной улитке (входное отверстие 190) может быть уменьшено (относительно традиционной асимметричной обшивки турбины), приводя к увеличенной эффективности турбокомпрессора. С возможностью деления выхлопных газов это приводит к дополнительному преимуществу относительно продувки и удаления выхлопных газов.

[0039] Хотя были проиллюстрированы и описаны конкретные элементы, варианты реализации и применения настоящего изобретения, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено ими, поскольку специалистами в данной области техники могут быть осуществлены модификации, не отходя от объема настоящего раскрытия, особенно в свете вышеизложенных принципов.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к рециркуляции выхлопных газов. Система рециркуляции выхлопных газов для двигателя (101) внутреннего сгорания содержит ряд камер сгорания (11, 12, 13, 14, 15, 16), разделенных на первую секцию (130) и вторую секцию (140). По меньшей мере один впускной клапан (21, 22, 23, 24, 25, 26) и по меньшей мере один выпускной клапан (31, 32, 33, 34, 44, 35, 45, 36, 46) соединены с каждой камерой сгорания (11, 12, 13, 14, 15, 16). По меньшей мере один впускной коллектор (50) сообщается по текучей среде с указанным рядом камер сгорания (11, 12, 13, 14, 15, 16) посредством соответствующих впускных клапанов (21, 22, 23, 24, 25, 26). Первый выпускной коллектор (150) сообщается по текучей среде с указанной первой секцией (130) камер сгорания посредством соответствующих выпускных клапанов (31, 32, 33). Второй выпускной коллектор (160) сообщается по текучей среде с указанной второй секцией (140) камер сгорания посредством соответствующих выпускных клапанов (34, 35, 36). По меньшей мере один выпускной клапан (44, 45, 46) EGR соединен с каждой камерой сгорания в указанной второй секции (140). Коллектор (170) EGR сообщается по текучей среде с каждой камерой сгорания (14, 15, 16) в указанной второй секции (140) посредством соответствующих выпускных клапанов (44, 45, 46) EGR и по меньшей мере с указанным одним впускным коллектором (50). Также раскрыт способ рециркуляции выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания. Технический результат заключается в улучшении рециркуляции выхлопных газов высокого давления двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система рециркуляции выхлопных газов для двигателя внутреннего сгорания, содержащая:

(a) ряд камер сгорания, разделенных на первую секцию и вторую секцию;

(b) по меньшей мере один впускной клапан и по меньшей мере один выпускной клапан, соединенные с каждой камерой сгорания;

(c) по меньшей мере один впускной коллектор, сообщающийся по текучей среде с указанным рядом камер сгорания посредством соответствующих впускных клапанов;

(d) первый выпускной коллектор, сообщающийся по текучей среде с указанной первой секцией камер сгорания посредством соответствующих выпускных клапанов;

(e) второй выпускной коллектор, сообщающийся по текучей среде с указанной второй секцией камер сгорания посредством соответствующих выпускных клапанов;

(f) по меньшей мере один выпускной клапан EGR, соединенный с каждой камерой сгорания в указанной второй секции; и

(g) коллектор EGR, сообщающийся по текучей среде с каждой камерой сгорания в указанной второй секции посредством соответствующих выпускных клапанов EGR и по меньшей мере с указанным одним впускным коллектором.

2. Система по п. 1, дополнительно содержащая:

(а) устройство турбокомпрессора, содержащее турбину и компрессор, при этом указанная турбина приводит в действие указанный компрессор и содержит первое и второе входные отверстия выхлопной системы, при этом указанное второе входное отверстие выхлопной системы имеет меньшее проходное сечение, чем указанное первое входное отверстие выхлопной системы, при этом указанный первый выпускной коллектор сообщается по текучей среде с указанным первым входным отверстием выхлопной системы, а указанный второй выпускной коллектор сообщается по текучей среде с указанным вторым входным отверстием выхлопной системы, причем указанный впускной коллектор сообщается по текучей среде с указанным компрессором для получения сжатой газовой смеси, содержащей кислород.

3. Система по п. 2, дополнительно содержащая:

(а) газовый редуктор между указанным вторым выпускным коллектором и указанным первым выпускным коллектором, задействованный для снижения давления в указанном втором выпускном коллекторе и указанном коллекторе EGR.

4. Система по п. 2, дополнительно содержащая:

(а) газовый редуктор на пути потока выхлопных газов после указанной турбины для изменения противодавления в указанном первом выпускном коллекторе, указанном втором выпускном коллекторе и указанном коллекторе EGR.

5. Система по п. 1, дополнительно содержащая:

(а) охладитель EGR и клапан EGR, при этом указанный охладитель EGR соединяет указанный коллектор EGR с указанным клапаном EGR, а указанный клапан EGR сообщается по текучей среде с указанным впускным коллектором.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что трубопровод рядом с выходом из указанного второго выпускного коллектора имеет сужение.

7. Система по п. 1, дополнительно содержащая:

(а) газовый редуктор между указанным вторым выпускным коллектором и указанным вторым входным отверстием выхлопной системы указанной турбины.

8. Система по п. 1, дополнительно содержащая:

(а) газовый редуктор между указанным коллектором EGR и указанным вторым выпускным коллектором.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что каждый указанный по меньшей мере один выпускной клапан в соответствующих камерах сгорания указанной второй секции соединен с устройством варьируемого управления клапанами.

10. Система по п. 1, дополнительно содержащая:

(а) катализатор риформинга, содержащий входное отверстие и выходное отверстие, при этом указанное входное отверстие сообщается по текучей среде с указанным коллектором EGR для получения из него выхлопных газов, при этом указанное выходное отверстие сообщается по текучей среде с указанным впускным коллектором; и

(b) топливную форсунку, сконфигурированную для введения газообразного топлива в указанный поднимающийся поток выхлопных газов от указанного катализатора риформинга.

11. Система по п. 1, дополнительно содержащая:

(a) блок турбокомпрессора, получающий выхлопные газы из указанных первого и второго выпускных коллекторов;

(b) охладитель всасываемого воздуха, получающий сжатый воздух из указанного блока турбокомпрессора; и

(c) регулируемый клапан между указанным коллектором EGR и поднимающимся потоком от указанного охладителя всасываемого воздуха, при этом указанные выхлопные газы сообщаются посредством указанного регулируемого клапана и смешиваются с указанным сжатым воздухом так, что указанная смесь охлаждается с помощью указанного охладителя всасываемого воздуха.

12. Способ рециркуляции выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания, включающий:

(a) разделение камер сгорания в указанном двигателе внутреннего сгорания на первую секцию и вторую секцию;

(b) сообщение выхлопных газов из указанной первой секции камер сгорания с первым выпускным коллектором;

(c) сообщение выхлопных газов из указанной второй секции камер сгорания со вторым выпускным коллектором и коллектором EGR посредством отдельных выпускных клапанов в указанных камерах сгорания; и

(d) сообщение выхлопных газов из указанного коллектора EGR по меньшей мере с одним впускным коллектором.

13. Способ по п. 12, дополнительно включающий:

(а) сужение потока выхлопных газов из указанного второго выпускного коллектора.

14. Способ по п. 12, дополнительно включающий:

(a) сообщение выхлопных газов из указанного первого выпускного коллектора с первым входным отверстием турбины;

(b) сообщение выхлопных газов из указанного второго выпускного коллектора со вторым входным отверстием турбины, при этом указанное второе входное отверстие турбины имеет меньшее проходное сечение, чем указанное первое входное отверстие турбины; и

(c) сжатие газовой смеси, содержащей кислород, с помощью энергии, переданной указанной турбине посредством указанных выхлопных газов.

15. Способ по п. 14, дополнительно включающий:

(а) регулирование давления между указанным вторым выпускным коллектором и указанным первым выпускным коллектором, при этом часть указанных выхлопных газов в указанном втором выпускном коллекторе направляется к указанному первому входному отверстию турбины.

16. Способ по п. 14, дополнительно включающий:

(а) регулирование давления между указанным вторым выпускным коллектором и указанным вторым входным отверстием турбины.

17. Способ по п. 16, дополнительно включающий:

(а) регулирование давления между указанным коллектором EGR и указанным по меньшей мере одним впускным коллектором.

18. Способ по п. 12, дополнительно включающий:

(а) регулирование давления между указанным коллектором EGR и выходом из указанного второго выпускного коллектора.

19. Способ по п. 12, дополнительно включающий:

(а) регулирование скорости EGR путем переменного приведения в действие выпускных клапанов для контроля давления в указанном втором выпускном коллекторе.

20. Способ по п. 12, дополнительно включающий:

(a) введение углеводородного топлива в указанные выхлопные газы из указанного коллектора EGR с образованием смеси выхлопных газов с топливом;

(b) риформинг указанной смеси выхлопных газов с топливом для получения по меньшей мере водорода; и

(c) сообщение указанного водорода и указанных выхлопных газов с указанным по меньшей мере одним впускным коллектором.

21. Способ по п. 12, дополнительно включающий:

(а) риформинг указанной смеси выхлопных газов с топливом для получения монооксида углерода.

22. Способ по п. 12, дополнительно включающий:

(a) сжатие входящего воздуха посредством блока турбокомпрессора;

(b) смешивание выхлопных газов с указанным сжатым входящим воздухом; и

(c) охлаждение указанной смеси указанных выхлопных газов и указанного сжатого входящего воздуха перед введением указанной смеси в указанный по меньшей мере один впускной коллектор.