一种发动机及其进排气系统的制作方法

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机及其进排气系统。


背景技术：

2.为应对能源危机和气候变化问题，需要不断提升发动机的燃油经济性，一方面需要提升发动机的燃烧效率，另一方面需要降低发动机的污染物排放量。
3.提升发动机的燃烧效率，可以通过稀薄燃烧方式实现。然而，稀薄燃烧方式需要空燃比远远大于1，才能达到较好的燃烧效率，而使用稀薄燃烧方式，会产生大量的氮氧化物，在空燃比大于1的前提下，通过催化剂分解氮氧化物的效果欠佳。因此，在提升发动机的燃烧效率以及降低发动机的污染物排放量之间存在矛盾，而相关技术中提供的发动机进排气系统并不能有效解决这一矛盾。


技术实现要素：

4.本技术实施例通过提供一种发动机进排气系统，解决了现有技术中无法在满足发动机的燃烧效率的前提下降低发动机的污染物排放量的技术问题，实现了在满足发动机的燃烧效率的前提下降低发动机的污染物排放量的技术效果。
5.第一方面，本技术提供了一种发动机进排气系统，系统包括：
6.稀薄燃烧进气管，包括第一进口、第一出口和第二出口，第一进口与大气连通，第一出口与发动机的稀薄燃烧类气缸的进口连通；
7.稀薄燃烧排气管，包括第三进口和第三出口，第三进口与稀薄燃烧类气缸的出口连通；
8.当量比燃烧进气管，包括第四进口和第四出口，第四进口分别与第三出口和第二出口连通，第四出口与发动机的当量比燃烧类气缸的进口连通；
9.当量比燃烧排气管，包括第五进口和第五出口，第五进口与当量比燃烧类气缸的出口连通，第五出口与大气连通；
10.三元催化转化器，设置在当量比燃烧排气管的管路上；
11.其中，稀薄燃烧类气缸用于接收稀薄燃烧进气管的大气，实现稀薄燃烧；当量比燃烧类气缸用于接收稀薄燃烧类气缸产生的废气和稀薄燃烧进气管的大气，实现当量比燃烧；三元催化转化器用于处理当量比燃烧类气缸产生的废气。
12.进一步地，系统还包括：
13.机械增压器，设置在稀薄燃烧进气管的管路上。
14.进一步地，系统还包括：
15.涡轮增压器，涡轮增压器的涡轮设置在当量比燃烧排气管的管路上，涡轮增压器的叶轮设置在当量比燃烧进气管的管路上。
16.进一步地，系统还包括：第一节气门，设置在稀薄燃烧进气管的管路上。
17.进一步地，系统还包括：第二节气门，设置在当量比燃烧进气管的管路上。
18.进一步地，系统还包括：第一中冷器，设置在稀薄燃烧排气管的管路上。
19.进一步地，系统还包括：第二中冷器，设置在当量比燃烧进气管的管路上。
20.进一步地，系统还包括：稳压器，设置在第二出口、第三出口和第四进口的连接处。
21.进一步地，系统还包括：消声器，设置在当量比燃烧排气管的管路上。
22.第二方面，本技术提供了一种车辆，包括车辆本体和设置在车辆本体中的发动机，发动机包括稀薄燃烧类气缸和当量比燃烧类气缸。
23.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
24.本实施例提供的进排气系统中的稀薄燃烧进气管为稀薄燃烧类气缸和当量比燃烧类气缸提供空气，通过稀薄燃烧排气管将稀薄燃烧类气缸产生的废气以及稀薄燃烧进气管提供的空气一同导入当量比燃烧类气缸中实现当量比燃烧，最后通过三元催化转化器对当量比燃烧类气缸中排出的废气进行废气处理，实现对氮氧化物和碳化物的最大转换率的废气处理，可见，本实施例通过稀薄燃烧进气管、稀薄燃烧排气管以及稀薄燃烧类气缸实现稀薄燃烧，保证了发动机的燃烧效率，通过当量比燃烧进气管、当量比燃烧排气管以及当量比燃烧类气缸实现当量比燃烧，通过三元催化转化器对当量比燃烧产生的废气进行处理，降低了发动机的污染物排放，解决了发动机燃烧效率与氮氧化物排放超标之间的矛盾。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为使用三元催化转换器时，空燃比与废气中各个废气成分的转换率之间的关系曲线图；
27.图2为本技术提供的一种发动机进排气系统的结构示意图；
28.图3为本技术提供的一种发动机进排气系统应用于直列四缸汽油机的结构示意图；
29.图4为不同燃烧模式下空气量的柱状对比图。
30.附图标记：
[0031]1‑
稀薄燃烧进气管，2
‑
稀薄燃烧排气管，3
‑
当量比燃烧进气管，4
‑
当量比燃烧排气管，5
‑
三元催化转化器，6
‑
第一节气门，7
‑
机械增压器，8
‑
第一中冷器，9
‑
稳压器，10
‑
涡轮增压器，11
‑
第二中冷器，12
‑
第二节气门，13
‑
消声器。
具体实施方式
[0032]
本技术实施例通过提供一种发动机进排气系统，解决了现有技术中无法在满足发动机的燃烧效率的前提下降低发动机的污染物排放量的技术问题。
[0033]
本技术实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
[0034]
一种发动机及其进排气系统，系统包括：稀薄燃烧进气管1，包括第一进口、第一出口和第二出口，第一进口与大气连通，第一出口与发动机的稀薄燃烧类气缸的进口连通；稀薄燃烧排气管2，包括第三进口和第三出口，第三进口与稀薄燃烧类气缸的出口连通；当量
比燃烧进气管3，包括第四进口和第四出口，第四进口分别与第三出口和第二出口连通，第四出口与发动机的当量比燃烧类气缸的进口连通；当量比燃烧排气管4，包括第五进口和第五出口，第五进口与当量比燃烧类气缸的出口连通，第五出口与大气连通；三元催化转化器5，设置在当量比燃烧排气管4的管路上；其中，稀薄燃烧类气缸用于接收稀薄燃烧进气管1的大气，实现稀薄燃烧；当量比燃烧类气缸用于接收稀薄燃烧类气缸产生的废气和稀薄燃烧进气管1的大气，实现当量比燃烧；三元催化转化器5用于处理当量比燃烧类气缸产生的废气。
[0035]
本实施例提供的进排气系统中的稀薄燃烧进气管1为稀薄燃烧类气缸和当量比燃烧类气缸提供空气，通过稀薄燃烧排气管2将稀薄燃烧类气缸产生的废气以及稀薄燃烧进气管1提供的空气一同导入当量比燃烧类气缸中实现当量比燃烧，最后通过三元催化转化器5对当量比燃烧类气缸中排出的废气进行废气处理，实现对氮氧化物和碳化物的最大转换率的废气处理，可见，本实施例通过稀薄燃烧进气管1、稀薄燃烧排气管2以及稀薄燃烧类气缸实现稀薄燃烧，保证了发动机的燃烧效率，通过当量比燃烧进气管3、当量比燃烧排气管4以及当量比燃烧类气缸实现当量比燃烧，通过三元催化转化器5对当量比燃烧产生的废气进行处理，降低了发动机的污染物排放，解决了发动机燃烧效率与氮氧化物排放超标之间的矛盾。
[0036]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0037]
首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0038]
相关技术中，通常使用三元催化转换器实现废气转换。根据图1可知，在使用三元催化转换器时，空燃比与废气中各个废气成分的转换率之间的关系。
[0039]
针对氮氧化物(no
x
)而言，当空燃比小于1时，三元催化转换器对于氮氧化物的转换率在80％以上，当空燃比在1附近时，三元催化转换器对于氮氧化物的转换率接近100％，当空燃比大于1时，三元催化转换器对于氮氧化物的转换率急剧下降，当空燃比为1.15时，转换率已经降低至20％。由此可见，在使用三元催化转换器转换氮氧化物时，空燃比在1附近时，转换率最高。
[0040]
针对碳化物(hc和co等)而言，当空燃比小于1时，三元催化转换器对于碳化物的转换率在较低，空燃比越小，转换率越低；当空燃比超过1时，三元催化转换器对于碳化物的转换率接近90％。由此可见，在使用三元催化转换器转换碳化物时，空燃比超过1后，转换率最高。
[0041]
然而，在一定范围内，空燃比越高，意味着发动机的燃烧效率越好，因此，在优先满足燃烧效率的基础上，需要空燃比越大越好，在空燃比较大的情况下，碳化物的转换率很高，能够满足排放要求，而氮氧化物的排放则会超标。可见，发动机的燃烧效率与氮氧化物的转化率是不统一的，两者之间存在矛盾。
[0042]
相关技术中，提供了以下两种方式解决上述问题：
[0043]
【方式之一】
[0044]
氮氧化物直接分解法，该方式通过催化剂的作用将氮氧化物直接分解为无毒无害
的氮气(n2)和氧气(o2)，这一分解反应在热力学上是可行的，但是其反应的活化能高达364kj/mol，在汽车环境下很难实现。因此，这项技术的需要寻找合适的催化剂来降低反应的活化能，使反应在较温和的条件下进行。目前报道的用于氮氧化物直接分解反应的催化剂主要有贵金属、金属氧化物、复合氧化物和分子筛型等。
[0045]
氮氧化物直接分解法的贵金属催化剂主要是铂(pt)、钯(pd)和金(au)等，如pt/al2o3(三氧化二铝)，主要的反应活性位是pt，氮氧化物分解为吸附态的氧原子和氮原子，当温度低于773k(500℃)时，吸附态氧原子不容易脱附，随着氧原子覆盖率的增加，催化剂的活性中心被逐渐覆盖，催化剂的活性就逐渐降低。
[0046]
钙钛矿型复合氧化物在高温下结构很稳定，但容易脱附氧形成氧空位，形成带负电的表面活性位，但在稀燃条件下，氧气大量过剩时，就会发生“氧抑阻”现象，钙钛矿复合氧化物的表面很容易吸附氧从而使活性降低。分子筛中cu
‑
zsm
‑
5(cu
‑
zsm
‑
5是一种催化剂)的活性最高，氮氧化物的转化率能达到90％，但在稀燃条件下，受氧气o2、二氧化硫so2和水h20的影响严重，很难寻找到具有实际应用价值的催化剂直接分解氮氧化物。
[0047]
可见，上述方式不仅需要新的催化剂，还需要在适当的条件下才能还原氮氧化物，这就导致汽油机的成本增加。并且，催化剂容易失去活性，可靠性较低。
[0048]
【方式之二】
[0049]
选择性催化还原技术(scr，selective catalytic reduction)催化剂，是在氧气大量过剩时，使还原剂优先与氮氧化物反应生成无害的n2的一种方法。一般采用尿素(氨水nh3)作为还原剂，催化剂主要有贵金属、金属氧化物、复合氧化物和新型分子筛等催化剂。nh3选择催化还原no
x
的反应过程为：
[0050]
4nh3 4no o2→
4n2 6h2o
[0051]
4nh3 2no 2o2→
3n2 6h2o
[0052]
4nh3 3no2→
3.5n2 6h2o
[0053]
尿素scr系统的no
x
转化率高，发动机燃油经济性好，通过向排气管喷射尿素水溶液获得nh3，发动机控制简单。但是相应的催化剂的高温热稳定性以及耐水性都差，而汽油机尾气的温度高且不稳定，因此scr技术在汽油机上的使用受限。
[0054]
可见，上述方式需要增加催化剂和还原剂，还有反应装置，成本更高，可行性低。
[0055]
综上所述，相关技术并不能有效解决发动机燃烧效率与氮氧化物排放超标之间的矛盾，本实施例为了解决该技术问题，提供了如图2所示的一种发动机及其进排气系统，系统包括稀薄燃烧进气管1、稀薄燃烧排气管2、当量比燃烧进气管3和当量比燃烧排气管4，本实施例所提供的进排气系统中的进口和出口较多，为了避免对管道及其各自的进出口混淆，本实施例针对同一管道的进口和出口的名称进行了统一。
[0056]
如表1所示，稀薄燃烧进气管1包括一种进口和两种出口，进口以“第一”命名，出口以“第一”和“第二”命名；稀薄燃烧排气管2、当量比燃烧进气管3和当量比燃烧排气管4都只涉及一个进口和一个出口，所以稀薄燃烧排气管2的进口和出口均以“第三”命名，当量比燃烧进气管3的进口和出口均以“第四”命名，当量比燃烧排气管4的进口和出口均以“第五”命名。
[0057]
表1
[0058][0059]
需要注意的是，本实施例提供的进排气系统所适用的发动机需要包括稀薄燃烧类气缸和当量比燃烧类气缸。本实施例提供的进排气系统中各个管道之间、以及各个管道与发动机的气缸之间的关系如下：
[0060]
稀薄燃烧进气管1，稀薄燃烧进气管1包括第一进口、第一出口和第二出口，第一进口与大气连通，第一出口与发动机的稀薄燃烧类气缸的进口连通；
[0061]
稀薄燃烧排气管2，稀薄燃烧排气管2包括第三进口和第三出口，第三进口与稀薄燃烧类气缸的出口连通；
[0062]
当量比燃烧进气管3，当量比燃烧进气管3包括第四进口和第四出口，第四进口分别与第三出口和第二出口连通，第四出口与发动机的当量比燃烧类气缸的进口连通；
[0063]
当量比燃烧排气管4，当量比燃烧排气管4包括第五进口和第五出口，第五进口与当量比燃烧类气缸的出口连通，第五出口与大气连通；
[0064]
三元催化转化器5，三元催化转化器5设置在当量比燃烧排气管4的管路上。
[0065]
其中，稀薄燃烧类气缸用于接收稀薄燃烧进气管1的大气，实现稀薄燃烧；当量比燃烧类气缸用于接收稀薄燃烧类气缸产生的废气和稀薄燃烧进气管1的大气，实现当量比燃烧；三元催化转化器5用于处理当量比燃烧类气缸产生的废气。
[0066]
大气从稀薄燃烧进气管1的第一进口进入，大气在进入后，被稀薄燃烧进气管1分至两条支路管道上，其中，一条支路管道将大气引向发动机的稀薄燃烧类气缸内，以供稀薄燃烧类气缸进行稀薄燃烧使用(即在空燃比远大于1的情况下实现燃烧)；另一条支路管道将大气引向当量比燃烧类气缸的第四进口处，以供当量比燃烧类气缸实现当量比燃烧(即在空燃比约为1的情况下实现燃烧)。
[0067]
大气进入稀薄燃烧类气缸后进行稀薄燃烧，产生的废气通过稀薄燃烧排气管2排出稀薄燃烧类气缸外，废气顺着稀薄燃烧排气管2流动至当量比燃烧类气缸的第四进口处，与稀薄燃烧进气管1的第二出口的大气混合，并顺着当量比燃烧进气管3进入当量比燃烧类气缸内。
[0068]
大气进入当量比燃烧类气缸进行当量比燃烧，产生的废气通过当量比燃烧排气管4排出当量比燃烧类气缸外，废气顺着当量比燃烧排气管4经过三元催化转化器5，三元催化转化器5针对当量比燃烧后产生的废气进行废气处理，进而可以对氮氧化物和碳化物实现最高转换率的废气转换，最终形成二氧化碳(co2)、h2o和n2。
[0069]
综上所述，本实施例提供的进排气系统中的稀薄燃烧进气管1为稀薄燃烧类气缸和当量比燃烧类气缸提供空气，通过稀薄燃烧排气管2将稀薄燃烧类气缸产生的废气以及稀薄燃烧进气管1提供的空气一同导入当量比燃烧类气缸中实现当量比燃烧，最后通过三元催化转化器5对当量比燃烧类气缸中排出的废气进行废气处理，实现对氮氧化物和碳化
物的最大转换率的废气处理，可见，本实施例通过稀薄燃烧进气管1、稀薄燃烧排气管2以及稀薄燃烧类气缸实现稀薄燃烧，保证了发动机的燃烧效率，通过当量比燃烧进气管3、当量比燃烧排气管4以及当量比燃烧类气缸实现当量比燃烧，通过三元催化转化器5对当量比燃烧产生的废气进行处理，降低了发动机的污染物排放，解决了发动机燃烧效率与氮氧化物排放超标之间的矛盾。
[0070]
并且，相比于相关技术中提供的两种方式而言，本实施例提供的进排气系统使用三元催化转化器5进行废气处理，不需要研发或寻找新的催化剂，也就降低了发动机的成本，同时，三元催化转化器5对环境的要求较低，也不会失去活性，可见对废气进行转换的可靠性较高。
[0071]
在图2所示的进排气系统的基础上，本实施例提供的进排气系统还包括机械增压器7、涡轮增压器10、第一节气门6、第二节气门12、第一中冷器8、第二中冷器11、稳压器9和消声器13，具体详见图3。图3所示的是将本实施例提供的进排气系统应用到直列四缸汽油机上时的结构示意图，图3中的1#气缸和4#气缸为稀薄燃烧类气缸，图3中的2#气缸和3#气缸为当量比燃烧类气缸。本实施例提供的进排气系统还可以应用到其他包含稀薄燃烧类气缸和当量比燃烧类气缸的汽油机上，此处不再赘述。
[0072]
第一节气门6设置在稀薄燃烧进气管1的管路上。节气门是控制空气进入发动机的一道可控阀门，进而控制发动机的负荷。气体进入进气管后会和汽油混合变成可燃混合气，从而燃烧形成做功，通常情况下，节气门连接在空气滤清器与发动机缸体之间的管道处。
[0073]
机械增压器7设置在稀薄燃烧进气管1的管路上。机械增压用于提升进气管内的空气压力，以克服节气门的干涉阻力，虽然进气管、节气门、凸轮轴的尺寸不变，但由于进气压力增加的结果，让每次气门开启时间内能挤入燃烧室的空气增加了，因此喷油量也能相对增加，让引擎的工作能量比增压之前更为强大。
[0074]
第一中冷器8设置在稀薄燃烧排气管2的管路上，中冷器实际上是增压器的配套部件，其作用在于降低增压后的高温空气温度，以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率。对于增压发动机来说，中冷器是增压系统的重要组成部件。无论是机械增压发动机还是涡轮增压发动机，都需要在增压器与进气歧管之间安装中冷器。
[0075]
涡轮增压器10的涡轮设置在当量比燃烧排气管4的管路上，涡轮增压器10的叶轮设置在当量比燃烧进气管3的管路上。涡轮增压器10实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增大，废气排出速度与涡轮转速也同步增加，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率。
[0076]
稳压器9设置在第二出口、第三出口和第四进口的连接处。由于稀薄燃烧进气管1的第二出口是与大气连通的，而稀薄燃烧排气管2的第三出口是与发动机气缸连通的，那么第二出口与第三出口之间存在压力差。在当量比燃烧进气管3上设置有涡轮增压器10，当压力出现较大浮动，会使涡轮增压器10发生气蚀现象，因此，需要设置稳压器9，降低压力浮动或避免压力产生浮动。
[0077]
第二节气门12设置在当量比燃烧进气管3的管路上。节气门是控制空气进入发动
机的一道可控阀门，进而控制发动机的负荷。气体进入进气管后会和汽油混合变成可燃混合气，从而燃烧形成做功，通常情况下，节气门连接在空气滤清器与发动机缸体之间的管道处。
[0078]
第二中冷器11设置在当量比燃烧进气管3的管路上。中冷器实际上是增压器的配套部件，其作用在于降低增压后的高温空气温度，以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率。对于增压发动机来说，中冷器是增压系统的重要组成部件。无论是机械增压发动机还是涡轮增压发动机，都需要在增压器与进气歧管之间安装中冷器。
[0079]
消声器13设置在当量比燃烧排气管4的管路上。汽车消音器是用来降低发动机工作时产生噪声的零件，由于两个管道的长度差值等于汽车所发出的声波的波长的一半，使得两列声波在叠加时发生干涉相互抵消而减弱声强，使声音减小，从而起到消音的效果。
[0080]
如图4所示，为发动机在不同的燃烧模式下，使用相同汽油量的前提下，所需要的空气量的对比图。其中，为了便于叙述，本实施例将当量比燃烧模式下对应的空气量记为1。那么，当量比燃烧模式下的空气量为1，超级稀薄燃烧模式下的空气量约为2，当量比下egr稀释燃烧模式下的空气总量为1.5，需要注意的是，当量比下egr稀释燃烧模式下的空气总量是由两部分构成的，空气总量1.5中包括1分量的空气量(这部分空气量相当于本实施例提供的进排气系统中的稀释燃烧进气管的第二出口输入的空气量)，还包括0.5的废气量(这部分废气量相当于本实施例提供的进排气系统中的稀释燃烧排气管排入当量比燃烧进气管3中的废气量)。
[0081]
由此可见，本实施例所提供的进排气系统既能实现当量比燃烧，又能实现超级稀薄燃烧，在满足发动机的燃烧效率的基础上，还能降低废气排放量。
[0082]
基于同一发明构思，本实施例还提供了一种车辆，包括车辆本体和设置在车辆本体中的发动机，发动机包括稀薄燃烧类气缸和当量比燃烧类气缸。
[0083]
由于本实施例所介绍的电子设备为实施本技术实施例中信息处理的方法所采用的电子设备，故而基于本技术实施例中所介绍的信息处理的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本技术实施例中的方法不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本技术实施例中信息处理的方法所采用的电子设备，都属于本技术所欲保护的范围。
[0084]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0085]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。