專利名稱：具有氧氣泵吸進氣系統的發動機和從進氣流中去除氧氣的方法
技術領域：
本發明涉及內燃發動機，更具體地涉及控制發動機進氣流中的氧氣水平。
背景技術：
本節的描述僅提供涉及本發明的背景信息，可能構成也可能不構成現有技術。柴油機通常具有未節流的進氣流。供給到汽缸的空氣流可能具有比燃燒所需的氧 氣更多的氧氣量。這些多出來的氧氣水平可在廢氣流中產生增加的氮氧化物(NOx)和/或 煤煙水平。氮氧化物(NOx)和/或煤煙水平需要額外的廢氣后處理部件和廢氣再循環系統， 以提供符合聯邦法規的廢氣流。

發明內容
一種發動機組件可包括與燃燒室流體連通的進氣歧管、電壓源和第一氧氣泵組 件。第一氧氣泵組件可包括第一進氣導管和第一氧氣泵吸機構。第一進氣導管可具有與供 給空氣流體連通的入口和與進氣歧管流體連通的出口。氧氣泵吸機構可包括氧離子傳導單 元、與電壓源電連通的第一電極以及與電壓源電連通的第二電極。第一電極可設置在所述 單元的第一側并且可暴露于第一進氣導管的內部。第二電解質可設置在所述單元的第二側 并且與所述導管內部隔離。第一氧氣泵吸機構可基于由電壓源施加在所述單元上的電壓而 從第一進氣導管內的空氣流中去除氧氣。一種發動機進氣組件可包括第一進氣導管和第一氧氣泵吸機構。第一進氣導管可 具有與供給空氣流體連通的入口以及與發動機的進氣歧管流體連通的出口。第一氧氣泵吸 機構可包括第一氧離子傳導單元、與電壓源電連通的第一電極以及與電壓源電連通的第二 電極。第一電極可設置在所述單元的第一側并且可暴露于第一進氣導管的內部。第二電極 可設置在所述單元的第二側并且與所述導管內部隔離。第一氧氣泵吸機構可基于由電壓源 施加在所述單元上的電壓而從第一進氣導管內的空氣流中去除氧氣。一種從進氣流中去除氧氣的方法可包括向內燃發動機的進氣歧管供給空氣。供給 空氣可通過第一進氣導管提供，所述第一進氣導管具有與供給空氣流體連通的入口以及與 進氣歧管流體連通的出口。所述方法還可包括通過第一氧氣泵吸機構降低供應到進氣歧管 的空氣的氧氣濃度。第一氧氣泵吸機構可包括第一氧離子傳導單元、與電壓源電連通的第 一電極以及與電壓源電連通的第二電極。第一電極可設置在所述單元的第一側并且可暴露 于第一進氣導管的內部。第二電極可設置在所述單元的第二側并且與所述導管內部隔離。 上述降低氧氣濃度的步驟可包括通過電壓源在所述單元上施加電壓以從第一進氣導管內 的空氣流中去除氧氣。(1)本發明提供一種發動機組件，其包括與燃燒室流體連通的進氣歧管；電壓 源；和包括第一進氣導管和第一氧氣泵吸機構的第一氧氣泵組件，所述第一進氣導管具有 與供給空氣流體連通的入口和與所述進氣歧管流體連通的出口，所述氧氣泵吸機構包括氧離子傳導單元、與所述電壓源電連通的第一電極以及與所述電壓源電連通的第二電極，所 述第一電極設置在所述單元的第一側并且暴露于所述第一進氣導管的內部，而所述第二電 極設置在所述單元的第二側并且與所述導管的內部相隔離，所述第一氧氣泵吸機構基于由 所述電壓源施加在所述單元上的電壓而從所述第一進氣導管內的空氣流中去除氧氣。(2)根據方案(1)所述的發動機組件，還包括與所述燃燒室流體連通的排氣歧管， 所述氧氣泵組件包括與所述排氣歧管流體連通的第一排氣導管，所述第二電極暴露于所述 第一排氣導管的內部，從所述第一進氣導管去除的氧氣被提供給所述第一排氣導管。(3)根據方案(2)所述的發動機組件，其中，來自所述排氣歧管且提供給所述第一 排氣導管的廢氣加熱所述單元以增加從所述第一進氣導管去除的氧氣。(4)根據方案(1)所述的發動機組件，其中，所述第二電極暴露于大氣。(5)根據方案(1)所述的發動機組件，還包括第二氧氣泵組件，所述第二氧氣泵組 件具有與供給空氣流體連通的入口以及與所述進氣歧管流體連通的出口，所述第二氧氣泵 組件定向為與所述第一氧氣泵組件平行。(6)根據方案(1)所述的發動機組件，其中，所述單元由二氧化鋯(&02)形成。(7)根據方案(1)所述的發動機組件，其中，所述電壓源在所述單元上施加大于12 伏的電壓。(8)本發明還提供一種發動機進氣組件，其包括第一進氣導管，其具有與供給空 氣流體連通的入口和與發動機的進氣歧管流體連通的出口 ；以及第一氧氣泵吸機構，其包 括第一氧離子傳導單元、與電壓源電連通的第一電極以及與所述電壓源電連通的第二電 極，所述第一電極設置在所述單元的第一側并且暴露于所述第一進氣導管的內部，而所述 第二電極設置在所述單元的第二側并且與所述導管的內部相隔離，所述第一氧氣泵吸機構 基于由所述電壓源施加在所述單元上的電壓而從所述第一進氣導管內的空氣流中去除氧 氣。(9)根據方案(8)所述的發動機組件，其中，所述氧氣泵組件包括與發動機的排氣 歧管流體連通的第一排氣導管，所述第二電極暴露于所述第一排氣導管的內部，從所述第 一進氣導管去除的氧氣被提供給所述第一排氣導管。(10)根據方案(9)所述的發動機組件，其中，所述第一排氣導管內的廢氣加熱所 述單元以增加從所述第一進氣導管去除的氧氣。(11)根據方案(8)所述的發動機組件，其中，所述第二電極暴露于大氣。(12)根據方案(8)所述的發動機組件，還包括第二進氣導管，其定向為與所述第 一進氣導管平行，并且具有與供給空氣流體連通的入口以及與發動機的進氣歧管流體連通 的出口；以及第二氧氣泵吸機構，其包括第二氧離子傳導單元、與所述電壓源電連通的第三 電極以及與所述電壓源電連通的第四電極，所述第三電極設置在所述第二單元的第一側并 且暴露于所述第二進氣導管的內部，而所述第四電極設置在所述第二單元的第二側并且與 所述第二進氣導管的內部相隔離，所述第二氧氣泵吸機構基于由所述電壓源施加在所述第 二單元上的電壓而從所述第二進氣導管內的空氣流中去除氧氣。(13)根據方案(8)所述的發動機組件，其中，所述單元由二氧化鋯(&02)形成。(14)根據方案(8)所述的發動機組件，其中，所述電壓源在所述單元上施加大于 12伏的電壓。
(15)本發明還提供一種方法，其包括將供給空氣提供給內燃發動機的進氣歧 管，所述供給空氣由第一進氣導管提供，所述第一進氣導管具有與所述供給空氣流體連通 的入口和與所述進氣歧管流體連通的出口 ；以及通過第一氧氣泵吸機構降低提供給所述進 氣歧管的空氣的氧氣濃度，所述第一氧氣泵吸機構包括第一氧離子傳導單元、與電壓源電 連通的第一電極以及與所述電壓源電連通的第二電極，所述第一電極設置在所述單元的第 一側并且暴露于所述第一進氣導管的內部，而所述第二電極設置在所述單元的第二側并且 與所述導管的內部相隔離，所述降低氧氣濃度的步驟包括由所述電壓源在所述單元上施加 電壓以便從所述第一進氣導管內的空氣中去除氧氣。
(16)根據方案(15)所述的方法，還包括從內燃發動機的排氣歧管向第一排氣導 管提供廢氣流，所述第二電極暴露于所述第一排氣導管的內部并且從所述第一進氣導管去 除的氧氣被提供給所述第一排氣導管。(17)根據方案(16)所述的方法，其中，提供給所述第一排氣導管的廢氣流加熱所 述單元以增加從所述第一進氣導管去除氧氣的比率。(18)根據方案(15)所述的方法，其中，所述第二電極暴露于大氣，通過施加在所 述單元上的電壓而將從所述第一進氣導管去除的氧氣提供至大氣。(19)根據方案(15)所述的方法，其中，降低氧氣濃度的步驟包括通過第二氧氣泵 吸機構從第二進氣導管去除氧氣，所述第二進氣導管定向為與所述第一進氣導管平行，并 且包括與供給空氣流體連通的第二入口以及與所述進氣歧管流體連通的第二出口，所述第 二氧氣泵吸機構包括第二氧離子傳導單元、與所述電壓源電連通的第三電極以及與所述電 壓源電連通的第四電極，所述第三電極設置在所述第二單元的第一側并且暴露于所述第二 進氣導管的內部，而所述第四電極設置在所述第二單元的第二側并且與所述第二進氣導管 的內部相隔離，所述第二氧氣泵吸機構基于由所述電壓源施加在所述第二單元上的電壓而 從所述第二進氣導管內的空氣流中去除氧氣。(20)根據方案(15)所述的方法，其中，由所述電壓源施加在所述單元上的電壓大 于12伏。通過本文提供的描述可清楚了解本發明的其他應用領域。應當理解，該描述和具 體示例僅用于解釋目的而不是用來限制本發明的范圍。


這里描述的附圖僅用于圖示目的，無論如何都不用于限制本發明的范圍。圖1是根據本發明的發動機組件的示意圖；圖2是根據本發明的可選發動機組件的示意圖；圖3是根據本發明的可選氧氣泵組件的示意圖。
具體實施例方式下面的描述本質上僅僅是示例性的，決不是用來限制本發明、其應用或用途。應當 理解，在所有附圖中，對應的附圖標記用來標示類似或對應的部件或特征。如圖1所示，發動機組件10可包括發動機結構12、進氣歧管18、排氣歧管20、進 氣組件22和控制模塊24，發動機結構12限定了汽缸14，汽缸14內設置有活塞16。應當理解，本發明的教導適用于活塞-汽缸的任何數量設置和多種發動機構造，包括但不限于V 型發動機、直列式發動機和臥式對置發動機，以及頂置凸輪和整體式凸輪構造。發動機組件 10可包括柴油機。然而，應當理解，本發明也適用于汽油機。活塞16和汽缸14可相互配合以限定燃燒室。燃燒室可通過進氣門和排氣門(未 示出)分別與進氣歧管18和排氣歧管20流體連通。進氣流(I)可通過進氣歧管18提供， 而廢氣流(E)可通過排氣歧管20離開燃燒室。進氣組件22可包括具有進氣導管46和氧氣泵吸機構48的氧氣泵組件44。進氣 導管46可向進氣歧管18提供進氣流(I)。進氣導管46可包括與進入的供給空氣流體連 通的入口 50以及與進氣歧管18流體連通的出口 52。氧氣泵吸機構48可置于進氣導管46 的壁上并且可包括氧離子傳導單元54、第一和第二電極56、58以及電壓源60。在非限制性 的示例中，氧離子傳導單元54可包括氧離子傳導固體電解質，例如二氧化鋯(ZrO2)。第一 和第二電極56、58中的每個均可以是由例如鉬等材料形成的多孔結構。應當理解，單元54 以及第一和第二電極56、58無論如何都不限于上面討論的材料，它們可根據氧傳感器領域 公知的工藝由多種材料形成。第一電極56可位于單元54的第一側，并且可暴露于進氣導管46的內部，而第二 電極58可位于單元54的第二側，并且可暴露于進氣導管46外部的環境，例如周圍大氣。第 一電極56可以是陰極，而第二電極58可以是陽極。第一和第二電極56、58中的每個均可 與電壓源60電連通。控制模塊24可與電壓源60連通以控制施加在單元54上的電壓。這 里所使用的術語“模塊”可以是(或者是其一部分，或者包括)執行一個或多個軟件或固件 程序的專用集成電路(ASIC)、電子電路、處理器(共享的、專用的或成組的)和/或存儲器 (共享的、專用的或成組的)、組合邏輯電路和/或提供上述功能的其他合適元件。進氣導管46內的空氣量可包括氧氣。電壓源60可在單元54上施加電壓，使得第 一電極56為陰性而第二電極58為陽性。由電壓源60施加的直流電勢差可以是單元54的 溫度、單元54的特性和表面積以及用于第一和第二電極56、58的材料的函數。在非限制性 的示例中，電壓源60可包括車輛電池以及用于提升電池電壓和增加單元54的離子傳導性 的功率變換器和相關部件。更具體地，功率變換器可用于產生高直流電流，這類似于混合動 力車輛應用。因此，在非限制性的示例中，由電壓源60提供的電壓可大于5伏(V)，更具體地可 大于12伏(V)。基于施加在單元54上的電壓，氧離子可形成在第一電極56上并且可穿過 單元到達第二電極58，這降低了進氣導管46內的空氣量中的氧氣濃度。在第二電極58的 氧離子可作為氧氣分子進入大氣(環境空氣)。可基于由氧傳感器62提供給控制模塊24 的信號控制電壓源60的輸出。氧傳感器62可位于氧氣泵組件44的下游。在非限制性的 示例中，氧傳感器62可與離開氧氣泵組件44的進氣流(I)相連，如圖1所示。可選地，氧 傳感器62可與廢氣流(E)相連。圖2示出了一個可選的發動機組件110。除氧氣泵組件144之外，該發動機組件 110大致類似于發動機組件10。應當理解，除了下面所討論的情況，對發動機組件10的描 述也適用于發動機組件110。氧氣泵組件144可包括進氣導管146、排氣導管147和氧氣泵吸機構148。進氣導 管146可向進氣歧管118提供進氣流(I)。進氣導管146可包括與進入的供給空氣流體連通的入口 150和與進氣歧管118流體連通的出口。排氣導管147可在進氣導管146附近延伸 并且可包括與排氣歧管120和出口 153流體連通的入口。離開排氣歧管120的廢氣流(E) 可通過排氣導管147。進氣和排氣導管146、147可共用由氧氣泵吸機構148限定的公共壁。 氧氣泵吸機構148可包括氧離子傳導單元154、第一和第二電極156、158和電壓源160。氧 離子傳導單元154可位于進氣和排氣導管146、147的內部容積之間。廢氣流(E)可加熱單 元154以增加從進氣導管146中去除的氧氣。在非限制性的示例中，氧離子傳導單元154 可包括氧離子傳導固體電解質，例如二氧化鋯(ZrO2)。第一和第二電極156、158中的每個 均可以是由例如鉬等材料形成的多孔結構。第一電極156可位于單元154的第一側，并且可暴露于進氣導管146的內部，而第 二電極158可位于單元154的第二側，并且可暴露于排氣導管147外部的環境。第一電極 156可以是陰極，而第二電極158可以是陽極。第一和第二電極156、158中的每個均可與電 壓源160電連通。控制模塊124可與電壓源160連通以控制施加在單元154上的電壓。進氣導管146內的空氣量可包括氧氣。電壓源160可在單元154上施加電壓，使 得第一電極156為陰性而第二電極158為陽性。基于施加在單元154上的電壓，氧離子可 形成在第一電極156上并且可穿過單元154到達第二 電極158，這降低了進氣導管146內的 空氣量中的氧氣濃度。在第二電極158的氧離子可在排氣導管147內釋放到廢氣(E)中。雖然在圖1和2中僅示出了包括單個氧氣泵組件44、144，然而可以理解，多個氧氣 泵組件44、144可彼此平行地設置。圖3示意性地示出了一個非限制性的使用氧氣泵組件 144進行平行設置的示例。然而，應當理解，可使用氧氣泵組件44進行類似設置。如圖3所示，多個氧氣泵組件144可彼此平行地設置。第一歧管164可位于氧氣 泵組件144的第一端，而第二歧管166可位于氧氣泵組件144的第二端。第一歧管164可 包括入口 168和出口 170。入口 168可提供在進氣流(I)和進氣導管146的每個入口 150 之間的公共入口。出口 170可以為來自排氣導管147的每個出口 153的廢氣流(E)提供公 共出口。第二歧管166可包括入口 172和出口 174。入口 172可以為來自排氣歧管120的 廢氣流(E)進入排氣導管147的每個入口 151提供公共入口。出口 174可與進氣歧管118 流體連通并且可以為來自進氣導管146的每個出口 152的進氣流(I)提供公共出口。
權利要求
一種發動機組件，包括與燃燒室流體連通的進氣歧管；電壓源；和包括第一進氣導管和第一氧氣泵吸機構的第一氧氣泵組件，所述第一進氣導管具有與供給空氣流體連通的入口和與所述進氣歧管流體連通的出口，所述氧氣泵吸機構包括氧離子傳導單元、與所述電壓源電連通的第一電極以及與所述電壓源電連通的第二電極，所述第一電極設置在所述單元的第一側并且暴露于所述第一進氣導管的內部，而所述第二電極設置在所述單元的第二側并且與所述導管的內部相隔離，所述第一氧氣泵吸機構基于由所述電壓源施加在所述單元上的電壓而從所述第一進氣導管內的空氣流中去除氧氣。
2.根據權利要求1所述的發動機組件，還包括與所述燃燒室流體連通的排氣歧管，所 述氧氣泵組件包括與所述排氣歧管流體連通的第一排氣導管，所述第二電極暴露于所述第 一排氣導管的內部，從所述第一進氣導管去除的氧氣被提供給所述第一排氣導管。
3.根據權利要求2所述的發動機組件，其中，來自所述排氣歧管且提供給所述第一排 氣導管的廢氣加熱所述單元以增加從所述第一進氣導管去除的氧氣。
4.根據權利要求1所述的發動機組件，其中，所述第二電極暴露于大氣。
5.根據權利要求1所述的發動機組件，還包括第二氧氣泵組件，所述第二氧氣泵組件 具有與供給空氣流體連通的入口以及與所述進氣歧管流體連通的出口，所述第二氧氣泵組 件定向為與所述第一氧氣泵組件平行。
6.根據權利要求1所述的發動機組件，其中，所述單元由二氧化鋯(Zr02)形成。
7.根據權利要求1所述的發動機組件，其中，所述電壓源在所述單元上施加大于12伏 的電壓。
8.一種發動機進氣組件，包括第一進氣導管，其具有與供給空氣流體連通的入口和與發動機的進氣歧管流體連通的 出口 ；以及第一氧氣泵吸機構，其包括第一氧離子傳導單元、與電壓源電連通的第一電極以及與 所述電壓源電連通的第二電極，所述第一電極設置在所述單元的第一側并且暴露于所述第 一進氣導管的內部，而所述第二電極設置在所述單元的第二側并且與所述導管的內部相隔 離，所述第一氧氣泵吸機構基于由所述電壓源施加在所述單元上的電壓而從所述第一進氣 導管內的空氣流中去除氧氣。
9.根據權利要求8所述的發動機組件，其中，所述氧氣泵組件包括與發動機的排氣歧 管流體連通的第一排氣導管，所述第二電極暴露于所述第一排氣導管的內部，從所述第一 進氣導管去除的氧氣被提供給所述第一排氣導管。
10.一種方法，包括將供給空氣提供給內燃發動機的進氣歧管，所述供給空氣由第一進氣導管提供，所述 第一進氣導管具有與所述供給空氣流體連通的入口和與所述進氣歧管流體連通的出口 ；以 及通過第一氧氣泵吸機構降低提供給所述進氣歧管的空氣的氧氣濃度，所述第一氧氣泵 吸機構包括第一氧離子傳導單元、與電壓源電連通的第一電極以及與所述電壓源電連通的 第二電極，所述第一電極設置在所述單元的第一側并且暴露于所述第一進氣導管的內部，而所述第二電極設置在所述單元的第二側并且與所述導管的內部相隔離，所述降低氧氣濃 度的步驟包括由所述電壓源在所述單元上施加電壓以便從所述第一進氣導管內的空氣中 去除氧氣。
全文摘要
本發明涉及具有氧氣泵吸進氣系統的發動機和從進氣流中去除氧氣的方法。一種發動機組件可包括電壓源和氧氣泵組件。氧氣泵組件可包括進氣導管和氧氣泵吸機構。進氣導管可與供給空氣和進氣歧管流體連通。氧氣泵吸機構可包括氧離子傳導單元、與電壓源電連通的第一電極以及與電壓源電連通的第二電極。第一電極可設置在所述單元的第一側并且暴露于進氣導管的內部。第二電極設置在所述單元的第二側并且與導管的內部相隔離。氧氣泵吸機構基于由電壓源施加在所述單元上的電壓而從進氣導管內的空氣流中去除氧氣。
文檔編號F02M25/12GK101832203SQ20101012745
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月9日 優先權日2009年3月9日
發明者B·J·宋 申請人:通用汽車環球科技運作公司