CN101175914A - 用于增压式内燃机的废气再循环的装置 - Google Patents

用于增压式内燃机的废气再循环的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于增压式内燃机(1)的废气再循环的装置。该装置包括排气管(3)、进气管(7)、压缩机(5)和返回管路(10)，排气管(3)用于将废气从内燃机(1)导出，进气管(7)用于将压力高于大气压的空气引导到内燃机(1)，压缩机(5)适用于将进气管(7)中的空气压缩至高于大气压，返回管路(10)将排气管(3)连接到进气管(7)，从而可以通过返回管路(10)将废气从排气管(3)再循环到进气管(7)。该装置包括第一EGR冷却器(13a)，在第一EGR冷却器(13a)中，返回管路(10)中的再循环废气被进气管(7)的一部分(7b)中的空气冷却，该部分相对于进气管(7)中的空气流的方向位于进气管(7)中的压缩机(5)的下游。

Description

用于增压式内燃机的废气再循环的装置
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序所述的用于增压式内燃机的废气再循环的装置。
背景技术
公知为EGR(废气再循环)的技术是这样一种公知的方式：通过返回管路将来自内燃机中燃烧过程的一部分废气引导返回到进气管，所述进气管用于将空气供应到内燃机。空气和废气的混合物因此通过进气管被供应到内燃机的气缸，在气缸中进行燃烧。将废气增加到空气中导致较低的燃烧温度，这尤其导致废气中含有的氮氧化合物NOx的含量降低。这种技术用于Otto发动机和柴油机。
提供这种废气再循环包括将返回管路设置在车辆的内燃机空间中。这种返回管路的目的是将来自设置在内燃机的热侧上的排气管的废气引导到用于空气的进气管，所述进气管设置在内燃机的冷侧上。返回管路包括多个部件，例如EGR阀、EGR冷却器、和管路部分，所述EGR阀用于控制穿过返回管路的废气流，所述EGR冷却器用于冷却再循环的废气，管路部分用于将废气从热侧引导到冷侧。车辆中EGR冷却器的位置通常使得返回管路必须不必要地长并且占用很大空间。
可以供应到增压式内燃机的空气的量取决于空气的压力和空气的温度。为了将尽可能大量的空气供应到内燃机，压缩空气在被引导到内燃机之前，在进气空气冷却器中被冷却。压缩空气在进气空气冷却器中被周围空气冷却，所述周围空气被引导穿过进气空气冷却器。压缩空气因此可以被冷却到这样的温度，所述温度仅超过周围温度几度。返回的废气通常在EGR冷却器中被冷却，所述EGR冷却器使用内燃机冷却系统的冷却剂作为冷却介质。这种EGR冷却器因此受到这样的限制，即废气不能被冷却到比冷却剂温度更低的温度。因此，当冷却的废气与冷却的压缩空气在通向内燃机的进气管中混合时，冷却的废气通常温度比冷却的压缩空气的温度更高。被引导到内燃机的废气和空气的混合物的温度因此将比被引导到没有废气再循环的相对应增压式内燃机中的压缩空气的温度更高。装配有EGR的增压式内燃机的性能因此将在某种程度上劣于没有装配EGR的增压式内燃机的性能。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种装置，该装置实现了内燃机的废气再循环，从而返回管路可以具有基本最小的长度，并且该装置作为整体可以制造的更紧凑，并且占用较少的空间。另一个目的是提供这样一种装置，该装置实现了增压式内燃机的废气再循环，从而废气再循环不会导致内燃机的性能劣于没有废气再循环的相对应内燃机的性能。
这些目的通过上述类型的装置而实现，其特征在于权利要求1的特征部分所述的特征。进气管中的压缩空气构成设置在内燃机附近的现有的冷却介质源。使用这种冷却介质源的EGR冷却器因此可以直接紧靠内燃机附近装配，或者装配在内燃机上。包括这种EGR冷却器的返回管路因此可以被制成较短和较紧凑，从而当废气穿过返回管路时，废气仅经历小的压力下降。返回管路中的小的压力下降对于下面的问题是必须的，即能够实现低燃料消耗，并且确保废气可以毫无问题地被引导到进气管中，并且与进气管中的压缩空气混合。当压缩机已经吸入空气，并且使空气在进气管中输送时，没有另外的流动装置通常需要被应用到进气管中以提供穿过EGR冷却器的空气流。因此可以用相对不复杂的方式将这种EGR冷却器设置在内燃机附近，所述EGR冷却器使用压缩机下游的进气管中已有的空气流来冷却返回管路中的废气。进气管中的压缩空气通常处于高达290℃的温度。然而，压缩空气的温度显著低于废气的温度，废气温度会在600-700℃左右。进气管中的压缩空气因此可用在EGR冷却器中从而为废气提供第一冷却步骤。
根据本发明的一个优选实施例，该装置包括第二EGR冷却器，在返回管路中的再循环废气已经在第一EGR冷却器中被冷却之后，第二EGR冷却器适用于为返回管路中的再循环废气提供第二冷却步骤。当然，当其处于这种高温时，仅在第一EGR冷却器中通过压缩空气来冷却所述废气是不够的。再循环的废气有利地适用于在第二EGR冷却器中通过处于周围环境温度的介质被冷却。因此利用适合尺寸的EGR冷却器，可以将废气冷却到与周围环境温度相接近的温度。
根据本发明的另一个优选实施例，返回管路中的再循环废气适用于在第二EGR冷却器中通过位于压缩机上游的进气管的一部分中的空气所冷却。第二EGR冷却器因此还可以直接紧靠内燃机的附近装配，或者可以装配在内燃机上。包括两个这种EGR冷却器的返回管路因此可以被制造的非常短和紧凑，从而当废气穿过返回管路时废气仅经历非常小的压力下降。有利的是，被抽吸到进气管中的空气是周围空气。温度基本与周围环境温度相对应的空气因此可用于在第二EGR冷却器中冷却所述废气。
根据本发明的另一个优选实施例，该装置包括进气空气冷却器，其适用于冷却通向内燃机的进气管中的压缩空气。压缩空气在压缩之后将处于相对高的温度。当它已经被用于冷却废气时，空气将处于仍然较高的温度。可以被供应到增压式内燃机中的空气的量取决于空气的压力和温度。为了将尽可能大量的空气供应到内燃机，压缩空气在被引导到内燃机之前需要在进气空气冷却器中经历有效冷却。有利的是，压缩空气适用于在进气空气冷却器中被介质冷却，所述介质处于周围环境的温度。压缩空气因此可以被冷却到这样的温度，该温度仅比周围温度高数度。所述介质优选是周围空气。周围空气适用于这个目的，因为它方便获得，并且可以方便地使它流动穿过所述进气空气冷却器。
根据本发明的另一个优选实施例，进气空气冷却器和用于内燃机冷却系统的散热器装配在共同的区域中，周围空气流动穿过该共同区域。这种区域可以位于由所述内燃机驱动的车辆的前部处。此处，共同的散热器风扇可以用于使周围空气循环穿过进气空气冷却器和散热器。进气空气冷却器优选相对于空气流的方向装配在所述共同区域中散热器的上游。周围空气因此在流动穿过散热器之前流动穿过进气空气冷却器。因此可以确保压缩空气被处于周围环境温度的空气冷却，从而使得可以将压缩空气冷却到与周围温度相接近的温度。流动穿过散热器的周围空气从而获得了某种程度上更高的温度，但是这个温度对于冷却剂来说足以在散热器中进行有效冷却。
附图说明
下面通过实例参考附图描述本发明的优选实施例，附图中：
图1示出了用于增压式内燃机的废气再循环的装置。
具体实施方式
图1示出了用于增压式内燃机的废气再循环的装置。在这种情况中，内燃机是柴油机1。这种再循环通常称为EGR(废气再循环)。将废气增加到通向发动机气缸中的压缩空气中降低了燃烧温度，并且因此降低了在燃烧过程中形成的氮氧化物(NOx)的含量。柴油机1可用于驱动重型车辆。来自柴油机1的气缸的废气通过排气歧管2被引导到排气管3。压力高于大气压的排气管3中的废气被引导到涡轮4。因此向涡轮4提供了驱动功率，所述驱动功率通过连接装置被传递到压缩机5。通过空气滤清器6，压缩机5将周围空气抽吸到进气管7的第一部分7a中。空气被压缩机5压缩，结果，它到达了比大气压更高的压力和相对高的温度。在压缩机5的下游，压缩空气被引导穿过进气管的第二部分7b。进气空气冷却器8设置在进气管的第二部分7b中，从而冷却压缩空气。压缩空气在进气空气冷却器8中被周围空气所冷却，其中散热器风扇9使得所述周围空气流动穿过进气空气冷却器8。散热器风扇9被柴油机1通过适合的连接装置驱动。
用于实现排气管3中的部分废气的再循环的装置包括返回管路10，返回管路10在排气管3和进气管7的第三部分7c之间延伸。返回管路10包括EGR阀11，通过EGR阀11，返回管路10中的废气流可以根据需要被切断。EGR阀11还可用于控制从排气管3通过返回管路10被引导到进气管的第三部分7c的废气的量。控制单元12适用于在有关柴油机1的目前工作状态的信息的基础上控制EGR阀11。控制单元12可以是设置有适合软件的计算机单元。返回管路10包括第一EGR冷却器13a和第二EGR冷却器13b，在第一EGR冷却器13a中，废气经历第一冷却步骤，在第二EGR冷却器13b中，废气经历第二冷却步骤。在某些工作状态中，增压式内燃机的排气管3中的废气的压力低于进气管的第二部分7b中的压缩空气的压力。在这种工作情况中，不可能将返回管路10中的废气与来自进气管的第二部分7b的压缩空气不经过特殊的辅助装置而直接混合。文式管14例如可用于这个目的。但是，如果内燃机是增压式Otto内燃机，那么返回管路10中的废气通常可以与来自进气管的第二部分7b中的空气直接混合，因为Otto内燃机的排气管3中的废气基本在所有工作状态中都处于比进气管的第二部分7b中的压缩空气更高的压力。当废气已经与来自进气管的第二部分7b的压缩空气混合时，混合物通过进气管的第三部分7c和歧管15被引导到柴油机1的各个气缸。
柴油机1通过冷却系统以普通的方式被冷却，所述冷却系统具有冷却剂，所述冷却剂被冷却剂泵16循环。冷却系统还包括恒温器17和散热器18。散热器18位于第一区域A中的进气空气冷却器8的后面，其具有流动穿过其中的周围空气。在柴油机1的工作过程中，排气管3中的废气在它们被向外引导到周围环境之前驱动涡轮4。因此向涡轮4提供驱动功率，该驱动功率驱动所述压缩机5。压缩机5因此压缩进气管的第一部分7a中的周围空气。进气管的第二部分7b中的压缩空气被流动穿过进气空气冷却器8的周围空气冷却。进气空气冷却器8中的压缩空气因此被冷却到这样的温度，该温度仅比周围环境温度高数度。
在柴油机1的大部分工作状态中，控制单元12保持EGR阀11开启，从而排气管3中的一部分废气被引导到返回管路10中。排气管3中的废气处于大约600℃-700℃的温度。当返回管路10中的废气被引导到第一EGR冷却器13a中时，它们受到进气管的第二部分7b中的空气的冷却。然而，第一EGR冷却器13a受到这样的限制，即它最多可以将废气冷却到压缩空气的温度。压缩空气的温度可高达290℃。然而，有利的是，废气在第一EGR冷却器13a中经历相对大的温度降低，从而当它们离开第一EGR冷却器13a时，它们处于大约300℃的温度。可以被供应到柴油机1的压缩空气和废气的量取决于空气和废气的压力和温度。因此重要的是提供再循环废气的进一步冷却。因此在进气管的第一部分7a中的空气被压缩机5压缩之前，废气在第二EGR冷却器13b中由进气管的第一部分7a中的空气进行第二冷却步骤。进气管的第一部分7a中的空气基本处于周围环境的温度。通过适合尺寸的第二EGR冷却器1 3b，废气经历第二冷却步骤，冷却到仅比周围环境温度高几度的温度。进气管中流动的空气构成已有的冷却介质源，其位于内燃机1附近。第一EGR冷却器13a和第二EGR冷却器13b因此可以紧靠内燃机1附近装配，或者装配在内燃机1上。返回管路10因此可以被制造的非常短和紧凑，从而废气在返回管路10中仅经历小的压力下降。返回管路10中小的压力下降对于下列问题是必须的，即能够实现低的燃料消耗，并且确保废气可以毫无问题地被引导到返回管路10中，并且与来自进气管的第二部分7b的压缩空气相混合。
进气空气冷却器8和冷却系统的散热器18因此设置在周围空气流动穿过其中的共同区域A中。区域A可以是位于车辆的前部处的区域，所述车辆由内燃机1驱动。进气空气冷却器8装配在散热器18的前面，以确保处于周围环境温度的空气流动穿过它并且冷却它。通过适合尺寸的进气空气冷却器8，进气空气冷却器8中的空气因此可以被冷却到与周围环境温度相接近的温度。使散热器18中的冷却剂冷却的空气因此获得了这样的温度，该温度某种程度上比周围环境高，但是它通常足以用于冷却散热器18中的冷却剂，因为对于散热器18中的冷却剂来说不需要被冷却到与周围环境温度相等的温度。进气管中的空气因此用于在第一EGR冷却器13a和第二EGR冷却器13b中冷却废气。进气管中的空气因此在到达进气空气冷却器之前获得了升高的温度。因此进气空气冷却器8需要某种程度上更强的性能以能够冷却掉这些额外的热量。
在增压式内燃机1的某些工作状态中，排气管3中的废气的压力因此低于来自进气管的第二部分7b的压缩空气的压力。例如通过所述文式管14，对于来自进气管的第二部分7b的静压，在通向返回管路10的连接部处可以被局部降低，从而废气可以被引导到进气管的第三部分7c中，并且与进气管的第三部分7c中的压缩空气相混合。废气和压缩空气的混合物之后通过歧管15被引导到柴油机1的各个气缸中。通过在EGR冷却器13a、13b中的这种两个步骤的冷却，因此对于装配有EGR的柴油机1可以具有这样的再循环废气，该再循环废气的温度基本与已经在进气空气冷却器8中被冷却之后的压缩空气的温度相对应。被引导到柴油机1的废气和压缩空气的混合物因此处于这样的温度，该温度基本与被引导到没有EGR的柴油机的压缩空气的温度相对应。本发明因此使得对于装配有EGR的柴油机可以具有与没有装配EGR的柴油机基本相对应的性能。
本发明绝不限制于参考附图描述的实施例，而是在权利要求的范围内可以自由变化。

Claims (10)

1.一种用于增压式内燃机(1)的废气再循环的装置，所述装置包括排气管(3)、进气管(7)、压缩机(5)、和返回管路(10)，所述排气管(3)用于将废气从内燃机(1)引导出来，进气管(7)用于将空气引导到内燃机(1)，压缩机(5)适用于将进气管(7)中的空气压缩至高于大气压，返回管路(10)将排气管(3)连接到进气管(7)，从而可以通过返回管路(10)将废气从排气管(3)再循环到进气管(7)，其特征在于，所述装置包括第一EGR冷却器(13a)，在所述第一EGR冷却器(13a)中，返回管路(10)中的再循环废气被进气管(7)的一部分(7b)中的空气冷却，所述部分(7b)相对于进气管(7)中空气流的方向位于压缩机(5)的下游。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括第二EGR冷却器(13b)，返回管路(10)中的再循环废气在所述第一EGR冷却器(13a)中被冷却之后，第二EGR冷却器(13b)适用于使所述返回管路(10)中的再循环废气经历第二冷却步骤。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述再循环废气适用于在第二EGR冷却器(13b)中被处于周围环境温度的介质冷却。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，返回管路(10)中的再循环废气适用于在第二EGR冷却器(13b)中被进气管(7)的一部分(7a)中的空气冷却，所述部分(7a)相对于进气管(7)中的空气流的方向位于压缩机(5)的上游。
5.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，被抽吸到进气管(7)中的空气是周围空气。
6.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括进气空气冷却器(8)，所述进气空气冷却器适用于冷却进气管(7)中的压缩空气。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，进气管(7)中的压缩空气适用于在进气空气冷却器(8)中被处于周围环境温度的介质冷却。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述介质是周围空气。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述进气空气冷却器(8)和用于内燃机冷却系统的散热器(18)装配在周围空气流动穿过其中的共同区域(A)中。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，进气空气冷却器(8)相对于周围空气流的方向装配在所述共同区域(A)中的散热器(18)的上游。
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