CN101413466B - 具有多个egr冷却器的egr冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有多个EGR冷却器的EGR冷却系统。该EGR冷却系统包括配置为将EGR冷却至多个连续降低的温度的多个EGR冷却器，其中多个EGR冷却器中的至少一个是包括用于消散EGR中的热量的多个通道的带散热片的EGR冷却器，多个通道可增加热传递表面积同时具有足以避免阻塞的散热片间距。该EGR冷却系统还包括配置为去除EGR中的微粒物质和/或碳氢化合物的催化剂，该催化剂位于多个EGR冷却器中的至少一个的上游。本发明的EGR冷却系统可以满足高负荷发动机的EGR冷却要求而不显著增加EGR冷却系统的尺寸且可以减少EGR污脏。

Description

具有多个EGR冷却器的EGR冷却系统
技术领域
本发明涉及发动机的EGR冷却系统，具体涉及具有多个EGR冷却器的EGR冷却系统。
背景技术
排气再循环(EGR)通常在内燃发动机中用于NOx排放控制。若不进行冷却，EGR会使进气温度升至高于对发动机操作产生负面影响的水平。作为处理该问题的一种方式，使用发动机冷却剂作为低温介质的EGR冷却器被用于降低EGR气体温度。
一些柴油发动机由于满足NOx排放需要大量EGR因而具有较高的EGR冷却要求。在这样的发动机中，单独使用发动机冷却剂来冷却EGR或者是不足的，或者需要使用特别大的EGR冷却器，这会超出发动机舱内可用的装配空间。作为一种选择，可以在标准尺寸的EGR冷却器基础上随附使用以较低温度的催化剂进一步冷却EGR的附加EGR冷却器。然而，上述方案的一个问题是：当EGR由附加EGR冷却器冷却至较低温度时，有更多碳氢化合物和蒸气沉积或凝结，较低温度的EGR冷却器内部可能产生污脏(fouling)。
发明内容
为了至少部分地解决向发动机提供足够冷却同时避免EGR污脏的问题，提供一种EGR冷却系统。该EGR冷却系统包括配置为将EGR冷却至多个连续降低的温度的多个EGR冷却器，其中多个EGR冷却器中的至少一个是包括用于消散EGR中的热量的多个通道的带散热片的EGR冷却器，多个通道可增加热传递表面积同时具有足以避免阻塞的散热片间距。该EGR冷却系统还包括配置为去除EGR中的微粒物质和/或碳氢化合物的催化剂，该催化剂位于多个EGR冷却器中的至少一个的上游。
以此方式，发动机可以提供高水平的EGR冷却，同时解决EGR污脏和发动机装配的问题。具体来说，通过提供将EGR冷却至连续降低的温度的多个EGR冷却器，可以满足高负荷发动机的EGR冷却要求而不显著增加EGR冷却系统的尺寸。此外，通过将催化剂定位在多个EGR冷却器中的至少一个的上游，可以减少EGR污脏。类似地，通过使用具有适当的散热片间距的EGR冷却器，可以增加EGR冷却器装配空间内的热传递表面积并进一步增加进入冷却剂的热消散但避免由于碳氢化合物沉积物累积造成的阻塞。
附图说明
图1示出配置为满足较高的EGR冷却要求并减少EGR污脏的示例EGR冷却系统。
图2示出配置为满足较高的EGR冷却要求并减少EGR污脏的另一个示例EGR冷却系统，所示EGR冷却系统的EGR冷却器是具有散热片结构的带散热片的EGR冷却器。
图3是示出用于冷却EGR的方法的高级流程图。
具体实施方式
图1示出配置为满足可在宽范围的发动机负荷下操作的发动机，如涡轮增压柴油发动机的EGR冷却要求同时减少EGR污脏的示例EGR冷却系统100。
系统100可以包括连接到进气系统104和排气系统106的发动机102。发动机102可以是各种类型的内燃发动机，如柴油发动机、汽油发动机，及燃烧替代燃料，如生物燃料和乙醇的发动机，或其组合。
进气系统104可以包括连接到进气歧管110的进气道108，进气歧管110进而连接到发动机102。排气系统106可以包括连接到排气歧管114的排气道112，排气歧管114进而连接到发动机102。
EGR冷却系统100可以包括用于使排气道112中的排气作为EGR分流的EGR阀116，及用于混合EGR与进气的EGR混合器118。EGR冷却系统100可以包括配置为去除EGR中的微粒物质和/或碳氢化合物的催化剂120。
EGR冷却系统100还可以包括冷却流路122，其中包括用于冷却EGR的第一EGR冷却器124和第二EGR冷却器126，用于绕过第一EGR冷却器124和第二EGR冷却器126的EGR冷却器旁路128，及用于控制流经冷却流路122和/或EGR冷却器旁路128的EGR的量的EGR冷却器旁路阀130。
第一EGR冷却器124可以连接到发动机冷却剂回路132并由发动机冷却剂回路132中的发动机冷却剂冷却。发动机冷却剂回路132可以包括发动机冷却剂储存器、发动机冷却剂泵、发动机冷却剂回路散热器，及一个或多个恒温器。
第二EGR冷却器126可以连接到辅助冷却剂回路134并由辅助冷却剂回路134中温度低于发动机冷却剂回路132中的发动机冷却剂温度的冷却剂冷却。辅助冷却剂回路134可以是独立于发动机冷却剂回路的单独的冷却剂回路并可以包括独立于发动机冷却剂回路的其自身的冷却剂储存器、冷却剂泵及一个或多个恒温器。然而，辅助冷却剂回路134也可以使用一个或多个与发动机冷却剂回路共用的部件，如储存器、散热器、散热器气流等。在一些示例中，辅助冷却剂回路134可以包括水冷空气进气冷却器(water-to-air charge air cooler)。
第一EGR冷却器124可以配置为例如使用温度约为95℃的发动机冷却剂将EGR冷却至较高的温度。第二EGR冷却器126可以配置为例如使用温度约为45℃的冷却剂将EGR冷却至较低的温度。从而与只使用以发动机冷却剂工作的第一EGR冷却器124相比，使用第二EGR冷却器126允许EGR达到更低的温度，例如约比前者低50℃。应注意，上述温度只是一组示例温度，冷却剂温度可以根据工况改变。
在一些示例中，第一EGR冷却器124可以配置为消散EGR中约80％的热能，第二EGR冷却器126可以配置为消散EGR中约20％的热能。因此使用第一EGR冷却器124有助于减少第二EGR冷却器126的超负荷(overtaxing)。
第一EGR冷却器124和第二EGR冷却器126可以是带散热片的EGR冷却器，每个EGR冷却器包括散热片结构。每个散热片结构可以包括可增加热传递表面积但具有足以避免阻塞的散热片间距的多个通道，阻塞可能由微粒物质和碳氢化合物的沉积造成。例如，带散热片的EGR冷却器可以具有大于等于2.5mm的散热片间距。带散热片的EGR冷却器的散热片形状可以是连续和平滑的，并具有在相邻的通道之间阻止气流连通的封闭通道。
EGR冷却系统100还可以包括各种传感器，如位于EGR冷却系统100中的各个位置上并用于检测EGR冷却系统100的各个位置处的温度或压力的温度传感器或压力传感器。此外，EGR冷却系统100中可以包括各种气体流率传感器，用于在各个位置处检测气体的流率，如排气流率、EGR流率和进气流率。
EGR冷却系统100可以包括连接EGR冷却系统100的各种部件的各种通道。例如，EGR冷却系统100可以包括连接排气道112到催化剂120的通道136A，连接催化剂120到EGR旁路阀130的通道136B，及连接EGR冷却器旁路128和冷却流路122到进气道108的通道136C。
可以配置EGR冷却系统以使一部分排气从排气道112中作为EGR分流并进行再循环。作为EGR分流的排气的量或比例可以由发动机控制单元(CU)138基于如发动机转速、发动机负荷等多个发动机工况确定。作为EGR分流的排气量可以由发动机控制单元138通过EGR阀116控制。
EGR可以经通道136A从排气道112传输到催化剂120以去除EGR中的微粒物质和/或碳氢化合物并产生洁净的EGR气流。洁净的EGR可以经通道136B传输到EGR旁路阀130。洁净的EGR可以从EGR旁路阀130沿冷却流路122传输以由第一EGR冷却器124和第二EGR冷却器126冷却，然后经通道136C进入进气道108。或者，洁净的EGR可以绕过第一EGR冷却器124和第二EGR冷却器126沿EGR冷却器旁路128传输，然后经通道136C进入进气道。EGR冷却器旁路阀130可以控制沿EGR旁路128传输的EGR的量和/或沿冷却流路122传输的EGR的量。沿冷却流路122和/或EGR冷却器旁路128传输的EGR的量可以由发动机控制单元138基于EGR冷却要求确定。EGR冷却要求可以基于再循环回发动机进气道的EGR的总量确定，该总量亦由控制单元138确定。
控制单元138可以是发动机控制单元或可以是独立于发动机控制单元的单元。控制单元138可以连接到各种传感器140，以接收来自EGR冷却系统100的各种部件和发动机系统的各种部件的信号。例如，控制单元138可以从EGR冷却系统100中的各种温度传感器接收指示检测到的温度的各种信号，如排气道中的排气温度、由EGR冷却器冷却的部分EGR和绕过EGR冷却器的部分EGR混合之后但在进入进气道之前的EGR温度，进气道108中的进气的进气温度。控制单元138还可以接收来自EGR冷却系统100中的各种压力传感器的各种指示检测到的压力的信号和来自各种阀，如EGR阀116和EGR旁路阀130的各种指示阀位置的信号。
控制单元138可以连接到用于控制EGR冷却系统100中的各种部件和发动机系统中的各种部件的操作的各种执行器142。例如，控制单元138可以控制EGR系统中的各种阀的操作，如控制一部分排气作为EGR分流的EGR阀116的操作，控制EGR冷却器旁路阀130的操作，阀130控制由多个第一EGR冷却器和第二EGR冷却器冷却的EGR的量和绕过第一EGR冷却器和第二EGR冷却器的EGR的量。
催化剂120可以是配置为去除EGR中的碳氢化合物的各种排气处理系统。例如，可以是捕集和氧化EGR中的碳氢化合物的自动再生催化微粒过滤器。
还可以提供位于EGR冷却系统中的各种位置的多个催化剂以去除EGR中的微粒物质和/或碳氢化合物。例如，可以在第一EGR冷却器124和第二EGR冷却器126之间提供附加催化剂120。
EGR中的微粒物质和/或碳氢化合物在EGR冷却器内沉积的程度会受EGR冷却器的冷却温度影响。与将EGR冷却至较高温度的较高温度EGR冷却器相比，将EGR冷却至较低温度的较低温度EGR冷却器会具有更加明显的微粒物质和/或碳氢化合物沉积。因此，虽然在该示例中催化剂120位于所有EGR冷却器的上游，但可以将催化剂120定位在较高温度EGR冷却器，如第一EGR冷却器124的下游和较低温度EGR冷却器，如第二EGR冷却器126的上游。第一EGR冷却器124可能没有显著的EGR中的沉积是因为其较高的冷却温度，但是第二EGR冷却器126可能经历EGR中的碳氢化合物的显著沉积，这是因为其较低的冷却温度。
虽然在该示例中只提供了两个EGR冷却器，但在其他示例中可以提供两个以上EGR冷却器。此外，虽然EGR冷却器在该示例中串联排列，但在其他示例中，EGR冷却器可以相对于彼此串联排列、并联排列，或为串联排列和并联排列的组合。
虽然在该示例中提供一个EGR冷却器旁路128，但可以提供多个EGR冷却器旁路，允许EGR绕过一个或多个EGR冷却器。
通过提供将EGR冷却至连续降低的温度的多个EGR冷却器，可以满足高负荷发动机的较高的EGR冷却要求而不显著增加EGR冷却系统的大小/装配尺寸。
排气通常含有未燃烧的碳氢化合物，当EGR冷却至较低温度时未燃烧的碳氢化合物会沉积在EGR冷却器中。碳氢化合物在EGR冷却器内的沉积会降低EGR冷却器的效率并造成污脏。通过提供配置为去除EGR中的碳氢化合物的催化剂，当催化剂在其预期的工作温度范围工作时，至少位于较低温度EGR冷却器上游的催化剂至少在特定的发动机工况下可以消除或减少EGR污脏。
相反，如果较高温度EGR冷却器是串联的第一EGR冷却器，由于较高入口温度和较高的热迁移(thermophoresis)或较快的热消散，排气中的微粒更可能沉积在该EGR冷却器中。在该情况下，适合将催化剂(如，微粒过滤器)定位在具有最热的入口气体温度的第一EGR冷却器之前。
通过使带散热片的EGR冷却器具有适当的散热片间距，可以对于给定的装配空间扩大热传递表面积从而得到增加的热消散速率。此外，这样的配置可以避免微粒物质和/或碳氢化合物的沉积造成的阻塞，特别是在微粒过滤器满载并需要再生时，或在催化剂未完全预热且未有效氧化碳氢化合物时。
图2示出配置为满足较高的EGR冷却要求同时减少EGR污脏的另一个示例EGR冷却系统200。EGR催化剂202如图所示位于发动机的排气道204中，并位于第一EGR冷却器206和第二EGR冷却器208上游。催化剂202可以配置为去除EGR中的微粒物质和/或碳氢化合物。第一EGR冷却器206和第二EGR冷却器208如图所示集成为单一的EGR冷却单元210。EGR冷却单元210如图所示包括用于使一部分排气作为EGR分流以再循环到发动机进气道中的EGR阀212，及允许一部分EGR在控制下绕过第一EGR冷却器206和第二EGR冷却器208的EGR冷却器旁路阀230。
第一EGR冷却器206和第二EGR冷却器208如图所示为带散热片的EGR冷却器，每个EGR冷却器包括散热片结构，散热片结构具有用于消散来自EGR的热量的多个通道214，多个通道214具有足以避免阻塞的散热片间距，阻塞可能是微粒物质和/或碳氢化合物在EGR冷却器中沉积的结果。例如，散热片结构的散热片间距可以在直径上大于或等于2.5mm，散热片结构的散热片形状可以是连续和平滑的，散热片结构还具有在给定的散热片结构的相邻通道之间阻止气流连通的封闭通道。
第一EGR冷却器206如图所示连接到发动机冷却剂回路216，发动机冷却剂回路216包括发动机冷却剂回路散热器218、发动机冷却剂泵220，及恒温器(未示出)。第一EGR冷却器206由在发动机冷却剂回路216中循环的冷却剂冷却。
第二EGR冷却器208如图所示连接到水冷空气进气冷却器冷却剂回路222，水冷空气进气冷却器冷却剂回路222包括进气冷却器散热器224、进气冷却器冷却剂泵226，及恒温器(未示出)。第二EGR冷却器208由在进气冷却器冷却剂回路222中循环的冷却剂冷却。
EGR首先流经催化剂202以去除碳氢化合物并产生洁净的EGR。首先例如在第一EGR冷却器206中使用温度约为95℃的发动机冷却剂将洁净的EGR冷却至第一温度。然后例如在第二EGR冷却器208中使用温度约为45℃的冷却剂将洁净的EGR冷却至第二温度。然后冷却至控制温度的EGR在EGR混合器(未示出)处与进气混合。或者，EGR可以直接进入进气歧管而不经过混合器。
下面在流程图中描述的具体例程可以表示任何数量的处理策略中的一种或多种，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所示的各个步骤、操作或功能可以按所示的顺序执行，并行执行，或在某些情况下省略。类似地，处理的顺序不是实现本文中所述的示例实施例的特征和优点所必需，而是为便于演示和说明而提供。取决于所使用的具体策略，可以重复执行所示步骤或功能中的一个或多个。此外，所述步骤可以在图形上表示编程到发动机控制系统中的计算机可读存储媒体中的代码。
图3示出可实现在图1和图2所示EGR冷却系统中的用于冷却发动机的EGR的示例例程的高级流程图。
典型地在402，例程基于例如多个发动机工况，如发动机转速和发动机负荷，确定作为EGR再循环回发动机的进气道的排气的总量(EGR总)。
在404，例程基于例如402处确定的EGR总和位于排气道中的排气温度传感器检测到的排气温度(TEMP排气)，确定EGR的总的冷却要求(D总)。
在406，例程基于例如404处确定的D总，确定由多个EGR冷却器冷却的EGR(EGR冷却)的比例和通过多个EGR冷却器旁路绕过多个EGR冷却器的EGR(EGR旁路)的比例。
在408，例程可以通过例如控制EGR阀的操作，使等于或基本上等于EGR总的一部分排气作为EGR分流以再循环回发动机的进气道。
在410，例程可以使EGR流经一个或多个催化剂以去除造成EGR污脏的微粒物质和/或碳氢化合物。
在412，例程可以使等于或基本上等于EGR冷却的一部分EGR流经多个EGR冷却器以产生冷却的EGR并使等于或基本上等于EGR旁路的一部分EGR流经多个EGR冷却器旁路以产生未冷却的EGR。
在一些示例中，多个EGR冷却器可以包括配置为使用例如温度约为95℃的发动机冷却剂将EGR冷却至第一温度的第一EGR冷却器，及配置为使用例如温度约为45℃的冷却剂将EGR冷却至第二温度的第二EGR冷却器，第一温度高于第二温度，在一些示例中，第一温度比第二温度约高出50℃。
在一些示例中，例程可以确定要流经多个EGR冷却器中的每个和多个EGR冷却器旁路中的每个的EGR的比例。
多个EGR冷却器中的一个或多个可以是带散热片的EGR冷却器，该EGR冷却器具有可增加热传递表面积的散热片结构。带散热片的EGR冷却器可以具有足够的散热片间距以在微粒过滤器(若使用)满载和需要再生时或在催化剂(若使用)未预热且未有效氧化碳氢化合物时，不受微粒物质和碳氢化合物沉积的影响。带散热片的EGR冷却器的散热片间距可以大于或等于2.5mm。带散热片的EGR冷却器的散热片形状可以是连续和平滑的，还可以具有在相邻的通道之间阻止气体流动连通的封闭通道。
在一些示例中，因为较低温度EGR冷却器将EGR冷却至足够低的温度从而微粒物质和/或碳氢化合物可能发生显著沉积，例程可以只在较低温度EGR冷却器之前使EGR流经催化剂中的一个或多个以去除微粒物质和或碳氢化合物。
在414，例程合并由多个EGR冷却器冷却产生的冷却的EGR和流经多个EGR冷却器旁路的未冷却的EGR以产生合并的EGR。
本申请的权利要求特别指出视为新颖和非显而易见的特定组合及子组合。这些权利要求可能引用“一个”元素或“第一”元素或其等价。这样的权利要求应被理解为包括对一个或一个以上这样的元素的结合，而不是要求或排除两个或两个以上这样的元素。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合及子组合可以通过本申请权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来请求保护。这样的权利要求，无论是在范围上比原始权利要求更宽、更窄、等价或不同，都应被视为包括在本申请的主题之内。

Claims (10)

1.一种用于冷却发动机的EGR的EGR冷却系统，包括：
配置为将EGR冷却至多个连续降低的温度的多个EGR冷却器，所述多个EGR冷却器包括将EGR冷却至第一温度的第一EGR冷却器及将EGR冷却至第二温度的第二EGR冷却器，所述第一EGR冷却器由发动机冷却剂回路中的发动机冷却剂冷却，所述第二EGR冷却器由辅助冷却器中的冷却剂冷却，其中多个EGR冷却器中的至少一个是包括用于消散EGR中的热量的多个通道的带散热片的EGR冷却器，所述多个通道可增加热传递表面积同时具有足以避免阻塞的散热片间距；及
配置为去除EGR中的微粒物质和/或碳氢化合物的催化剂，所述催化剂位于多个EGR冷却器中的至少一个的上游。
2.如权利要求1所述的EGR冷却系统，其特征在于，所述第一温度高于所述第二温度，所述第一EGR冷却器在EGR的路径中定位在所述第二EGR冷却器上游。
3.如权利要求2所述的EGR冷却系统，其特征在于，所述辅助冷却器是水冷空气进气冷却器，第一EGR冷却器使用温度为95℃的发动机冷却剂冷却EGR，第二EGR冷却器使用温度为45℃的冷却剂冷却EGR。
4.如权利要求1所述的EGR冷却系统，其特征在于，所述第一EGR冷却器和第二EGR冷却器中的每个是包括用于消散EGR中的热量的多个通道的带散热片的EGR冷却器，所述多个通道具有大于等于2.5mm的散热片间距及连续和平滑的散热片形状，并具有在相邻通道之间阻止气流连通的封闭通道。
5.如权利要求1所述的EGR冷却系统，其特征在于，所述第一EGR冷却器和第二EGR冷却器集成为集成的EGR冷却单元。
6.如权利要求1所述的EGR冷却系统，其特征在于，所述催化剂包括自动再生催化微粒过滤器。
7.如权利要求6所述的EGR冷却系统，其特征在于，所述自动再生催化微粒过滤器位于多个EGR冷却器的每个的上游。
8.如权利要求1所述的EGR冷却系统，其特征在于，还包括用于使EGR绕过多个EGR冷却器中的一个或多个的EGR冷却器旁路。
9.一种用于发动机的EGR冷却系统，包括：
水冷空气进气冷却器；
具有第一冷却剂的发动机冷却剂回路，第一冷却剂循环通过发动机；
具有第二冷却剂的辅助冷却剂回路，第二冷却剂也循环通过所述水冷空气进气冷却器；
包括连接到发动机冷却剂回路的第一EGR冷却器和连接到辅助冷却剂回路的第二EGR冷却器的集成的EGR冷却单元；
用于绕过集成的EGR冷却单元的EGR冷却器旁路；及
配置为捕集EGR中的微粒物质和/或氧化EGR中的碳氢化合物的催化剂，所述催化剂位于集成的EGR冷却单元的上游和EGR冷却器旁路的上游。
10.如权利要求9所述的EGR冷却系统，其特征在于，所述发动机冷却剂回路中的第一冷却剂独立于辅助冷却剂回路中的第二冷却剂。
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