CN101503981B - 具有agr冷却器的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有AGR冷却器的内燃机。发明说明了一种使内燃机运行的方法以及一种内燃机，这内燃机具有一个燃烧室和一个排气系统，离开燃烧室的废气(10)可以引入此系统里，并且这排气系统具有一种废气再循环装置，借助于这装置可以使废气(10)至少部分地反馈至用于给燃烧室供给吸入空气(12)的燃烧空气输入装置(5)里，其中在废气再循环装置中设有一个热交换器单元(9)，用这单元可以从废气(10)中吸走热量。所述的方法以及对应装置的特征在于，设有一个压缩机单元(7)，它压缩这取自周围环境的吸入空气(11)并且还可以引导压缩的吸入空气(11)经过这设于废气再循环装置中的热交换器(9)。

Description

具有AGR冷却器的内燃机
技术领域
发明涉及一种使内燃发动机运行的方法以及一种内燃机，这内燃机具有一个燃烧室和一个排气系统，离开燃烧室的废气可以引入此系统里。排气系统具有一个废气再循环装置，借助此装置废气至少可以部分地反馈至用于给燃烧室供给吸入空气的燃烧空气输入装置里，其中在废气再循环装置中设有一个热交换器单元，用此单元可以从废气中吸走热量。
技术背景
一般已知的内燃机的排气系统具有废气再循环装置，通过这装置将离开了燃烧室的废气重新又输送给吸入空气。尤其是在汽车中已知有这样的具有废气再循环装置的排气系统。借助于废气再循环装置将这从内燃机里引出的废气经过相应的管路至少部分地输送给燃烧空气，从而提高了燃烧空气的焓。
在汽车技术中首先已知有用于加载的内燃机的废气再循环系统，在这些系统中由于摩损-和污染的原因在发动机和涡轮机之间取出废气并使之流过一个分开的废气再循环热交换器。冷却下来的废气流从流动技术来说在一个用于冷却吸入空气的增压空气冷却器之后又被输送给用于进行燃烧的燃烧空气。
因此例如由EP 1 843 033 A2已知了一种内燃机的排气设备，这种设备具有一种对应的废气再循环系统。在这废气再循环系统中设有一个热交换器单元，所谓AGR-冷却器，借助此冷却器从废气中吸走热量并将其输送给一个废气后处理系统。这里热交换器单元在废气侧这样来设计，从而使废气在离开内燃机的至少一个燃烧室之后具有的废气压力波动通过热交换单元而延续，从而借助于惯性阀门可以实现将再循环的废气吹入燃烧空气里。
发明内容
为了满足对于内燃机，尤其是汽车内燃发动机的废气量的不断提高的要求，基于已知的现有背景，发明的任务是改善对废气中所含热量的充分利用。这里尤其不应该用附加的冷却负荷对位于汽车里的通常的冷却系统(水冷装置)加载。此外用本发明应该确保：设备配置得以最优化，首先考虑到设计一种具有热回收的废气后处理系统。为此所要设计的部件除此之外应该可以方便地耦合于一种传统的内燃机，或者说集成组合在对应的发动机方案中。
发明的任务用一种按本发明的内燃机以及一种按本发明的方法来解决。内燃机具有燃烧室和排气系统，离开燃烧室的废气能够流入排气系统里而且排气系统具有废气再循环系统，借助于废气再循环系统废气至少能够部分地反馈至用于给燃烧室提供燃烧用空气的燃烧用空气输入装置里，其中在废气再循环系统里设有第一热交换器单元，用该第一热交换器单元能够从废气中吸走热能，其特征在于，设有压缩机单元，用压缩机单元将取自周围环境的吸入空气压缩并且压缩的吸入空气流在避开燃烧室的情况下首先流过设于废气再循环系统中的第一热交换器单元。在根据本发明的使内燃机运行的方法中，内燃机具有至少一个燃烧室，在此方法中离开燃烧室的废气被引入排气系统，使废气的至少一个分流通过废气再循环系统反馈入用于对燃烧室供给吸入空气的燃烧用空气输入装置，并且在这方法中在废气再循环系统中设有第一热交换器单元，借助于该第一热交换器单元从废气中吸出热能，其特征在于，从吸入空气里取出至少一个分空气流并将其压缩，而经压缩的吸入空气流在避开燃烧室的情况下首先流过这设于废气再循环系统中的第一热交换器单元，接着流过热耦合于排气系统的位于废气再循环系统之外的部位的单元。
因此按照本发明在废气再循环系统里设有热交换器单元，在这单元里可以将从废气里吸出的热量传输至一个空气流。这空气流，优先作为分空气流，它取自吸入空气并借助于一个通常设计成风扇叶轮的压缩机单元经过热交换器单元并接着流入一个位于废气再循环系统之外的排气系统范围里，而并不直接流入废气流里。备选地可以考虑直接从周围环境取得对于设在废气再循环系统中的空气-/废气热交换器来说必需的吸入空气并使之与对于燃烧来说必需的燃烧用空气分开导引。
用这种技术方案首先确保了：借助于一个在废气再循环系统中空气冷却的热交换器可以将热量排出，而并不对汽车的主冷却系统加载。除此之外利用经过压缩的并通过在废气再循环系统中的热交换器单元加热的吸入空气流，用于对这在排气系统中在废气再循环系统之外流动的废气，优选在它流入一个废气后处理系统之前，进行加热或者使排气系统的相应部位至少如此隔离开，从而阻止了在废气到达废气后处理系统之前过度强烈地冷却。这里重要的是：经压缩和加热的吸入空气流并不流过废气后处理系统。按此关系例如可以如下来达到隔离：将从空气冷却的热交换器单元里流出的加热过的空气在一个管中管系统(Rohr-in-Rohr-System)里沿一个排气管外流动。
备选地将这从空气冷却的热交换器单元里流出的空气直接排出至周围环境里或者在废气的流动方向上在一个废气后处理系统之后引入排气系统里。在后一种的情况下将在废气再循环系统的范围里所加热的吸入空气引入废气消声器里则是一种优选的实施形式。
用所述的技术方案，借助于一个附加的压缩机单元和一个热交换器单元在废气再循环系统中使位于废气再循环系统中的废气实现冷却，而在设计压缩机单元的尺寸大小时也不必考虑由于废气后处理系统的部件，例如象催化器和/或颗粒分离器所引起的流动损失。在压缩和加热的吸气流中所包含的热量因此被利用并最终在流动技术上避开废气后处理系统的情况下将空气流排出至周围环境。
发明的一种特别适合的改进设计方案规定：使压缩机单元的调节装置与其余的冷却循环的调节装置独立无关地进行设计。用压缩机单元可以使冷却空气流流过设在废气再循环系统中的热交换器单元，尤其是附加于和独立于其余的风扇地使压缩机单元运行，这些风扇例如与热交换器单元，例如象一个主冷却介质冷却器(必要时这冷却器具有一个高温部件和一个低温部件)，增压空气冷却器或一个空调设备的冷凝器连接起来使用。
通过压缩机单元使至少一个分空气流在通过吸入设备而吸入的吸入空气被压缩的情况下，并在避开燃烧室的情况下，输送到废气再循环系统里的热交换器单元。因此借助于所述的空气冷却的热交换器可以从废气再循环系统中的废气里吸走热量，而这并不对一个其余设于汽车里的冷却循环施加负载。
设置于排气系统的废气再循环系统中的热交换器单元在废气侧由离开内燃机的至少一个燃烧室的废气流的至少一个分流流过。这里在热交换器单元之内使废气流冷却，而吸入空气流则吸收了对应的热量，除了热交换器特有的损失之外。冷却的废气流或者说废气分流以适合的方式通过一个惯性阀门(Flatterventil)重新被输送给燃烧用空气输入装置。
不言而喻，按照本发明的技术方案，在这方案中在废气再循环系统中在离开燃烧室的废气和吸入空气之间进行热交换，这种方案可以与已知的，用来对内燃机增压的以及用来利用废气余热的系统耦合。那么一方面例如可以考虑将所述的系统与一种二级增压组合起来，在这二级增压中在第一又在第二压缩机级之后分别有用于冷却燃烧用空气或增压空气的热交换器单元位于燃烧用空气输入装置里。
另一方面按优选的方式，可以在废气再循环系统中并联或串联地设有第一和第二热交换器单元，其中在第一热交换器单元里，如前所述的那样，在废气和压缩的吸入空气之间进行热交换，而在第二个热交换器单元里则在废气和另外载热介质之间进行热交换。所述另外的载热介质在这种情况下有利地用于将抽取出的热量准备提供给其它的部件，尤其是一个用来利用汽车中余热的系统。二个设于废气再循环系统之内的热交换器单元优先为并联地分别由废气分流流过。
在发明的一种很特殊的实施形式中接于内燃机之后的排气系统的废气再循环系统具有二个并联的热交换器单元，其中第一热耦合于压缩的吸入空气的热交换器单元设计成小于第二热交换单元。第二热交换器单元的冷却功率设计成大于第一的热交换单元，这第二热交换器单元优选在背离废气的一侧由一种液体的或者至少部分为蒸气状的载热介质流过。借助于这种载热介质将这从废气里吸出的热量例如提供给一个废气后处理系统使用。
在此较小意味着：总共流过废气再循环系统的废气的体积流优选被不均匀地分配在废气再循环系统中的二个热交换单元上，其中二个体积流中的较小的体积流被导引通过热耦合于吸入空气上的热交换单元。此处更为有利地设计二个热交换单元，从而在冷却的废气重新流入燃烧用空气输入装置之前，使流过废气再循环系统的废气流或废气分流冷却到大约170℃的温度。
在本发明的另外一种特别的实施形式中将压缩的，在废气再循环系统的空气冷却的热交换器单元里加热的空气输送给另外的热交换器单元。发明的一种特殊改进设计方案规定了：另外的热交换器单元是集成在发动机冷却系统里的热交换器。按此方式可以以比较简单的形式使发动机冷却系统减荷。在一种这样的技术方案中因此可以考虑，应用从周围环境吸入的并至少部分地压缩的空气，用于排出在发动机冷却系统的一个冷凝器里产生的热量。也可以考虑使一种这样的空气冷却的热交换器与一个至少具有一个低温回路和高温回路的发动机冷却系统组合起来。
通过一个由吸入空气的一个分空气流流过的热交换器单元从废气再循环系统里的废气流里取出并被传输至吸入空气的热量优选被引入排气系统里，从而热量在一个废气后处理系统中可以加以利用。采用所设计的在废气再循环系统中的热交换单元因此以优选的方式将至少一部分吸入空气加热，并送入排气系统中，从而使热量传到一个废气后处理系统的设备部件上。按优选的方式在一个废气后处理系统中利用了这热量，其方式是使催化器、分离器和/或过滤器加热并且尤其是利用了这从废气里借助于热交换至一种压缩的分空气流上而取出的热量用于颗粒分离器的热再生。一种颗粒分离器在一种优选的实施形式中可以是一种颗粒过滤器。
就利用这从废气再循环系统中的废气流里取出的，用于使颗粒分离器和/或颗粒过滤器热再生的热量而言，特别适合的是：设计在吸空气侧接于热交换器单元前的压缩机单元，从而由这压缩机单元引起的吸入空气的压力升高补偿了由于热再生引起的压力损失。
由于在废气再循环系统中设计了一个附加的热交换器单元，它并不耦合于通常的冷却系统，因此可以以优选的方式在废气后处理的范围里使温度升高，以便加大这颗粒分离器的再生所必需要的间隔。这又提高了废气后处理系统的效率，因为在系统的整个运行时间上加以考察的话，压力损失减小了。除此之外所述的热交换器单元确保了：从废气里取出热量，这热量不必通过主冷却系统，尤其是汽车的冷却系统被排出。这首先就通常设计的水冷却器的冷却负荷而言实现了减荷。
同样也可以考虑，利用这在废气再循环系统中加热的空气用于隔离在废气后处理系统部位里的管路。加热的空气这里在一个外管里流动，这外管布置在真正的废气管周围。备选地可以使这在废气再循环系统里设有热交换器单元之内加热过的空气直接排出至周围环境或者在废气消声器部位里流入排气系统里。
在本发明的一种很特殊的实施形式中将这接于被吸入空气流过的热交换器单元之前的压缩机单元集成于用来给内燃机提供燃烧用空气的吸入设备里。这里优选设有一种调节配件，这种调节配件将压缩的吸入空气流分成第一和第二吸入空气分流。从这些压缩的分流中取决于运行的状态将所述一个分流输送给设于废气再循环系统中的热交换器单元，而第二吸入空气分流则流入内燃机的燃烧用空气输入装置里。按此关系压缩机单元的功能一方面在于：这种单元在起动阶段用作为内燃机的加速辅助装置，因为在内燃机的吸入循环中有附加的空气供使用，而另一方面，通过这附加提供的空气量即使在制动情况下也实现发动机制动器的较高的制动功率。
除了一种具有排气系统的相应的废气再循环系统的内燃机之外本发明也涉及一种使相应的内燃机运行的方法。按照本发明的方法将离开燃烧室的废气引入排气系统中，至少使废气的一个分流经过废气再循环系统反馈至一个燃烧用空气输入装置里，该装置设计用于给燃烧室供给吸入空气，并在此方法中在废气再循环系统中设有一个热交换单元，借助于热交换单元从废气中吸走热能，其特征在于，从吸入空气中取出一分空气流以及将其压缩，并接着使其流过一个设于废气再循环系统中的热交换单元。紧接于流过废气再循环系统中的热交换单元使压缩的并自此加热了的吸入空气流流入周围环境或者有选择地在一个废气后处理系统之前或之后流入排气系统里。
在本发明的一种特殊的实施形式中借助于一个调节机构将压缩了的吸入空气流分成二个分空气流，它们被有选择地输送给废气再循环系统中的空气冷却的热交换单元和/或内燃机的燃烧用空气输入装置。
在本发明的一种特殊实施形式中这方法的特征在于，使压缩的空气分流在一个0至5s的，优选为1至2s的时间间隔中，按照内燃机的结构型式仅流入到燃烧用空气输入装置里。通过这种短时间地吹入附加的压缩空气到燃烧用空气输入装置里，以优选的方式在内燃机的起动阶段期间引起加速辅助。在这起动阶段结束之后，这就是说在大约5秒钟之后，优选在2秒钟之后接着这运行起动使压缩的空气不再输送给燃烧用空气输入装置了，而且输送给一个设于内燃机的废气再循环系统中的热交换单元，在那里使其加热并接着流入排气系统里，以便在那里可以利用从废气里取出的热量。
按照本发明的方法的另一种设计方案规定：流过这设于废气再循环系统中的热交换单元的，经压缩和加热的分空气流被输送给废气后处理系统的至少一个设备部件。优选将这提供给废气后处理系统使用的热量用于颗粒分离器和/或颗粒过滤器的热再生。
所规定的方法特别地适合的是，附加地在废气再循环系统的至少另一个位置上从废气里取出热量。
所述的热交换器单元或者说所述的方法，在这方法中从吸入空气中取出一个分空气流，将这分空气流压缩并最后在废气再循环系统中的一个热交换单元里借助于取自于废气的热量加热，这所述的单元或方法尤其适合于组合或集成于在废气再循环系统中已经具有一个热交换单元的系统里。
以下根据一个实施例参考附图对发明进行详细说明，并不限制总的发明思路。
附图说明
附图表示一种热力学连接图。
具体实施方式
在这个图中简略表示出了具有集成的废气再循环和废气后处理装置的商用车的一种二级增压内燃机的连接。一种这样的系统按适合的设计可以满足按“欧6”规定的废气量。
从周围环境在周围情况下取出吸入空气并在吸入空气流入到内燃机的燃烧空气输入装置的吸入弯管5之前被输送给一个低压压缩级1、一个中间冷却器2以及一个高压压缩机单元3和一个主增压空气冷却器。由于设有一个文丘里喷嘴6大大提高了吸入空气的流动速度，之后在这吸入空气进入吸入弯管5的部位里。
此外从简图可见，从吸入空气里还在低压压缩单元1之前取出一个分空气流，它又被输送给一个压缩机单元7。压缩机单元7从流动技术上说在其后面接有一个设计成阀瓣形式的调节附件8，从而在这位置上可以将这取自吸入空气的分空气流又分开。
在第一运行阶段(它与内燃机的运行起动吻合并持续1-2秒钟)，此时从吸入空气中取出一个分空气流，借助于压缩机单元7将其压缩并接通调节附件8，从而使压缩的分空气流附加于其余的吸入空气到达吸气弯管5里。按此方式为内燃机的燃烧室附带提供压缩空气供使用。按此方式在内燃机起动阶段实现了一种附加的加速辅助装置。
一旦内燃机的起动阶段结束了，那就使调节附件8转换，从而取自于吸入空气的分空气流借助于压缩机单元7被压缩并最终流入位于内燃机的废气再循环系统之内的第一热交换单元9里。在这第一热交换单元9里在一个离开内燃机的废气流或废气分流10和吸入空气12的压缩的分空气流11之间进行传热交换。在这里使废气冷却并将分空气流11加热。加热的分空气流11接着被输送给一个废气后处理系统13。由于使一种这样加热过的空气流流入了废气后处理系统13，因此在这位置上发生了对相应的废气后处理部件的加热。通过这种附加的加热可以使温度水平，尤其是在废气后处理系统13之内的一个颗粒分离器里的温度水平保持在一个比较来说高的水平上。这种温度水平的提高又造成了：对于热再生所必需的间隔相对通常的系统来说可以被加长。
附图所示系统的特征在于，由废气中取出的废气分流10在废气再循环中借助于二个热交换器单元从大约为600℃的温度被冷却到170℃。在这里二个设于废气再循环中的热交换器单元9，14从流动技术上说为并联连接。借助于第一热交换器9从废气分流10中取出的热量如前所述那样被传输至吸入空气的一个压缩的分空气流11上。而在第二个热交换单元14里使废气冷却并使另一种载热介质加热，这种载热介质优先是另一种水-乙二醇混合物。离开废气再循环系统的二个热交换单元9，14的冷却的废气流合流并在高压压缩机单元3和增压空气主冷却器4之间重新被输送给燃烧空气输入装置。
在废气再循环系统之内设热交换单元9，它并不耦合于其余设在汽车里的冷却系统之一上，这一方面可以排出和利用取自废气的热量，而不会对通常的冷却系统形成加载，而另一方面通过与一个附加的压缩机单元7(推进器)相组合为内燃机的起动过程提供一种附加的加速辅助手段。
标号表
1.低压压缩机
2.中间冷却器
3.高压压缩机
4.增压空气主冷却器
5.燃烧用空气输入装置的吸气弯头
6.喷咀
7.压缩机单元
8.调节附件
9.吸入空气流过的热交换单元
10.废气
11.吸入空气的压缩分空气流
12.吸入空气
13.废气后处理系统
14.第二个热交换器单元

Claims (19)

1.内燃机，具有燃烧室和排气系统，离开燃烧室的废气(10)能够流入排气系统里而且排气系统具有废气再循环系统，借助于废气再循环系统废气(10)至少能够部分地反馈至用于给燃烧室提供燃烧用空气(12)的燃烧用空气输入装置(5)里，其中在废气再循环系统里设有第一热交换器单元(9)，用该第一热交换器单元能够从废气(10)中吸走热能，其特征在于，设有压缩机单元(7)，用压缩机单元将取自周围环境的吸入空气压缩并且压缩的吸入空气流(11)在避开燃烧室的情况下首先流过设于废气再循环系统中的第一热交换器单元(9)。
2.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在废气再循环系统中设有至少一个能够被压缩的吸入空气流流过的第二热交换器单元。
3.按权利要求2所述的内燃机，其特征在于，所述第二热交换器单元并行于设于废气再循环系统中的第一热交换器单元(9)地能够被压缩的吸入空气流过。
4.按权利要求1至3中之一所述的内燃机，其特征在于，取自周围环境的并且被压缩的吸入空气的分空气流被输送给流体上接入在发动机冷却回路里的分开的热交换器单元。
5.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，压缩的吸入空气流在流过第一热交换器单元(9)之后能够流过废气热交换器，该废气热交换器与排气系统的位于废气再循环系统之外的部位热接触。
6.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，设有调节机构，借助于调节机构能够将取自周围环境的空气流分成燃烧用空气流和吸入空气流。
7.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，压缩机单元(7)通过内燃机启动器的启动齿轮被驱动。
8.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，压缩机单元(7)通过齿轮-和/或皮带驱动装置被驱动。
9.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在排气系统的废气再循环系统里设有第一和第二热交换器单元(9，14)，它们流体上并联，并且其中只是第一热交换器单元(9)能够被用压缩的吸入空气流(11)供给。
10.按权利要求9所述的内燃机，其特征在于，第二热交换器单元(14)的冷却功率，就废气的冷却来说，要大于第一热交换器单元(9)的冷却功率。
11.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，第一热交换器单元(9)设计成管中管-热交换器。
12.按权利要求11所述的内燃机，其特征在于，布置管中管热交换器，从而来自设于废气再循环系统中的第一热交换器单元(9)的压缩的吸入空气流(11)能够流过管中管热交换器的外管。
13.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，压缩的吸入空气在离开第一热交换器单元(9)之后能够流入到排气系统里。
14.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，压缩的吸入空气在离开第一热交换器单元(9)之后能够流入周围环境。
15.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，压缩的吸入空气在离开第一热交换器单元(9)之后在流动方向上在废气后处理单元之前能够流入排气系统里。
16.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，压缩的吸入空气在离开第一热交换器单元(9)之后在废气消声器部位里能够流入排气系统里。
17.按权利要求1所述的内燃机，其特征在于，在排气系统的废气再循环系统中设有第一和第二热交换器单元(9，14)，其在流体上串联且其中仅能够给两个热交换器单元(9，14)中的一个供应压缩的吸入空气流(11)。
18.使内燃机运行的方法，内燃机具有至少一个燃烧室，在此方法中离开燃烧室的废气(10)被引入排气系统，使废气的至少一个分流通过废气再循环系统反馈入用于对燃烧室供给吸入空气(12)的燃烧用空气输入装置(5)，并且在这方法中在废气再循环系统中设有第一热交换器单元(9)，借助于该第一热交换器单元从废气中吸出热能，其特征在于，从吸入空气(12)里取出至少一个分空气流并将其压缩，而经压缩的吸入空气流(11)在避开燃烧室的情况下首先流过这设于废气再循环系统中的第一热交换器单元(9)，接着流过热耦合于排气系统的位于废气再循环系统之外的部位的单元。
19.按权利要求18所述的方法，其特征在于，来自这流过设置在废气再循环系统中的第一热交换器单元(9)的压缩和加热过的吸入空气流(11)的热量被传输至废气后处理系统(13)的至少一个部件上。
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