CN101542100A - 具有全范围能力的低压废气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于发动机(100)的废气处理系统(102)。该废气处理系统可以具有进气管路(112)、排气管路(114)和废气再循环管路(116)。进气管路可被构造成将空气引入到发动机中。排气管路可被构造成从发动机引导废气，并包括由废气驱动的涡轮(128)、与涡轮串联设置并位于涡轮的下游的颗粒过滤器(134)，以及与颗粒过滤器串联设置并位于颗粒过滤器下游的催化装置(136)。废气再循环管路被构造成将来自颗粒过滤器和催化装置之间的废气的至少一部分选择性地重新引导到进气管路。选择催化装置以在排气管路中形成背压，该背压足以确保在高于低怠速的发动机正常运行条件下，废气能够流入到进气管路，而不会使被引导到发动机的空气节流。

Description

具有全范围能力的低压废气再循环系统
技术领域
本发明总的涉及一种废气再循环(EGR)系统，更具体地，本发明涉及一种低压废气再循环系统，其可操作地在全范围条件下使废气再循环回到发动机，而不会使进气节流。
背景技术
内燃机，例如汽油机、柴油机和气体燃料发动机会排放空气污染物质的复杂混合物。这些空气污染物质由固体颗粒物质和包括氮氧化物(NOx)的气体化合物组成。随着对环境关注的不断增加，废气排放标准已经变得更加严格，并且根据发动机的类型、尺寸和/或等级规定了从发动机向大气排放的固体颗粒物质和气体化合物的量。
发动机制造商们为了遵守这些发动机排放的规定而已经采取的一种方法是采用废气再循环(EGR)。EGR系统使废气副产品再循环回到内燃机的进气供应源。被重新引向发动机气缸的废气降低了气缸里的氧气浓度，由此增加了混合物的热容并降低了气缸内的最大燃烧温度。降低的最大燃烧温度和减少的氧气减缓了能够形成NOx的化学反应的速度，由此减少了发动机排放的NOx的量。另外，废气中携带的颗粒物质在被重新引回到发动机气缸中后燃烧，从而进一步减少了废气副产品。
一种可用类型的EGR系统被称为低压系统。低压EGR系统从发动机涡轮的下游吸引低压废气并将该废气引导到位于发动机的压缩机上游的位置。Dismon等人的于2006年7月20日公开的美国专利公开文献No.2006/0156724(’724公开文献)中公开了低压EGR系统的一个例子。具体来说，’724公开文献公开了一种废气回流系统，其具有与涡轮串联并位于涡轮下游的颗粒捕集器。该废气回流系统还具有与颗粒捕集器串联并位于颗粒捕集器下游的催化器。从颗粒捕集器和催化器之间的位置处吸引的废气被回流到压缩机上游的空气入口通道。废气回流阀设置在废气管线中并且位于颗粒捕集器和催化器之间，以控制回流的废气的流量。
尽管’724公开文献的低压废气回流系统可以减少排放到大气中的NOx和颗粒物质的量，但却受到限制。具体来说，可能具有这样的情况，即废气和进气之间的压差不足以进行适当的操作。换句话说，再循环的废气的压力有可能与进气的压力基本相同或者甚至低于进气的压力。在这些情况中，废气的流动性很差或者根本无法流入空气入口通道。在没有足够废气回流的情况下，发动机的排放物将无法遵守环境规章。
此外，所公开的废气回流阀的布置也可能是成问题的。具体来说，由于该阀位于排气管线内，阀经受的温度可能过高。随着时间的推移，这些高温将会损害阀，有可能造成阀过早失效。
发明内容
本发明的EGR系统旨在克服前述的一个或多个问题。
在一个方面，本发明涉及一种用于发动机的废气处理系统。该废气处理系统可包括进气管路、排气管路和废气再循环管路。进气管路可被构造成将空气引入到发动机中。排气管路可被构造成从发动机引导废气，并包括由废气驱动的涡轮、与涡轮串联设置并位于涡轮的下游的颗粒过滤器，以及与颗粒过滤器串联设置并位于颗粒过滤器下游的催化装置。废气再循环管路被构造成将来自颗粒过滤器和催化装置之间的废气的至少一部分选择性地重新引导到进气管路。选择催化装置以在排气管路中形成背压，该背压足以确保在高于低怠速的发动机正常运行条件下，废气能够流入到进气管路，而不会使被引导到发动机的空气节流。
在另一方面，本发明涉及一种产生动力的方法。该方法可包括将进气与燃料混合，并使混合物燃烧以产生动力和废气流。该方法还可包括利用废气压缩进气并将颗粒物质从废气中除去。该方法还可包括对废气进行催化以还原废气的成分，并且将已减少了颗粒的废气重新引导以使之与进气混合。催化的步骤在废气中形成背压，该背压足以确保在高于低怠速的正常燃烧条件下，废气能够被重新引导以使之与进气混合，而不会使进气节流。
附图说明
图1是本发明的一种示例性动力单元的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有废气处理系统102的动力单元100。出于本发明的目的，动力单元100被描绘和描述为四冲程柴油机。但是，本领域的技术人员将会认识到，动力单元100可以是任何其它类型的内燃机，例如汽油机或者气体燃料发动机。此外，动力单元100可以是任何其它类型的动力和废气产生装置，例如，炉子。总的说来，动力单元100可以燃烧燃料/空气混合物而产生动力和废气，并将废气引导到废气处理系统102。废气处理系统102可以接收废气，处理废气并将废气引导到大气中。
动力单元100可以包括发动机气缸体104，该发动机气缸体104至少部分地限定与进气歧管108和排气歧管110都流体连通的多个燃烧室106。在所示的实施方式中，动力单元100包括四个燃烧室106。但是，可以想到，动力单元100可以包括更多或更少数量的燃烧室106，且燃烧室106可以设置成“直列”式结构、“V”型结构或者任何其它合适的结构。
动力单元100可以压缩燃料和空气的混合物，然后该混合物可控地燃烧以产生动力输出和废气。每个燃烧室106可以接收燃料和空气、容纳燃料和空气的燃烧、并将燃烧过程产生的废气引导到排气歧管110。废气可能含有一氧化碳、氮氧化物、二氧化碳、乙醛、烟灰、氧气、氮气、水蒸汽、和/或诸如氢气和甲烷等的碳氢化合物。本领域的技术人员将会认识到，动力单元100可以包括多个其它部件，例如燃料罐、一个或多个燃料喷射器、各种控制阀、预燃室或者与产生动力和废气的过程一致的其它部件。
进气歧管108可以具有一个或者多个进气端口并且将空气或者空气与其它气体的混合物从与进气端口流体连通的通道引导到燃烧室106。类似地，排气歧管110可以具有一个或者多个排气端口并且将废气从燃烧室106引导到与排气端口流体连通的通道。可以想到，动力单元100可以包含多个进气歧管和/或多个排气歧管以分别将空气引导到燃烧室106或者将废气从燃烧室106导出。
废气处理系统102可以包括进气管路112和排气管路114以及废气再循环(EGR)管路116。进气管路112可以将空气或者空气与其它气体的混合物吸入到动力单元100中用于燃烧，从而产生动力和废气。排气管路114可以将一部分废气从动力单元100引导到大气，而EGR管路116可以将废气的剩余部分从排气管路114再循环到进气管路112。
进气管路112可以包括将充量空气引导到动力单元100的燃烧室106中的部件。例如，进气管路112可以包括空气进入端口118、进气通道120、压缩机122、进气流体管道124和空气冷却器126。可以想到，进气管路112中可以包括另外的和/或不同的部件，例如，废气旁通阀、旁通系统、控制系统和本领域已知的用于将充量空气引导到燃烧室106中的其它部件。
空气进入端口118可以与进气通道120流体连通，并且与空气滤清器相关联以清洁进入进气管路112的空气。进气通道120还可以将压缩机122与空气进入端口118流体连接。
压缩机122可以经由进气流体管道124流体连接到进气歧管108的一个或多个进气端口，以压缩流入动力单元100的空气。压缩机122可以是固定几何形状压缩机、可变几何形状压缩机或者本领域已知的其它类型的压缩机。可以想到，作为替代方案，多个压缩机122可以包括在进气管路112中并设置成直列或者并列关系。但是，还可以想到，如果需要自然吸气式发动机，则可以省略压缩机122。
在被压缩的空气进入进气歧管108之前，空气冷却器126可有助于向或者从由压缩机122压缩的空气传递热量。例如，空气冷却器126可以是空气-空气换热器或者液体-空气换热器。空气冷却器126可以包括管壳式换热器、板式换热器或者本领域已知的其它类型的换热器。在图1示例的实施方式中，空气冷却器126设置在压缩机122下游和进气歧管108上游。但是，如果需要，空气冷却器126可以替代地位于压缩机122上游。
排气管路114可以包括处理并且以流体的形式引导来自燃烧室106的废气的部件。例如，排气管路114可以包括涡轮128、废气流体管道130、废气通道132、颗粒过滤器134、催化装置136和废气端口138。可以想到，排气管路114可以包括上面所述的部件之外的另外的和/或不同的部件，例如，以与催化装置136直列或者并列关系设置的一个或多个附加催化装置150，或者本领域已知的任何其它排气管路部件。
涡轮128可以经由废气流体管道130接收来自燃烧室106的废气，废气流体管道130可以与排气歧管110的一个或者多个排气端口流体连通。涡轮128可以连接到驱动压缩机122，涡轮128和压缩机122一起构成涡轮增压器。具体地，随着离开动力单元100的热废气向着涡轮128的叶片(未示出)膨胀，涡轮128转动并驱动压缩机122。可以想到，如果需要，多个涡轮128可以替代地包括在排气管路114中并以直列或者并列关系设置。一个或者多个涡轮128还可以设置成复合涡轮结构，其中，至少一个涡轮与动力单元100连接，使得涡轮产生的动力返回到动力单元100。例如，涡轮可以与涡轮128以直列关系设置并且机械、液压或者电连接到动力单元100的曲轴(未示出)。还可以想到，如果需要，可以省略涡轮128，压缩机122可以由动力单元100以机械、液压、电或者本领域已知的任何其它方式驱动。
在离开涡轮128后，废气可以被以流体的形式引导通过废气通道132。颗粒过滤器134可以设置在涡轮128的下游的废气通道132中。来自动力单元100的废气流动通过废气通道132，颗粒过滤器134可以将颗粒物质从废气流中除去。颗粒过滤器134可以特别包括丝网或者陶瓷蜂窝过滤介质或者壁流式过滤器。
催化装置136还可以设置在废气通道132内并位于颗粒过滤器134的下游。催化装置136可以包括涂敷有或者包含有液态或者气态催化剂(例如含有贵重金属的夹层)的一个或者多个基底。催化剂可以用来通过例如选择性催化还原或者NOx捕集来减少废气流中的燃烧副产品。在一种实施例中，可以在催化装置136上游向废气流中喷射试剂尿素。该试剂可以分解成氨，其与通过催化器的废气流中的NOx反应形成H2O和N2。在另一种实施例中，废气流中的NOx可以被NOx捕集器(例如钡盐NOx捕集器)捕获、周期性地释放并通过催化剂还原形成CO2和N2。催化装置136还可以将通过颗粒过滤器134后仍保留在废气流中的颗粒物质氧化。
可以选择催化装置136的尺寸、厚度和/或其它参数，使得在动力单元100的运行过程中由运转通过催化装置136的废气产生的背压足够始终将一定量的废气驱动到EGR管路116中。例如，在动力单元100高于低怠速的正常运行条件下，由催化装置136形成的最小背压可以是至少1kPa。但是，催化装置136的尺寸可以被优选地选择成使得动力单元100额定运行期间的背压在10-30kPa的范围内。在最优选的实施方式中，催化装置136的尺寸可以被选择成使得动力单元100额定运行期间的背压在10-15kPa的范围内。高于低怠速的正常运行条件可包括发动机的转速范围在大于700rpm到大约2300rpm。动力单元100的额定运行可以是一个或多个条件，在这些条件下，动力单元100的制造商保证特定的性能，并且动力单元100被设计成大部分时间运行在该条件且最优地运行。这可以对应于一个或者多个转速和/或一个或者多个扭矩输出。例如，动力单元100可以具有大约1800rpm的额定运行速度。因此，可以选择催化装置136的尺寸，使得当动力单元100运行在大于700rpm时背压至少为1kPa，当动力单元100运行在1800rpm时背压的范围在10-15kPa。
若干环境或者应用因素会影响催化装置136形成期望的背压所需的实际参数。这些因素可包括但不限于：动力单元100的运行温度和/或环境温度、动力单元100高出海平面的高度、动力单元100的尺寸、动力单元100的额定运行和动力单元100的应用。催化装置136的参数还可以取决于EGR管路116的部件。例如，管路的长度和包括在管路中的部件的尺寸可以限定通过该管路的流体中的压降。该压降的值可以影响由催化装置136形成的期望背压，并因此影响催化装置136形成期望背压所需的参数。在一些情况下，可能需要直列布置多个催化装置136、150以形成该期望的背压。处理后的废气然后可以通过废气端口138以流体的形式引导到大气中。
EGR管路116可以将动力单元100的一部分废气流从排气管路114重新引导到进气管路112中。例如，EGR管路116可包括EGR入口140、EGR通道142、废气冷却器144、EGR出口146和混合阀148。可以想到，EGR管路116可包括另外的和/或者不同的部件，例如，催化器、静电沉积装置(electrostatic precipitation device)、屏蔽气体装置、颗粒捕集器和本领域已知的用于将废气从排气管路114重新引导到进气管路112中的其它部件。
EGR入口140可以连接到排气管路114以接收来自动力单元100的至少一部分废气流。具体地，EGR入口114可以设置在涡轮128下游以接收来自涡轮128的低压废气。在图1的实施方式中，EGR入口140还可以位于颗粒过滤器134的下游，但位于催化装置136的上游。可以想到，如果需要，EGR入口140可以替代地位于颗粒过滤器134上游以接收更高压的废气。但是，在这种结构中，EGR通道142中可能需要单独的颗粒捕集器以减少再循环的废气中的颗粒物质。
EGR通道142可以将EGR入口140流体连接到EGR出口146。废气冷却器144可以设置在EGR通道142内来冷却流过EGR入口140的废气部分。废气冷却器144可以包括例如液体-空气换热器、空气-空气换热器或者本领域已知的用于冷却废气流的任何其它类型的换热器。可以想到，如果需要，可以省略废气冷却器144。
EGR出口146可以流体连接到混合阀148，以通过混合阀148将废气流从EGR通道142引导到进气通道120中。混合阀148可以流体连接到EGR出口146和进气管路112，以分别调节来自EGR管路116的废气和来自空气进入端口118的空气的流动。混合阀148可以包括例如蝶阀元件、滑阀元件、单向阀元件、闸阀元件、球阀元件、截止阀元件或者本领域已知的任何其它阀元件。混合阀148的阀元件可以在通流位置和限流位置之间运动。混合阀148的阀元件在通流位置和限流位置之间的位置可以至少部分地影响再循环回到动力单元100的废气的量。更具体地，混合阀148可以选择地允许、阻止或者部分地阻止来自EGR通道142的废气流入到进气通道120中，由此调节进入进气歧管108的气体的空气-废气比。混合阀148可以设置在压缩机122的上游的进气通道120中，从而在流过压缩机122和空气冷却器126之前，来自EGR管路116的废气可以与空气混合。
工业实用性
本发明的EGR系统可以应用于希望控制排放的任何发动机。本发明的EGR系统可以体现为低压系统，其在高于低怠速的发动机正常运行条件下，将来自发动机的废气的一部分再循环回到发动机的燃烧室，而不会使进气节流。废气的再循环的部分可以形成减少NOx和颗粒物质的贫燃条件。现在介绍动力单元100的运行。
环境空气通过空气进入端口118被吸入到进气管路112中，进一步通过混合阀148和进气通道120。空气可以在混合阀148处与再循环的废气混合并被引导通过压缩机122，在进入动力单元100的进气歧管108之前在压缩机122处被加压。该混合物可以在进入进气流体管道124之前通过空气冷却器126，从而在燃烧之前降低空气/废气混合物的温度。
被冷却和加压的空气/废气混合物然后可以通过进气歧管108引导到燃烧室106。燃料可在进入燃烧室106之前或之后与被冷却和加压的空气混合，并通过动力单元100燃烧产生机械功输出和含有气体化合物和固体颗粒物质的高压热废气流。该高压热废气流然后经由排气歧管110和废气流体管道130引导到涡轮128。随着废气进入涡轮128，热废气的膨胀可以造成涡轮128旋转，由此使连接的压缩机122旋转。涡轮128的旋转可以导致压缩机122旋转并压缩进气管路122中的空气/废气混合物，由此有助于混合物朝着动力单元100运动，以用于随后的燃烧。
由废气的膨胀作用在涡轮128上的功可以降低废气的压力。更具体地，涡轮128下游的废气的压力低于涡轮128上游的废气的压力。该低压废气流然后可以沿着废气通道132被引导到颗粒过滤器134。颗粒过滤器134可以将一定量的固体颗粒物质从废气流除去。在刚刚离开颗粒过滤器134后，废气流随即被分成两股流体，包括被引导到EGR管路116的第一流体和通过催化装置136被引导到大气的第二流体，催化装置136用于降低NOx的量和/或进一步减少排放到大气的颗粒物质。可以想到，如果需要，可以替代地在颗粒过滤器134的上游将废气分成两股流体。
废气可以至少部分地被催化装置136形成的背压驱动通过EGR入口140。具体来说，通过相对于动力单元100的运行条件适当地选择催化装置136的参数，在动力单元100高于低怠速的正常运行条下，催化装置136可以形成1kPa的最小背压。在本发明的优选实施方式中，可以选择催化装置136的尺寸以在动力单元100的额定运行过程中形成10-15kPa的背压。该背压足够确保废气被驱动通过EGR入口140而不会使进气节流。
当第一废气流流过EGR入口140，其可以被引导到废气冷却器144。第一废气流可以由废气冷却器144冷却到预定温度，这将进一步降低第一废气流中的废气压力。第一废气流然后可以被压缩机122吸引通过EGR出口146和混合阀148回到进气管路112。再循环废气流然后与进入燃烧室106的空气混合用于随后的燃烧。
与空气混合并被引导到燃烧室106的废气可以降低燃烧室内的氧气浓度，这又可以增加混合物的热容并降低动力单元100内的最高燃烧温度。降低的最高燃烧温度和降低的氧气浓度可以减缓形成氮氧化物的化学反应的速度，由此降低动力单元100排放的NOx的量。
本发明可以提供一种再循环废气的EGR系统和方法，其通过将废气从特定尺寸的催化装置上游引导到EGR管路116中，保证废气将被在高于低怠速的正常运行条件下足够确保再循环废气和空气适当混合的压力所驱动。该保证的废气再循环可以消除空气节流的需要，因此增加了燃料效率和/或造成了贫燃条件。此外，通过选择将废气引导到颗粒过滤器134下游的EGR管路116中，可以减少或者消除再循环废气中的颗粒物质，这可以提高动力单元100性能，延长动力单元100的寿命和/或提高从动力单元100排放的排放物的质量。
本发明还可以提供一种再循环废气的EGR系统和方法，其能够延长混合阀148的寿命。更具体地，通过在废气冷却器144下游的进气管路112中布置混合阀148，进入混合阀148的废气的温度可以被控制到最低或者消除高温对混合阀148的退化效应。
对本领域的技术人员来说很清楚的是，可以对本发明的EGR系统进行各种变型和改变。通过考虑说明书和本发明的EGR系统的实践，本领域的技术人员可以想到其它实施方式。说明书和实施例仅是示例性的，本发明的真正范围由后附的权利要求书及其等同范围确定。

Claims (10)

1.一种用于发动机(100)的废气处理系统(102)，包括：
进气管路(112)，其能够将空气引入到所述发动机中；
排气管路(114)，其能够从所述发动机引导废气，该排气管路包括：
涡轮(128)，其由废气驱动；
颗粒过滤器(134)，其与所述涡轮串联设置并位于所述涡轮的下游；和
催化装置(136)，其与所述颗粒过滤器串联设置并位于所述颗粒过滤器下游；
废气再循环管路(116)，其能够将来自所述颗粒过滤器和所述催化装置之间的废气的至少一部分选择性地重新引导到所述进气管路，其中，选择所述催化装置以在所述排气管路中形成背压，该背压足以确保在高于低怠速的发动机正常运行条件下，废气能够流入到所述进气管路，而不会使被引导到所述发动机的空气节流。
2.根据权利要求1所述的废气处理系统，其中，所述催化装置在发动机的额定条件下形成10-30kPa的背压。
3.根据权利要求1所述的废气处理系统，还包括混合阀(148)，其能够控制进入所述发动机的进气和废气比。
4.根据权利要求3所述的废气处理系统，还包括进气通道(120)，其能够将环境空气引导到压缩机(122)，其中，所述混合阀设置在所述进气通道的入口处。
5.根据权利要求1所述的废气处理系统，其中，所述催化装置包括串联设置以产生所述背压的第一催化过滤器和第二催化过滤器。
6.根据权利要求1所述的废气处理系统，其中，所述催化装置是NOx还原器。
7.一种产生动力的方法，包括：
将进气与燃料混合；
使混合物燃烧以产生动力和废气流；
利用废气压缩所述进气；
将颗粒物质从废气中除去；
对废气进行至少一级催化以还原废气的成分；和
重新引导已减少了颗粒的废气以使之与进气混合，其中，所述催化的步骤在废气中形成背压，该背压足以确保在高于低怠速的正常燃烧条件下，废气能够被重新引导以使之与进气混合，而不会使进气节流。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述催化的步骤包括在额定的燃烧条件下形成10-30kPa的背压。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述成分是氮氧化物。
10.一种动力系统，包括：
如权利要求1至5中任一项所述的废气处理系统，其中：
所述发动机包括发动机气缸体(104)；
所述发动机气缸体至少部分地限定燃烧室(106)；
所述进气管路还能够将空气引导到所述燃烧室中，所述进气管路具有将环境空气与压缩机(122)连通的进气通道(120)；
所述排气管路还能够从所述燃烧室引导废气，并且所述排气管路的所述催化装置包括至少一个NOx还原器，该NOx还原器与所述颗粒过滤器串联设置并位于所述颗粒过滤器下游；并且
所述废气处理系统还包括混合阀(148)，该混合阀(148)能够控制进入所述燃烧室的进气和废气比，其中，所述混合阀设置在所述进气通道内。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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