CN101855428A - 增压燃烧发动机的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于增压燃烧发动机(2)的装置。所述装置包括适于压缩所述进气管线(8)中的空气以作为第一阶段的第一压缩机(6a)和适于压缩所述进气管线(8)中的空气以作为第二阶段的第二压缩机(6b)、适于在所述空气已经在第一阶段中被压缩之后且在第二阶段中被压缩之前冷却所述空气的第一冷却剂冷却的增压空气冷却器(9a)、以及适于在压缩空气已经通过第二阶段被压缩时冷却所述压缩空气的空气冷却的增压空气冷却器(9c)。所述装置包括适于在所述压缩空气已经在所述第二阶段中被压缩之后且在所述空气冷却的增压空气冷却器(9c)中被冷却之前冷却所述压缩空气的第二冷却剂冷却的增压空气冷却器(9b)。

Description

增压燃烧发动机的装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于增压燃烧发动机的装置。
背景技术
被称作EGR(废气再循环)的技术是将一部分废气从燃烧发动机中的燃烧过程经由回流管线引导回用于将空气提供至燃烧发动机的进气管线的一种已知的方式。空气和废气的混合物因此经由进气管线被供给至燃烧在其中发生的发动机气缸。将废气添加到空气中导致更低的燃烧温度，其特别地产生废气中减少的氮氧化物(NOx)含量。所述技术用于奥托发动机(汽油发动机)和柴油发动机。
所述技术的最优化应用需要相对大量废气的再循环。因此再循环废气在它们与空气混合并被引导至燃烧发动机之前在至少一个EGR冷却器中被冷却以减小废气的比容。传统的EGR冷却器使用被用于冷却燃烧发动机的交通工具(或车辆)普通冷却系统的冷却剂。另一种已知的实践方式是使用空气冷却的EGR冷却器，其中废气被处于环境温度下的空气冷却，由此允许再循环废气被冷却到基本上对应于环境温度的温度。因此再循环废气可以受到在比容上基本上最优的减小，以使得大量废气可以被再循环至燃烧发动机中。
可以被供给至增压燃烧发动机的空气的量不仅取决于空气压力而且取决于空气温度。供给可能的最大量的空气至燃烧发动机需要空气当在增压空气冷却器中被冷却之前首先通过压缩机被压缩并且之后被引导至燃烧发动机。压缩空气通常在增压空气冷却器中被环境空气冷却。因此压缩空气可以被冷却到仅仅超过环境温度几度的温度。尽管空气如上所述被压缩和冷却，但对于提供必要量的空气来说这通常是不够的，所述必要量的空气与再循环废气一起将使得能够实现利用EGR技术的最优化使用的燃烧。供给尽可能大量的空气至燃烧发动机的另一个优点是提高燃烧发动机的性能。
US 2006/0185362涉及一种用于增压燃烧发动机的装置。所述装置包括用于将处于高于大气压力下的空气引导至燃烧发动机的进气管线。第一压缩机适于压缩进气管线中的空气以作为第一阶段，第二压缩机适于压缩进气管线中的空气以作为第二阶段。所述装置包括带有冷却剂冷却的增压空气冷却器的冷却系统，所述冷却剂冷却的增压空气冷却器适于在空气已经在第一阶段中被压缩之后和在第二阶段中被压缩之前冷却空气。之后一空气冷却的增压空气冷却器适于在空气已经在第一阶段中被压缩时冷却压缩空气。即使压缩空气处于所述压缩状态之间，空气在其已经在第二阶段中被压缩之后也经常处于非常高的温度。因此空气冷却的增压空气冷却器可能难以实现将压缩空气冷却到接近环境温度的温度，在该温度下最优化的量的空气可以被引导至燃烧发动机。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置，其使得可以将基本上最优化的量的空气供给至增压燃烧发动机。
所述目的利用在引言中提到的类型的装置而实现，所述装置的特征在于权利要求1的特征部分中所指出的特征。因此所述装置包括在两个阶段中压缩空气的两个压缩机。空气在其已经在第一阶段中被压缩时将处于升高的压力和升高的温度下。在空气已经在第一阶段中被压缩之后对空气的冷却导致空气在第二阶段中被压缩之前处于更低的温度但保持相同的压力。由于压缩机通常具有在其中接收和压缩空气的定容空间，因此所述冷却允许较大量的空气被抽吸进第二压缩机中并且在第二阶段中被压缩。其还意味着较大量的空气可以被压缩到非常高的压力并且被引导至燃烧发动机。中间冷却导致空气在其已经在第二阶段中被压缩时也处于较低的温度下。然而，在第二压缩之后压缩空气处于如此高的温度下，以使得在空气冷却的增压空气冷却器的尺寸不变得过大的情况下，难以将空气在空气冷却的增压空气冷却器中冷却到期望的低的温度。通过使用适于将压缩空气在其在空气冷却的增压空气冷却器中被冷却之前预冷却的第二冷却剂冷却的增压空气冷却器，所述问题得以解决。因此压缩空气在其到达空气冷却的增压空气冷却器时处于足够低的温度，以使其可以在其中被冷却到接近环境温度的温度。
根据本发明的一个优选实施方式，第一冷却剂冷却的增压空气冷却器是带有循环冷却剂的冷却回路的一部分，所述冷却回路构成相对于用于冷却燃烧发动机的冷却系统独立的冷却系统。因此可以被被抽吸进第二压缩机中的空气的量与随空气温度而变化的空气比容有关。因此重要的是，将空气在第一增压空气冷却器中冷却到尽可能低的温度。使用冷却燃烧发动机的冷却系统的冷却剂相对简单和实用但却并不特别有效，因为在燃烧发动机常规运行期间所述冷却剂通常处于70-100℃的温度下，这将仅仅允许空气被冷却到与冷却剂工作温度一致的温度。因此有利的是，在压缩阶段之间使用独立冷却系统用于冷却压缩空气。独立冷却回路可以包括在其中循环冷却剂适于被空气冷却的散热器元件。可以轻易地利用空气并且能够容易地使其流动通过散热器元件以便提高循环冷却剂的冷却效果。散热器风扇和通过交通工具运动生成的空气流可用于使得相当大量的空气流动通过散热器元件。散热器元件优选地位于在其中散热器元件适于被处于环境温度下的空气冷却的区域中，由此允许散热器元件中的冷却剂冷却到接近环境温度的温度。有利地，独立冷却回路包括一线路，所述线路适于将冷却剂从散热器元件引导至第一增压空气冷却器，而没有冷却剂在其处于散热器元件和第一增压空气冷却器之间的路径上承受大致任何的加热。因此所述冷却剂将能够在第一增压空气冷却器中将压缩空气冷却到接近环境温度的温度。
根据本发明的另一个优选实施方式，所述第二冷却剂冷却的增压空气冷却器是所述独立冷却系统的一部分。因此在这种情况下，所述独立的冷却系统被用于在空气已经在第一阶段中被压缩时以及在空气已经在所述第二阶段中被压缩时冷却所述空气。有利地，所述第一冷却剂冷却的增压空气冷却器和所述第二冷却剂冷却的增压空气冷却器在所述独立的冷却系统中并联布置。冷的冷却剂因此与两个增压空气冷却器并联地被引导，以使得压缩空气在两个增压空气冷却器中承受基本上类似的冷却。备选地，所述独立的冷却系统的冷却剂可以首先通过一个增压空气冷却器被引导并且之后通过第二增压空气冷却器被引导。如果期望在一个增压空气冷却器中实现压缩空气的更大的冷却效果，则可以是所述情况。
根据本发明的另一个优选实施方式，所述独立的冷却系统包括适于冷却回流管线中的再循环废气的EGR冷却器。在这种情况下，独立冷却回路可以包括适于将冷却剂从第一增压空气冷却器引导至EGR冷却器的管线，在所述EGR冷却器中所述冷却剂用于冷却回流管线中的再循环废气。因此独立冷却系统还可以用于冷却再循环废气。因此燃烧发动机设有具有降低废气中氮氧化物含量的功能的EGR系统。其特别地关于这样的系统以使得极为重要的是，提供大的空气流量至燃烧发动机，以使得EGR系统可以以这样的方式被使用从而氮氧化物的含量以基本上最优化的方式被减少。装置有利地包括适于冷却再循环废气的空气冷却的EGR冷却器。空气冷却的EGR冷却器优选地适于使再循环废气接受第二阶段冷却，并且被装配在使处于环境温度下的空气流动通过它的位置的区域。因此再循环废气还可以被冷却到接近环境温度的温度。
根据本发明的另一个实施方式，所述第二冷却剂冷却的增压空气冷却器是一冷却回路的一部分，所述冷却回路本身形成用于冷却所述燃烧发动机的冷却系统的一部分。由于第二增压空气冷却器具有将空气在其在所述空气冷却的增压空气冷却器中被冷却之前预冷却的功能，因此使冷却剂处于低温的要求在此并不高。因此在这种情况下，可以利用在燃烧发动机的冷却系统中循环的相对暖的冷却剂。至少一个所述压缩机可以是一涡轮单元的一部分，所述涡轮单元包括适于由排气管线中的废气驱动的涡轮机。有利地，装置包括从废气中提取能量的两个涡轮机，所述能量被利用以用于驱动所述压缩机以及在两个阶段中压缩空气。
附图说明
下面将通过以参考所附附图的示例的方式描述本发明的优选实施方式，其中：
图1示出了根据本发明的第一实施方式的用于增压燃烧发动机的装置，
图2示出了根据本发明的第二实施方式的用于增压燃烧发动机的装置，
图3示出了根据本发明的第三实施方式的用于增压燃烧发动机的装置，以及
图4示出了根据本发明的第四实施方式的用于增压燃烧发动机的装置。
具体实施方式
图1示出了用于适于驱动示意性示出的交通工具1的增压燃烧发动机的装置。燃烧发动机在此示例为柴油发动机2。柴油发动机2可以用于驱动重型车辆1。来自柴油发动机2的气缸的废气经由排气集管3被引导至排气管线4。柴油发动机2设有包括涡轮机5a和压缩机6a的第一涡轮单元，以及包括涡轮机5b和压缩机6b的第二涡轮单元。排气管线4中处于高于大气压力下的废气最初被引导至第二涡轮单元的涡轮机5b。因此涡轮机5b被提供经由连接机构被传输至第二涡轮单元的压缩机6b的驱动功率。废气之后经由排气管线4被引导至第一涡轮单元的涡轮机5a。因此涡轮机5a被提供经由连接机构被传输至第一涡轮单元的压缩机6a的驱动功率。
因此第一涡轮单元的压缩机6a压缩经由空气过滤器7被抽吸进空气进气管线8的空气。进气管线中的空气最初在作为独立冷却系统的构件的第一冷却剂冷却的增压空气冷却器9a中被冷却，所述独立冷却系统带有通过闭合管线回路22中的冷却剂泵18循环的冷却剂。独立冷却系统还包括适于在压缩空气已经在压缩机6b中被压缩之后冷却压缩空气以作为第二阶段的第二冷却剂冷却的增压空气冷却器9b。独立冷却系统还包括装配在交通工具1的外围区域A’中的散热器元件19。在这种情况下，外围区域A’位于交通工具1的前部。散热器风扇20适于提供通过散热器元件19的环境空气的流动。散热器风扇20由电动机21驱动。冷却剂在散热器元件19中被处于环境温度下的空气冷却。来自散热器元件19的冷的冷却剂经由两个并联管线22a、22b并联地循环至第一增压空气冷却器9a和第二增压空气冷却器9b。因此冷却剂在其到达第一增压空气冷却器9a和第二增压空气冷却器9b时与在其离开散热器元件19时处于基本上相同的温度。因此可以将压缩空气在第一增压空气冷却器9a中和在第二增压空气冷却器9b中都冷却到相对低的温度。当冷却剂已经经过增压空气冷却器9a、9b时，并联管线22a、22b汇集到一起，之后冷却剂经由共用管线22被引导至散热器元件19。
第一控制元件13a适于控制独立冷却回路中的冷却剂泵18。因此独立冷却回路中的冷却剂流动可以变化。第一控制单元13a还适于控制独立冷却系统中的散热器风扇20。因此散热器元件19中的冷却剂的冷却可以变化。离开第二增压空气冷却器9b的被压缩和冷却的空气被引导至空气冷却的第三增压空气冷却器9c。第三增压空气冷却器9c被布置在交通工具1的外围区域A中，在这种情况下所述外围区域A位于交通工具1的前部。压缩空气在第三增压空气冷却器9c中被由散热器风扇10导致流动通过增压空气冷却器9c的环境空气以及由交通工具的运动生成的空气流冷却。散热器风扇10经由适当的连接机构被柴油发动机2驱动。
提供排气管线4中一部分废气的再循环的装置包括在排气管线4和进气管线8之间延伸的回流管线11。回流管线11包括EGR阀12，流回流管线11中的废气流可以被所述EGR阀12切断。EGR阀12还可以用于无级地控制从排气管线4经由回流管线11被引导至进气管线8的废气的量。第二控制单元13b适于基于关于柴油发动机2的当前运行状态的信息控制EGR阀12。第二控制单元13b可以是装有适当软件的计算机单元。回流管线11包括用于冷却废气以作为第一阶段的第一EGR冷却器14a和用于冷却废气以作为第二阶段的第二EGR冷却器14b。在增压柴油发动机2的某些运行状态下，排气管线4中废气的压力将低于进气管线8中压缩空气的压力。在这种运行状况下，在没有专用辅助装置的情况下，不可能将回流管线11中的废气直接与进气管线8中的压缩空气混合。为此可以使用例如带有可变几何结构的文丘里管16或涡轮单元。如果燃烧发动机2相反是增压奥托发动机，则回流管线11中的废气可以被直接引导至进气管线8中，因为在奥托发动机的基本上所有的运行状态下，排气管线4中的废气都将处于比进气管线8中的压缩空气更高的压力下。当废气已经与进气管线8中的压缩空气混合时，混合物经由集管17被引导至柴油发动机2的相应的气缸。
在柴油发动机2运行期间，废气流动通过排气管线4并且驱动涡轮单元的涡轮机5a、5b。因此涡轮机5a、5b被提供给驱动涡轮单元的压缩机6a、6b的驱动功率。第一涡轮单元的压缩机6a经由空气过滤器7抽吸进环境空气并且在进气管线8中压缩空气以作为第一阶段。空气因此获得升高的压力和升高的温度。压缩空气通过独立冷却系统的冷却剂在第一增压空气冷却器9a中被冷却。如果在第一增压空气冷却器9a中空气的冷却需要增强(boosting)，则第一控制单元13a可以使得冷却剂泵18增大通过第一增压空气冷却器9a的冷却剂流动，和/或使得散热器风扇20增强散热器元件19中循环冷却剂的冷却。因此冷却剂在其到达第一增压空气冷却器9a和第二增压空气冷却器9b时可以处于基本上对应于环境温度的温度下，因此允许压缩空气在第一增压空气冷却器9a中被冷却到接近环境温度的温度。空气当在第一增压空气冷却器9a中冷却期间保持其压力。被冷却的空气具有较低的比容，即每单位重量占较小的体积。空气因此变得更紧凑。压缩机常规地具有在其中接收和压缩空气的定容空间。第一增压空气冷却器9a中空气的冷却因此使得较大量的空气可以在第二涡轮单元的压缩机6b中被压缩。空气在此在第二阶段中被压缩以使其具有进一步升高的压力。压缩空气之后被引导通过第二增压空气冷却器9b，在其中所述压缩空气通过来自独立冷却系统的冷却剂被重新冷却。因此空气在其到达第三增压空气冷却器9c时将处于相对低的温度下，所述空气在所述第三增压空气冷却器9c中被环境空气冷却。压缩空气在此可以被冷却到接近环境温度的温度。
在柴油发动机2的大多数运行状态下，第二控制单元13b将保持EGR阀12打开，以使得排气管线4中的部分废气被引导至回流管线11。排气管线4中的废气在其到达第一EGR冷却器14a时可以处于大约500-600℃的温度下。再循环废气在第一EGR冷却器14a中被冷却以作为第一阶段。冷却柴油机的冷却系统的冷却剂在此可以被用作冷却介质。在交通工具的常规运行期间，所述冷却剂将处于70-100℃范围内的温度下。因此再循环废气可以在第一阶段被冷却到接近冷却剂温度的温度。之后再循环废气被引导至位于交通工具1的外围区域A的第二EGR冷却器14b。第二EGR冷却器14b使处于环境温度的空气流动通过它。利用合适地设定尺寸的第二EGR冷却器14b，再循环废气可以被冷却到基本上对应于环境温度的温度。因此回流管线11中的废气受冷却到与第三增压空气冷却器9c中的压缩空气基本上相同的温度。
因此再循环废气在它们与被引导进燃烧发动机2中的空气混合之前被冷却到基本上对应于环境温度的温度。压缩空气在三个阶段中被冷却。其在压缩机6a、6b的压缩之间的冷却导致空气在第二阶段中被压缩机6b压缩时具有相对小的比容。因此相对大量的空气可以在第二阶段中通过压缩机6b被压缩。之后压缩空气在其在空气冷却的第三增压空气冷却器9c中被冷却到接近环境温度的温度之前，在第二增压空气冷却器中被冷却到相对低的温度。因此废气和压缩空气在它们混合时都将处于基本上对应于环境温度的温度，由此使得基本上最优化的量的再循环废气以及基本上最优化的量的空气可以以高的压力被引导至燃烧发动机，并且因此为燃烧发动机中的燃烧给予基本上最优化还原废气中的氮氧化物的可能性。在压缩空气和再循环废气被引导至燃烧发动机2时，压缩空气的低温和再循环废气的低温还导致较低的燃烧温度并且因此导致废气中氮氧化物的较低的含量。因此所述装置使得可以将基本上最优化的量的空气供给至燃烧发动机，由此还提高了燃烧发动机的性能。
图2示出了用于增压柴油发动机2的一种备选装置。在这种情况下独立冷却系统还用于冷却在第一EGR冷却器14a中的再循环废气。冷却剂在散热器元件19中借助于环境空气被冷却。来自散热器元件19并且通过并联管线22a被引导的冷却剂首先冷却在第一增压空气冷却器9a中的空气。所述冷却剂之后被引导至第一EGR冷却器14a，在所述第一EGR冷却器14a中所述冷却剂使再循环废气受到第一阶段的冷却。冷却剂在此将处于升高的温度，因为其将已经被用于在第一增压空气冷却器9a中冷却空气。然而冷却剂将处于比再循环废气更低很多的温度下，所述再循环废气可以处于大约500-600℃的温度下。因此再循环废气可以在第一阶段被冷却到接近冷却剂温度的温度。当冷却剂已经经过第一EGR冷却器14a时，管线22a与管线22b连接，之后冷却剂经由共用管线22被引导至散热器元件19。
图3示出了用于增压柴油发动机2的一种备选装置。在这种情况下，独立冷却系统仅仅被用于冷却在第一增压空气冷却器9a中的压缩空气。柴油发动机冷却系统的冷却剂被用于冷却在第二增压空气冷却器9b中的压缩空气。柴油发动机冷却系统包含通过冷却剂泵25被循环的循环冷却剂。所述冷却系统还包括恒温器26和装配在区域A中交通工具1的前方部分处的散热器27。散热器27相对于区域A中空气流的预定方向被装配在增压空气冷却器9c和第二EGR冷却器14b的下游。冷却剂在此在管线24中从燃烧发动机2被引导至第二增压空气冷却器9b。当冷却剂已经在第二增压空气冷却器9b中冷却了废气时，其被引导回冷却系统的管线23。在其他方面，所述装置包括对应于如上所述的实施方式中的构件的构件。
图4示出了用于增压柴油发动机2的另一种备选装置。在这种情况下，独立冷却系统被用于冷却在第一增压空气冷却器9a中的压缩空气并且冷却在第一EGR冷却器14a中的再循环废气。在其他方面，所述装置的结构对应于图3中的装置的结构。
本发明决不限于参考附图描述的实施方式，而是可以在权利要求书的范围内自由变化。

Claims (10)

1.一种用于增压燃烧发动机(2)的装置，所述装置包括用于从所述燃烧发动机(2)中引导出废气的排气管线(4)、用于将处于高于大气压力的空气引导至所述燃烧发动机(2)的进气管线(8)、适于压缩所述进气管线(8)中的空气以作为第一阶段的第一压缩机(6a)和适于压缩所述进气管线(8)中的空气以作为第二阶段的第二压缩机(6b)、适于在所述空气已经在第一阶段中被压缩之后且在第二阶段中被压缩之前冷却所述空气的第一冷却剂冷却的增压空气冷却器(9a)、以及适于在压缩空气已经通过第二阶段被压缩时冷却所述压缩空气的空气冷却的增压空气冷却器(9c)，其特征在于，所述装置包括适于在所述压缩空气已经在所述第二阶段中被压缩之后且在所述空气冷却的增压空气冷却器(9c)中被冷却之前冷却所述压缩空气的第二冷却剂冷却的增压空气冷却器(9b)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一冷却剂冷却的增压空气冷却器(9a)是带有循环冷却剂的一冷却回路的一部分，所述冷却回路构成相对于用于冷却所述燃烧发动机(2)的冷却系统独立的冷却系统。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述独立的冷却系统包括散热器元件(19)，在所述散热器元件(19)中所述循环冷却剂适于被空气冷却。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述散热器元件(19)位于在其中所述散热器元件(19)适于被处于环境温度下的空气冷却的区域(A’)中。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二冷却剂冷却的增压空气冷却器(9b)也是所述独立的冷却系统的一部分。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一冷却剂冷却的增压空气冷却器(9a)和所述第二冷却剂冷却的增压空气冷却器(9b)在所述独立的冷却系统中并联布置。
7.根据以上权利要求2至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述独立的冷却系统包括适于冷却所述回流管线(11)中的所述再循环废气的EGR冷却器(14a)。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二冷却剂冷却的增压空气冷却器(9b)是一冷却回路的一部分，所述冷却回路本身形成用于冷却所述燃烧发动机(2)的冷却系统的一部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括适于冷却所述再循环废气的空气冷却的EGR冷却器(14b)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个所述压缩机(6a、6b)是一涡轮单元的一部分，所述涡轮单元包括适于由所述排气管线(4)中的废气驱动的涡轮机(5a、5b)。
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