CN101956633A

CN101956633A - 用于内燃机的废气再循环系统

Info

Publication number: CN101956633A
Application number: CN2010105211871A
Authority: CN
Inventors: 刘敬平; 杨汉乾; 杨靖; 付建勤; 王树青; 王勇; 夏孝朗; 赵智超
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-01-26

Abstract

本发明公开了一种用于内燃机的废气再循环系统，包括依次相连的冷却组件、压气机以及储气罐，所述冷却组件的进气端与内燃机的排气管相连通，所述储气罐的出气端与内燃机的进气口相连通。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、再废弃循环响应快，有效地降低内燃机有害排放物、循环废气量控制精确等优点。

Description

用于内燃机的废气再循环系统

技术领域

本发明主要涉及到内燃机领域，特指一种用于内燃机的废气再循环系统。

背景技术

内燃机具有体积小、质量小、便于移动、热效率高、起动性能好等特点，已广泛应用在生产和生活当中，而且成为其主要动力来源之一。但内燃机燃烧排出的废气中含有害气体的成分较高，严重地污染大气环境，影响人类的健康。因此，为了抑制大气环境污染，各国政府颁布了越来越严格的排放控制法规。

废气再循环系统(Exhaust Gas Recirculation)简称EGR，是将内燃机产生的部分废气再送回气缸，这样降低了氧气（O2）的空间浓度。再循环废气由于具有惰性将会延缓燃烧过程，也就是说燃烧放热速率将会放慢从而导致燃烧室中压力升高缓和，使得缸内最高燃烧温度降低，这就是氮氧化合物会减少的主要原因。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量(mass flow)减少，因此废气排放中总的污染物输出量将会相对减少。总之，废气再循环技术是内燃机实现清洁燃烧的重要技术之一。

传统的单级增压柴油机燃烧效率高，但升功率较低，低速全负荷时增压压力不够（充气量不够），导致低速高负荷时颗粒排放高；在外特性上，为了追求高扭矩，没有进行外部EGR再循环，导致NOx排放高；另外，单级增压柴油机增压器响应特性慢，扭矩提升慢。如采用单级可变涡轮增压器，由于其增压器效率较低，增压压力有限，仍不能充分的提升升功率。为了提高柴油机的升功率并改善排放特性，提高加速时的响应特性，采用两级增压不适为有效的措施。这样，两级增压不仅提升了高速增压压力，而且大幅度提升低速增压压力。因此，在全工况下也可采用较高EGR率来降低缸内燃烧时NOx的生成。

传统的多点喷射自然吸气汽油机，其设计较简单，成本较低，但缸内源排放较差。由于汽油机的扭矩由进气量决定，进气量越多，扭矩越大，为了提升升扭矩，增压是唯一的途径，因此越来越多的汽车公司推出增压直喷汽油机。EGR技术对于汽油机来说，不仅可以降低中低负荷下的NOx，还可降低泵气损失，但EGR量过多则会影响外特性的扭矩，所以EGR技术对汽油机来说也是一项重要的节能减排的有效技术。

所谓的低温燃烧系统是为了进一步改善燃烧系统，减少缸内燃烧产生的排放物NOx，又不降低内燃机的扭矩输出，该系统在传统增压废气再循环内燃机的基础上，进一步提高了中高负荷工况点的增压压力，增大新鲜充量密度。同时采用高比例的低温外部EGR率，因此减小了缸内O₂的浓度，却没有减少缸内O₂的总量。这样，降低了缸内燃烧的温度，又保证高扭矩的输出。

传统的废气再循环一般有如下两种方式：

一种是将涡轮前的排气引入中冷器之后，称为高压废气再循环系统。采用可变截面涡轮增压器，可以扩大废气再循环有效工作范围，降低氮氧化物（NOx）和微粒（PM）排放，却不增大燃油消耗，这是将高压废气再循环系统用于增压中冷柴油机的最为常用的方法。但采用该方法的再循环废气温度过高，导致EGR中冷器热负荷高，中冷后的再循环废气温度仍高于冷却水温，与新鲜空气混合后进入气缸，反而提高了进入缸内新鲜充量的温度，不利于降低燃烧温度；其次，该方法在变工况时响应特性较差，不利于瞬态工况EGR的实时控制；再次，该方法减少了通过涡轮机的高压高能废气，不利于增压压力的提升。

另一种是将涡轮后的废气引入压气机之前，称为低压废气再循环系统，它可有效降低氮氧化物，再循环废弃温度低，有利于降低缸内燃烧温度，但废气循环工作范围有限，EGR不能进行较高比例循环，而且采用该方法的再循环废气在变工况时响应特性更差，这将使目标控制EGR量与实际进入气缸的EGR量存在较大差异，导致缸内燃烧源排放差。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、再循环废弃响应快、冷却组建热负荷低的用于内燃机的废气再循环系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：包括依次相连的冷却组件、压气机以及储气罐，所述冷却组件的进气端与内燃机的排气口相连通，所述储气罐的出气端与内燃机的进气口相连通。

作为本发明的进一步改进：

所述冷却组件为风冷式冷却器。

所述冷却组件包括依次相连的水冷式冷却器和风冷式冷却器，所述水冷式冷却器的进气口与内燃机的排气口相连通。

所述压气机与储气罐之间的管路上设有只允许气流从压气机流向储气罐的单向阀。

所述内燃机为一级增压内燃机，所述冷却组件的进气端与一级增压内燃机中高压级涡轮机的尾端相连通。

所述内燃机为两级增压内燃机，所述冷却组件的进气端与两级增压内燃机中低压级涡轮机的尾端相连通。

所述储气罐与内燃机的进气口之间设有流量控制阀。

所述储气罐中设有压力传感器，所述压力传感器的输出端与压气机的控制端相连。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过设置压气机，可以令低压的废气能顺利地引入到高压的进气管中，同时可实现较大EGR率。本发明在导气回路中增加了一个单向阀，当压气机停止工作时，可以阻止储气罐中的高压冷却废气倒流。本发明增加了一个储气罐，该储气罐可储存足够多的冷却EGR，满足多个循环工矿对EGR的需求。该储气罐要求靠近进气总管，这样减小了管路的长度，有利于快速响应。本发明中流量控制阀可以根据每个循环的新鲜空气质量流量来实时控制阀的开度，即控制每个循环进入汽缸的循环废气量。该发明具备了废气循环高/低压循环的优点，同时又克服了高/低压循环存在的缺陷。

2、本发明具有废气循环响应快、循环废气量控制精确、可满足内燃机变工况需求等优点。本发明可以对循环废气进行充分冷却，有利于降低进入气缸内混合气的温度，同时又降低了循环废气冷却器的热负荷。另外，本发明可充分利用内燃机废气能量，提高增压器的增压度，同时解决了增压器延迟问题，而且可提供高废气循环率，却又解决了进气平均压力高于排气平均压力时不能进行废气再循环的问题。采用本发明可使内燃机实现低温清洁燃烧，保证强劲的动力输出，起到节能和减少有害排放物的作用。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例一中的结构示意图；

图2是本发明在具体应用实例二中的结构示意图；

图3是本发明在具体应用实例三中的结构示意图；

图4是本发明在具体应用实例四中的结构示意图。

图例说明：

1、风冷式冷却器；2、压气机；3、储气罐；4、单向阀；5、水冷式冷却器；6、内燃机；7、空滤器；8、进气导管；9、低压压气机；10、低压涡轮机；11、高压压气机；12、中冷器；13、进气总管；14、流量控制阀；15、进气歧管；16、气缸；17、排气歧管；18、排气总管；19、高压涡轮机；20、废气旁通流量控制阀；21、排气导管；22、风扇；23、电动机；24、压力传感器；25、旁通管；26、电磁阀。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为具体应用实例一，本发明应用于两级增压内燃机中。内燃机6以柴油发动机为例，该柴油发动机工作过程分四个冲程，分别为进气、压缩、做功、排气。本发明废气再循环（EGR）的目的是降低缸内燃烧温度（低于2000K），抑制NOx的形成，降低排放污染物。该实例中，EGR循环方式属于低压废气再循环系统。

本发明用于内燃机的废气再循环系统包括依次相连的冷却组件、压气机2以及储气罐3，冷却组件的进气端与内燃机6的排气口相连通，储气罐3的出气端与内燃机6的进气口相连通，储气罐3靠近进气总管13。冷却组件为风冷式冷却器1，压气机2与储气罐3之间的管路上设有只允许气流从压气机2流向储气罐3的单向阀4，储气罐3与内燃机6的进气口之间设有流量控制阀14。

风冷式冷却器1，其外部由散热片组成，散热量的大小通过风扇22的转速来控制。冷却后的循环废气温度最低可降至环境温度。驱动风扇22的电动机23的工作状态以及转速根据储气罐3中循环废气的温度来控制，由电磁阀26实现控制。

从风冷式冷却器1出来的循环废气，经压气机2升压，其作用是把低压冷却后的循环废气压入储气罐3中。储气罐3中的压力由压力传感器24实时探测，当其压力小于某一定值时，压气机2将会启动，向储气罐3补充冷却废气。

储气罐3的作用是储存足够多的冷却废气，罐中的压力要高于进气管中的峰值压力，一般控制在5bar～8bar范围内，较高的压力可以保证瞬态响应快，循环废气流速大，与新鲜空气混合更均匀。储气罐3安装尽可能靠近进气总管，这样可以保证循环废气可以实时喷入进气总管13内。流量控制阀14用于精确控制循环废气的瞬态质量流量，流量控制阀13的开度由发动机转速、发动机负荷以及进气管内的空气质量流量来决定。循环废气量过多，将会导致燃烧速度变慢，燃烧不充分，HC和CO排放较高；循环废气量过少，导致燃烧速度过快，气缸16内温度过高，NOx排放较高。

在发动机进气过程当中，新鲜空气从空滤器7前的进气导管8进入，经空滤器7过滤，过滤后的新鲜空气经导管后被引入到低压压气机9。空气在低压压气机9中被压缩，压力得到提升，空气密度增大，温度也升高。低压压气机9是由低压涡轮机10通过转动轴带动，低压涡轮机10是由从内燃机6排气口排出并流经涡轮机的废气驱动。

增压后的新鲜空气继续经导管引入到高压压气机11中，高压压气机11的工作原理与低压压气机9类似，由高压涡轮机19驱动。新鲜空气经高压压气机11压缩后，压力和温度得到进一步提高，密度也进一步增大。新鲜空气温度过高不利于降低内燃机6缸内的燃烧温度，因此，高压压气机11增压后的气体经进气导管被引入到中冷器12中进行冷却，新鲜空气在中冷器12中得到充分冷却后，温度降至40℃～60℃。中冷器12采用风冷冷却方式。冷却后的新鲜空气经导管后被引入进气总管13中，在这里新鲜空气与由本发明废气再循环系统送来的循环废气按某一比例进行混合后得到新鲜工质（所述的某一比例即EGR率），EGR率、增压压力是根据发动机转速和负荷来确定的。新鲜空气的质量流量由增压压力控制，EGR的质量流量由流量控制阀14控制，而流量控制阀14的开度是由EGR率和新鲜空气的质量流量来确定。

混合后的新鲜工质经进气歧管15分流到内燃机6的进气气缸16中，在气缸16中与燃油进行混合后燃烧做功，完成压缩和做功两个冲程。做功后的燃烧废气温度和压力仍相对较高，经排气歧管17和排气总管18后进入高压涡轮机19，在高压涡轮机19中发生膨胀做功，推动涡轮叶片旋转，并通过传动轴带动高压压气机11转动。从高压涡轮机19出来的废气的温度和压力有所降低。如果，高压压气机11的增压压力较高，废气旁通流量控制阀20将会打开，部分废气将会绕过高压涡轮机19，流经旁通管25，从而降低增压压力。经高压涡轮机19的废气与旁通废气混合后进入低压涡轮机10，废气在低压涡轮机10中又一次膨胀做功，推动低压涡轮机10的叶片旋转。从低压涡轮机10出来的废气温度和压力进一步得到降低，一部分废气从排气导管21排出，一部分废气被引入到本发明的废气再循环系统中进行废气再循环。

进入本发明废气再循环系统中的废气流经风冷式冷却器1时进行冷却，冷却后的废气温度降至与中冷器12后的新鲜空气温度相当水平。风冷式冷却器1具有气液分离功能，可把凝结水导出冷却器；其外部由散热片组成，散热量的大小通过风扇22的转速来控制。风扇22由电动机23驱动，电动机23的工作状态以及转速由进入储气罐3中循环废气的温度来控制。冷却后的循环废气被压气机2压入储气罐3中，压气机2和储气罐3由单向阀4连接。单向阀4控制循环废气只能从压气机2流向储气罐3。当压气机2工作时，压气机2端的压力高于储气罐3端的压力，循环废气从压气机2端流入储气罐3中。当储气罐3中的压力高于某一定值时，压气机2将停止工作，这时单向阀4将制止废气从储气罐3流向压气机2。储气罐3能储存足够多的循环废气。当储气罐3的压力低于某一定值(例如：5bar)时，压气机2将进入工作状态，往储气罐3中补气。储存在储气罐3的废气经一个流量控制阀14和导管后进入到进气总管13中，与新鲜空气混合后形成新鲜工质供内燃机6所用。

再循环废气是从低压涡轮机10后引入，其优点有三个：第一个优点是从气缸16排出的高温高焓废气全部流经涡轮机，其能量得到充分的利用，因此增压压力得到显著的提升。第二个优点是，废气全部流经涡轮机，有利于改善增压器的延迟特性，从而改善了整车的加速性。第三个优点是，由于低压涡轮机10后的废气温度低，减小冷却组件的热负荷，降低了冷却组件的散热能力，因此可以减小风扇22的做功量。

如图2所示，为具体应用实例二，本发明应用于两级增压内燃机中，其结构和工作原理与上述应用实例一基本相同，不同之处就在于：进一步在风冷式冷却器1的前端增设有水冷式冷却器5，采用这种结构可以降低风冷式冷却器1的热负荷，特别是在风冷式冷却器1的散热能力不够时，加一级水冷却器是很有必要的。该实例中，废气循环方式属于低压废气再循环系统。

如图3所示，为具体应用实例三，本发明应用于一级增压内燃机中，其结构和工作原理与上述应用实例一基本相同，不同之处就在于：一级增压内燃机只有高压压气机11和高压涡轮机19作为增压机构，而内燃机6的排气经过高压涡轮机19后，进入风冷式冷却器1中，实现废气循环。为了保证有强劲的动力输出，在高负荷工况下，其废气循环率比两级增压低温燃烧内燃机的要低，甚至为零。

如图4所示，为具体应用实例四，本发明应用于无增压内燃机中，其结构和工作原理与上述应用实例一基本相同，不同之处就在于：内燃机6的排气直接通过导管进入风冷式冷却器1中，实现废气循环。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明中EGR冷却器亦可采用两级冷却方式，第一级为普通的水冷式，第二级为风冷式，这可以根据内燃机对再循环废气的冷却温度来确定。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：包括依次相连的冷却组件、压气机（2）以及储气罐（3），所述冷却组件的进气端与内燃机（6）的排气管相连通，所述储气罐（3）的出气端与内燃机（6）的进气口相连通。

2.根据权利要求1所述的用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：所述冷却组件为风冷式冷却器（1）。

3.根据权利要求1所述的用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：所述冷却组件包括依次相连的水冷式冷却器（5）和风冷式冷却器（1），所述水冷式冷却器（5）的进气口与内燃机（6）的排气口相连通。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：所述压气机（2）与储气罐（3）之间的管路上设有只允许气流从压气机（2）流向储气罐（3）的单向阀（4）。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：所述储气罐（3）与内燃机（6）的进气口之间设有流量控制阀（14）。

6.根据权利要求1或2或3所述的用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：所述储气罐（3）中设有压力传感器（24），所述压力传感器（24）的输出端与压气机（2）的控制端相连。

7.根据权利要求1或2或3所述的用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：所述内燃机（6）为一级增压内燃机，所述冷却组件的进气端与一级增压内燃机中高压涡轮机（19）的尾端相连通。

8.根据权利要求1或2或3所述的用于内燃机的废气再循环系统，其特征在于：所述内燃机（6）为两级增压内燃机，所述冷却组件的进气端与两级增压内燃机中低压涡轮机（10）的尾端相连通。