CN101960116B - 增压内燃发动机中的装置 - 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，其适于防止冷却器(10、15)中结冰。所述装置包括带有循环冷却剂的第一冷却系统、带有在燃烧发动机(2)常规运行期间处于比第一冷却系统中的冷却剂更低的温度的循环冷却剂的第二冷却系统、以及所述冷却器(10、15)，在所述冷却器中包含水蒸汽的气态介质预定为被第二冷却系统中的冷却剂冷却。所述装置还包括热交换器(28)和阀机构(30)，所述阀机构可以在来自至少一个所述冷却系统的冷却剂被阻止流过热交换器(28)时被置于第一位置，以及在来自两个所述冷却系统的冷却剂都流过热交换器(28)以使得第二冷却系统中的冷却剂被第一冷却系统中的冷却剂加温时被置于第二位置。

Description

增压内燃发动机中的装置
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
可以被供给到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到燃烧发动机需要空气在其被引导至燃烧发动机之前进行有效的冷却。空气通常在位于交通工具前部的增压空气冷却器中被冷却。在所述位置增压空气冷却器使处于环境温度的冷却空气流流过它，这使得压缩空气可以被冷却到接近环境温度的温度。在冷的天气条件下，压缩空气可以被冷却到低于空气露点温度的温度，使得呈液态形式的水蒸汽在增压空气冷却器中凝结。当环境空气的温度低于0℃时，还有凝结的水在增压空气冷却器内冻结成冰的风险。所述结冰将导致增压空气冷却器内空气流导管的更大或更小量的阻塞，从而引起至燃烧发动机的减小的空气流量以及随之而来的运行故障或停止。
被称为EGR(废气再循环)的技术是将一部分来自燃烧发动机中的燃烧过程的废气进行再循环的一种已知的方法。再循环废气与到燃烧发动机的进气空气混合，所述混合在该混合物被引导至燃烧发动机的气缸之前进行。将废气添加到空气中产生较低的燃烧温度，特别地产生废气中氮氧化物NOx的减小的含量。所述技术既用于奥托发动机也用于柴油发动机。供给大量的废气到燃烧发动机需要废气在它们被引导至燃烧发动机之前进行有效的冷却。废气可以受到EGR冷却器中的第一步冷却以及空气冷却的EGR冷却器中的第二步冷却，所述第一步冷却通过来自燃烧发动机的冷却系统的冷却剂冷却。因此废气还可以被冷却到接近环境温度的温度。废气包含水蒸汽，当废气承受第二步冷却到低于水蒸汽露点的温度时，所述水蒸汽凝结在EGR冷却器内。当环境温度的温度低于0℃时，还有所形成的冷凝物在第二EGR冷却器内冻结成冰的风险。所述结冰将导致EGR冷却器内废气流导管的更大或更小量的阻塞。当废气再循环停止或显著地减小时，结果是废气中氮氧化物含量的增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置，由此包含水蒸汽的气态介质可以在冷却器中受到很好的冷却，而同时冷却器受到阻塞的风险被避免。
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。为了气态介质被有效地冷却，其需要通过一冷却系统中的冷却剂冷却，所述冷却系统可以被称作低温冷却系统。当低温冷却系统中的冷却剂被使用时，所述装置通常被冷却到在冷却器内呈液态形式的水被凝结的温度。如果冷却剂还低于0℃，则还有水在冷却器内冻结成冰的明显的风险。低温冷却系统中的冷却剂的温度越低，所述风险越大。所述装置还包括带有比低温冷却系统中的冷却剂更暖的冷却剂的冷却系统。所述冷却系统因此可以被称作高温冷却系统。根据本发明，热交换器和阀机构被使用以使得可以借助于高温冷却系统中更暖的冷却剂对低温冷却系统中的冷却剂加温。在燃烧发动机常规运行期间，阀机构被置于第一位置由此来自至少一个所述冷却系统的冷却剂被阻止流过热交换器。结果在两个冷却系统中的冷却剂之间没有传热。然而，当阀机构被置于第二位置时，来自两个冷却系统的冷却剂被允许流过热交换器。在这种情况下，低温冷却系统中的冷却剂在热交换器中被高温冷却系统中更暖的冷却剂加温。在低温冷却系统中的冷却剂处于使其冒着将气态介质冷却到在冷却器内形成冰的程度的风险的低温的情况下，所述加温是有利的。如果有人确定冷却器冒着冻结或即将冻结的风险，则阀机构可以被人工地置于第二位置。当结冰停止时，阀机构可以返回第一位置。气态介质因此可以在冷却器中得到很好的冷却，而同时冷却器中的结冰可以被避免。
根据本发明的一个优选实施方式，所述装置包括至少一个传感器，以及控制单元，所述至少一个传感器适于检测表示气态介质是否被冷却到在冷却器中存在结冰或存在结冰的风险的程度的参数，所述控制单元适于从所述构件接收信息和确定在冷却器中是否存在结冰或是否存在结冰的风险，并且如果存在的话则将阀机构置于第二位置。利用所述结构，当在冷却器中存在结冰的风险时阀机构可以被自动地置于第二位置。控制单元可以是装有用于此目的的适当软件的计算机单元。所述传感器可以是检测低温冷却系统中的冷却剂温度的温度传感器。如果冷却剂温度在其被引导至冷却器时高于0℃，则在冷却器内没有结冰的风险。为了完全避免结冰，控制单元可以一旦冷却剂温度降到低于0℃时就将阀机构置于第二位置。装置优选地包括适于检测与冷却器中气态介质的压力降或温度降相关的参数的温度传感器或压力传感器。一个传感器可以检测气态介质在其被引导至冷却器之前的压力或温度，一个传感器可以检测在其从冷却器被引导出时的压力或温度。如果冷却器中的压力降或温度降不处于预定值内，则控制单元可以发现冷却器中的流动通道即将被冰阻塞。在这种情况下控制单元将阀机构置于第二位置以使得低温冷却系统中的冷却剂受到加温。流动通过冷却器的加温的冷却剂将熔化已经形成在冷却器内的冰。当冰已经熔化时，控制单元从传感器接收表示冷却器中的压力降或温度降已经回复到容许值的信息。控制单元将阀机构返回到第一位置。由此在这种情况下在冷却器内允许有限量的结冰，但结果是，当低于0℃的冷却剂温度可接受时，只要冷却器没有开始冻结，就存在气态介质的非常有效的冷却。
根据本发明的另一个优选实施方式，第二冷却系统具有散热器元件，由此循环冷却剂被处于环境温度的空气冷却。冷却剂因此能够被冷却到接近环境温度的温度。相对于在第二冷却系统中冷却剂流动的预定方向，热交换器有利地在散热器元件下游和冷却器上游的位置处位于第二冷却系统中。第二系统中的冷却剂因此可以在其被引导至冷却器之前基本上立即被加温。在阀机构被置于第二位置的情况下，相对暖的冷却剂由此可以被引导至冷却器以使得已经形成在冷却器内的冰将迅速融化。
根据本发明的另一个优选实施方式，第一冷却系统适于冷却燃烧发动机。在常规运行期间，冷却燃烧发动机的冷却系统处于80-100℃的温度。所述已有的冷却剂因此非常适用于对低温冷却系统中的冷却剂加温。冷却燃烧发动机的冷却系统可以包括适于将暖的冷却剂从冷却系统中大致紧挨着燃烧发动机下游的位置引导到热交换器的线路。当冷却剂已经冷却了燃烧发动机时，冷却剂将处于其在冷却系统中的最高温度，并且可以非常有效地用于对冷却剂进行最优化的加温以便于在存在结冰时对低温冷却系统中的冷却剂加温。
根据本发明的另一个优选实施方式，装置包括另外的冷却器，由此气态介质预定为在气态介质被引导至前述冷却器之前通过第一冷却系统中的冷却剂受到第一步冷却，所述气态介质在所述前述冷却器中通过第二冷却系统中的冷却剂承受第二步冷却。气态介质可以是被引导进至燃烧发动机的进气管线中的压缩空气。当空气被压缩时，其承受大量的热量，这与空气的压缩度相关。在增压燃烧发动机中，空气在非常高的压力下被使用。空气因此需要有效的冷却。因此，有利的是，在多于一个冷却器中并且在两个或更多个阶段中冷却压缩空气，以使其可以在被引导至燃烧发动机之前达到期望的低温。所述气态介质还可以是在回流管线中被引导至燃烧发动机的再循环废气。废气在它们被引导进回流管线中时可以处于500-600℃的温度下。因此，还有利的是，在多于一个冷却器中并且在两个或更多个阶段中冷却废气，以使得它们可以在被引导至燃烧发动机之前达到期望的低温。
附图说明
下面将参考附图以示例的方式描述本发明的一个优选实施方式，其中：
图1示出了根据本发明的一个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示出了用于增压燃烧发动机的装置，所述增压燃烧发动机用于驱动示意性地示出的交通工具(车辆)1。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5和压缩机6的涡轮单元。排气管线4中处于高于大气压力下的废气最初被引导至涡轮机5。因此涡轮机5被提供经由连接机构被传递至压缩机6的驱动力。压缩机6使用所述力压缩经由空气过滤器7被抽吸进空气进气管线8的空气。进气管线中的空气在第一冷却剂冷却的增压空气冷却器9中被初始地冷却。在第一增压空气冷却器9中空气通过来自燃烧发动机的冷却系统的冷却剂被冷却。压缩空气此后在第二冷却剂冷却的增压空气冷却器10中被冷却。在第二增压空气冷却器10中空气通过来自独立冷却系统的冷却剂被冷却。
装置包括回流管线11，所述回流管线11用于实施排气管线4中部分废气的再循环。回流管线具有在排气管线4和进气管线8之间的长度。回流管线11包括EGR阀12，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。控制单元13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。回流管线11包括第一冷却剂冷却的EGR冷却器14以用于使废气受到第一步冷却。在第一EGR冷却器14中废气通过来自燃烧发动机的冷却系统的冷却剂被冷却。废气在冷却剂冷却的EGR冷却器15中受到第二步冷却。在第二EGR冷却器15中废气通过来自所述独立冷却系统的冷却剂被冷却。
在增压柴油发动机2中的某些运行状态下，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。如果相反地燃烧发动机2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，因为在基本上所有的运行情形下，奥托发动机的排气管线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。
燃烧发动机2通过包含循环冷却剂的冷却系统以传统的方式被冷却。冷却剂通过冷却剂泵18在冷却系统中被循环。冷却剂的主流动被循环贯穿燃烧发动机2。在冷却剂已经冷却了燃烧发动机2之后，其在管线21中被引导至冷却系统中的恒温器19。当冷却剂已经达到正常工作温度时，恒温器19适于将其引导至散热器20以便于被冷却，所述散热器20安装在交通工具前部处。然而冷却系统中的冷却剂的较小部分并不被引导回燃烧发动机2，而是在被分成两个并联管线22a、22b的管线22中循环。管线22a引导冷却剂到第一增压空气冷却器9，在其中冷却剂使压缩空气受到第一步冷却。管线22b引导冷却剂到第一EGR冷却器14，在其中冷却剂使再循环废气受到第一步冷却。已经在第一增压空气冷却器9中冷却了空气的冷却剂和已经在第一EGR冷却器14中冷却了废气的冷却剂在管线22中重新结合，所述管线22引导冷却剂回到管线21。被加温的冷却剂在管线21中被引导至散热器20。
所述独立冷却系统包括安装在交通工具1外围区域中散热器20前面的散热器元件24。在这种情况下所述外围区域位于交通工具1的前部。散热器风扇25适于产生通过散热器元件24和散热器20的环境空气的空气流。由于散热器元件24位于散热器20的前面，冷却剂在散热器元件24中通过处于环境温度的空气冷却。散热器元件24中的冷却剂因此能够被冷却到接近环境温度的温度。来自散热器元件24的冷的冷却剂通过泵27在管线26中在所述独立冷却系统中循环。热交换器28被布置在管线26中。如果有必要，独立冷却系统中冷的冷却剂可以通过来自燃烧发动机的冷却系统的暖的冷却剂在热交换器28中被加温。燃烧发动机的冷却系统包括管线29，其具有从管线21中其接收刚刚经过燃烧发动机的暖的冷却剂的位置21a开始的长度。管线29包括可以通过控制单元31被置于关闭位置和至少一个打开位置的阀30。当阀30处于打开位置时，暖的冷却剂被引导通过管线29，其延伸贯穿热交换器28。冷却剂此后被引导至管线23，所述管线23构成燃烧发动机的冷却系统的一普通部分，并且将经冷却的冷却剂从散热器20引导到燃烧发动机2。
在独立冷却系统中的冷却剂已经经过热交换器28之后，管线26分成两个并联管线26a、26b。管线26a引导冷却剂到第二增压空气冷却器10，在其中冷却剂使压缩空气受到第二步冷却。管线26b引导冷却剂到第二EGR冷却器15，在其中冷却剂使再循环废气受到第二步冷却。在冷却剂已经经过第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15之后，管线26a、26b结合到一起。冷却剂此后在管线26中被引导至散热器元件24以便于被冷却。第一压力传感器32被布置在空气管线8中以在空气被引导至第二增压空气冷却器10之前检测空气压力。第二压力传感器33被布置在空气管线8中以在空气已经经过第二增压空气冷却器10之后检测空气压力。第三压力传感器34被布置在回流管线11中以在废气被引导至第二EGR冷却器15之前检测废气的压力。第四压力传感器35被布置在回流管线11中以在废气已经经过第二EGR冷却器15之后检测废气的压力。控制单元31适于从所述传感器接收关于测量压力的信息。
在柴油发动机2运行期间，废气流动通过排气管线4并且驱动涡轮机5。由此涡轮机5被供给驱动压缩机6的驱动力。压缩机6经由空气过滤器7抽吸进环境空气并且压缩进气管线8中的空气。空气因此获得增大的压力和升高的温度。在第一增压空气冷却器9中压缩空气通过燃烧发动机的冷却系统中的散热器液体被冷却。散热器液体在此可以处于大约80-85℃的温度。因此压缩空气可以在第一增压空气冷却器9中承受第一步冷却以冷却到接近冷却剂温度的温度。压缩空气此后被引导通过第二增压空气冷却器10，在其中所述压缩空气通过独立冷却系统中的冷却剂被冷却。冷却剂在此可以处于接近环境温度的温度。因此废气也可以在有利的情况下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，控制单元13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中的废气在它们到达第一EGR冷却器14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14中通过燃烧发动机的冷却系统中的冷却剂承受第一步冷却。燃烧发动机的冷却系统中的冷却剂将由此处于相对高的温度下但是该温度绝对低于废气的温度。因此可以实现第一EGR冷却器14中废气的良好的冷却。再循环废气此后被引导至第二EGR冷却器15，在其中它们通过独立冷却系统中的冷却剂被冷却。冷却剂在此将处于显著地较低的温度并且废气可以在有利的情况下被冷却到接近环境温度的温度。由此回流管线11中的废气可以在它们混合和被引导至燃烧发动机2之前承受冷却到与压缩空气大致相同的低温。大致最优化的量的空气和再循环废气因此可以被引导至燃烧发动机。因此可以得到带有充分最佳性能的燃烧发动机中的燃烧。压缩空气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。
压缩空气和再循环废气的所述有效的冷却也具有缺陷。压缩空气在第二增压空气冷却器10中被冷却到呈液态形式的水在增压空气冷却器10内凝结的温度。类似地，第二EGR冷却器15中的废气被冷却到使得冷凝物在第二EGR冷却器15内形成的温度。当环境空气的温度低于0℃时，还有凝结的水在第二增压空气冷却器10内冻结成冰以及凝结的冷凝物在第二EGR冷却器15内冻结成冰的风险。在第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15内的结冰可能严重地妨碍燃烧发动机2的运行。为了防止第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15冻结，控制单元31从压力传感器32、33大致连续地接收关于第二增压空气冷却器10之前和之后的空气压力的信息，并且从压力传感器34、35大致连续地接收关于第二EGR冷却器15之前和之后的再循环废气的压力的信息。如果压力传感器32、33指示出超过第二增压空气冷却器10中的预定阈值的压力降，则控制单元31可以发现冰已经在增压空气冷却器10内形成。如果压力传感器34、35指示出超过第二EGR冷却器15中的预定阈值的压力降，则其可以类似地发现冰已经在第二EGR冷却器15中形成。
如果控制单元31接收所述信息，则其打开阀30以使得来自燃烧发动机的冷却系统的暖的冷却剂被引导通过管线29和热交换器28。来自燃烧发动机冷却系统的暖的冷却剂将对连续流过热交换器28的独立冷却系统中的冷的冷却剂加温。相对于独立冷却系统中冷却剂流动的预定方向，热交换器28在散热器元件24下游以及第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15上游的位置处位于独立冷却系统中。由此独立系统中的冷却剂在其被引导至第二增压空气冷却器10和被引导至第二EGR冷却器15之前基本上立即被供给显著的加温。当暖的冷却剂被引导通过第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15时，其将迅速且有效地熔化在冷却器10、15中已经形成的冰。
一旦控制单元31接收到表示第二增压空气冷却器10中和第二EGR冷却器15中的压力降已经回复到容许值的信息，控制单元31就关闭阀机构30，由此停止来自燃烧发动机冷却系统的暖的冷却剂通过热交换器28循环。独立冷却系统中冷却剂的加温停止，并且已经在散热器元件24中冷却的冷的冷却剂可以被重新使用以用于冷却第二增压空气冷却器10中的空气和EGR冷却器15中的废气。如果在交通工具运行期间出现很低的环境温度，则控制单元31可以每隔一定间隔就将阀机构30置于打开位置，以防止在第二增压空气冷却器10中和第二EGR冷却器15中过多地结冰。所述配置因此使得可以非常有效地冷却第二增压空气冷却器10中的空气和第二EGR冷却器15中的废气。同时，在第二增压空气冷却器10中和第二EGR冷却器15中防止了结冰，所述结冰可能妨碍燃烧发动机2的运行。
本发明决不限于在附图中示出的实施方式，而是可以在权利要求书的范围内自由变化。在实施方式示例中，压力传感器用于确定穿过冷却器的压力降以作为用于表示冰已经在冷却器中形成时的一个参数。温度传感器同样也可以用于确定冷却器中的温度降以作为用于表示冰已经在冷却器中形成时的一个参数。根据另一个备选方案，温度传感器可以用来检测被引导至冷却器10、15的冷却剂的温度。如果冷却剂温度高于0℃，则在冷却器10、15中不会出现结冰。在示出的实施方式中，装置被用于保持第二增压空气冷却器10和第二EGR冷却器15都基本上没有冰。装置还可以用于保持仅仅所述冷却器10、15中的一个基本上没有冰。装置用于增压燃烧发动机，在其中一涡轮单元用于压缩被引导至燃烧发动机的空气。装置当然也可以用于在其中空气通过多于一个的涡轮单元压缩的增压燃烧发动机。在这种情况下，第一增压空气冷却器9可以被用作中间冷却器，以用于在冷却涡轮单元的压缩机中的压缩之间的空气。

Claims (9)

1.一种用于增压燃烧发动机(2)的装置，所述装置包括带有循环冷却剂的第一冷却系统、带有在所述燃烧发动机(2)常规运行期间处于比所述第一冷却系统中的冷却剂更低的温度的循环冷却剂的第二冷却系统、以及冷却器(10、15)，在所述冷却器(10、15)中包含水蒸汽的气态介质预定为被所述第二冷却系统中的冷却剂冷却，其特征在于，所述装置包括热交换器(28)、阀机构(30)、至少一个传感器(32-36)和一控制单元(31)，所述热交换器(28)本身包括适于使来自所述第一冷却系统的冷却剂流过所述热交换器(28)并且延伸贯穿热交换器(28)的通道(29)和适于使来自所述第二冷却系统的冷却剂流过所述热交换器(28)并且延伸贯穿热交换器(28)的通道(26)，所述阀机构(30)可以在来自至少一个所述冷却系统的冷却剂被阻止流过所述热交换器(28)时被置于第一位置，以及在来自两个所述冷却系统的冷却剂都流过所述热交换器(28)以使得所述第二冷却系统中的冷却剂被所述第一冷却系统中的冷却剂加温时被置于第二位置，所述至少一个传感器(32-36)适于检测表示所述气态介质是否被冷却到在所述冷却器(10、15)中存在结冰或存在结冰的风险的程度的参数，所述控制单元(31)适于从所述传感器(32-35)接收信息并且确定在所述冷却器(10、15)中是否存在结冰或是否存在结冰的风险，并且如果存在结冰或存在结冰的风险则将所述阀机构(30)置于所述第二位置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括适于检测与所述冷却器(10、15)中所述气态介质的压力降或温度降相关的参数的压力传感器(32-35)或温度传感器。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第二冷却系统具有散热器元件(24)，在所述散热器元件(24)中所述循环冷却剂通过处于环境温度的空气冷却。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，相对于第二冷却系统中冷却剂流动的预定方向，所述热交换器(28)在所述散热器元件(24)下游和所述冷却器(10、15)上游的位置位于所述第二冷却系统中。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一冷却系统适于冷却所述燃烧发动机(2)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一冷却系统包括管线(29)，所述管线(29)适于将暖的冷却剂从所述第一冷却系统中位于大致紧挨着所述燃烧发动机(2)下游的位置(21a)引导到所述热交换器(28)。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括另外的冷却器(9、14)，所述气态介质预定为在所述气态介质被引导至前述冷却器(10、15)之前在所述另外的冷却器(9、14)中通过所述第一冷却系统中的冷却剂受到第一步冷却，所述气态介质在前述冷却器(10、15)中通过所述第二冷却系统中的冷却剂受到第二步冷却。
8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气态介质是在进气管线(8)中被引导至所述燃烧发动机(2)的压缩空气。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气态介质是在回流管线(11)中被引导至所述燃烧发动机(2)的再循环废气。
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