CN102057142A - 用于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。所述装置包括适于使空气接受第一压缩步骤的第一压缩机(6a)、适于使空气接受第二压缩步骤的第二压缩机(6b)、带有循环冷却剂的第一冷却系统、以及带有处于比第一冷却系统中的冷却剂低的温度的循环冷却剂的第二冷却系统。所述装置包括应用在第一压缩机(6a)和第二压缩机(6b)之间并且被来自第二冷却系统的冷却剂冷却的第一增压空气冷却器(9a)、布置在第二压缩机(6b)的下游并且被来自第一冷却系统的冷却剂冷却的第二增压空气冷却器(9b)、以及应用在第二增压空气冷却器(9b)的下游并且被来自第二冷却系统的冷却剂冷却的第三增压空气冷却器(9c)。

Description

用于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
能够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。供给最大可能的量的空气至燃烧发动机需要空气在其被引导至燃烧发动机之前首先被压缩至高压并且然后被冷却。当空气需要压缩至高压时，有利的是，其以两个阶段被压缩。这可以包括使空气接受第一压缩步骤的第一涡轮单元的压缩机，以及使空气接受第二压缩步骤的第二涡轮单元中的压缩机。使空气在两个压缩步骤之间冷却是已知的实践。空气在其已经承受第一压缩步骤之后的冷却使得空气处于较低的温度。因此空气将处于较低的比容下、即其每单位重量占据较小的体积。由于压缩机通常具有在其中接收和压缩空气的定容空间，因此这种中间冷却使得较大量的空气可以被抽吸进第二压缩机中并且接受第二压缩步骤。这意味着大量的空气可以被压缩至高压。同样重要的是，使得压缩空气在其被引导至燃烧发动机之前被冷却，以使得大量的压缩空气可以被引入燃烧发动机。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于增压燃烧发动机的装置，甚至当空气被压缩至非常高的压力时，所述装置也获得被引导至燃烧发动机的压缩空气的有效冷却。
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。当空气被压缩时，其承受与空气的压缩度相关的量的加热。这意味着被压缩至高压的空气承受非常强的加热。因此在这种情况下，空气以带有中间冷却的两个阶段被压缩。来自第二冷却系统的冷却剂在此用于在压缩步骤之间冷却增压空气。第二冷却系统中的冷却剂处于比第一系统中的冷却剂低的温度的事实使得可以在压缩之间实现增压空气的有效冷却。这种带有中间冷却的分两个阶段的压缩使得压缩的效率大大高于压缩以一个步骤实现的情况。中间冷却使得空气在第二压缩步骤之后处于大大低于其以传统的方式接受仅一个压缩步骤的情况下的温度。空气在压缩之后较低的温度意味着用于接收和传输压缩空气的构件不需要由带有良好耐热特性的相对昂贵的材料制成。在空气压缩之后，其被来自第一系统的冷却剂冷却并且此后被来自第二冷却系统的冷却剂冷却。利用第一冷却系统中的更暖(热)的冷却剂冷却压缩空气使得第二冷却系统不必要实现增压空气的完全冷却。第二冷却系统上的负荷将由此较小并且冷却剂温度可以因此保持在低水平。第二冷却系统中的冷却剂的低温确保增压空气在其被引导至燃烧发动机之前被冷却至低的温度。
根据本发明的一个优选实施方式，第一冷却系统包括第一散热器，在所述第一散热器中冷却剂预定为被空气冷却。例如在车辆中，这种散热器可以被布置在有冷却空气流穿过它的适当位置处。所述第一冷却系统有利地包括额外散热器，在所述额外散热器中冷却剂预定为被空气冷却。特别是在车辆中，已有冷却系统上的负荷可能变得严重。因此在很多情况下有利的是在车辆中在适当的位置处提供这种额外的空气冷却的散热器。额外的散热器和第一散热器优选地在所述第一冷却系统中并联布置。由此冷却剂的一部分将在第一散热器中冷却而其余的冷却剂将在额外的冷却器中冷却。在冷却之后，来自各个冷却器的冷却剂可以汇集到一起并且在所述冷却剂再次用于冷却之前混合。第一冷却系统优选地用于冷却燃烧发动机。有利的是，使用已有冷却系统中的冷却剂使压缩空气在第二压缩之后接受第一步冷却。在常规运行期间，冷却剂当然将处于80-100℃的温度，但是所述温度明确地低于压缩空气在其已经承受第二压缩步骤之后的温度。
根据本发明的一个优选实施方式，第二冷却系统包括散热器元件，在所述散热器元件中冷却剂预定为被处于环境温度的空气冷却。为了使第二冷却系统中的冷却剂获得低温，有利的是，使其在有处于环境温度的空气流动通过的散热器元件中被冷却。通过散热器元件的适当尺寸设定，因此还可以将冷却剂冷却至接近环境温度的温度。第二冷却系统可以包括适于将冷却剂引导至第一增压空气冷却器的管线、以及适于将冷却剂引导至第三增压空气冷却器的管线，所述管线被并联布置以使得它们将处于大致相同温度的冷却剂引导至相应的增压空气冷却器。这种并联管线使得压缩空气可以被处于相同低温的冷却剂冷却。因此空气在压缩步骤之间并且在其被引导至燃烧发动机之前可以被冷却至最优化的低温。第二冷却系统可以包括至少一个将冷却剂引导至其它散热器的其它并联管线。例如在车辆中，存在有利地借助于处于低温的冷却剂冷却的大量构件和介质，例如为电控单元、空调系统中的制冷剂和变速箱机油。
根据本发明的另一个优选实施方式，装置包括回流管线，所述回流管线使排气管线与进气管线连接以使得可以经由所述回流管线使废气从所述排气管线再循环至所述进气管线。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。再循环废气与至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发动机的气缸之前进行。将废气添加至空气中产生较低的燃烧温度，这特别地获得废气中氮氧化物NOx的减小的含量。供给大量的废气至燃烧发动机还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。回流管线可以包括适于被来自第一冷却系统的冷却剂冷却的第一EGR冷却器以及适于被来自第二冷却系统的冷却剂冷却的第二EGR冷却器。由此在它们混合且被引导至燃烧发动机之前，废气可以承受冷却至与循环空气同样低的温度。
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柴油发动机的装置，以及
图2示出了根据本发明的第二实施方式的用于增压柴油发动机的装置。
具体实施方式
图1示出了用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可以用来驱动重型车辆1。柴油发动机2被带有循环冷却剂的第一冷却系统冷却。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被提供给驱动功率，所述驱动功率经由连接机构被传递至第二涡轮单元的压缩机6b。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被提供给驱动功率，所述驱动功率经由连接机构被传递至第一涡轮单元的压缩机6a。
装置包括适于引导空气至燃烧发动机2的进气管线8。第一涡轮单元的压缩机6a压缩经由空气过滤器7被抽吸进进气管线8的空气。此后在第一增压空气冷却器9a中空气被来自第二冷却系统的冷却剂冷却。第二冷却系统包含在常规运行期间处于比燃烧发动机冷却系统中的冷却剂温度低的温度的冷却剂。离开第一增压空气冷却器9a的经压缩和冷却的空气在管线8中被继续引导至第二涡轮单元的压缩机6b，在其中空气承受第二压缩步骤。此后空气经由管线8被引导至第二增压空气冷却器9b，在其中空气被来自燃烧发动机冷却系统的冷却剂冷却。增压空气最终在第三增压空气冷却器9c中被冷却，其中增压空气被第二冷却系统中冷的冷却剂冷却。
装置包括用于将来自排气管线4的废气进行再循环的回流管线11。回流管线11具有处于排气管线4和进气管线8之间的长度。回流管线11包括EGR阀12，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。第一控制单元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包括用于使废气接受第一步冷却的冷却剂冷却的第一EGR冷却器14a。在第一EGR冷却器14a中废气被来自燃烧发动机冷却系统的冷却剂冷却。此后废气在冷却剂冷却的第二EGR冷却器14b中接受第二步冷却。在第二EGR冷却器14b中废气被来自第二冷却系统的冷却剂冷却。
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，无法将回流管线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，因为在大致所有的运行情形下，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。在废气已经与进气管线8中的压缩空气混合之后，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通过在第一冷却系统中循环的冷却剂以传统的方式被冷却。第一冷却系统中的冷却剂被冷却剂泵18循环。冷却剂的主流动冷却燃烧发动机2。在这种情况下，冷却剂还冷却油冷却器15中的车用机油。在冷却剂已经冷却了燃烧发动机2之后，其在管线21中被引导至油冷却器元件28以用于缓速器。在冷却剂已经在油冷却器元件28中冷却了油之后，其在管线21中被继续引导至恒温器19。恒温器19依据冷却剂温度将可变的量的冷却剂引导至管线21a和管线21b。管线21a引导冷却剂至燃烧发动机2，而管线21b引导冷却剂至装配在交通工具1的前方部分处的散热器20。当冷却剂已经达到常规工作温度时，基本上所有的冷却剂被引导至散热器20以便于被冷却。管线23将经冷却的冷却剂引导回燃烧发动机2。冷却系统中小部分的冷却剂不被用于冷却燃烧发动机，但是被引导至两个并联管线22a、22b。管线22a引导冷却剂至第一增压空气冷却器9，在其中冷却剂冷却压缩空气。管线22b引导冷却剂至第一EGR冷却器14a，在其中冷却剂使再循环废气接受第一步冷却。已经在第二增压空气冷却器9b中冷却空气的冷却剂和已经在第一EGR冷却器14a中冷却废气的冷却剂在管线22c中重新结合。管线22c将冷却剂引导至冷却系统中位于三通阀19和泵18之间的位置，在该处其与来自散热器20的经冷却的冷却剂混合。
第二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中被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至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在管线回路26中循环于第二冷却回路中。管线回路26包括第一管线26a，所述第一管线26a将冷的冷却剂从散热器元件24引导至各个冷却器以用于冷却各种介质。管线回路26包括第二管线26b，所述第二管线26b在冷却剂已经用于冷却所述介质之后将其引导回到散热器元件。
第一连接管线30将第二冷却系统与燃烧发动机冷却系统连接。第一连接管线30具有与第二冷却系统的第二管线26b连接的一个端部以及与第一冷却系统的管线21连接的相反端部。第一连接管线30经由第一三通阀32与管线21连接。燃烧发动机冷却系统中的冷却剂在管线21中接近第一三通阀32处处于其最高温度。第二连接管线33将第二冷却系统连接至第一冷却系统。第二连接管线33经由第二三通阀34与第二冷却系统的第一管线26a连接。在冷却剂刚刚在散热器24中被冷却的位置处，第二三通阀34布置在管线26a中。第一管线26a分成多个并联管线26c-f，它们将冷的冷却剂引导至多个冷却器9a、9c、14b、35以用于冷却各种介质。管线26c适于引导冷的冷却剂至第一增压空气冷却器9a，在其中所述冷却剂使压缩空气接受冷却的初始步骤。管线26d适于引导冷的冷却剂至第三增压空气冷却器9c，在其中所述冷却剂使压缩空气接受冷却的最终步骤。管线26e适于引导冷的冷却剂至冷却器35，所述冷却器35可以是任何所需的类型。冷却器35可以例如适于对冷却电控单元、空调系统中的制冷剂或变速箱机油的冷却介质进行冷却。管线26f适于引导冷的冷却剂至第二EGR冷却器14b，在其中所述冷却剂使再循环废气接受第二步冷却。在冷却剂已经通过所述冷却器9a、9c、14b、35之后，暖的冷却剂经由管线26b被引导回到散热器24。第二控制单元31适于控制三通阀32、34。
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被提供给驱动功率，所述驱动功率驱动涡轮单元的压缩机6a、6b。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使进气管线8中的空气接受第一压缩步骤。空气因此获得增大的压力和升高的温度。压缩空气在第一增压空气冷却器9a中被第二冷却系统中的冷却剂冷却。在有利的情况下，在第二冷却系统中的冷却剂可以在其到达第一增压空气冷却器9a时处于大致对应于环境温度的温度。压缩空气因此可以在第一增压空气冷却器9a中被冷却至接近环境温度的温度。经冷却的空气在第一增压空气冷却器9a中维持其压力。被冷却的空气具有较低的比容、即其每单位重量占据较小的体积。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。空气在此接受第二压缩步骤至仍然较高的压力。压缩空气此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被来自燃烧发动机冷却系统的冷却剂冷却。压缩空气可以在燃烧发动机冷却系统中被冷却至接近冷却剂温度的温度。压缩空气此后被引导至第三增压空气冷却器9c，在其中所述压缩空气被来自第二冷却系统的冷却剂冷却。压缩空气在此可以被冷却至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中承受第一步冷却。燃烧发动机冷却系统中的冷却剂在此用作冷却介质。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承受第一步冷却以冷却至接近冷却剂温度的温度。废气此后被引导至第二EGR冷却器14b。第二EGR冷却器14b被来自第二冷却系统的冷却剂冷却。利用合适地设定尺寸的EGR冷却器14b，再循环废气可以被冷却至接近环境温度的温度。因此回流管线11中的废气可以承受冷却至与第三增压空气冷却器9c中的压缩空气大致相同的温度。
压缩空气因此接受三个步骤的冷却。空气在压缩机6a、6b中的压缩之间的冷却使得空气在其通过压缩机6b接受第二压缩步骤时具有相对低的比容。因此相对大量的空气可以通过压缩机6b接受第二压缩步骤。压缩空气此后在第二增压空气冷却器9b和第三增压空气冷却器9c中被冷却至大致对应于环境温度的温度。因此废气和压缩空气在它们混合时都将处于大致对应于环境温度的温度。因此大致最优化的量的再循环废气和大致最优化的量的空气可以以高压被引入燃烧发动机。因此可以实现燃烧发动机中高性能的燃烧以及废气中氮氧化物最优化的减少。
在常规运行期间，控制单元31适于将第一三通阀32和第二三通阀34保持就位，以使得在第一冷却系统和第二冷却系统之间没有冷却剂交换发生。然而，压缩空气和再循环废气的有效冷却可能导致在所述冷却器9c、14b中结冰。如果接收到指示在冷却器9c、14b中的任何一个内存在结冰的风险或者已经形成冰的信息，则第二控制单元31停止泵27的运行。第二控制单元31将第一三通阀32置于一位置，以使得暖的冷却剂经由第一连接管线30从燃烧发动机冷却系统被引导至第二冷却系统。在该第二位置，第一三通阀32沿着与第二冷却系统中流动的常规方向相反的方向引导暖的冷却剂。来自燃烧发动机冷却系统的暖的冷却剂由此将沿相反方向流动通过第三增压空气冷却器9c和第二EGR冷却器14b。所述暖的冷却剂将迅速熔化已经在增压空气冷却器9c和/或第二EGR冷却器14b内形成的所有冰。在预定时间之后或者在其接收到指示冰已经在增压空气冷却器9c和/或第二EGR冷却器14b中融化的信息时，第二控制单元31将使三通阀32、34返回到它们相应的第一位置。因此能够简单且有效地除去增压空气冷却器9c和/或第二EGR冷却器14b中的所有结冰。
交通工具1在这种情况下装配有油冷却的缓速器。在油冷却器元件28中缓速器油被燃烧发动机冷却系统中的冷却剂冷却。缓速器的制动能力通常受到冷却系统将缓速器启动时所生成的热能冷却掉的能力限制。第二控制单元31适于在缓速器启动时接收信息。当这种情况发生时，第二控制单元31切断第二冷却系统中的泵27。第二控制单元还将三通阀32、34置于第三位置。第一三通阀32于是将暖的冷却剂经由第一连接管线30从燃烧发动机冷却系统引导至第二冷却系统。在这种情况下，第一三通阀32引入暖的冷却剂以使其沿第二冷却系统中流动的常规方向循环。暖的冷却剂从第一三通阀32被引导至散热器元件24，在其中它被处于环境温度下的空气冷却。冷却剂在其经由管线26a被引导至第二三通阀34之前在此承受有效的冷却。由此也已经被置于第三位置的第二三通阀34将冷却剂经由第一连接管线33引导回燃烧发动机冷却系统。在缓速器启动期间，已经冷却了油冷却器28中的油的冷却剂由此被部分地引导至燃烧发动机的散热器20并且被部分地引导至第二冷却系统的散热器元件24。这意味着在缓速器启动时所述冷却剂承受被显著改进的冷却。结果，在冷却剂达到最大可接受温度之前，缓速器能够被启动显著地较长的时间。
图2示出了一个备选实施方式，其中所述第一冷却系统设有配合在交通工具1的外围区域中的额外的散热器36。散热器风扇37被提供以产生通过散热器36的环境空气流。冷却风扇37由电动机38驱动。冷却剂在散热器元件36中被处于环境温度的空气冷却。在管线21b中循环的冷却剂的一部分因此将被引导通过散热器36，而冷却剂的其余部分在散热器20中被冷却。在散热器36中被冷却的冷却剂的部分被引导至第一冷却系统中的管线23。额外的散热器36在此相对于普通的散热器20并联布置。
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，所述装置包括适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)、适于使所述进气管线(8)中的空气接受第一压缩步骤的第一压缩机(6a)、适于使所述进气管线(8)中的空气接受第二压缩步骤的第二压缩机(6b)、带有循环冷却剂的第一冷却系统、以及带有在所述燃烧发动机常规运行期间处于比所述第一冷却系统中的冷却剂低的温度的循环冷却剂的第二冷却系统，其特征在于，所述装置包括第一增压空气冷却器(9a)、第二增压空气冷却器(9b)以及第三增压空气冷却器(9c)，其中，所述第一增压空气冷却器(9a)在所述第一压缩机(6a)和所述第二压缩机(6b)之间的位置处应用在所述进气管线(8)中并且适于被来自所述第二冷却系统的冷却剂冷却，所述第二增压空气冷却器(9b)在所述第二压缩机(6b)下游的位置处布置在所述进气管线(8)中并且适于被来自所述第一冷却系统的冷却剂冷却，所述第三增压空气冷却器(9c)在所述第二增压空气冷却器(9b)下游的位置处应用在所述进气管线(8)中并且适于被来自第二冷却系统的冷却剂冷却。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一冷却系统包括第一散热器(20)，在所述第一散热器(20)中冷却剂预定为被空气冷却。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一冷却系统包括额外的散热器(36)，在所述额外的散热器(36)中冷却剂预定为被空气冷却。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述额外的散热器(36)和所述第一散热器(20)在所述第一冷却系统中并联布置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，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.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二冷却系统包括散热器元件(24)，在所述散热器元件(24)中冷却剂预定为被处于环境温度的空气冷却。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二冷却系统包括适于将冷却剂引导至第一增压空气冷却器(9a)的管线(26c)、以及适于将冷却剂引导至所述第三增压空气冷却器(9c)的管线(26d)，所述管线(26c、26d)被并联布置以使得它们将处于大致相同温度的冷却剂引导至相应的增压空气冷却器(9a、9c)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二冷却系统包括至少一个将冷却剂引导至其它冷却器(14b、35)的其它并联管线(26e、26f)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括回流管线(11)，所述回流管线(11)使所述排气管线(4)与所述进气管线(8)连接以使得可以经由所述回流管线(11)使废气从所述排气管线(4)再循环至所述进气管线(8)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述回流管线(11)包括适于被来自所述第一冷却系统的冷却剂冷却的第一EGR冷却器(14a)、以及适于被来自所述第二冷却系统的冷却剂冷却的第二EGR冷却器(14b)。
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