CN102278241B

CN102278241B - 柴油发动机废气再循环冷却器的在线喷雾除垢方法及系统

Info

Publication number: CN102278241B
Application number: CN2011101940203A
Authority: CN
Inventors: 覃峰; 郭丽华; 张文锋
Original assignee: Zhejiang Yinlun Machinery Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Yinlun Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: CN102278241A

Abstract

本发明公开了一种柴油发动机废气再循环冷却器的在线喷雾方法和系统，根据柴油发动机和废气再循环冷却器的实际运行工况，由ECU控制在线喷雾除垢系统，适时向废气再循环冷却器的热侧进口喷射雾化除垢液，使得含湿量较高的再循环废气达到饱和状态；水蒸汽在冷却器的热侧壁面凝结、汇集并流出，从而实现对废气再循环冷却器热侧壁面的在线清洗，解决了其长期使用中的性能降低和腐蚀问题，并简化了废气再循环系统的保养和维护工作。

Description

柴油发动机废气再循环冷却器的在线喷雾除垢方法及系统

技术领域

本发明涉及一种换热器除垢方法和系统，特别涉及发动机排气后处理技术领域，具体地说是一种柴油发动机废气再循环冷却器的在线除垢方法和系统。

背景技术

氮氧化合物是柴油发动机排放的主要污染物之一。通过将部分排气与进气混合，废气再循环系统可有效降低缸内燃烧温度和过量空气系数，进而抑制排气中的氮氧化合物含量。通常在再循环废气回路中设置废气再循环冷却器，以提高该系统抑制排放的效果；其废气侧称为热侧，冷却介质侧称为冷侧。对于废气涡轮增压柴油机，依据再循环废气引出位置的不同，废气再循环系统可分为高压和低压两类；前者在废气涡轮的上游引出废气，经冷却后与增压中冷器下游的进气混合；后者在废气涡轮的下游引出废气，经冷却后与增压中冷器上游的进气混合。当前以高压系统更为常见，其系统如图1所示。

然而，构成柴油的烃类具有较长的碳链、不易完全燃烧；再循环废气的引入进一步恶化了燃烧环境，使得排气中含有浓度较高的固体颗粒物和碳氢化合物液滴。在高压废气再循环系统中，含高浓度颗粒物的废气未经处理即流过废气再循环冷却器，极易在热侧壁面沉积结垢、形成积炭，从而使其热阻和流阻增加、影响系统对氮氧化合物排放的抑制效果；严重时可能造成废气再循环冷却器的堵塞；积炭现象在冷却器的出口附近更为严重。同时，燃烧产物中的硫氧化合物冷凝后形成硫酸，长期附着在冷却器的热侧壁面上，还可能导致腐蚀问题。为了缓解此问题，当前废气再循环冷却器在设计时通常选用较大的换热性能裕量，并定期进行除垢清洗。但清洗工作通常在汽车维修时进行，耗时耗力且周期较长，无法保证废气再循环系统在长期行车过程中的性能稳定性。

因此，有必要开发一种方法及系统，及时、有效地清除废气再循环冷却器热侧表面的积炭和硫酸。该方法及系统需能根据冷却器的实际性能，自动、在线地进行除垢操作，以确保废气再循环冷却器的换热、阻力性能长期维持在较优水平，并减少腐蚀问题。

现有文献已有对相关工作的报道。专利“防止EGR系统炭烟污染”(申请号CN200910166778.9)在再循环废气引出位置的上游位置设置柴油氧化催化装置和柴油颗粒过滤器，以降低再循环废气的颗粒物含量。但该布置方式仅适合低压废气再循环系统，而无法用于当前应用更广的高压废气再循环系统。专利“一种自洁净功能的车用EGR复合结构”(申请号CN200910066520.1)在废气再循环冷却器的上游设置了涂敷催化剂的反应器，甲醇或乙醇水溶液在反应器中裂解生成CO和H₂，进而将冷却器热侧壁面的固态胶质还原为易被吹除的气态或液态有机物。为避免甲醇或乙醇水溶液对空气的污染，该方案需严格控制喷射剂量；且废气再循环换热器的壁面温度变化剧烈且未涂敷催化剂，不利于积炭的有效转换。由此可见，现有的废气再循环冷却器积炭清除技术尚待进一步改进，以适应排放法规日益严格的要求。

发明内容

本发明的目的是设计一种柴油发动机废气再循环冷却器的在线除垢方法和系统。该方法和系统可根据柴油发动机和废气再循环冷却器的实际运行工况，自动、在线地清除废气再循环冷却器热侧壁面的积炭和硫酸，以确保其工作性能和使用寿命、并简化保养和维护工作。

本发明所述的柴油发动机废气再循环冷却器的在线喷雾除垢方法，其特征在于：根据柴油发动机和废气再循环冷却器的实际运行工况，由ECU控制在线喷雾除垢系统，适时向废气再循环冷却器的热侧进口喷射雾化除垢液，使得含湿量较高的再循环废气的温度降低、含湿量进一步提高而达到饱和状态；饱和废气在废气再循环冷却器中进一步冷却，水蒸汽析出、凝结并汇集在热侧壁面，随之在重力和气流推动下流出，同时带走壁面的积炭和硫酸；从而实现对废气再循环冷却器热侧壁面的在线清洗。

本发明方法的具体实现步骤如下：

(1)通过ECU检测废气再循环冷却器的进、出口温差，结合采集的柴油发动机各系统运行参数、以及其它预设参数，确定除垢系统的运行状态，当温差超过预设值、发动机运行条件满足除垢要求时，ECU控制除垢系统进入除垢状态；除垢状态的持续时间达到预设置时，ECU控制除垢系统退出除垢状态；

(2)在除垢状态中，将除垢液以水雾形式喷入废气再循环冷却器的热侧进口管路，水雾迅速汽化，使得再循环废气温度降低、湿度提高而达到饱和状态；

(3)饱和废气在废气再循环冷却器中进一步冷却，水蒸汽析出、凝结并汇集在热侧壁面，随之在重力和气流推动下流出，同时带走壁面的积炭和硫酸；从而实现对污垢的在线清洗；

(4)分离并收集废气再循环冷却器出口的凝水，用碳酸钙中和其中的硫酸；

(5)利用排气加热收集的凝水，使其中的水份逐渐蒸发并进入废气再循环系统；积炭残留在收集器中，在汽车保养或维修时予以清理。

本发明还提供一种实现上述方法的系统，包括喷雾模块、积炭收集处理模块和测控模块，其中，所述的喷雾模块包括除垢水箱、电动水泵、电控三通阀、除垢液过滤器和喷雾器；所述的积炭收集处理模块包括气液分离器、引液管、回气管和积炭收集器；所述的测控模块包括ECU、液位传感器、废气再循环冷却器进口温度传感器和出口温度传感器，以及电动水泵和电控三通阀的控制部分。

所述的除垢水箱通过电动水泵、电控三通阀和除垢液过滤器，向喷雾器提供合适流量的除垢液；所述的液位传感器插入所述的除垢水箱中。所述的喷雾器安装在废气再循环阀和废气再循环冷却器之间。废气再循环冷却器出口向下倾斜10～50°安装，可确保凝结在热侧壁面的凝水能够顺利流出，其进、出口处分别设置所述的进口温度传感器和出口温度传感器。所述的气液分离器安装在废气再循环冷却器下游的较低位置，其出口与混合器相连。所述气液分离器内腔的底部和顶部分别通过引液管和回气管与积炭收集器的凝水收集腔室连通。所述的积炭收集器安装在较气液分离器位置更低、靠近底盘的排气管路上，且位于柴油颗粒过滤器之后、消声器之前，其安装固定和管路接口均采用较易装卸的快速连接方式，简化了废气再循环系统的保养和维护工作。所述积炭收集器为双层腔室结构，分别用于排气流通和收集含垢凝水；两个腔室间传热良好；凝水收集腔室中填充有部分碳酸钙颗粒。

在线喷雾除垢系统有除垢、防堵塞和停止三个工作状态。ECU检测废气再循环冷却器的进口温度传感器和出口温度传感器，结合进气流量、水温、柴油发动机的扭距、转速等其它输入信号，判断并控制系统的状态。当系统进入除垢状态时，喷雾模块以水雾形式向废气再循环冷却器的热侧进口管路中持续喷入适量雾状除垢液，使得废气达到饱和状态。饱和废气进入废气再循环冷却器后进一步冷却，水蒸汽析出、凝结并汇集在热侧壁面，随之在重力和气流推动下流出，同时带走壁面的积炭和硫酸；从而实现对壁面污垢的在线清洗。冷却器出口的含水再循环废气经过气液分离器，含垢凝水被分离、并经引液管流入积炭收集器30，其中的硫酸被碳酸钙颗粒中和。除垢状态的持续时间达到预设值后，系统进入防堵塞状态，喷雾模块以较长周期断续、短暂喷雾，以防止喷嘴堵塞；同时，积炭收集器中的含垢凝水被排气加热并缓慢蒸发，积炭残则留在收集腔室中，在汽车保养或维修时予以清理。当ECU检测到废气再循环阀完全关闭或柴油发动机停机时，电动水泵和电控三通阀保持关闭，系统进入停止状态。液位传感器采集除垢水箱中的液位信号并传送给ECU；当液位过低时，ECU将发出报警信号。

本发明的有益效果是：采用由ECU控制、根据柴油发动机和废气再循环冷却器的实际运行工况而动作的在线除垢方法和系统，解决了废气再循环冷却器因积炭、硫酸等不能及时清除而导致的性能降低和腐蚀问题，有助于确保废气再循环系统长期的性能稳定性。

附图说明

图1是现有高压废气再循环冷却系统的示意图。

图2是本发明柴油发动机废气再循环冷却器在线喷雾除垢系统的示意图。

图中，1.空气过滤器，2.空气流量计，3.ECU，4.新鲜空气管路，5.废气再循环阀，6.废气涡轮增压器，7.(相同线型的均为)控制信号线路，8.(相同线型的均为)测量信号线路，9.增压空气中冷器，10.风扇，11.废气再循环冷却器，12.柴油发动机，13.进气节流阀，14.混合器，15.柴油颗粒过滤器，16.排气消音器，17.排气管路，18.除垢水箱，19.液位传感器，20.电动水泵，21.电控三通阀，22.喷雾模块，23.除垢液过滤器，24.喷雾器，25.废气再循环冷却器进口温度传感器，26.废气再循环冷却器出口温度传感器，27.气液分离器，28.引液管，29.回气管，30.积炭收集器，31.积炭收集处理模块，32.碳酸钙颗粒。

具体实施方式

本发明方法的原理如下：

柴油的平均分子式为C₁₅H₂₈，完全燃烧的化学反应方程式为：

C₁₅H₂₈+22O₂→15CO₂+14H₂O

反应产物中水占较大比重，即柴油发动机燃烧排气较进气的含湿量有明显提高。当燃烧的过量空气系数为2时，其增量约41g/kg干空气。在此基础上，通过喷雾方法，借助水的汽化潜热吸收排气热量，可大幅度降低排气温度、并进一步提高其含湿量，使之达到饱和。以如下工况为例：废气再循环冷却器的进气温度500℃、表压250kPa，进气含湿量20g/kg干空气；当喷雾质量与再循环废气质量之比为1∶5.7时，再循环废气的温度可降至97℃左右、含湿量可达223g/kg干空气，即已达到饱和。该饱和气体在废气再循环冷却器中被冷却介质进一步冷却，即可在热侧壁面析出大量凝水。凝水在重力和废气推动的作用下沿壁面流动，随之带走附着的积炭和硫酸。

硫酸可与碳酸钙反应，反应方程式如下：

CaCO₃+H₂SO₄→CaSO₄+H₂O+CO₂↑

反应产物为微溶于水、中性且无腐蚀的硫酸钙，从而可有效消除硫酸对系统的腐蚀。

本发明方法的具体实现步骤如下：

(1)通过ECU检测废气再循环冷却器的进、出口温差，结合采集的柴油发动机各系统运行参数、以及其它预设参数，确定除垢系统的运行状态。当温差超过预设值、发动机运行条件满足除垢要求时，ECU控制除垢系统进入除垢状态；除垢状态的持续时间达到预设置时，ECU控制除垢系统退出除垢状态；

结合附图2，对本发明在线喷雾除垢系统结构进行详细描述如下：

除垢水箱18安装在整个在线喷雾除垢系统的最高位置，为系统提供除垢液。除垢液可以是可溶性无机盐浓度较低的软水，也可以是符合如下定义的任何水溶液：该水溶液的溶剂及其浓度能满足在本发明所涉及的工作条件下，对清除积炭和硫酸具有良好的促进作用，同时对在线喷雾除垢系统、发动机其它系统和环境无明显副作用。除垢水箱18中插有液位传感器19，其液位信号通过对应的测量信号线路8传递给ECU3，用以实时监控除垢水箱18的液位。喷雾器24安装在废气再循环阀5和废气再循环冷却器11之间，用于将除垢液以水雾形式喷入废气再循环冷却器11的进口管路。除垢水箱18和喷雾器24之间依次安装有电动水泵20、电控三通阀21和除垢液过滤器23。电动水泵20为喷雾器24提供足够的喷雾压力，其启停由ECU3通过对应的控制信号线路7进行控制。电控三通阀21亦由ECU3通过对应的控制信号线路7进行控制，从而调整除垢液的流量、进而调整废气再循环冷却器11进口的废气温湿度；电控三通阀21的旁通管路引回电动水泵20的上游。除垢液过滤器23用于过滤除垢液中的固体杂质，以免堵塞喷雾器24的喷嘴。

废气再循环冷却器11出口向下倾斜10～50°安装，以确保凝结在热侧壁面的凝水能够顺利流出；进、出口管路各设置一个温度传感器25和26，用于监控进、出口的气体温度。温度信号均通过对应的测量信号线路8传送给ECU 3。

气液分离器27安装在废气再循环冷却器11和混合器14之间、较冷却器11出口更低的位置，用于将废气再循环冷却器11出口的含垢凝水和液滴从排气中分离出来。除了进、排气管外，气液分离器27还设有引液管28和回气管29的接口，分别位于气液分离器27腔体底部的最低位置和顶部。积炭收集器30安装在比气液分离器27更低、靠近底盘的排气管路17上，位于柴油颗粒过滤器15和消声器16之间，其位置应确保维护方便。积炭收集器30为双层腔室结构，分别用于排气流通和收集含垢凝水；两个腔室间传热良好，以确保排气热量能够充分地传递给凝水、使之缓慢蒸发。收集腔室中填充有部分碳酸钙颗粒32，用于中和凝水中的硫酸，腔室顶部设有引液管28和回气管29的接口。积炭收集器30的安装固定和进、排气管路接口均采用较易装卸的快速连接方式。一种典型的设计可采用两层不锈钢壁面的环形同心腔室结构：内腔为排气管道；内外壁面间的夹层构成填充有碳酸钙颗粒32的凝水收集腔室。引液管28和回气管29分别连通气液分离器27和积炭收集器30的对应接口。

上述部件中，除垢水箱18、电动水泵20、电控三通阀21、除垢液过滤器23和喷雾器24等部件共同构成喷雾模块22；气液分离器27、引液管28、回气管29和积炭收集器30等部件共同构成积炭收集处理模块31；ECU3、液位传感器19、废气再循环冷却器进口温度传感器25和出口温度传感器26等部件，以及电动水泵20和电控三通阀21的控制部分共同构成该系统的测控模块。

采用该系统对废气再循环冷却器11的热侧壁面进行除垢处理，具体实施过程如下：

系统有三个工作状态：除垢状态、防堵塞状态和停止状态。ECU3检测废气再循环冷却器进口温度传感器25和出口温度传感器26的信号，结合进气流量、水温、发动机扭距、转速等其它输入信号，判断并控制系统的工作状态。

当废气再循环冷却器11的进出口温差超过预设值、柴油发动机12的工作状态符合除垢操作的要求、且相邻两次除垢状态满足最长/最短除垢周期等其它预设参数时，系统进入除垢状态。ECU3发出除垢指令，开启电动水泵20，打开电控三通阀21，并根据柴油发动机12的工作状态，控制废气再循环阀5、进气节流阀13等调整到适合除垢状态的开度。除垢液由电动水泵20从除垢水箱18中抽出，经过电控三通阀21和除垢液过滤器23，被喷雾器24喷入再循环冷却器11热侧的进气管道中。ECU3根据冷却器进口温度传感器25的信号反馈，通过调整电控三通阀21的开度来控制除垢液的喷射流量，从而确保废气再循环冷却器11的进气达到饱和状态。饱和气体进入废气再循环冷却器11后被冷却介质进一步冷却，水蒸汽析出并凝结在热侧壁面。凝水在重力和废气推动的作用下向出口流动，随之带走壁面的积炭和硫酸。再循环废气和凝水流出废气再循环冷却器11后，进入气液分离器27；凝水和夹杂在废气中的水滴被分离出来，废气则进入混合器14。通过引液管28，气液分离器27底部汇集的含垢凝水向下流入积炭收集器30的收集腔室中，同时回气管29将该腔室的部分气体引回气液分离器27，以确保压力平衡、含垢凝水可顺利流入。收集腔室中的碳酸钙颗粒32与含垢凝水中的硫酸反应，反应产物中的二氧化碳通过回气管29被引回气液分离器27、并与再循环废气混合，而无腐蚀性的硫酸钙则残留在腔室中。

除垢状态的持续时间达到预设值后，ECU 3发出停止除垢指令，依次关闭电控三通阀21和电动水泵20；并按常规控制策略，调整废气再循环控制阀5、进气节流阀13等到正常开度，系统进入防堵塞状态。在此状态下，ECU3以较长周期断续、短暂地开启电动水泵20和电控三通阀21，使喷雾器24以此周期断续、短暂地喷雾，以防止喷嘴堵塞。同时，积炭收集器30中的含垢凝水被柴油颗粒过滤器15下游的排气加热、缓慢蒸发，水蒸气通过引液管28和回气管29引回气液分离器27、并与再循环废气混合，积炭残则留在积炭收集器30的收集腔室中。

当ECU检测到废气再循环阀5完全关闭或柴油发动机12停机时，电动水泵20和电控三通阀21保持关闭，系统进入停止状态。

液位传感器19采集除垢水箱18中的液位信号并传送给ECU 3。当液位过低时，ECU 3发出报警信号。

在车辆保养或维修时，拆卸积炭收集器30、清理收集腔室并更换碳酸钙颗粒32。

在线喷雾除垢系统的控制参数，均需在台架试验中予以确定和优化，并以预设值的形式储存在ECU3中，这些参数包括：柴油发动机12在不同的运行工况下，进入除垢状态的废气再循环冷却器11进出口温差，两次除垢状态的最长/最短周期，除垢状态的持续时间，除垢状态下废气再循环控制阀5和节流阀13的开度，废气再循环冷却器11进气温、湿度的对应关系，防堵塞喷射的周期，等等。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种柴油发动机废气再循环冷却器的在线喷雾除垢方法，其特征在于：根据柴油发动机和废气再循环冷却器的实际运行工况，由ECU控制在线喷雾除垢系统，适时向废气再循环冷却器的热侧进口喷射雾化除垢液，使得含湿量较高的再循环废气的温度降低、含湿量进一步提高而达到饱和状态；饱和废气在废气再循环冷却器中进一步冷却，水蒸汽析出、凝结并汇集在热侧壁面，随之在重力和气流推动下流出，同时带走壁面的积炭和硫酸；从而实现对废气再循环冷却器热侧壁面的在线清洗。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机废气再循环冷却器在线喷雾除垢方法，其特征在于ECU通过以下方式控制在线喷雾除垢系统：

通过ECU检测废气再循环冷却器的进、出口温差，结合采集的柴油发动机各系统运行参数、以及其它预设参数，确定除垢系统的运行状态，当温差超过预设值、发动机运行条件满足除垢要求时，ECU控制除垢系统进入除垢状态；除垢状态的持续时间达到预设置时，ECU控制除垢系统退出除垢状态；

还在于通过以下步骤对EGR冷却器出口的凝水进行处理：

（1）分离并收集废气再循环冷却器出口的凝水，用碳酸钙中和其中的硫酸；

（2）利用排气加热收集的凝水，使其中的水份逐渐蒸发并进入废气再循环系统；积炭残留在收集器中，在汽车保养或维修时予以清理。

3.一种柴油发动机废气再循环冷却器的在线喷雾除垢系统，包括喷雾模块（22）、积炭收集处理模块（31）和测控模块，其特征在于所述的喷雾模块（22）包括除垢水箱（18）、电动水泵（20）、电控三通阀（21）、除垢液过滤器（23）和喷雾器（24）；所述的积炭收集处理模块（31）包括气液分离器（27）、引液管（28）、回气管（29）和积炭收集器（30）；所述的测控模块包括ECU（3）、液位传感器（19）、废气再循环冷却器进口温度传感器（25）和出口温度传感器（26），以及电动水泵（20）和电控三通阀（21）的控制部分。

4.根据权利要求3所述的柴油发动机废气再循环冷却器的在线喷雾除垢系统，其特征在于：所述的除垢水箱（18）安装在整个除垢系统的最高位置，所述的液位传感器（19）插入所述的除垢水箱（18）中；所述的喷雾器（24）安装在废气再循环阀（5）和废气再循环冷却器（11）之间；所述的除垢水箱（18）和所述的喷雾器（24）之间依次安装所述的电动水泵（20）、电控三通阀（21）和除垢液过滤器（24），所述电控三通阀（21）的旁通管路引回到所述电动水泵（20）的上游；所述的废气再循环冷却器（11）出口向下倾斜10～50°安装，进、出口处分别设置所述的进口温度传感器（25）和出口温度传感器（26）；所述的气液分离器（27）安装在废气再循环冷却器（11）和混合器（14）之间、且较废气再循环冷却器（11）出口更低的位置，其底部最低位置和顶部还分别设有引液管（28）和回气管（29）的接口；所述的积炭收集器（30）安装在比所述的气液分离器（27）更低、且靠近底盘的排气管路（17）的位置上，且位于柴油颗粒过滤器（15）和消声器（16）之间，所述的引液管（28）和回气管（29）分别连通所述气液分离器的（27）和积炭收集器（30）的对应接口。

5.根据权利要求3所述的柴油发动机废气再循环冷却器在线喷雾除垢系统，其特征在于：所述的积炭收集器（30）为双层腔室结构，分别用于排气流通和收集含垢凝水；两个腔室间传热良好；收集腔室中填充有部分碳酸钙颗粒（32），腔室顶部设有引液管（28）和回气管（29）的接口；所述积炭收集器（30）的安装固定和进、排气管路接口均采用较易装卸的快速连接方式。

6.根据权利要求5所述的柴油发动机废气再循环冷却器在线喷雾除垢系统，其特征在于：所述的积炭收集器（30）为两层不锈钢壁面的环形同心腔室结构，其中内腔为排气管道，内外壁面间的夹层构成收集腔室。

7.根据权利要求3所述的柴油发动机废气再循环冷却器在线喷雾除垢系统，其特征在于：所述除垢水箱（18）内的除垢液是可溶性无机盐浓度较低的软水。

8.根据权利要求3-7任何一项所述的柴油发动机废气再循环冷却器在线喷雾除垢系统，其特征在于该系统有三个工作状态：除垢状态、防堵塞状态和停止状态，其中：

当废气再循环冷却器11的进出口温差超过预设值、柴油发动机12的工作状态符合除垢操作的要求、且相邻两次除垢状态满足最长或最短除垢周期时，系统进入除垢状态：开启电动水泵20，打开电控三通阀21，并根据发动机的工作状态，将控制废气再循环阀5和进气节流阀13调整到适合除垢状态的开度；

除垢状态的持续时间达到预设值后，ECU 3发出停止除垢指令，依次关闭电控三通阀21和电动水泵20；并按常规控制策略，调整废气再循环控制阀5和进气节流阀13到正常开度，系统进入防堵塞状态：在此状态下，ECU 3发出指令，以较长周期断续、短暂地开启电动水泵20和电控三通阀21，使喷雾器24以此周期断续、短暂地喷雾；

9.根据权利要求3所述的柴油发动机废气再循环冷却器在线喷雾除垢系统，其特征在于：所述的液位传感器（19）采集所述的除垢水箱（18）中的液位信号并传送给ECU（3）；当液位过低时，ECU（3）发出报警信号。