CN102374076B - 带有热回收的高压废气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机尤其是柴油发动机的高压废气再循环系统(1)，废气再循环管(8)从位于涡轮增压器上游的废气管(6)分支，其中废气再循环阀(9)安装在位于废气再循环冷却器(11)上游的该废气再循环管上，且该废气再循环管在内燃机(2)新鲜空气侧(3)打开。建议连接管(13)从所述废气再循环管(8)分支并位于所述废气再循环冷却器(11)的下游，且朝废气管(6)开口，控制元件(12)安装在连接管(13)上，所述废气再循环冷却器(11)连接到内燃机(2)的冷却系统。该高压废气再循环系统(1)集合了废气再循环和热量回收的优点，其中本发明一方面，高压废气再循环系统(1)能被控制以使得即使当废气再循环或再循环的废气的冷却实际上不需要时，废气流流经所述废气再循环冷却器(11)，因此能利用废气中内在的热量去影响预热阶段以及选择性将所述热量提供给驾驶室加热装置(17)。

Description

带有热回收的高压废气再循环系统
技术领域
本发明涉及一种内燃机，尤其是柴油发动机的高压废气再循环系统，废气再循环管从位于涡轮增压器上游的废气管分支，其中废气再循环阀安装在位于废气再循环冷却器上游的废气再循环管上，且废气再循环管在内燃机新鲜空气侧打开。本发明也涉及一种用于控制高压废气再循环系统的方法。
背景技术
废气再循环系统应用于内燃机中以减少内燃机的如有关氮氧化物的排放。通过废气冷却器对再循环废气进行冷却以进一步减少氮氧化物(NOx)的排放。
在高压废气再循环中，用于再循环的废气从位于涡轮增压器的涡轮上游的废气管中排出并在内燃机的入口侧被供给到内燃机中。废气再处理设备，如催化式排气净化器和/或微粒过滤器(柴油机微粒过滤器)也可能被安装在废气管中。
在此，废气再循环阀是一个同旁阀相互作用的部件，能够控制或影响所有情况下通过废气再循环管的废气再循环的所需要的速率。
需要再循环的废气通过废气再循环冷却器冷却后进入内燃机。该废气再循环冷却器降低了废气的温度以及因此提高了废气的密度，因而废气再循环冷却器也提高了废气再循环速率。因为对再循环的热废气的冷却，使得气缸新鲜充气的温度也降低，也就是说，废气的冷却有利于提高燃烧室新鲜空气或新鲜混合物的充气。
然而，在内燃机的冷起动后或预热阶段，根本地需要尽快提高内燃机的运行温度，因此在所述运行状态下冷却废气并不是有利的。应该降低由过低的气缸温度导致不完全燃烧而产生未燃烧的碳氢化合物和一氧化碳的排放，并应该升高废气的温度以使得废气排放系统中的安装在气缸下游的废气再处理系统尽快达到它们的起燃温度或要求的运行温度。
因此在内燃机预热阶段要防止再循环过程中废气的冷却。为此，依照现有技术的废气再循环设备都设置有旁阀，其能够使得在废气再循环过程中绕开废气再循环冷却器，并可安装在废气再循环管中废气再循环阀(EGR阀)的上游或下游。
WO 2009/022113 A1公开了关于高压废气再循环系统的例子。在这里，废气直接从涡轮增压器的涡轮上游的废气管抽出，并通过废气再循环管供给到两串联的废气冷却器中。在从以流向看第二个冷却器排出后，冷却后的废气被供应到内燃机的新鲜空气侧。该两个废气冷却器设计成不同的冷却效率，以使得第一个废气冷却器具有比第二个废气冷却器更低的冷却能力。该再循环的废气因此以分级的方式被冷却到，可以说是，所要求的充入到新鲜空气管的废气的温度水平。WO 2009/022113 A1同时也公开了保证再循环的废气在内燃机的预热阶段不流入第二个废气冷却器的措施。
依照现有的技术，现代内燃机产生相对较少的热量，这一方面对于热应力是非常积极的，但另一方面对于内燃机的预热阶段是不利的，因为这会使得在预热阶段发动机中产生更多摩擦。此外，例如为满足驾驶室加热装置的要求需要额外的附属加热设备。
我们当然也知道，通过回收内燃机中废气的热量，比如说，去缩短内燃机的预热阶段，其中，废气传导通过设置在例如废气再处理设备上游废气管中的一个单独的废气热交换器，例如使得废气中的热量被传送到在热交换器中循环的热交换介质。该热交换介质可以是内燃机的冷却剂，使得在这种方式中通过相对较热的冷却介质的预热影响内燃机的预热阶段。同时可以想到的是，该回收的热量被供给到例如驾驶室加热装置中。
这两个系统，也就是说废气再循环系统和热回收系统，加上它们的部件，被分别地提供，这需要相当大的安装空间，因此仅可被用在有限制的范围中或机动车辆上。
发明内容
本发明的目的在于详细说明在介绍中说明的高压废气再循环系统，以及说明控制该废气再循环系统的方法，其中通过使用简单的装置获得减少的安装空间，即使该机动车辆或内燃机具有从废气中回收热量的设备。
依据本发明，通过本发明描述的高压废气再循环系统来实现本发明的目的。在本发明的与设备相关的方面，提供从废气再循环冷却器下游的废气再循环管分支出的并有控制元件安装在其上的连接管，且其在所述废气管打开，废气再循环冷却器与内燃机的冷却系统成为一体，使得流经废气再循环管的废气在内燃机的预热阶段能通过废气再循环冷却器被冷却，以及能够至少部分地传送进该废气管。
令人惊讶的，该高压废气再循环系统不仅集成了废气再循环的功能还有从内燃机废气中收集热量的功能。在此，废气再循环冷却器优选地连接到内燃机的冷却系统和/或机动车辆的热管理系统，使得回收的热量通过循环流通在废气再循环冷却器中的热交换介质被提供到热管理系统或冷却系统中。连接管被优选地提供，其从控制元件分支使得废气能够适时地流经废气再循环管，但在某种模式下至少一些所述废气不与内燃机的新鲜空气混合。换句话说，当不需要或不期望废气再循环和/或再循环废气的冷却时，通过废气再循环阀以及控制元件的相应控制，有可能去允许废气流经废气再循环管，以及利用或回收其中的热量，其中该(实际上)再循环废气能够完全或部分地通过朝向废气管方向的连接管流通。
相比于现有技术中已知的的通常安装在废气再处理设备的下游的热回收系统，依照本发明的系统中仅需要一附加的带有控制元件的连接管，其中，该连接管从废气再循环冷却器下游的废气再循环管分支出且在所述废气管打开。依据本发明，废气再循环冷却器具有废气冷却器和从废气回收热量的热交换器的双重作用，使得可能无需在废气管中安装一个单独的热交换器，以此能够获得关于所需安装空间的一个显而易见的优势。
此外，因为废气直接流过废气再循环冷却器，而不通过例如会发生无法回收的热量损失的废气再处理设备，因此可用的废气温度会更高。由于流经废气再循环管的至少一部分废气能够通过连接管传输(通过相应的控制元件的控制)到废气管，因此利用依照本发明的系统能够获得较高的废气流速率。
在本发明的内容中有利的是，如果废气再循环冷却器连接到例如安装在机动车辆的热交换器，例如连接到驾驶室加热装置。从废气中回收的热量不仅能够用于缩短预热阶段，即预热在其预热阶段的内燃机，还能够影响驾驶室的温度。
为获得高气体流量，可优选地，设计为所谓VNT(可变喷嘴涡轮；可变涡轮几何结构)的涡轮发动机的涡轮被提供，由此获得足够的排出压力而不论废气是否从废气管分支。这些通过关闭涡轮叶片来实现。
同样有利地，如果采用合适的措施，例如通过校准内燃机，提升内燃机需提升的废气温度以使得能够进一步增加回收热量的量。这是因为在废气再循环系统中传输的废气中废气温度的增加，不是有害的，特别是在预热阶段，因为至少一部分所述废气能够通过连接管直接通入废气管，其中该回收的热量能够被提供以缩短预热阶段或预热内燃机，否则会随意地进入例如驾驶室加热装置的其它热交换器中。
该废气控制阀和/或控制元件可以被连续地调节。这两个部件也可具有多级调节性能或仅一级调节性能。安装在废气再循环冷却器下游的废气再循环阀(EGR阀)和/或控制元件，在协调方式下能够精确地通过电子、液压、气动、机械或电磁方式被即时控制是优选的，更优选地是通过内燃机的发动机控制器或中央控制单元控制。
关于某种运行模式的查询程序可以在控制单元中存储和/或运行。
有利地，控制依照本发明的高压废气再循环系统的第一步骤中，要检测内燃机是否处于预热阶段，也就是说内燃机是否已起动例如经过相对长的停顿周期(冷起动)。如果确定是，应该流经再循环系统的废气速率应在第二步骤中通过废气再循环阀的控制来确定。在第三步骤中，安装在连接废气系统的连接管上的控制元件被驱动以使得至少一部分流经废气再循环冷却器的废气传导通过朝向废气管方向的连接管。由此，在预热阶段的第一阶段，全部(可以说是，再循环的)废气流通过控制元件的控制朝向废气管方向传输。如果，在下一个步骤，检测到内燃机能够通过大量再循环废气优选地运行，该控制元件能够相应被驱动并以分级或连续方式关闭该连接管，以使得冷却的废气或其中一部分能够被传导到新鲜空气侧。如果检测到内燃机的预热阶段已经停止，即内燃机已经达到其运行温度，该控制元件被驱动以使得连接管被完全关闭。当内燃机达到其运行温度时，也有可能驱动该控制元件以与废气控制阀相作用以控制废气再循环的速率。这里，可能优选地，现有技术已知的旁阀以及必要的旁路管可以被省却，因为这些工作已经完全被同废气再循环阀以及控制元件相作用的连接管所完成。在此，优选的是，如果废气能够一直流经废气再循环冷却器，即在内燃机所有运行模式中，以回收废气中内在的热量。在此，该废气再循环速率显然能通过控制元件和EGR阀的相互作用来控制。
可以想到在涡轮增压器上设置可调节叶片(VNT)，以使得不论是否检测到内燃机处于预热模式，当废气流经废气再循环管时，涡轮几乎被关闭以因此获得足够的充气压力。
同样，如果在更进一步的步骤中，当废气(再循环的)流经废气再循环管时，在预热阶段内燃机的废气温度增加是有利的。
附图说明
图1示出高压废气再循环系统的简图。
具体实施方式
图1示出在一个柴油发动机的范例中的内燃机2的高压废气再循环系统1简图。在本发明的描述中，“内燃机”也包括例如火花点火发动机或混合发动机。
内燃机2具有新鲜空气侧或入口侧3，以及出口侧或废气侧4，内燃机2具有带有热交换器的冷却系统(未图示)。仅通过该冷却系统中的温度调节器5作为例子来显示。
废气管6从废气侧4伸出，废气管可以安装到废气再处理设备上(未图示)，例如以微粒过滤器和/或催化式排气净化器的形式。内燃机2包括涡轮增压器，其中仅有涡轮7被图示。涡轮7安装在废气管6上，并优选设计为VNT。
废气再循环管8，其中废气再循环阀9安装在废气再循环冷却器11的上游，并从涡轮7的上游分支。连接管13在废气再循环冷却器11的下游从废气再循环管8分支，且朝废气管6开口。控制元件12安装在连接管13上。
该废气再循环冷却器11连接到内燃机的冷却系统。由此，介质管14优选地被提供，其从温度调节器壳体16伸出连接到废气再循环冷却器11。介质管14从该废气再循环冷却器11伸回到内燃机1或所述冷却系统。
该废气再循环冷却器11可被选择地连接到热交换器17，例如连接到驾驶室加热装置17，为此相应的加热装置管18被显示为短划线，其中加热装置管18从介质管14分支并进入在热交换器17的下游的介质管14。
如果内燃机1现在已经起动过相对长的停顿周期(冷起动)或者内燃机1处于其预热阶段，废气再循环和/或再循环废气的冷却实际上并不是有利的。相反地，通过本发明，废气(再循环的)仍然能够流经废气再循环管8，所述废气随即被废气再循环冷却器11相应地冷却。通过控制元件12的相应驱动，后者能够打开连接管13以使得至少一部分再循环的废气能够经过连接管13直接传输到废气管6。如果该连接管13完全打开，几乎全部的，即再循环的废气流通过该连接管13直接传输到废气管6中，因为废气系统的压力水平显著低于新鲜空气侧。
由于废气再循环冷却器11优选地连接到内燃机1的冷却系统中，该废气再循环冷却器11能够具有热交换器的功能，其能够吸收流经的废气的热量以及将该热量传送到冷却介质。该回收的热量能够利用来缩短预热时间或预热内燃机1。该回收的热量可以选择地提供给驾驶室加热装置17。
依照本发明的高压废气再循环系统1集合了废气再循环的第一功能和从废气中回收热量的第二功能。仅需要一额外的朝废气管6开口的连接管13和单个安装在该13上的控制单元12就能实现上述双重功能。此外，还可能省却通常安装在废气再循环冷却器11上游的旁阀，因为通过控制元件12的相应驱动，冷却后的废气通向内燃机1新鲜空气侧3的再循环在某些运行状态下被防止，在该状态下冷却后废气的再循环是不利的。同时，由于连接管13的路径能被控制元件12相应地打开或关闭，与废气再循环阀9相作用的控制元件12因此能够设定在内燃机1不同的运行状态下需要或期望的废气再循环速率。因此优选地使用可连续调节的废气再循环阀9或控制元件12，其中，显然可以使用可多级调节的控制元件或阀。
同样有利地，涡轮叶片也相应地可调节以使得不论内燃机1是否冷起动或处于预热阶段，当废气从废气管排出和流入废气再循环管8时能够获得足够的充气压力。

Claims (5)

1.一种控制内燃机(2)中的高压废气再循环系统(1)的方法，所述高压废气再循环系统包括:废气再循环管(8)，其从涡轮增压器上游的废气管(6)分支，其中所述废气再循环管包括废气再循环阀(9)，所述废气再循环阀(9)安装在该废气再循环管上并位于废气再循环冷却器(11)的上游，其中所述废气再循环管(8)穿过所述废气再循环冷却器(11)，并且其中所述废气再循环管(8)朝所述内燃机(2)的新鲜空气侧(3)开口，所述方法包括：
检测所述内燃机(2)是否处于预热阶段，
驱动所述废气再循环阀(9)以使得后者产生流经废气再循环管(8)的废气流，以及
驱动安装在连接管(13)上的控制元件(12)，该连接管(13)从所述废气再循环管(8)分支并位于所述废气再循环冷却器(11)的下游，且朝所述废气管(6)开口，使得在预热阶段，至少一部分流经所述废气再循环冷却器(11)的废气能够经过连接管(13)直接传输到所述废气管(6)，
流经所述废气再循环冷却器(11)的废气中的热量被传送到所述内燃机(2)的冷却系统的冷却介质中，所述废气再循环冷却器(11)连接到所述内燃机(2)的冷却系统；
至少在预热阶段的部分阶段中，驱动该控制元件(12)使得几乎全部的流经所述废气再循环冷却器(11)的废气能通过所述连接管(13)传送至所述废气管(6)，其中所述涡轮是可变喷嘴涡轮，所述方法还包括在所述内燃机(2)的预热阶段，当所述废气再循环阀(9)生成废气流经所述废气再循环管(8)时，可变喷嘴涡轮的涡轮叶片闭合；并且
其中介质管(14)从所述内燃机(2)的温度调节器壳体(16)通向到所述废气再循环冷却器(11)，并且其中所述介质管(14)然后从所述废气再循环冷却器(11)通向到所述内燃机(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
当检测到所述内燃机(2)的预热阶段已经结束时，能够通过所述废气再循环阀(9)以及所述控制元件(12)来设定与所述内燃机(2)的运行模式相适应的废气再循环速率。
3.根据权利要求1到2中的一项所述的方法，其特征在于，
所述废气再循环阀(9)以及所述控制元件(12)能被分别但同时驱动，并且能够持续调节。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在所述介质管(14)穿过所述废气再循环冷却器(11)之后，加热装置管(18)从所述介质管(14)分支，并且在所述介质管连接到所述内燃机(2)之前，所述加热装置管(18)重新连接所述介质管(14)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述加热装置管(18)从所述介质管(14)分支之后并且在重新连接所述介质管(14)之前，所述加热装置管(18)穿过驾驶室加热装置的热交换器(17)。
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