CN102498281A - 废气再循环系统和用于机车二冲程直流扫气柴油机的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括废气再循环(EGR)系统和设备的机车二冲程直流扫气柴油机系统，用于通过使废气经过发动机再循环来降低NOX排放并实现改进的燃油经济性。该系统通常包括适于抽吸和压缩新鲜空气的涡轮增压器。后冷却器联接至涡轮增压器，且适于冷却压缩空气。具有功率组件的二冲程直流扫气柴油机提供燃烧并由此产生废气。发动机在功率组件进气道和排气歧管之间具有正压力梯度，以维持功率组件中的扫气和混合。EGR系统包括流量调节装置和冷却器。流量调节装置适于引导选定部分的需再循环的废气并且将大部分废气引导到涡轮增压器。

Description

废气再循环系统和用于机车二冲程直流扫气柴油机的设备
技术领域
本申请是PCT专利申请，其要求2009年8月1日提交的序列号为61/230,698，题目为“Exhaust Gas Recirculation System for aLocomotive Two-Stroke Uniflow Scavenged Diesel Engine”的美国临时申请的权益，通过引用将其完整的公开文件纳入本文。
背景技术
本发明主要涉及一种机车柴油机，更具体地说，涉及一种用于机车柴油机的废气再循环(“EGR”)系统。本发明的EGR系统和设备可以被用在机车二冲程直流扫气柴油机中。
图1示出了机车100，该机车包括传统的直流扫气二冲程柴油机系统150。如图2a和图2b所示，图1的机车柴油机系统150包括传统的空气系统。同时参照图2a和图2b，机车柴油机系统150通常包括涡轮增压器200，该涡轮增压器具有压缩机202和涡轮204，该涡轮向发动机206提供压缩空气，发动机206具有气箱208、功率组件210、排气歧管212和曲轴箱214。在典型的机车柴油机系统150中，涡轮增压器200通过压缩和增加输送给发动机206的空气的量来增加发动机206的功率密度。
更明确地说，涡轮增压器200从大气216中吸入空气，空气利用传统的空气过滤器218进行过滤。经过滤的空气被压缩机202压缩。压缩机202由涡轮204提供动力，如下面将进一步详细讨论的。较大部分的压缩空气(或增压空气)被传送到后冷却器(或另外被称为热交换器、增压空气冷却器、或中冷器)220，在此处增压空气被冷却至所选择的温度。其它较小部分的压缩空气被传送至曲轴箱油气分离器222，其将发动机中的曲轴箱214排空；带走曲轴箱气体；在将曲轴箱气体和压缩空气的混合物释放到大气216中之前将夹带的曲轴箱油过滤掉。
来自后冷却器220的冷却的增压空气经过气箱208进入发动机206。增压空气进气温度的下降给发动机提供了密度更大的进气增压，这在改进燃料经济性的同时降低了NOx排放。气箱208是单个封闭件，其将冷却的空气分配到多个缸体中。柴油机的燃烧循环包括被称为扫气和混合的过程。在扫气和混合过程期间，从气箱208的进气口至排气歧管212保持正压力梯度，从而使来自气箱208的冷却增压空气充满缸体并且将之前的燃烧循环产生的大部分废气排出。
更明确地说，在功率部件210内的扫气过程期间，冷却的增压空气进入受相关活塞和进气道控制的缸体的一端。冷却的增压空气与少量由上一循环残留的已燃烧气体混合。同时，大量的已燃烧气体经由四个排气阀从缸体的另一端排出并且作为废气进入排气歧管212。对这些扫气和混合过程的控制在降低排放以及实现所期望的燃料经济性水平方面是有帮助的。
由燃烧循环产生的废气经由排气歧管212从发动机206排出。从发动机206排出的废气流用于给涡轮增压器200的涡轮204提供动力，并且进而给涡轮增压器200的压缩机202提供动力。在给涡轮增压器200的涡轮204提供动力之后，废气经由排气管224或者消音器释放到大气216中。
发明内容
由机车柴油机释放到大气中的废气包括颗粒物、氧化氮(NOx)和其他污染物。为降低可能释放到大气中的污染物的量，已经通过多项法规。已经提供了能降低这些污染物的传统系统，但是代价是损害燃料经济性。因此，本发明的目的是，提供一种减少由柴油机释放的污染物的量且同时能达到所希望的燃料经济性的系统。本发明的另一目的是，提供一种用于直流二冲程柴油机的EGR系统，其对上述扫气和混合过程进行管理以降低NOx且同时实现所希望的燃料经济性。
如参照本发明的多个方面所描述的，通过使部分废气返回再次经过发动机进行循环，可以实现减少排放。再循环废气的主要组分包括N2、CO2和水蒸气，其通过稀释效应和热效应而影响燃烧过程。稀释效应是由进入空气中氧气浓度的降低引起的。热效应由增压的比热容增加所引起。
本发明EGR系统的各种实施例能够超过在行业中被称为环保局(EPA)Tier II(40CFR 92)和Tier III(40CFR 1033)NOx排放要求，以及更苛刻的欧洲委员会(EURO)Tier IIIbNOx排放要求。这些各种各样的排放要求作为参考文件被在此引用并且成为本专利申请的一部分。
机车还必须能够在特定长度、宽度和高度约束内进行操作。例如，机车的长度必须小于对于其转过轨道曲率或最小轨道半径而言必要的长度。在另一例子中，机车的宽度和高度必须小于对于其畅通地经过隧道或上方的障碍物而言必要的宽度和高度。机车已被设计为利用在这些尺寸约束内可用的所有空间。因此，机车的对于在其上增加新的系统部件可用的空间有限。因此，本发明的另一目的是提供一种系统和设备，其可以置于机车有限的尺寸约束内并且优选地置于现有机车的同一整体构架内。
依照本发明的实施例，描述了一种包括废气再循环(EGR)系统和设备的二冲程直流扫气柴油机系统，其用于通过使废气经过发动机再循环来降低NOx排放以及实现所希望的燃油经济性。
发动机系统主要包括适于压缩新鲜空气的涡轮增压器和二冲程直流扫气柴油机，该二冲程直流扫气柴油机具有带进气道的功率组件，该进气道用于接收用于燃烧的来自涡轮增压器的至少压缩的新鲜空气和再循环的废气并且将至少部分由燃烧产生的废气输送到排气歧管。发动机在功率组件的进气道和排气歧管之间具有正压力梯度，以实现希望的功率组件内的来自涡轮增压器的压缩的新鲜空气、再循环的废气和由前面的燃烧循环产生的已燃烧气体的扫气和混合的水平。
发动机系统还包括具有流量调节装置和冷却器的废气再循环(EGR)系统。流量调节装置(例如，阀或正流量装置)适于将所选的需再循环的一部分废气引导至发动机系统。冷却器联接至流量调节装置用来降低废气的温度，由此流量调节装置控制冷却的需再循环的废气的流动，从而实现了另一正压力梯度以将选择的需再循环的一部分废气引导至发动机系统。EGR系统还可以进一步包括过滤系统，用于将颗粒物从需再循环的所选的一部分废气中过滤掉。过滤系统优选地包括柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器。
用于EGR系统的集成的EGR模块还被设置用于柴油机，适于通过对需经由柴油机再循环的废气进行处理而降低NOx排放以及实现希望的燃料经济性。EGR模块包括：进气道部分，其适于从柴油机排气歧管接收废气；至少一个过滤装置，其包括至少一个与柴油颗粒过滤器成对设置的柴油氧化催化器，该柴油颗粒过滤器与进气道部分相互连接；以及冷却器，该冷却器与过滤装置相互连接并且包括用于给柴油机提供经过处理的废气的排气道。进气道部分将废气引导至用于至少对颗粒物进行过滤的过滤装置。经过过滤的废气从过滤装置被引导至冷却器以进行冷却。
优选地，选择成对设置的柴油催化器和柴油颗粒过滤器，以应对范围在大约1.5lbm/s至大约2.5lbm/s的废气的质量流量、范围在大约600°F至大约1050°F的进气道温度、范围在在大约80inHga至110inHga的进气道压力；柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器两者中的范围在大约1000CFM至大约1300CFM的体积流量速率；并且承受大约-40℃至125℃范围内的周围环境温度以将废气中的颗粒物减少超过大约90％。还优选的是，经过成对设置的柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器的废气压力降小于约20inH2O。
还优选的是，冷却器控制废气的体积流量速率的范围在大约1050CFM至大约1300CFM内，并且其中冷却器使废气的温度从大约600°F-1250°F的范围下降到大约200°F-250°F的范围，并且在冷却器中的废气压力降的在大约3inH2O至大约6inH2O的范围内。
附图说明
图1是包括二冲程柴油机系统的机车的立体图，
图2A是图1的二冲程柴油机的部分剖开的立体图，
图2B是具有传统空气系统的图2的二冲程柴油机系统的系统框图，
图3是具有依据本发明实施例的EGR系统的二冲程柴油机系统的系统框图，
图4是具有依据本发明另一实施例的EGR系统的二冲程柴油机系统的系统框图，
图5是具有依据本发明又一实施例的EGR系统的二冲程柴油机系统的系统框图，
图6是具有依据本发明又一实施例的EGR系统的二冲程柴油机系统的系统框图，
图7是具有依据本发明又一实施例的EGR系统的二冲程柴油机系统的系统框图，
图8是用于二冲程柴油机的依据本发明一种实施例的EGR系统的控制系统的系统框图，
图9A是包括带依据本发明实施例的EGR系统的二冲程柴油机系统的机车的立体图，
图9B是带图9A的EGR系统的二冲程柴油机系统的部分剖开的立体图，
图9C是带图9A的EGR系统的二冲程柴油机系统的俯视图，
图9D是带图9A的EGR系统的二冲程柴油机系统的侧视图，示出了用于将再循环废气引导至发动机的管道，
图9E是用于与图9A的EGR系统一起使用的EGR模块的一个实施例的立体图，
图9F是图9E的EGR模块的侧视图，
图9G是图9E的EGR模块的前视图，
图9H是图9E的EGR模块的剖视图。
具体实施方式
本发明系统致力于一种用于机车柴油机的废气再循环(EGR)系统和设备，以减少从发动机释放的污染物质，即降低NOX排放。本发明的EGR系统改进了机车直流二冲程柴油机的独特的扫气和混合过程，以在实现希望的燃料经济性的同时降低NOX排放。此外，提出一种包括各种各样EGR系统部件的实施例，这些EGR系统部件可以放置在图1的机车的有限尺寸约束内并且被设计用于简化维护性。
本发明的各种实施例提出了一种系统，该系统能够超出在行业中被称为环保局(EPA)TierII(40CFR 92)和Tier III(40CFR 1033)的NOx排放要求，以及更苛刻的欧洲委员会(EURO)TierIIIb的NOx排放要求。本发明的系统还可用通过调节各种发动机参数以及EGR系统参数得到改进。
如图3所示，示出了EGR系统350，该系统使来自发动机306的排气歧管312的废气再循环，将废气与后冷却器320的冷却增压空气混合，并且将其输送至气箱308。在此EGR系统350中，只有选定比例的废气被再循环并且与进入的增压空气混合，以选择性地降低污染物质排放(包括NOx)且同时实现所希望的燃料经济性。需再循环的废气比例也取决于需要用于给涡轮增压器300的压缩机302提供动力的废气流的量。所希望的是，有足够的废气为涡轮增压器300的涡轮304提供动力，从而最优化的新鲜空气量为燃烧的目的被输送至发动机306。对于机车柴油机应用，希望少于大约35％的全部气体(包括来自涡轮增压器的压缩的新鲜空气和再循环的废气)被输送到气箱308以再循环。这种布置降低污染物质排放(包括NOx)且同时实现所希望的燃料经济性。
可以设有流量控制装置以调节需再循环的废气的量。在一种实施例中，流量调节装置是如图3中所示的阀352。替代地，流量调节装置可以是正流量装置360，其中没有阀(未示出)或者阀352可以如同下面将要更详细讨论地，起开/关阀的作用。
可选地，选定比例的需再循环的废气可以进行过滤。过滤用于降低在再循环期间会被引导至发动机306的颗粒。颗粒被引导至发动机306会使得磨损加速，特别是在直流二冲程柴油机应用中。如果废气未经过滤并且被再循环到发动机中，未过滤掉的由燃烧循环产生的颗粒物会加速活塞环和缸套的磨损。例如，当硬的颗粒在经过进气道后被活塞环拉沿着缸套壁拉动时，直流二冲程柴油机对于缸套壁的刮擦特别敏感。氧化和过滤也可以用于防止其它EGR系统部件(例如，冷却器358和正流量装置360)或发动机系统部件被污染和磨损。图3中，为过滤的目的设有柴油氧化催化器(DOC)354和柴油颗粒过滤器(DFP)356。DOC利用氧化过程来减少废气中的颗粒物(PM)、碳氢化合物和/或一氧化碳排放。DPF包括用于减少废气中的PM和/或碳烟的过滤器。DOC/DPF装置可以适于被动地再生以及氧化碳烟。尽管示出了DOC354和DPF356，但也可以使用其它相似的过滤器。
可选地，使用冷却器358冷却经过过滤的空气。冷却器358用于降低再循化废气的温度，由此给发动机提供密度更高的进气增压。再循环废气进气道温度的下降减少了NOx排放并且改善了燃料经济性。与此时EGR系统中较热的废气相比，由于简化了可输送能力和与下游的EGR系统和发动机部件的兼容性，已经冷却的废气是优选的。
冷却的废气流向正流量装置360，该正流量装置用于实现必要的压力增加，以克服在EGR系统350内自身的压力损失并且克服排气歧管312和再循环废气的再引入位置之间的反压力梯度。特别地，正流量装置360使再循环废气的静压力增大到足够向功率组件的上游再引入废气。替代地，正流量装置360在引入位置处使在功率组件上游的静压力降低到足够在排气歧管和功率组件310上游的引入位置之间施加正的静压力。正流量装置360可以是罗茨鼓风机、文丘里管、离心压缩机、推进器、涡轮增压器、泵等的形式。正流量装置360可以在内部密封，使得油不会污染需再循环的废气。
如图3所示，在气箱308(例如大约94.39inHga)至排气歧管312(例如大约85.46inHga)之间有正压力梯度，其对于达到缸体扫气和混合的必要水平而言是必需的。为了使废气再循环，再循环的废气的压力被增加到至少与后冷却器排出压力相匹配并且克服EGR系统350的附加压力下降。因此，废气被正流量装置360压缩并且与来自后冷却器320的新鲜空气混合，以降低NOx排放且同时实现所希望的燃料经济性。优选的是，通过促进再循环废气和新鲜空气的混合的方式执行废气的引入。
作为如上所述调节需再循环废气量的阀35的替代方案，正流量装置360可以替代地用于调节需再循环的废气量。例如，正流量装置360可以适于对来自发动机306、经过EGR系统350、再回到发动机306的废气的再循环流速进行控制。在另一示例中，阀352可以起开/关类型的阀的作用，其中正流量装置360通过匹配装置的循环速度来调节再循环流速。在此布置中，通过改变正流量装置360的速度，可以对废气的变化的量进行再循环。在又一示例中，正流量装置360是正位移泵(例如罗茨鼓风机)，该泵通过调整其速度来调节再循环流速。
设有新型的涡轮增压器300，具有比现有技术直流二冲程柴油机涡轮增压器更高的压力比。新型涡轮增压器供给更高压缩增压的新鲜空气，该新鲜空气与来自正流量装置360的再循环废气混合。假如所获取的新鲜空气与冷却废气的混合物的氧气浓度低，则输送至发动机306的新鲜空气与废气的高压混合物提供对于燃烧而言必要的所希望获取的氧气量。
如图4的EGR系统450所示，可选地，再循环废气可以在后冷却器420的上游被引入，从而在导入到发动机406的气箱408之前被冷却。在此实施例中，后冷却器420(除了冷却器458之外)将来自涡轮增压器400的新鲜空气和再循环废气冷却以降低发动机406的总的增压空气进气温度，由此给发动机406提供密度更高的进气增压空气。在另一实施例中(未示出)，可选的滤油器可以处于正流量装置460的下游，以过滤来自正流量装置的所有残留的油。此布置防止后冷却器420和再循环废气中的油污染。
如图5的EGR系统550实施例所示，可选地，经过滤的空气可以为了相同的目的而被导向后冷却器520，但没有附加图3和图4中的冷却器359、458。在此布置中，对需再循环废气的冷却仅仅由后冷却器520执行。后冷却器520用于冷却来自涡轮增压器的新鲜空气和再循环废气，由此为发动机提供密度更高的总的进气增压空气。
如在图6中所示，描绘了EGR系统650，其不包括前述实施例的DOC/DPF过滤系统。
如在图7中所示，描绘了EGR系统750，其用在具有正或负的曲轴通风装置的发动机706中，由此油气分离器出口被引导到在压缩机进口上游的低压区域。因此，来自涡轮增压器700的压缩空气不像前述实施例所示的一样通向油气分离器。
还可以设有控制系统，其监控并控制前述实施例中的任一EGR系统，或者其它类似EGR系统的选定部件。特别地，控制系统可以适于控制EGR系统的选定部件，以基于机车的各种工作条件适应性地调节废气再循环。控制系统可以是机车控制电脑、另一车载控制电脑或其它类似控制装置的形式。在图8中示出了控制系统的多种实施例。
在图8的一种实施例中，控制系统880利用排气歧管温度传感器882a、882b对排气歧管处的废气温度进行监控。如果排气歧管812处的废气温度在EGR系统的正常工作温度范围之内，控制系统向流量调节装置(例如阀852a和852b和/或正流量装置860)发送信号，以使选定量的废气经过发动机进行再循环。如果废气温度落在EGR系统的正常工作温度范围之外，控制系统880给流量调节装置(例如阀852a、852b和/或正流量装置860)发送信号，以使另一选定量的废气再循环经过发动机。优选的是，如果废气温度落在EGR系统的正常工作温度范围之外，控制系统880给流量调节装置发送信号，以降低需再循环经过发动机的废气量。在一种示例中，EGR系统的正常工作温度范围部分地基于柴油机的极限工作温度。在另一示例中，EGR系统的正常工作温度部分地基于DPF856a、856b将会被动再生的温度。此外，控制系统880可以进一步适于部分基于柴油机系统在隧道内的工作条件，向流量调节装置发送信号以使选定的废气量再循环经过发动机系统。在一种示例中，EGR系统的正常工作温度范围部分基于机车在隧道内的工作。
在另一实施例中，控制系统880对气箱内的氧气浓度进行监控，或者可选地，利用氧气浓度传感器884a、884b对排气歧管处的废气氧气浓度进行监控。控制系统880基于氧气浓度水平给流量调节装置(例如阀852a、852b和/或正流量装置860)发送信号，以使选定的废气量经过发动机再循环。在一种示例中，如果有高氧气浓度，控制系统880可以适于给流量调节装置发送信号，以增加需经发动机再循环的废气量。
在又一实施例中，控制系统880利用周围环境温度传感器886对周围环境温度进行监控。控制系统880基于周围环境温度给流量调节装置(例如阀852a、852b和/或正流量装置860)发送信号，以使选定量的废气经过发动机进行再循环。在一种示例中，如果周围环境温度低于选定温度，控制系统880可以适于给流量调节装置发送信号，以增加需经过发动机再循环的废气量，以在较低周围环境温度下至少补偿再循环废气中氧气浓度的较高水平。
在又一实施例中，控制系统880利用周围环境大气压力传感器888或海拔测量装置890对周围环境大气压力或海拔进行监控。控制系统880基于周围环境大气压力或海拔给流量调节装置(例如阀852a、852b和/或正流量装置860)发送信号，以使选定量的废气经发动机进行再循环。在一种示例中，如果大气压力低于选定值，那么控制系统880可以适于给流量调节装置发送信号，以降低需经过发动机再循环的废气量，因为在较低的大气压力下再循环废气中的氧气浓度处于较低水平。替代地，如果海拔低于选定值，那么控制系统880可以适于给流量调节装置发送信号，以增加需再循环经过发动机的废气量，因为在较低的海拔下再循环废气中的氧气浓度处于较高水平。
在另一实施例中，控制系统880利用压力传感器892a、892b、894a、894b确定并监控经过DOC/DPF装置854a、856a、854b、856b的压力差。如上文所讨论的，DOC/DPF装置854a、856a、854b、856b可以适于使DPF856a、856b内的碳烟被动再生并氧化。但是，DPF856a、856B会积聚灰尘和一些碳烟，这些灰尘和碳烟必须移除以维持DPF效能。随着灰尘和碳烟堆积，DOC/DPF装置854a、856a、854b、856b上的压力差增加。因此，控制装置880监控并确定DOC/DPF装置854a、856a、854b、856b是否已达到选定的压力差，在此压力差时DPF856a、856b需要进行清洁或更换。作为对此的响应，控制系统880可以发出DPF856a、856b需要清洁或更换的指示。替代地，控制系统880可以给流量调节装置发送信号，以降低废气经过发动机的再循环。在另一实施例中，如图所示，控制系统880联接至定量加料器896a、896b，其将燃料加在用于DOC/DPF装置854a、856a、854b、856b的催化剂上，以激活过滤器的再生。燃料在存在催化剂的情况下与氧气反应，该催化剂使再循环废气的温度增加以促进过滤器上碳烟的氧化。在另一实施例中(未示出)，控制系统可以联接至燃烧器、加热元件或其它用于控制再循环废气温度的加热装置，以在过滤器上控制碳烟的氧化。
在又一实施例中，控制系统880对位于冷却器858下游的废气温度或冷却器858中的冷却剂温度进行测量。如图8所示，设有温度传感器898a、898b，用于测量冷却器858下游的废气温度。如果冷却器858下游的废气温度或冷却剂温度在选定的温度范围内，那么控制系统880给流量调节装置(例如阀852a、852b和/或正流量装置860)发送信号，以使选定量的废气经过发动机进行再循环。如果冷却器858下游的废气温度或冷却剂温度落在选定的温度范围之外，那么控制系统880给流量调节装置(例如阀852a、852b和/或正流量装置860)发送信号，以使另一选定量的废气经过发动机进行再循环。在一种示例中，控制系统880可以适于对冷却剂温度进行监控以确定是否存在再循环废气冷凝的条件。如果形成冷凝，酸性冷凝物可能被引入到发动机系统中。因此，控制系统880可以适于给流量调节装置发送信号，以降低废气经过发动机的再循环，直到不再存在冷凝的条件。
在另一实施例中，控制系统880可以适于基于机车的不同离散的节气门位置适应性地调节流量，以使燃料经济性最大化，甚至进一步降低NOx排放，并且保持EGR系统和发动机部件的耐久性。例如，控制系统880可以给流量调节装置(例如阀852a、852b和/或正流量装置860)发送信号，以在低怠速、高怠速、节气门位置1、节气门位置2或在应用动态制动器时降低废气经过发动机的再循环。控制系统880可以适于给流量调节装置发送信号，以在节气门位置3处或超出节气门位置3处使废气经过发动机再循环。在一种示例中，控制系统880可以适于随着节气门位置的增加而增加需经过发动机再循环的废气量。在又一实施例中，控制系统880可以适于随着附加的发动机负荷而增加需再循环的废气量。相似地，控制系统880可以适于随着发动机负载的减小而减少需再循环的废气量。
图9A-图9H示出了参照图4所示系统的、用于与机车100中的二冲程、12缸柴油机系统150一起使用的EGR系统950的实施例。EGR系统950的尺寸和形状能够适配在机车100的有限的长度、宽度和高度约束内。如在此所示，EGR系统950安装在常规现代柴油机机车的相同的总车架内。特别地，EGR系统950通常位于机车发动机的排气歧管912和机车散热器980之间可用的有限空间内。在此实施例中，所示EGR系统950大体位于设备架982的常用位置上方。也可以使用12缸机车柴油机来代替16缸机车柴油机以提供更多的空间。在替代的实施例中(未示出)，EGR系统950可以被容纳在机车体内，惯性过滤器旁边。
通常，EGR系统950包括DOC、DPF和冷却器，它们封装在集成的EGR模块945中。EGR系统950还包括与EGR模块945相互联接的正流量装置960。EGR系统950接收来自发动机906排气歧管912的废气。在排气歧管912和集成的EGR模块945之间设有阀952。EGR模块945处理位于其中的废气。如参照图4实施例所充分讨论的，正流量装置960将经过处理的需再循环的废气进行压缩，并且通过将再循环废气与来自涡轮增压器900的新鲜增压空气混合而将其引向后冷却器920的上游，并且将新鲜增压空气与再循环废气的混合物输送至气箱908。在此系统中，仅所选定比例的废气被再循环并且与进气增压空气相混合，以选择性地降低污染物排放(包括NOx)并同时实现所希望的燃料经济性。尽管EGR系统950是图4的系统实施例的一种实施方式，但其可以是本文讨论的上述其它EGR系统中的任一EGR系统的实施方式。例如，作为将再循环废气引向后冷却器的上游(如参照图4和图9的实施例所述)的替代，可以将再循环废气引向后冷却器的下游(如参照图3所述)。
集成的EGR模块945包括部分962，该部分具有用于接收来自排气歧管的废气的进气道964。特别地，EGR模块945的进气道部分962与发动机906的排气歧管912相互连接。在排气歧管912和EGR模块945的进气道部分962之间设有阀952。在一种示例中，阀952适于确定需经过发动机906再循环的废气量。在另一示例中，阀953可以起开/关阀的作用，用于确定气体是否需要经过发动机906进行再循环。
如果已经接收废气，则EGR模块945的进气道部分962将废气引导至容纳至少一个柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器(DOC/DPF)装置953的部分中。每个DOC954利用氧化过程来降低废气中的颗粒物、碳氢化合物和一氧化碳。每个DPF956包括用于降低废气中颗粒物(PM)或碳烟的过滤器。特别地，在此实施例中利用氧化和过滤来降低将会在再循环期间被引入到发动机906中的颗粒物。颗粒被引入到发动机906中导致加速磨损，特别是在直流二冲程柴油机应用中。氧化和过滤也可以用于防止其它EGR系统部件(例如冷却器958和正流量装置960)或发动机系统部件的污染和磨损。
DOC/DPF装置953的设计、尺寸和形状使得它们能在EGR系统950的工作参数下有效地减少颗粒物，适配在机车100的有限尺寸约束内，具有合理的在其载体(substrat)上的压降，并且具有可管理的保养间隔。
希望的是，DOC/DPF装置953在EGR系统950的工作参数下使废气中的PM减少超过90％。特别地，对DOC/DPF装置953的载体与在该载体上的涂层的成分进行选择，以有效地减少颗粒物质。在一种大约为3200bhp的、在全负荷下以小于20％的废气进行再循环的12缸直流扫气二冲程柴油机的示例中，DOC/DPF装置953被选择用来管理和操作大约1.5至大约2.5lbm/s的废气质量流量，进气温度的范围从大约600°F至大约1050°F，并且进气压力从大约80inHga至大约110inHga。进一步优选的是，DOC/DPF装置953可以将在DOC/DPF两者上的体积流速控制在大约1000CFM至大约1300CFM。此外，DOC/DPF装置953还设计用于承受大约-40℃至大约125℃的周围环境温度范围。
通常将DOC/DPF装置953进行封装，使得其适配在机车100的尺寸约束内。如该实施例所示，每个DOC954和DPF956都被封装在圆柱形壳体内，该圆柱形壳体类似于一般用于货车领域中的那些DOC954和DPF956。每个DOC954和DPF956具有大约12英寸的直径。每个DOC954的长度为大约6英寸，而每一DPF956的长度为大约13英寸。DOC954和DPF956集成在EGR模块945内，从而它们能够适配在机车的尺寸约束内。
此外，所希望的是，对DOC/DPF装置953进行选择使其具有合理的在其载体上的压降。如上文所讨论的，优选的是，废气被引入压力较高的区域。因此，希望使在DOC/DPF装置953上的压降最小化。在一种实施例中，希望在两个载体上的压降小于大约20inH2O。
最后，希望DOC/DPF装置953具有便于管理的维修期限。DOC/DPF装置953积聚灰尘和一些碳烟，优选地要将这些灰尘和碳烟除去以维持DOC954和DPF956的效能。在一种示例中，清洁DOC/DPF装置953的维修间隔可以选择为大约6个月。如实施例所示，每个DOC954和DPF956都被单独地容纳，但与EGR模块945的部分邻接，使得可以将DOC954和DPF956拆卸来清洁和更换。为了维护，DOC/DPF装置953包括用于将DOC/DPF装置953与EGR模块945的进气道部分962一起安装到冷却器958上的法兰966。与DOC/DPF装置953的安装法兰966相关联的紧固件可以被取下，从而使DOC/DPF装置953与EGR模块945的进气道部分962一起可以从冷却器958以及机车上取下。随后，可以通过法兰968、970选择性地拆卸下进气道部分962、DOC954以及DPF956以进行维护。为了简化维护保养，用于法兰968、970的紧固件与DOC/DPF装置953的安装法兰966错开。因此，可以经由DOC/DPF装置953的安装法兰966将DOC/DPF装置953与进气道部分962一起取下，而不需要首先拆卸各单个部分。
为了满足EGR系统950的操作要求以及可维护性要求，将多个DOC和DPF成对设置在平行的路径上。例如，如所示的，在该实施例中平行示出了两个DOC/DPF装置对，以适应EGR系统950的流量和压降要求。此外，平行的DOC/DPF装置对为在其中积聚灰尘和碳烟提供了合理的空间。不过，可以以类似的平行布置方式设置更多或更少的DOC/DPF装置对，以满足EGR系统950的操作要求以及可维护性要求。
集成的EGR模块945还包括相互连接至DOC/DPF装置953的冷却器958。冷却器958降低经过滤的废气温度，由此向发动机906提供密度更高的进气增压。在一种大约为3200bhp的12缸直流扫气二冲程柴油机在全负荷下再循环废气少于20％的示例中，每个DPF956延伸至冷却器958中并提供的经过滤的废气具有大约为1.5lbm/s至大约2.5lbm/s的质量流量；大约80inHga至大约110inHga的压力；以及大约0.075lbm/ft3至大约0.15lbm/ft3的密度。希望的是，在进气体积流量为大约1050CFM至大约1300CFM时，冷却器958将经过过滤的废气的温度从大约600°F至1250°F的范围降低到大约200°F至250°F的范围。用于冷却器958的冷却剂来源可以是发动机的水套回路，该冷却剂来源经由冷却剂进口972具有大约160gpm至大约190gpm的冷却剂流速。还希望的是，冷却器958在其中保持合理的压降。如上文所讨论的，废气被引入到压力更高的区域。因此，希望将冷却器958内的压降最小化。在一种示例中，希望的是，在冷却器上的压降从大约3inH2O至大约6inH2O。
冷却器958通常被封装，使得其适配在机车100的尺寸约束内。如在该实施例中所示，冷却器958与DOC/DPF装置953集成。冷却器958具有大约25英寸乘16英寸的正面面积，以及大约16英寸的深度。
EGR模块945经由排出口974从冷却器958连接至正流量装置960。正流量装置960对经过冷却、过滤的需再循环并经由管976在后冷却器920处向其中心的上游引入发动机906的废气进行调节。特别地，所示正流量装置960为速度可变的罗茨式鼓风机，其通过使装置通过其换流驱动系统调节循环速度适应来调节再循环流速。特别地，通过改变正流量装置960的速度，可以使废气的变化的量进行再循环。可以实施其他合适的正流量装置，以类似地调节需再循环的废气量。
如上所述，通过EGR系统实现了NOX降低和所希望的燃油经济性，同时维持或改进直流二冲程柴油机中的扫气和混合过程。扫气和混合过程还可以通过调整进气道正时、进气道设计、排气阀设计、排气阀正时、EGR系统设计、发动机设计以及涡轮增压器设计而得以进一步改进。
本发明的各种各样的实施例可以应用于低压和高压回路EGR系统。本发明的各种实施例可以应用于机车二冲程柴油机，可以应用于具有不同数量缸体(例如8缸、12缸、16缸、18缸、20缸等)的发动机。各种实施例还可以应用于除了机车应用之外的其他二冲程直流扫气柴油机应用(例如船舶应用)。
虽然已经参照一些示例性方案对本发明进行了描述，可以理解的是，这种描述不应被视为用于限制。例如，本文中所描述的各种工作参数或数值是举例说明在某些条件下工作的本发明的系统的代表性值。因此，可以预见到，这些数值会根据不同的机车工作参数或条件而改变。而且可以对说明性的实施例做各种变化和修改，且不脱离本发明的真实思想、中心特征和保护范围，其中包括在此单独公开或要求保护的特征的这些组合。此外，应理解的是，对于本领域技术人员而言，任何这种变化和修改视为等同于下列权利要求的一个或多个要素，并且在法律允许的最大程度内被这些权利要求覆盖。

Claims (17)

1.一种用于柴油机的集成的废气再循环(EGR)模块，所述EGR模块能够通过对需经过柴油机再循环的废气进行处理来降低NOX排放并实现所希望的燃油经济性，所述柴油机将废气输送经过排气歧管；所述EGR模块包括：
进气道部分，其能够接收来自柴油机排气歧管的废气；
至少一个过滤装置，其包括至少一个与柴油颗粒过滤器成对设置的柴油氧化催化器，所述过滤装置与进气道部分相互连接；以及
冷却器，其与过滤装置相互连接并且包括用于向柴油机提供经过处理的废气的排气道；其中，进气道部分将废气引向用于对至少颗粒物进行过滤的过滤装置，并且经过过滤的废气从过滤装置被引导至冷却器以进行冷却。
2.如权利要求1所述的EGR模块，其特征在于，进气道部分、过滤装置以及冷却器中的每一个都能够彼此分开。
3.如权利要求1所述的EGR模块，其特征在于，柴油氧化催化器和柴油氧化过滤器被容纳在能彼此分开的单独部分中。
4.如权利要求1所述的EGR模块，其特征在于，过滤装置还包括用于将过滤装置安装到冷却器上的安装法兰。
5.如权利要求4所述的EGR模块，其特征在于，经由安装法兰能将过滤装置与进气道部分一起与冷却器分开。
6.如权利要求1所述的EGR模块，其特征在于，所述EGR模块还包括与另一柴油颗粒过滤器成对设置的另一柴油氧化催化器。
7.如权利要求6所述的EGR模块，其特征在于，成对设置的柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器设置在平行的路径中，用于接收来自进气道部分的废气并且对穿过这里的废气进行过滤。
8.如权利要求1所述的EGR模块，其特征在于，对成对设置的柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器进行选择，以应对范围在最多大约1.5lbm/s至大约2.5lbm/s的废气质量流量、范围在最多大约600°F至大约1050°F的进气温度、范围在最多大约80inHga至大约110inHga的进气压力；在柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器两者中的范围在最多大约1000CFM至大约1300CFM的体积流速；并且承受大约-40℃至大约125℃范围的周围环境温度，以将废气中的颗粒物减少超过大约90％。
9.如权利要求8所述的EGR模块，其特征在于，在成对的柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器上的废气压降小于大约20inH2O。
10.如权利要求1所述的EGR模块，其特征在于，冷却器对范围在最多大约1050CFM至大约1300CFM的废气体积流速进行控制，以及其中冷却器将废气温度从大约600°F至1250°F的范围降低到大约200°F至250°F的范围。
11.EGR模块，其特征在于，经过冷却器的废气压降的范围在小于大约3inH2O至大约6inH2O。
12.一种用于柴油机的废气再循环系统的过滤装置，所述过滤装置包括：
至少一个与相应柴油颗粒过滤器成对地相互连接的柴油氧化催化器，其中，对成对设置的柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器进行选择，以应对范围在最多大约1.5lbm/s至大约2.5lbm/s的废气质量流量、范围在最多大约600°F至大约1050°F的进气温度、范围在最多大约80inHga至大约110inHga的进气压力；在柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器两者上的范围在最多大约1000CFM至大约1300CFM的体积流速；并且承受大约-40℃至大约125℃的周围环境温度以将废气中的颗粒物减少超过大约90％。
13.如权利要求12所述的过滤装置，其特征在于，在成对设置的柴油氧化催化器和柴油颗粒过滤器上的废气压降小于20inH2O。
14.一种用于柴油机的废气再循环系统的冷却器，所述冷却器包括：
冷却部分，其用于应对范围在最多大约1050CFM至大约1300CFM的废气的进入体积流速；其中，冷却部分将废气温度从大约600°F至1250°F的范围降低到大约200°F至250°F的范围。
15.如权利要求14所述的冷却器，其特征在于，发动机包括水套回路，和所述冷却部分用来自水套回路的冷却剂冷却。
16.如权利要求15所述的冷却器，其特征在于，冷却剂流速的范围在最多大约160gpm至大约190gpm。
17.如权利要求14所述的冷却器，其特征在于，经冷却器的废气压降的范围在最多大约3inH2O至大约6inH2O。
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