CN102498282A - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有将内燃机(1)的废气再循环到内燃机(1)的新鲜空气侧(4)的废气再循环装置(23)的内燃机(1)。其中规定，废气再循环装置(23)具有至少一个用于压缩被供到内燃机(1)的新鲜空气侧(4)的废气的压缩机(26)。

Description

内燃机
本发明涉及一种具有将内燃机的废气再循环到内燃机的新鲜空气侧的废气再循环装置的内燃机。
现有技术
文首所述类型的内燃机已由现有技术中为人所知。在内燃机的发展中降低在内燃机中的燃烧中形成的有害物质起着越来越大的作用。一方面可以设置合适的废气净化装置或废气后处理装置，例如催化器，用于将形成的有害物质在它们从内燃机中排出之后从废气中过滤出来或者转换成无害产品。但是另一方面的目标是防止有害物质的形成。
实现该目标的一个可能性是设置废气再循环。在这种废气再循环情况下，在燃烧中形成的内燃机的废气不是被直接地排出和释放到环境中，而是与新鲜空气和燃料一起被重新地供给内燃机。为此目的，废气被再循环到内燃机的新鲜空气侧。以这种方式可以减少废气中含有的氧化氮的数量。通过废气再循环首先降低了内燃机中存在的燃烧温度。这是因为，尽管废气本身不参与燃烧，但是却必须在燃烧期间被加热。燃烧温度的这种降低的结果是减少了氧化氮(NOx)成份。废气再循环也使氧气成份在燃烧期间减少。但是氧化氮优选在空气过量情况下形成，以便进一步减少氧化氮的数量。但是在此情况下要注意，在燃烧期间不应该存在过少的氧气，因为否则会形成碳氢化合物(HC)，这也是不希望的。
通过冷却被再循环的废气可以进一步改善再循环的效果。为此例如DE102006055814A1描述了一种内燃机，它具有涡轮增压器(增压装置)，其中内燃机的废气从废气系统中取出并且输入到新鲜空气管道中，从而新鲜空气与其中混合的废气一起在涡轮增压器的压缩机部分中压缩并且供给在进口侧的进气管。在进气管中结合有冷却元件并且是如此设计的，即可能形成的冷凝液只能够在内燃机的进气阀的方向上流动，并且因此与废气混合的新鲜空气在进气管内被冷却，其中进气管通到一个空气分配器中。由此废气被输回到压缩机透平之前的低压水平，以便能够将更大的废气量供到内燃机的新鲜空气侧并且随后与新鲜空气的温度一起降低废气的温度。
将更大数量的废气再循环到内燃机的新鲜空气侧的另一个可能性是在新鲜空气侧或在新鲜空气输入管中设置节流阀，以便暂时地降低在那里存在的压力，尤其是进气管压力。如果内燃机具有增压装置，那么被再循环的废气必须与新鲜空气一起被压缩。这意味着，必须显著提高增压器功率，因为必须考虑附加的废气质量流量。这也适用于使用节流阀的情况，因为增压装置现在必须补偿节流损失。但是由此也增大了燃料消耗，除了其他方面外，因为受减少的供内燃机使用的压力的限制使得进气功上升。
发明的公开
相反，具有在权利要求1中所述特征的内燃机具有优点，即可以将废气引回到内燃机的新鲜空气侧，而不必增大内燃机的燃料消耗和/或在设置有增压装置的情况下不必增大要求的增压器功率。这按照本发明是这样实现的，即废气再循环装置具有至少一个用于压缩被供给内燃机的新鲜空气侧的废气的压缩机。该压缩机用于压缩废气，亦即提高废气的压力。在此情况下，该压缩机附属于废气再循环装置，该压缩机因此在废气到达内燃机的新鲜空气侧并且在那里与供给内燃机的新鲜空气混合之前压缩该废气。压缩机直接地布置在一个废气再循环线路中，在该线路中只存在被再循环的废气。废气再循环装置因此是一个与新鲜空气侧分开存在的单元。该压缩机因此不是通常设置的内燃机的增压装置的压缩机。被再循环的废气由此在它到达新鲜空气侧之前，即在与新鲜空气会合之前被压缩。废气再循环装置的压缩机使得废气也能够在增压装置的压缩机的下游供到新鲜空气侧，因为该废气已经处于一个足够高的压力水平上。借助于该压缩机提高废气的压力，由此可以将更大数量的废气提供到新鲜空气侧并且因此重新供给内燃机。
本发明的一个扩展方案设置从废气中取出的热能，用于运行压缩机。这个变型实施方案实现了压缩机的特别高能效的运行。在废气中总是存在有热能，如果不被用于运行压缩机，则会未加利用地释放到内燃机的环境中。因此可以提高被再循环的废气的数量，而不必提高内燃机的燃料消耗或设置增压装置的更高的功率。为了从废气中摄取热能，可以设置一个蒸汽回路。
本发明的另一个扩展方案规定，为了提取热能设置了换热器。换热器由此例如是内燃机的废气系统的组成部分。换热器附属于该废气系统并且最好设置在考虑存在的增压装置和/或废气净化装置之后。但是，依据压缩机的能量需求，换热器也可以布置在废气系统的一个地点上，在该处废气具有较高的温度，即在增压装置和/或废气净化装置之前。
本发明的另一个扩展方案规定，换热器连接到用于蒸发流体的蒸汽产生器上并且产生的蒸汽被供给与压缩机作用连接的透平。借助于换热器，由此从废气中取出热能，该热能接下来在蒸汽产生器中使用，以便蒸发流体例如水并且由此产生蒸汽。该蒸汽经透平引导，其中在蒸汽存在的能量被转换成机械能。透平在此情况下例如通过一个公共的轴与压缩机作用连接，因此用作压缩机的驱动装置。
本发明的另一个扩展方案规定，压缩机布置在至少一个废气冷却器的下游或上游。废气冷却器用于或者在压缩机之前或在压缩机之后冷却废气。对废气的冷却提高了废气再循环装置的作用，因为以这种方式可以进一步降低内燃机中的燃烧温度。压缩机优选布置在废气冷却器的下游，因为由此减小压缩机的热负荷并且要求的压缩机功率由于更冷的废气的更高的密度而较小。但是原则上也可以将压缩机布置在废气冷却器之前，因为通过废气的较高的温度改善废气冷却器内的传热并且由此可以将废气冷却器设计得较小。
本发明的另一个扩展方案规定，换热器至少部分地形成废气冷却器或者该废气冷却器是另一个连接到蒸汽产生器上的换热器。用于提取废气中的热能的换热器可以用于冷却废气或被再循环的废气。为此目的，换热器至少部分地形成废气冷却器。但是也可以设置多个换热器，其中仅仅至少一个被作为废气冷却器使用。该换热器则例如是另一个换热器，它连接在蒸汽产生器上。也可以设置一个低温换热器和一个高温换热器，它们前后相继连接，以运行蒸汽产生器。如果设置多个换热器，那么也完全可以设置多个蒸汽产生器，它们例如也是前后相继连接。
本发明的另一个扩展方案规定，设置至少单级的增压装置，尤其是废气涡轮增压器，。增压装置分配在内燃机的新鲜空气侧并且用于压缩供给内燃机的新鲜空气并且由此提高其压力。增压装置尤其被用于改善内燃机的燃烧室或气缸的新鲜空气充填。增压装置有利地设计成废气涡轮增压器，即用内燃机的废气运行。为此，废气流经废气涡轮增压器的废气透平并且驱动废气涡轮增压器的压缩机，以提高新鲜空气的压力。
本发明的另一个扩展方案规定，在废气涡轮增压器的下游或上游布置用于提取供给内燃机的废气的废气取出接头。废气因此可以在流过废气涡轮增压器之前从内燃机的废气系统中取出，或者在流过之后才取出。优选将废气取出接头布置在废气涡轮增压器上游。废气在该地点处具有还比较高的压力水平，由此需要较小的功率来压缩废气再循环装置中的废气。附加地，废气的温度高于废气涡轮增压器之后的温度，从而在该地点处布置的换热器可以最佳地用于产生蒸汽。这样，例如可以使蒸汽过热。但是备选地，可以将废气取出接头布置在废气涡轮增压器下游。其优点是，废气涡轮增压器的功率不会由于取出废气而减小。
本发明的另一个扩展方案规定，在多级的废气涡轮增压器情况下，废气取出接头设置在级之间。废气涡轮增压器在这种情况下具有例如一个由高压透平和高压压缩机组成的高压部分以及一个由低压透平和低压压缩机组成的低压部分。废气此时先流经高压透平并且接着流经低压透平。废气取出接头现在设置在级之间，即设置在高压透平下游和低压透平上游。
本发明的另一个扩展方案规定，在透平废气再循环装置的透平的下游设置冷凝器和/或流体输送装置。借助于该透平驱动废气再循环装置的压缩机，尤其是通过使借助于蒸汽产生器产生的蒸汽流动通过该透平。透平由此是一个蒸汽回路的组成部分。在该回路中也设置冷凝器和/或流体输送装置。冷凝器用于在透平的下游使蒸汽冷凝，从而在冷凝器之后又存在流体。借助于流体输送装置，它通常设置在冷凝器下游，又将该流体供给蒸汽产生器。由此存在一个闭合发流体或蒸汽循环回路，借助于该循环回路可以运行废气再循环装置的压缩机。
在不对本发明进行限制情况下，以下依据在附图中示出的实施例详细说明本发明。惟一的图示出内燃机的一个示意图。
该图示出了具有至少一个气缸2的内燃机1，可以经空气供给装置3向该气缸供给空气，以便实施燃烧。空气供给装置3此时设置在内燃机1的新鲜空气侧4。空气供给装置3除了具有空气供给管5以外，空气经该管被供给气缸2，还具有节流阀6，增压空气冷却器7和增压装置8。增压装置8是废气涡轮增压器9，其包括高压部分10，低压部分11和布置在其之间的中间冷却器12。
在内燃机1运行期间，空气通过空气进口被吸入并且由低压部分11的低压压缩机14压缩。通过该压缩使过期空气处于较高的压力和较高的温度下。在该空气接着借助于高压部分10的高压压缩机15进一步压缩之前，在低压压缩机14之后的温度借助于中间冷却器12降低。在高压压缩机15之后该空气有被冷却，这次是借助于增压空气冷却器7。经节流阀6，空气可以到达空气供给管5并且由此经没有示出的进气阀进入气缸2。节流阀6此时用于调整应该进入到气缸2中的空气量。
在内燃机1中的燃烧之后，在此时形成的废气排入废气系统16中。该废气系统首先具有废气弯管17和废气总管18，它们连接在气缸2或与气缸配属的排气阀处。借助于废气弯管17或废气总管18，气缸2的废气被会聚在一起。在此之后，废气到达废气涡轮增压器9。在那里废气首先流过高压部分10的高压透平19并且接着流过低压部分11的低压透平20。废气涡轮增压器9因此是两级的。高压透平19驱动高压压缩机15而低压透平20驱动低压压缩机14。在低压透平20之后，废气经节流阀21到达废气再处理装置或废气净化装置22，它可以具有至少一个催化净化器和/或过滤器。
附加地，内燃机1具有废气再循环装置23。在此情况下，设置至少一个废气取出接头24，用于将废气从而废气弯管17或废气总管18中取出并且通过至少一个废气供给接头25带到内燃机1的新鲜空气侧4。在所示的示例中，废气供给接头25位于节流阀6的下游，因此如果必要，可以借助于节流阀6短时间地减小新鲜空气的压力，以便能够通过废气供给接头25输送废气。这种方法通常减小内燃机1的有效功率。由于这个原因，规定借助于压缩机26提高废气的压力，从而可以将废气带到新鲜空气侧4，而不是必定需要所含的节流阀6。
压缩机26由透平27驱动，该透平设置在废气再循环装置23的蒸汽循环回路28中。蒸汽循环回路28具有流体输送装置29，尤其是泵，具有第一蒸汽产生器31的第一换热器30以及具有第二蒸汽产生器33的第二换热器32。借助于换热器30和32从内燃机1的废气中提取热能并且通过该热能借助于蒸汽产生器31和33使流体管道34含有的流体蒸发并且在此时形成的蒸汽经蒸汽管道35输送给透平27。在透平27下游布置冷凝器36，它将还留下的蒸汽冷凝，从而在冷凝器36之后又存在流体，该流体借助于流体输送装置29被重新输送。在废气取出接头24下游，但是在第二换热器32上游设置至少一个节流阀37，利用该节流阀可以调节被输送到内燃机1的新鲜空气侧4的废气数量。
第二换热器32至少分区域地形成废气冷却器38。废气冷却器38用于在通过废气取出接头24取出废气之后，在废气通过废气供给接头24到达内燃机1的新鲜空气侧4之前，冷却该废气。废气冷却器38在此情况下设置在压缩机26的上游。第二换热器32，如前所述，设置在节流阀3的下游7，即直接地在废气取出接头24的下游。在该点处，废气，其正好从气缸2中排出，具有高的温度，因此第二换热器32也可以称为过热器。相反，第一换热器30在废气系统16中设置在废气净化装置22之后，即直接地在废气从内燃机1排放到环境中之前。
以这种方式可以使用还在废气含有的热能，用于借助于第一蒸汽产生器31蒸发在流体管道34中输送的流体，第一蒸汽产生器与第一换热器30处于作用连接中，由此最好形成饱和蒸汽。该饱和蒸汽接着经饱和蒸汽管道39输送给第二蒸汽产生器33，它与第二换热器32处于作用连接。由此在第二蒸汽产生器33中形成比在第一蒸汽产生器31中更高的温度。经饱和蒸汽管道39引导的饱和蒸汽由此可以在第二蒸汽产生器33中加热到过热，从而随后形成热蒸汽，它经蒸汽管道35供给到透平27。这样，在废气中含有的热能被用于运转压缩机26。利用该压缩机将应该输回到内燃机1的新鲜空气侧4的废气带到即压缩到更高的压力。由此可以将比没有提高压力的情况更多数量的废气带到新鲜空气侧4，由此可以减少在气缸2中的燃烧时形成的氧化氮的数量。在此情况下需要借助于节流阀6降低新鲜空气侧4的压力以便通过废气供给接头25供给废气，因为该废气具有足够高的压力。
由于用于运行压缩机26的热能主要取自废气净化装置22之后，否则该热能将与废气一起被释放到环境中，因此可以以这种方式在没有大的附加能量的投入情况下显著提高内燃机1中的燃烧效率。在此情况下废气取出接头24的布置在附图中是纯粹举例地示出。
备选地，也可以从高压透平19和低压透平20之间或在低压透平20的下游取出废气。但是从废气弯管17或废气总管18中取出废气具有优点，即该废气还处于高压水平上，因此只需要由压缩机26提高很小的压缩功率，以使废气带到希望的压力水平。借助于第二换热器32取出废气的热量，用于运行第二蒸汽产生器33。由此在废气进入压缩机26之前降低废气的温度。这样，一方面减小压缩机26的热负荷，另一方面较低的废气温度是有利的，因为这样可以进一步减少内燃机1的废气中的氧化氮成份，因为气缸2中的燃烧温度降低。此外增压空气冷却器7和中间冷却器12用于相同的目的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.内燃机(1)，其具有将内燃机(1)的废气再循环到内燃机(1)的新鲜空气侧(4)的废气再循环装置(23)，其中，废气再循环装置(23)具有至少一个用于压缩被供到内燃机(1)的新鲜空气侧(4)的废气的压缩机(26)，其中为了运行所述压缩机(26)，设置从废气中提取的热能，其特征在于，为了提取所述热能，设置换热器(30，32)。
2.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，所述换热器(30，32)连接到一用于蒸发流体的蒸汽产生器(31，33)上并且产生的蒸汽被供给与压缩机(26)作用连接的透平(27)。
3.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述压缩机(26)布置在至少一个废气冷却器(38)的下游或上游。
4.按照权利要求3所述的内燃机，其特征在于，所述换热器(30，32)至少部分地形成所述废气冷却器(38)或者所述废气冷却器(38)是另一个连接到所述蒸汽产生器(31，33)上的换热器(30，32)。
5.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，设有至少单级的增压装置(8)，尤其是废气涡轮增压器(9)。
6.按照权利要求5所述的内燃机，其特征在于，在废气涡轮增压器(9)的下游或上游布置有用于取出供给内燃机(1)的废气的废气取出接头(24)。
7.按照权利要求5或6所述的内燃机，其特征在于，在多级的废气涡轮增压器(9)中，所述废气取出接头(24)设置在所述级(10，11)之间。
8.按照权利要求2至7中任一项所述的内燃机，其特征在于，在透平(27)下游设置有冷凝器(36)和/或流体输送装置(29)。

Claims (10)

1.内燃机(1)，其具有将内燃机(1)的废气再循环到内燃机(1)的新鲜空气侧(4)的废气再循环装置(23)，其特征在于，废气再循环装置(23)具有至少一个用于压缩被供到内燃机(1)的新鲜空气侧(4)的废气的压缩机(26)。
2.按照权利要求1所述的内燃机，其特征在于，为了运行所述压缩机(26)，设置从废气中提取的热能。
3.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，为了提取所述热能，设置换热器(30，32)。
4.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述换热器(30，32)连接到一用于蒸发流体的蒸汽产生器(31，33)上并且产生的蒸汽被供给到与压缩机(26)作用连接的透平(27)。
5.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述压缩机(26)布置在至少一个废气冷却器(38)的下游或上游。
6.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，所述换热器(30，32)至少部分地形成所述废气冷却器(38)或者所述废气冷却器(38)是另一个连接到所述蒸汽产生器(31，33)上的换热器(30，32)。
7.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，设有至少单级的增压装置(8)，尤其是废气涡轮增压器(9)。
8.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，在废气涡轮增压器(9)的下游或上游布置有用于取出供给内燃机(1)的废气的废气取出接头(24)。
9.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，在多级的废气涡轮增压器(9)中，所述废气取出接头(24)设置在所述级(10，11)之间。
10.按照前述权利要求中任一项所述的内燃机，其特征在于，在透平(27)下游设置有冷凝器(36)和/或流体输送装置(29)。
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