CN103328802A - 具有专用egr涡轮发生器的流体处理系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于发动机(12)的流体处理系统(14)。流体处理系统可具有连接成接收来自发动机的废气流的一部分的第一涡轮(27)、通过第一涡轮驱动以加压空气流的第一压缩机(29)以及被构造成接收来自发动机的废气流的剩余部分和来自所述第一压缩机的空气流的热交换器(26)。流体处理系统还可包括连接成接收来自热交换器的空气流的第二涡轮(64)和通过第二涡轮驱动以产生动力的发生器(66)。

Description

具有专用EGR涡轮发生器的流体处理系统
技术领域
本发明涉及一种流体处理系统，并且更特别是涉及一种具有专用废气再循环(EGR)涡轮发生器的流体处理系统。
背景技术
例如柴油发动机、汽油发动机和气态燃料供能发动机的内燃发动机排出作为燃烧过程的副产品的空气污染物的复合混合物。这些空气污染物包括气态化合物，其尤其包括氮的氧化物(NOx)。由于对环境的关注日益增加，废气释放标准变得更加严格，并且从发动机排放到大气的NOx的量可以根据发动机的类型、发动机的尺寸和/或发动机的等级来规定。
被发动机制造商利用以符合发动机排放规定的一种方法是采用废气再生(EGR)。EGR系统使废气再循环，以便与供应到发动机的燃烧空气混合。再循环的废气减小氧的浓度，并增加发动机缸内的热质量，由此降低得到的燃烧温度。降低的燃烧温度减缓燃烧过程的化学反应，并减少NOx的形成。
虽然减少NOx是成功的，EGR系统的效率会受到再循环的废气中所含热量的影响。即，再循环返回到发动机的废气会含有大量废热形式的能量，这增加了缸内燃烧温度，并阻碍了所希望NOx的减少。另外，过多热量同样消耗了发动机的冷却系统，并形成了未利用的能源，这种能源如果被利用，可以增加发动机的效率。
采用EGR的示例性系统在Alger等人的于2001年4月17日授权的美国专利6,216,458中公开(“′458专利”)。具体地，′458专利公开一种用于涡轮增压的内燃发动机的废气再循环(EGR)系统。EGR系统包括用于将来自排气歧管的废气体积再循环到进气歧管的再循环导管、用于输送冷却空气流的冷却空气导管以及与再循环导管和冷却空气导管操作相关地布置的气体-空气热交换器。热交换器适用于冷却再循环导管内的再循环废气的体积。
发明内容
在一个方面，本发明针对一种用于发动机的流体处理系统。流体处理系统可包括连接成接收来自发动机的废气流的一部分的第一涡轮、通过第一涡轮驱动以便加压空气流的第一压缩机以及被构造成接收来自发动机的废气流的剩余部分和来自第一压缩机的空气流的热交换器。流体处理系统还可包括连接成接收来自热交换器的空气流的第二涡轮以及通过第二涡轮驱动以产生动力的发生器。
在另一方面，本发明针对一种处理来自发动机的废气的方法。该方法可包括燃烧空气和燃料的混合物，以产生机械输出和废气流，从废气流的一部分机械地移除能量，并且使用该能量加压空气流。该方法还包括将来自废气流的热量传递到空气流，在传递热量之后从空气流机械地移除能量，并且将从空气流机械地移除的能量转换成电能、液压能和动能中的一种。
附图说明
图1是示例性公开的动力系统的示意图示；以及
图2是另一示例性公开的动力系统的示意图示。
具体实施方式
图1示出了具有动力源12和流体处理系统14的动力系统10。为了公开的目的，动力源12被描述和描绘成四冲程柴油发动机。但是本领域普通技术人员将认识到动力源12可以是任何其他类型的燃烧发动机，例如汽油或气态燃料供能发动机。动力源12可包括至少部分限定多个缸18的发动机缸体16。活塞(未示出)可以可滑动地布置在每个缸18内，以便在顶止点位置和底止点位置之间往复运动，并且一个或多个缸盖(未示出)可连接到发动机缸体16，以闭合每个缸18的端部。每个缸18、活塞和缸盖可一起限定燃烧室20。在所示实施方式中，动力源12包括四个这样的燃烧室20。但是，设想到动力源12可包括更多或更少数量的燃烧室20，并且燃烧室20可以“直列”构造、“V形”构造或任何其他适当构造布置。
流体处理系统14可包括相互作用的部件，以便出于燃烧的目的将填充空气引入动力源12，并且将来自动力源12的所得废气流引到大气。例如，流体处理系统14可包括废气再循环(EGR)涡轮增压器22、燃烧涡轮增压器24、EGR冷却器26和空气冷却器28。每个涡轮增压器22、24可体现为固定几何结构的涡轮增压器、可变几何结构的涡轮增压器或本领域已知的任何其他类型的涡轮增压器。涡轮增压器22、24可分别包括被构造成接收加热气体流的至少一个涡轮27，加热气体在涡轮27内膨胀并由此造成涡轮27转动；以及通过其成对涡轮27的转动驱动以压缩空气流的至少一个压缩机29。涡轮27可串联布置，并通过废气通道30彼此连接，而压缩机29可并行布置并被连接成通过通道32接收空气。来自EGR涡轮增压器22的加压空气可以经由压缩机通道34引导到EGR冷却器26内，而来自燃烧涡轮增压器24的加压空气可经由压缩机通道36引入空气冷却器28。燃烧涡轮增压器24可经由废气导管38接收来自动力源12的废气流的一部分，而EGR涡轮增压器22可经由废气通道40将废气排放到大气。
EGR冷却器26可体现为被构造成有助于热能从再循环废气流传递到通过EGR涡轮增压器22加压的空气的空气-空气热交换器。EGR冷却器26可具有空气入口42、空气出口44、废气入口46以及废气出口48。空气入口42可经由压缩机通道34与EGR涡轮增压器22流体连通。空气出口44可经由空气通道52与涡轮发生器50流体连通。废气入口46可经由EGR通道54与废气导管38流体连通。废气出口48可经由EGR通道56与压缩机通道36流体连通。随着来自EGR涡轮增压器22的加压空气经由空气入口42进入EGR冷却器26，空气可流过EGR冷却器26的槽道，并在经由空气出口44离开EGR冷却器26之前从槽道的壁吸收热量。与此同时，来自动力源12的废气流的剩余部分(即来自动力源12的总废气流的没有经过废气导管38到燃烧涡轮增压器24的部分)可经过废气入口46进入EGR冷却器26的相邻或横向槽道，并在经由废气出口48离开EGR冷却器26之前将热量传递到这些槽道的壁。以此方式，可减小流过EGR冷却器26的废气的温度，同时可增加流过EGR冷却器26的空气流的温度。例如蝶阀或球阀的EGR阀57可布置在EGR通道54内，并能够在打开位置和关闭位置之间选择性地运动，以控制流过EGR冷却器26的废气的流速，并因此控制离开EGR冷却器26的空气和废气流的温度。设想到，如果希望，例如簧片式止回阀(未示出)的止回阀可位于EGR通道54和/或56内，以提供废气经过EGR冷却器26的单向流动。
设想到如果希望可以采用控制EGR冷却器26内的空气和/或废气温度的附加或替代方式。例如，除了或代替EGR阀57，旁通阀100可放置在于压缩机通道34和空气通道54之间延伸的通道102内，并能够基于经过EGR冷却器26的空气和/或废气的温度选择性地运动。旁通阀100可在关闭位置和打开位置之间选择性地运动，以便调节经过EGR冷却器26的空气的流速，并由此调节其中出现的热传递的量。另外，设想到如果希望，可以基于空气和/或废气温度选择性地改变EGR涡轮增压器22的叶片几何结构，使得经过EGR冷却器26的空气流速以及其中出现的热传递可以得到改变。
空气冷却器28可体现为空气-空气热交换器、液体-空气热交换器、混合热交换器或本领域已知的被构造成有助于将热能从冷却液流(压缩制冷剂、水、乙二醇、空气、混合空气混合物等)传递到由燃烧涡轮增压器24加压的空气的另一类型的热交换器。空气冷却器28可具有空气入口58和空气出口60。空气入口58可经由压缩机通道36与燃烧涡轮增压器24流体连通。空气出口60可经由空气导管62与动力源12流体连通。来自燃烧涡轮增压器24的加压空气和来自EGR冷却器26的冷却废气的混合物经由空气入口58进入空气冷却器28，混合物可流过空气冷却器28的槽道，并在经由空气出口60离开空气冷却器28之前将热量传递到槽道的壁。与此同时，冷却液可被引导经过空气冷却器28的相邻或横向槽道，并在经由空气出口60离开空气冷却器28之前从这些槽道的壁吸收热量。以此方式，可减小经过空气冷却器28的空气/废气混合物的温度。
涡轮发生器50可包括将热能转换成有用电能、液压能、动能或另一能量形式的部件。在示例性实施方式中，涡轮发生器50包括机械地连接到发生器66并流体连接成接收来自空气通道52的空气的涡轮64。涡轮64可被构造成在空气流已经吸收热量并增加温度之后接收来自EGR冷却器26的压缩空气流。随着加热的空气流经过涡轮64，膨胀空气可推动涡轮64的叶片，产生转动输出。这种转动输出可被引导到发生器66，由此驱动发生器66来产生动力输出。动力输出可用来通过例如经由马达(未示出)将动力输出重新引导返回动力源12来增加动力源12的效率或能力。另外或替代地，动力输出可用来通过为辅助载荷供应通常由动力源12供应的动力来降低来自动力源12的动力需求。也可以考虑此动力输出的其他使用。离开涡轮64的空气可引导经过通道68以便在通道40内与来自EGR涡轮增压器22的废气结合，从而排放到大气。
在一种实施方式中，发生器66可以是三相永磁体交替场式发生器，其被构造成响应于来自涡轮64的转动输入产生交流电(AC)输出。还设想到发生器66可替代地是转换电感发生器、直流相发生器或本领域已知的任何其他适当类型的发生器。发生器66可包括通过本领域已知的任何装置可转动地连接到涡轮64的转子(未示出)，例如通过直接轴连接69、经由齿轮系、经过液压回路或者以任何其他适当方式。随着转子通过涡轮64在定子(未示出)内转动，发生器66可产生电力输出。来自发生器66的输出可经由发生器逆变器(未示出)与公共发动机总线(未示出)电连接，逆变器可将三相交流功率转换成直流相功率，或者替代地，根据需要，直接到AC马达或其他AC辅助装置。设想到如果希望，来自发生器66的电力输出可例如通过电池或电容器(未示出)存储以随后使用。
设想到如果希望，发生器66可体现为被构造成产生不同形式的有用能量的另一装置。例如，发生器66可体现为动能发生器，例如飞轮(未示出)，其被构造成动力地存储和选择性地释放能量，这有助于动力源12的操作，或者驱动辅助载荷。在另一例子中，发生器66可体现为液压发生器，例如泵，其被驱动以加压用来驱动动力源12或辅助载荷的液压流体或空气。应该注意到也可使用其他类型的发生器66。
图2示出了流体处理系统14的替代实施方式。在此实施方式中，两个独立的EGR涡轮增压器22和燃烧涡轮增压器24用具有单个涡轮27和两个连接的压缩机29的单个涡轮增压器70代替。涡轮27可通过来自动力源12的废气的经过废气导管38的部分推进，以便驱动两个连接的压缩机29。如图1的实施方式所示，图2的涡轮增压器70的两个压缩机29可以连接到通道32，以便并行地接收入口空气，但是单独地连接到压缩机通道34和36。与图1的实施方式相比，由于减小的部件数量，图2的实施方式可实现一些成本和空间的节省，但是也可具有较低的功率吸收能力、效率和/或灵活性。
工业实用性
公开的流体处理系统可应用于其中利用填充空气引入和废气再循环的任何动力系统应用中。公开的流体处理系统可利用填充空气使其在再循环返回到发动机以随后燃烧之前冷却废气，由此在减小NOx产生的过程中改善再循环的有效性。另外，公开的流体处理系统可在废气冷却过程中将填充空气吸收的废热能量转换成有用能量。现在将描述流体处理系统14的操作。
在动力源12的操作过程中，燃烧空气可经由通道32被吸入燃烧涡轮增压器24的压缩机29，并被加压。这种加压空气可从压缩机29引导经过压缩机通道36，并经由空气入口58进入空气冷却器28。在空气冷却器28内冷却之后，加压空气可接着经由空气导管62流入动力源12。燃料可在进入动力源12之前或之后与冷却和加压的空气流混合，并随后燃烧以产生机械动力输出和废气流。
离开动力源12的废气流可分成两个部分，包括经过废气导管38并进入燃烧涡轮增压器24的涡轮27的主要部分和剩余部分。废气流的主要部分可在涡轮27内膨胀，并驱动涡轮27以便转动连接的压缩机29，由此加压另外的燃烧空气。这种废气可接着流过废气通道30到EGR涡轮增压器22的涡轮27，其中废气进一步膨胀并驱动涡轮27，以便转动连接的压缩机29和用于在EGR冷却器26内冷却的加压空气。在离开EGR涡轮增压器22之后，来自动力源12的废气流的主要部分可以排放到大气。
来自动力源12的废气的剩余部分可以经由废气入口46引导经过EGR阀57和EGR通道54进入EGR冷却器26。经过EGR冷却器26的废气可将热量传递到来自EGR涡轮增压器22的冷却空气，并且经由废气出口48以较低温度离开EGR冷却器26。此时，EGR阀57的运动会影响经过EGR通道54的废气的流速，并由此影响EGR冷却器26内出现的热传递量。另外或替代地，EGR冷却器26内的热传递可以经由旁通阀100和/或通过改变EGR涡轮增压器22的叶片几何结构来调节。在离开EGR冷却器26之后，冷却的废气可流过EGR通道56，以便在压缩机通道36内与空气结合且混合。将废气添加到进入动力源12的空气内可减小氧的浓度，并增加燃烧室20内的热质量，由此降低所得燃烧温度。降低的燃烧温度可减缓燃烧过程中的化学反应，并由此减少NOx的形成。
在吸收来自再循环废气流的热量之后，经过EGR冷却器26的空气可经由空气出口44在升高的温度下离开，并流到涡轮发生器50。随着加热的填充空气进入涡轮64，空气会膨胀，并驱动涡轮64转动发生器66，并产生用于增加动力源12的能力和/或效率的动力(电能、液压能、动能等)。在离开涡轮发生器50之后，空气流可经由通道68引导，以便结合来自废气通道40并排放到大气的废气。
流体处理系统14的构造会具有许多有利属性。例如，由于压缩机29可并行地接收入口空气，不同压缩机29的操作可以基本上彼此隔离。即，一个压缩机29的压力、流动和/或温度变化不会对另一压缩机29的压力、流动和/或温度具有影响。因此，压缩机29可根据需要控制，从而单独改善发动机和EGR操作，而没有显著的相互作用。此外，压缩机29的并行性质会允许每个压缩机29对于EGR应用或燃烧空气填充的专门应用进行具体设计，而不损害用于双重目的应用的压缩机的性能。另外，通过将来自涡轮64的使用后的空气在EGR涡轮增压器22的下游位置处与废气流的主要部分结合，可以减小涉及涡轮平衡的复杂性。即，EGR涡轮增压器22的涡轮27可以基本上不受使用后的空气的改变压力、流动和/或温度的影响。最后，旁通阀100的使用可允许EGR冷却26的空气和废气温度得到控制，而没有EGR涡轮增压器22的浪涌危险。具体地，与限制或停止空气流动不同，通过选择性地允许填充空气绕过EGR冷却器26，压缩机29浪涌的可能性可以降低。
本领域普通技术人员将明白可以对于公开的流体处理系统进行多种改型和变型。本领域普通技术人员从说明书的考量和公开的流体处理系统的实践中可以明白其他的实施方式。意欲的是说明书和例子只被认为是示例性的，真实范围通过以下权利要求及其等同体指明。

Claims (10)

1.一种用于发动机(12)的流体处理系统(14)，包括：
第一涡轮(27)，其连接成接收来自发动机的废气流的一部分；
第一压缩机(29)，其通过所述第一涡轮驱动以加压空气流；
热交换器(26)，其能够接收来自所述发动机的废气流的剩余部分和来自所述第一压缩机的空气流；
第二涡轮(64)，其连接成接收来自所述热交换器的空气流；以及
发生器(66)，其通过所述第二涡轮驱动以产生动力。
2.根据权利要求1所述的流体处理系统，还包括能够加压引导到所述发动机的空气流以进行燃烧的第二压缩机(29)，其中所述第一压缩机和第二压缩机并行地接收入口空气。
3.根据权利要求2所述的流体处理系统，还包括能够冷却来自所述第二压缩机的空气流的第二热交换器(28)。
4.根据权利要求3所述的流体处理系统，其中，来自所述热交换器的废气流的剩余部分被引导，以便在所述第二交换器的上游位置处与来自所述第二压缩机的空气流结合。
5.根据权利要求2所述的流体处理系统，还包括连接成接收来自所述发动机的废气流的所述一部分的第三涡轮(27)，其中所述第二压缩机通过第三涡轮驱动。
6.根据权利要求5所述的流体处理系统，其中，所述第一涡轮和第三涡轮串联布置。
7.根据权利要求2所述的流体处理系统，其中，所述第二压缩机通过所述第一涡轮驱动。
8.根据权利要求1所述的流体处理系统，其中，所述第二涡轮的出口与所述第一涡轮的出口流体连接。
9.一种动力系统(10)，包括：
发动机(12)，其具有空气导管(32)和废气导管(38)；以及
连接到所述空气导管和废气导管的根据权利要求1-8任一项所述的流体处理系统(14)。
10.一种处理来自发动机(12)的废气的方法，包括：
燃烧空气和燃料的混合物，以产生机械输出和废气流；
从所述废气流的一部分机械地移除能量；
使用所述能量加压空气流；
将热量从所述废气流的剩余部分传递到空气流；
在传递热量之后从空气流机械地移除能量；以及
将从空气流机械地移除的能量转换成电能、液压能和动能中的一种。
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