CN103850827A - 带有冷凝物去除的排气再循环系统 - Google Patents

带有冷凝物去除的排气再循环系统 Download PDF

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CN103850827A CN201310523233.5A CN201310523233A CN103850827A CN 103850827 A CN103850827 A CN 103850827A CN 201310523233 A CN201310523233 A CN 201310523233A CN 103850827 A CN103850827 A CN 103850827A
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B.墨菲
K.P.孔克尔
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Abstract

本发明涉及一种带有冷凝物去除的排气再循环系统。一种用于使排气再循环的系统包括：配置成冷却排气的冷却子系统；冷凝物去除子系统；以及温度调节子系统。冷却子系统可包括：第一冷却构件，其配置成将排气冷却至第一中间温度；以及第二冷却构件，其配置成将排气冷却至低于饱和温度的温度。冷凝物去除子系统可包括：除雾器，其配置成从排气去除冷凝物和微粒物质；以及再热器，排气在此被再加热至高于饱和温度。

Description

带有冷凝物去除的排气再循环系统
政府权利
本发明是在美国能源署颁发的合同编号DE-FC26-01CH11080下利用政府支持做出的。政府在本发明中享有某些权利。
技术领域
本文公开的主题大体上涉及排气再循环系统，并且更具体地涉及配置成控制EGR系统中使用的排气的蒸汽含量以及去除冷凝物、蒸汽、气体、灰尘和微粒的排气再循环系统。
背景技术
内燃机在燃烧室中用氧化剂燃烧燃料。燃烧所产生的膨胀气体施加直接的力至活塞、涡轮叶片或喷嘴，将化学能转换成有用的机械能。经常需要使内燃机满足排放的严格标准，该排放包括氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、甲醛(HCHO)、一氧化碳(CO)、氨(NH3)、微粒的排放物和其它排放物。
通过使用排气再循环(“EGR”)稀释增压空气和抑制燃烧期间达到的最高温度，可减少NOx排放物。通常，冷却排气以避免可不利地影响发动机操作的升高的进气温度。在一些情况下，发动机冷却剂被用作低温流体以在EGR系统中冷却排气温度。
关于EGR系统中使用的排气的冷却所产生的问题是水滴在冷却期间从EGR排气析出。水滴可促成来自发动机气缸孔的油的孔洗(bore washing)，从而降低润滑。水滴还可在涡轮增压器压缩机叶片上具有不利影响。水还促进EGR系统和发动机进气系统中的腐蚀。另一问题是，缺乏对排气中水蒸汽的百分比的控制可使得难以控制在不发火(misfire)与敲缸之间的燃烧窗口中一致地操作所需的稀释剂的量。还一个问题是，EGR排气中存在的灰尘和微粒可促成发动机中的磨损。
发明内容
根据一个示例性的非限制性实施例，本发明涉及一种用于使排气再循环的系统，其包括：配置成冷却排气的冷却子系统；冷凝物去除子系统；以及温度调节子系统。在一些实施例中，冷却子系统配置成将排气冷却至低于饱和温度。在一些实施例中，冷凝物去除子系统配置成从排出物去除冷凝的水滴并且吸收和洗涤其他排出物成分。
在另一实施例中，一种发动机包括：燃烧室，燃料在其中燃烧，产生处于第一温度的排气；与燃烧室联接的排气系统，其收集排气。排气冷却系统可配置成将排气温度降低至低于饱和温度。冷凝物去除系统可与排气冷却系统联接，配置成使冷凝物从排气沉积。进气系统可与冷凝物去除系统和燃烧室联接。
在另一实施例中，一种使排气再循环的方法可包括：将排气冷却至低于饱和温度的温度；从排气去除冷凝水；以及将排气加热至高于饱和温度的温度。
根据一方面，本发明提供了一种用于使排气再循环的系统，其包括：冷却子系统，其配置成冷却排气；冷凝物去除子系统；以及温度调节子系统。
优选地，冷却子系统配置成将排气冷却到低于饱和温度。
优选地，温度调节子系统配置成将排气的温度增加至高于饱和温度。
优选地，冷却子系统包括第一冷却构件和第二冷却构件，第一冷却构件配置成将排气冷却至第一中间温度，第二冷却构件配置成将排气冷却至低于饱和温度的温度。
优选地，冷却子系统包括换热器。
优选地，换热器包括从由壳管式换热器、板式换热器、板壳式换热器和板翅式换热器组成的组中选择的换热器。
优选地，冷凝物去除子系统包括配置成从排气去除冷凝物的除雾器。
优选地，冷凝物去除子系统包括配置成充当吸收器的除雾器。
优选地，冷凝物去除子系统包括配置成充当洗涤器的除雾器。
优选地，冷凝物去除子系统还包括用于将冷凝物从除雾器去除的管道。
优选地，冷凝物包括水、溶解的有机化合物和固体颗粒的混合物。
优选地，除雾器包括从由网型、静叶型、离心型、声波型、电磁型、挡板型和静电型组成的组中选择的除雾器。
优选地，该系统还包括设置在管道上的阀。
优选地，该系统还包括用于控制阀的控制子系统。
根据另一方面，本发明提供了一种发动机，其包括：燃烧室，燃料在其中燃烧，产生处于第一温度的排气；与燃烧室联接的排气系统，其收集排气；排气冷却系统，其配置成将排气温度降低至低于饱和温度；与排气冷却系统联接的冷凝物去除系统，其配置成使冷凝物从排气沉积；以及与冷凝物去除系统和燃烧室联接的进气系统。
优选地，排气冷却系统包括：第一冷却器，其配置成将排气冷却至第一温度；和第二冷却器，其配置成将排气冷却至低于饱和温度。
优选地，冷凝物去除系统包括除雾器。
优选地，发动机还包括与配置成去除水和微粒物质的除雾器联接的管道。
优选地，发动机还包括排气再加热系统，其配置成将排气再加热至高于饱和温度的温度。
根据又一方面，本发明提供了一种用于使排气再循环的方法，其包括：将排气冷却至低于饱和温度的温度；将冷凝物从排气去除；以及将排气加热至高于饱和温度的温度。
优选地，将排气冷却至低于饱和温度的温度包括：将排气冷却至第一中间温度；和将排气冷却至低于蒸汽饱和温度的温度。
优选地，将冷凝物从排气去除包括使排气行进通过除雾器以去除冷凝物和微粒。
优选地，将排气加热至高于饱和温度的温度包括使排气行进通过换热器，换热器配置成将排气再加热至高于蒸汽饱和温度。
优选地，该方法还包括控制排气的质量流率。
优选地，将冷凝物从排气去除包括去除冷凝液滴和附着至冷凝液滴的固体。
优选地，将冷凝物从排气去除包括去除冷凝液滴和附着至冷凝液滴的液体。
优选地，将冷凝物从排气去除包括去除冷凝液滴和溶解在冷凝液滴中的液体。
优选地，将冷凝物从排气去除包括去除冷凝液滴和吸收到液滴中的气态组分。
根据下面结合附图对优选实施例的更详细描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，附图通过示例的方式说明了本发明的某些方面的原理。
附图说明
图1是根据EGR系统的实施例的布置的示意图。
图2是EGR系统的低压实施例的示意图。
图3是EGR系统的高压实施例的示意图。
图4是EGR系统的备选高压实施例的示意图。
图5是EGR系统的备选高压实施例的示意图。
图6是EGR系统的备选高压实施例的示意图。
图7是可用于EGR系统中的冷却器的实施例的示意图。
图8是可用于EGR系统中的除雾器的实施例的示意图。
图9是示出可通过EGR系统的实施例执行的方法的高阶流程图。
附图标记：
9       EGR系统
11           发动机
13           气缸
15           进气歧管
17           排气歧管
19           排气管道
21           EGR管道
23           排气控制阀
25           冷却器组件
27           第一级冷却器
29           第二级冷却器
31           第一冷却剂流入端口
33           第一冷却剂流出端口
35           第二冷却剂流入端口
37           第二冷却剂流出端口
39           除雾器
40           冷凝物输出端口
41           再热器
43           再热器流体流入端口
45           再热器流体流出端口
47           EGR流控制阀
49           EGR旁通仪器
51           一级仪器
53           二级仪器
55           除雾器仪器
57           再热器仪器
59           控制系统
61           仪器输入
62           仪器输入
63           排气阀控制输出
65           EGR流控制输出
67           EGR混合器
69           空气进气端口
71           涡轮增压器
73           涡轮
75           排气输入
77           压缩机
79           次级除雾器
81           冷凝物输出
91           壳管式换热器
93           壳体
95           管板
97           管束
99           排气输入
101    排气输出
103    冷却剂输入
105    冷却剂输出
107    网式除雾器
109    除雾器壳体
111    排气输入端口
113    排气输出端口
115    冷凝物输出端口
117    柱状芯部
119    丝网
125    处理EGR的方法
127    将EGR冷却至第一温度
129    将EGR冷却至低于饱和温度
131    去除冷凝物
133    将EGR再加热至高于饱和温度
135   将排气与空气混合。
具体实施方式
图1中示出包括发动机11的EGR系统9的实施例。发动机11可为具有一个或多个气缸13、进气歧管15以及排气歧管17的内燃机。排气管道19可被联接至排气歧管以提取排气。排气可通过可变排气控制阀23转移至EGR管道21。在一些实施例中，孔口可被可变排气控制阀23取代。在一些实施例中，带有或不带有可变静叶的动力涡轮82可被可变排气控制阀23取代，如图5或图6中所示。排气然后可行进通过具有第一级冷却器27和第二级冷却器29的冷却器组件25。第一级冷却器27和第二级冷却器29可为换热器(将热量从一种介质传递至另一种的装置)。存在很多可用作冷却器的换热器设计，例如，壳管式换热器、板式换热器和板壳式换热器等。换热器的冷却介质可包括气体(例如空气)或液体(例如水、发动机冷却剂或制冷剂)。在一些实施例中，可以使用单个冷却器或多个冷却器，并且每个冷却器可包括单个或多个换热器，或者单个换热器可包括多个冷却器部分。
第一冷却剂流入端口31和第一冷却剂流出端口33与第一级冷却器27相关联。在一个实施例中，流到第一冷却剂流入端口31中的冷却剂可为来自发动机11的夹套(jacket)冷却剂。第二冷却剂流入端口35和第二冷却剂流出端口37与第二级冷却器29相关联。在一个实施例中，流到第二冷却剂流入端口35中的冷却剂可为来自辅助冷却剂箱(未示出)的冷却剂，其可被维持在范围为40℃至75℃的温度下或其他合适的温度。第二级冷却器29降低排气的温度，使得排气温度的至少一部分被降低至低于饱和温度或露点的温度，从而使排出物中的水的至少一部分冷凝成液体。第二级冷却器29中的排气的温度可被用来改变冷凝的水与保持为蒸汽的水相比的百分比。另外，该一个或多个换热器中的阀可改变流到换热器中的冷却空气量或液体流率以调节排气的温度。冷凝液滴可沉积并被夹带在排气中。冷却介质流率、冷却介质温度和换热器设计可被选择成从排气获得优选的水冷凝效率。
流动通过第二级冷却器29的排气然后可行进通过除雾器39，夹带在排气中的冷凝液滴在那里可沉积并通过冷凝物输出端口40去除。除雾器39是带有大表面积和小体积的装置，以收集液体而基本上不阻碍排气流。备选地，可使用离心式除雾器。除雾器39收集细小液滴并允许收集到的液体通过冷凝物输出端口40排走。除雾器可具有多个级。
临时保持附着至除雾器的表面的冷凝液滴可改进除雾器39的效率，并且可增加除雾器39的功能。临时附着的液滴可允许除雾器39从排气捕获细小的冷凝液滴，其否则将溜过除雾器39。临时附着的液滴还可导致除雾器39充当洗涤器或吸收器。可通过该临时附着的液滴将通常存在于排气中的固体和液体(例如灰分、磷、硫、钙、微粒、碳和包括这样的成分的化合物)以及可由于发动机磨损而在排气中的发动机中存在的金属从排气中捕获或洗涤。微粒通常是从燃烧过程产生的含碳固体，其本身可包括溶解的液体，例如油或挥发性有机化合物。另外，未冷凝的水蒸汽可冷凝或被吸收成临时附着的液滴。还可从包括氨、甲醛、苯、发动机油等的排气吸收或洗涤排气中存在的可溶和不可溶液体。排出物的一些气态组分也可被吸收为临时附着的液滴，尤其是氮氧化物、硫氧化物和烃类气体。除雾器39可确定大小和配置成特意将临时附着的液滴维持在除雾器39上以优化洗涤或吸收。特别是，除雾器39可配置成优化对灰分和微粒化合物的去除，以便防止这样的化合物进入和损坏气缸13。各种除雾器以不同技术操作，例如使用大表面积网、交替静叶、波形板、离心力、声波能、电磁能或静电力。可使用从排气流去除冷凝物的任何装置或工艺。
流动通过除雾器39的排气然后可行进通过再热器41，在那里它被再加热至高于饱和温度。再热器41可为包括再热器流体流入端口43和再热器流体流出端口45的换热器。备选地，再热器可为赋予足以升高排气温度的能量至排气的任何装置或工艺，包括从发动机排放物接收其热能的换热器、电加热元件或微波发生器。行进通过再热器的排气然后再循环回到发动机11的进气歧管15中。
EGR流控制阀47可在再热器41之后布置在EGR管道21上以控制排气的流率。EGR流率的控制可被用来控制EGR的温度或热能，或者在EGR被引导到进气中之后控制结合的新鲜空气和燃料以及EGR进气的温度，或者在引导EGR且进气燃烧之后控制排气的温度，或者相对于进气中的新鲜空气和燃料控制EGR被再循环到发动机中的分量，或者控制EGR在燃烧过程上作为惰性的有效性。
EGR系统9可设有EGR旁通仪器49、一级仪器51、二级仪器53、除雾器仪器55和再热器仪器57(统称为“仪器”)中的一个或多个。仪器可包括温度传感器、流率传感器和压力传感器。
EGR系统9可设有接收仪器输入61的控制系统59并提供排气阀控制输出63和EGR流控制输出65。额外的仪器输入62也可设置为从进气歧管16或进气口70到排气阀输出63或EGR流控制输出65。控制系统59可包括至少一个处理器。控制系统59可配置成自动或连续地监视EGR系统9的操作。控制系统59可作用为独立的系统或者可被集成为大型系统(例如内燃机控制系统或工厂控制系统)的构件。
EGR系统9可包括具有空气进气端口69的EGR混合器67，其使来自空气进气端口69的空气与排气结合。排气和空气的混合物可被输送到具有涡轮73的涡轮增压器71，涡轮73由通过排气输入端口75提供的排出物驱动。涡轮增压器71是可选的，并且该系统可使用可变排气控制阀23和EGR流量控制阀47操作而没有涡轮增压器71。涡轮驱动压缩机77，压缩机77压缩排气和空气的混合物。可将具有冷凝物输出端口81的次级除雾器79可选地设置在高压EGR应用中。
在操作中，EGR系统9提供对提供给发动机11的进气歧管15的水蒸汽的百分比的控制，并在不发火与敲缸之间保持更一致的燃烧窗口。水滴从再循环排气的去除通过在压缩机的下游或冷却器之后形成的液体水滴而降低或消除油从孔的“孔洗”。水滴从再循环排气的去除防止液滴传递到压缩机中，从而避免由于水滴撞击高速压缩机叶片引起的对压缩机叶片的损坏。在排气行进通过除雾器39之后对其再加热确保了涡轮增压器压缩机叶片不被液体水滴冲击损坏。EGR系统9在使用低压EGR时改进压缩机耐久性并实现EGR发动机的可靠操作。水滴从EGR的去除最大限度地减少或消除进气系统腐蚀。
EGR系统9可在图2中示出的低压EGR系统、图3中示出的高压EGR系统或者使得EGR气体从较高压力流至较低压力的任意组合中实现，这样的示例在图4、图5和图6中示出。在图5和图6中，动力涡轮82可被可变排气控制阀23取代。在低压EGR系统中，用于EGR的通路设置为从涡轮73的下游到压缩机77的上游侧。在高压EGR系统中，EGR从涡轮73的上游行进到压缩机77的下游。
在备选EGR系统中，用于EGR的通路路径为使EGR从较高排气压力位置流至较低入口压力位置。
图7中示出冷却器的实施例，例如形式为壳管式换热器91的第一级冷却器27和第二级冷却器29。壳管式换热器91可包括带有一对管板95的壳体93，管板95在内部布置在壳体93的相对端上。管板95支撑管束97。壳体93设有排气输入端口99和排气输出端口101以及冷却剂输入端口103和冷却剂输出端口105。还可使用并行流冷却剂流布置；其中，冷却剂进入冷却剂输入端口105并在出口端口105离开。排气进入排气输入端口99且行进通过管束97。冷却剂(或者在再热器的情况下为加热流体)进入冷却剂输入端口103并围绕管束97流动，将热量从行进通过管束97的排气去除(或者在再热器的情况下增加热量)。
图8中示出网式除雾器107的实施例，其可被用作图1中所示的EGR系统9中的除雾器39。除雾器107包括具有排气输入端口111和排气输出端口113的除雾器壳体109。除雾器壳体109还可设有冷凝物输出端口115。除雾器壳体109支撑柱状芯部117，在其上设置有丝网119。饱和气体进入排气输入端口111，并且冷凝物被丝网119沉积并通过冷凝物输出端口115去除。可使用其他类型的除雾器39，例如静叶型、离心型、声波型、电磁型、挡板型和静电型。
图9是示出根据本发明的实施例的处理EGR气体125的方法的流程图。在步骤127中，该方法可使用第一级冷却器27将EGR气体冷却至第一温度。在实施例中，排气可被冷却至发动机夹套的冷却剂的温度。在步骤129中，处理EGR气体125的方法可通过例如使用第二级冷却器29将排气冷却到低于饱和温度的温度。通过将EGR冷却至低于饱和温度的目标温度，可控制排气中的水蒸汽的百分比。这可使用第二级冷却器29结合辅助冷却剂源(未示出)来实现，例如维持在较低温度的水源。在一个实施例中，辅助水源的温度可为大约55℃。在步骤131中，处理EGR气体125的方法可将诸如水滴的冷凝物从排气去除。在一个实施例中，这可利用除雾器39实现。冷凝物的去除还可用以去除可损坏EGR系统9的构件的其他微粒污染物。在冷凝物的去除之后，留下饱和的排气混合物。在步骤133中，处理EGR气体125的方法可将排气再加热到高于饱和温度的温度。在一个实施例中，这可利用再热器4实现，其中加热流体是夹套冷却流体。饱和排气的再加热确保了没有液滴行进到压缩机叶片中。在步骤135中，处理EGR气体125的方法可将排气与空气混合以将空气和排气混合物提供给发动机11。
所公开的发明可与各种类型的往复式发动机一起使用，例如燃烧烃类燃料(例如柴油燃料、天然气燃料、汽油等)的压缩点火和火花点火发动机。此外，EGR系统可与可从EGR系统受益的涡轮或其他类型的内燃机一起使用。
图中示出的流程图和步骤表示出了根据本发明的各种实施例的系统和方法的可能实施方案的架构、功能和操作。还应当指出，在一些备选实现中，步骤中提到的功能可出现非图中指出的顺序。例如，连续示出的两个步骤事实上可基本同时执行，或者取决于所涉及的功能有时可以相反顺序执行这些步骤。还要指出的是，步骤表和/或流程图的每个步骤以及步骤表和/或流程图中步骤的组合可通过特殊用途的基于硬件的系统实现，其执行指定功能或动作或者专用硬件和计算机指令的组合。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的且不意图限制本发明。除非具体说明，在术语的定义脱离该术语的常用意义之处，申请人意图利用下面提供的定义。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另外明确地指出。还将理解，当在该说明书中使用时，用语“包括”和/或“包含”指明所阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组的存在或增加。将理解，虽然本文中可使用术语第一、第二等来描述各种元件，但这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个区分。例如，在不脱离示例实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，并且类似地，第二元件可被称为第一元件。如本文中所使用的，用语“和/或”包括一个或多个相关联列出项目的任何及所有组合。如本文中所使用的，用在说明书和权利要求书中的短语“联接至”和“与...联接”暗示直接或间接的联接。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种用于使排气再循环的系统，包括：
冷却子系统，其配置成冷却所述排气；
冷凝物去除子系统；以及
温度调节子系统。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却子系统配置成将所述排气冷却到低于饱和温度。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温度调节子系统配置成将所述排气的温度增加至高于所述饱和温度。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却子系统包括第一冷却构件和第二冷却构件，所述第一冷却构件配置成将所述排气冷却至第一中间温度，所述第二冷却构件配置成将所述排气冷却至低于饱和温度的温度。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却子系统包括换热器。
6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述换热器包括从由壳管式换热器、板式换热器、板壳式换热器和板翅式换热器组成的组中选择的换热器。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝物去除子系统包括配置成从所述排气去除冷凝物的除雾器。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝物去除子系统包括配置成充当吸收器的除雾器。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝物去除子系统包括配置成充当洗涤器的除雾器。
10. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述冷凝物去除子系统还包括用于将所述冷凝物从所述除雾器去除的管道。
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