CN105074190B - 用于柴油机的空气抽吸和废气再循环系统 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于柴油机(30)的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，包括：吸入管(3、4)，设置成用于将从大气中吸入的空气引导至所述发动机(30)的至少一个气缸(5)，所述吸入管(3、4)包括进气歧管(3)以及位于所述进气歧管(3)上游的连接至所述进气歧管(3)的吸入管线；以及废气再循环系统(2)，设置成用于将来自所述发动机(30)的排气管(6)的一部分废气引回所述吸入管(3、4)中，废气再循环系统(2)包括废气的再循环管(8、9、10)，其装配有用于所述一部分废气的输出门(11)，所述输出门适于与所述吸入管(3、4)连通。所述进气歧管(3)包括具有第一流体输送区域的输入截面(17)，以允许将来自吸入管线(4)的空气输入到所述进气歧管(3)中。所述吸入管(3、4)还包括具有第二流体输送区域的管道截面(18)，管道截面位于所述输出门(11)上游。所述空气抽吸和废气再循环系统(1、2)的特征在于，所述第二流体输送区域是不变的且是与所述第一流体输送区域相比更小的区域。
Description
技术领域
本发明涉及设置有废气的再循环系统的柴油机的技术领域，并且更尤其涉及一种用于柴油机的空气抽吸和废气再循环系统。
背景技术
废气再循环(EGR)是在发动机中(尤其是用于柴油机中)使用的一种系统，以限制由在运行期间在燃烧室内部存在高温和高压所引起的大气氮的氧化造成的氧化氮(NOx)的排放。
引入预定量的废气(可以被视为惰性的)实际上产生双重效果：其延迟燃烧(并因此降低气缸内部的温度和最小压力)；以及减少在化学计量水平之上的氧气的量，以实现允许大幅减少所排放的NOx的量。
一般而言，为了调节待再循环的废气的量，众所周知的是在废气再循环系统中设置阀，通常是机电的以及所谓的EGR阀，该阀通过改变废气再循环管的运输的截面来调节再循环的废气量。根据特定的运行算法，EGR阀的驱动通常由发动机电子控制单元控制。
由于越来越严格的反污染立法，所以通常需要尽可能增加由废气再循环系统再循环的废气量。这尤其增大了发动机的复杂度和废气再循环系统的复杂度。
为了这种目的，现有技术的为了增大再循环的废气质量的第一方法包括在热分支(排出)与冷分支(吸入)之间的EGR分支上使用空气-水热交换器，在向发动机的吸入系统供给大量待再循环的废气之前，该空气-水热交换器适于使废气冷却。
除了上述热交换器以外，现有技术的为了增大待循环的废气量的第二方法通常包括提供电子控制的节流阀，该节流阀可放置在排放系统中，以调节发动机的废气的被压，或者放置在吸入系统中，以调节发送机的负吸入压力。
然而，使用上述节流阀具有一些缺点。在第一位置中，使用节流阀使废气再循环系统需要更大的成本以及更大的复杂度，这是因为其例如在需要控制的控制单元以及专用SW模块内部需要专用HW资源(驱动器)，以用于驱动和诊断节流阀驱动器，包括“故障反应”策略。而且，阀的故障损害所需要的正确量的再循环气体，并因此导致不符合对氧化氮的排放施加的限制，或者在最糟糕的情况下，呆滞发动机停止。考虑到节流阀是机电驱动器，实际上会受到电气问题(电线断开、不正确的电源电压、位置传感器的问题、电动机的问题等)以及机械问题(磨损、卡住、粘附等)。
发明内容
本发明的一个目的在于可使用用于柴油机的空气抽吸和废气再循环系统，该空气抽吸和废气再循环系统能够克服或至少部分减少现有技术中的上述缺点。
根据本发明的另一方面，本发明的一个目的在于可使用用于柴油机的空气抽吸和废气再循环系统，该系统比现有技术的系统更简单并且同时提供了相对于氧化氮的发射和耗油量的一般性能，该性能大体上不变，或者在任何情况下，可与上述现有技术系统的性能相比较。
通过具有最普通的形式的在一些特定的实施方式中限定和表征的用于柴油机的空气抽吸和废气再循环系统，实现这种目的。
本发明还涉及一种柴油机以及一种机动车辆。
附图说明
从下文参照附图通过非限制性实例做出的实施方式的详细描述中，使本发明变得更加显而易见，附图中：
图1是示出了根据当前优选实施方式的空气抽吸和废气再循环系统的局部示意性且高级表示的平面图，所述系统被示出为耦接至柴油机的气缸和排气歧管；
图2示出了根据发动机的一些功能参数的在图1中的系统的调节装置的功能的图表；
图3是示出了根据当前优选实施方式的柴油机的立体图，其中，实现在图1中的空气抽吸和废气再循环系统；
图4是示出了在图3的柴油机中提供的根据当前优选实施方式的空气抽吸和废气再循环系统的局部立体图，
图5是立体图，其中，示出了图4中的系统的一些元件并且其中示出了某个元件的截面；以及
图6是在图4中的元件的前平面图；以及
图7是在图6中的元件的截面图。
具体实施方式
在图中，使用相同的参考标号表示相同或相似的元件。
图1示出了局部表示根据当前优选实施方式的用于柴油机的空气抽吸和废气再循环系统的高级示意图。在图1中由参考标号1、2表示这种系统。系统1、2包括吸入系统1和废气再循环系统2或EGR(废气再循环)系统2。吸入系统1包括吸入管3、4，吸入管设置成将从大气中吸入的空气引导至上述柴油机的至少一个气缸5中。吸入管包括进气歧管3以及连接至进气歧管3的吸入管线4。特别地，吸入管线4位于进气歧管3的上游。在图1中局部表示了吸入管线4，其中，对于本领域的技术人员而言众所周知的是柴油机的吸入管线的其他元件以及这种马达的吸入系统，例如，空气过滤器或所谓的“通气管”，即，用于从更掩蔽的区域中吸入空气的连接管。废气再循环系统2被提供用于将来自上述发动机的排气管6的一部分废气引回到吸入管3、4中。在图1中局部表示了排气管6，其中，对于本领域的技术人员而言众所周知的是柴油机的排气管的其他元件。特别地，图1仅示出了排气管6的排气歧管7。再循环系统2包括废气的再循环管8、9、10，该再循环管装配有输出门11，以用于待再循环的废气的上述部分。从图1中可以看出，输出门11适于与吸入管连通。
根据一个优选的实施方式，再循环系统2包括废气的流量调节装置12或阀12，该调节装置或阀沿着再循环管8、9、10而设置，以调节上述部分或量的废气被引回吸入管3、4中。优选地，调节装置12包括EGR阀12。根据一个优选的实施方式，再循环管8、9、10操作地定位在排气歧管7与吸入歧管3之间。从图1中可以看出，根据一个优选的实施方式，再循环管8、9、10包括：初始区段8，装配有用于待再循环的废气的输入门13，其与排气歧管7连通；中间区段9；以及端部区段10，包括上述输出门11。通过本身已知的方式，优选地在区段8与9之间设置有热交换器14，该热交换器具有使待引回进气歧管3中的废气冷却的功能。相反，阀12定位在再循环管道的区段9与10之间。根据一个优选的实施方式，阀12操作地连接至控制单元(未示出)，优选地为柴油机的控制单元，该控制单元设置成用于控制所述阀12。在图1的实例中，控制单元适于控制封闭器装置15的运动，以便调节再循环管的区段9的输出截面16的打开/关闭。在图1中，阀12被示出为处于完全关闭的阀配置中，其中，引回吸入管中的再循环的废气的流量为零。在封闭器15完全打开截面16(在图1中的实例中，移动到右边)时，阀12采用完全打开的阀配置，其中，引回吸入管中的再循环的废气的流量最大。参照图2，根据发动机的一些功能参数示出了阀12的功能的一个优选实例的图表。特别地，在纵坐标上表示的数字0到100用百分比示出了阀12的孔径度。特别地，参照图1，这种孔径度被理解为封闭器15不阻塞的截面16的面积与截面16的整个面积之间的比率。实际上，返回图2，竖直轴线上的值0与完全关闭的阀配置对应，而纵坐标上的值100与完全打开的阀配置对应。在图2中的图表的横坐标上表示的数字600到4000示出了用每分钟转数(转/分钟)表达的曲轴的转数。在图2中的图表的横坐标上表示的数字0到24示出了每个行程和发动机每个气缸的用mm3表示的注入气缸中的燃料量(mm3/冲程/气缸)。从在图2中的图表中可以观察到，根据一个特别优选的实施方式，控制单元被设置或编程为对阀12进行控制，以便将阀12保持在完全打开阀的配置中或者大体上完全打开阀的配置中(“大体上完全打开阀的配置”被理解为阀的孔径度通常包含在80％与100％之间，并且更优选地包含在90％与100％之间)，曲轴的转数包含在大约600转/分钟到大约1100转/分钟之间的范围内，燃料量包含在2mm3/冲程/气缸到大约20mm3/冲程/气缸之间。根据一个更一般优选的实施方式，控制单元被设置或编程为对阀12进行控制，以便将阀12保持在完全打开阀的配置中或者大体上完全打开阀的配置中，曲轴的转数包含在大约600转/分钟到大约1500转/分钟之间的范围内，并且注入的燃料量包含在1mm3/冲程/气缸到大约24mm3/冲程/气缸之间。
再次从图2的图表中可以观察到，根据一个特别优选的实施方式，控制单元被设置或编程为对阀12进行控制，以便将阀12保持在完全打开阀的配置中或者大体上完全打开阀的配置中，曲轴的转数包含在大约600转/分钟到大约3600转/分钟之间的范围内，注入的燃料量包含在3mm3/冲程/气缸到大约6mm3/冲程/气缸之间。根据一个更一般优选的实施方式，控制单元被设置或编程为对阀12进行控制，以便将阀12保持在完全打开阀的配置中，曲轴的转数包含在大约600转/分钟到大约3600转/分钟之间的范围内，注入的燃料量包含在1mm3/冲程/气缸到大约12mm3/冲程/气缸之间。
例如，与上文描述的现有技术的系统(其中，如上文根据阀12所述，阀在发动机的功能范围内不保持完全打开)相比，上文例如参照图2描述的阀12的操作方法有利地允许减少由调节系统的惯性造成的暂时效应，其积极效果在于更多地重新引入再循环气体，因此，更大量地减少污染物排放。
再次参照图1，进气歧管3包括输入截面17(截面A-A)，以允许将来自吸入管线4的空气输入到进气歧管中。此外，吸入管3、4包括管道截面18，其位于再循环的废气的输出门11上游或至多位于该输出门处。输入截面17具有第一流体输送区域，并且管道截面18具有第二流体输送区域。方便地，所述第二流体输送区域是不变的且是与所述第一流体输送区域相比更小的区域。换言之，第二流体输送区域的数值小于第一流体输送区域的数值。为此，要注意的是，表达“不变区域”被理解为表示具有先定的几何图形以及随着时间不变的尺寸的区域，并且该区域尤其与适于选择性修改这种区域的任何装置不相关，例如但不限于节流阀。而且，要注意的是，用于描述管道的元件的表达“上游”和“下游”被理解为描述流体在讨论中的管道中流动的主要方向。例如，参照图1，表达“上游”和“下游”分别表示在吸入管3、4的情况下由箭头A1表示的吸入空气的流动方向、在排气管7的情况下由箭头B1表示的废气的流动方向、以及在再循环管8、9、10的情况下由箭头C1表示的再循环的废气的流动方向。进一步要注意的是，在本说明书中，术语“截面”表示管道通常用于表示流体的穿通截面，该穿通截面布置成横向于且更特别地正交于管道的纵轴或者管道中流体流动的主要方向。
再次按照图1，要注意的是，即使在这个图中，管道截面18邻近于进气歧管的输入截面17，但通常只要管道截面18位于再循环的废气的输出门11上游，其就可位于吸入管的任何部分中。例如，根据一个实施方式，与在图1中的图示中相比，管道截面18可位于在吸入管线4中的更加位于上游的一部分中。在这种情况下，只要管道截面18依然位于输出门11的上游或者至多位于输出门处，再循环的废气的输出门11还可位于吸入管线4上，而非位于进气歧管3上。可替换地，管道截面18可位于在输入截面17下游(但是在输出门11的上游)的进气歧管3中。通常，管道截面18还可定位成精确地邻近于进气歧管的输入截面17。
再次参照图1，根据一个优选的实施方式，管道截面18位于进气歧管3的输入部分19中或者吸入管线4的输出部分20中。输入部分19包括输入截面17。输出部分20优选地以可分离的方式连接至输入部分19。可替换地，输出部分20还可以非分离的方式连接至输入部分19，例如，使部分19、20彼此焊接。输入部分19通常与包含在再循环的废气的输入截面17与输出门11之间的一部分进气歧管对应。根据一个优选的实施方式，输入部分19具有沿着吸入管轴线测量的长度，该长度包含在几毫米到仅10厘米之间，例如，包含在大约2-3mm到大约14cm之间。输出部分20是吸入管线4的端部部分。根据一个优选的实施方式，输出部分具有沿着吸入管轴线测量的长度，该长度包含在0mm到大约400mm之间，优选地包含在大约0到200mm之间。
现在参照图3，这个图示出了根据一个优选实施方式的柴油机，该柴油机总体上由参考标号30表示。在图1中示出的空气抽吸和废气再循环系统1、2在发动机30内实现。发动机30优选地是吸气式柴油机，更优选地是具有所谓的“共轨”系统的吸气式柴油机。在实例中，发动机30是双缸发动机。然而，本发明的教导内容可以清晰地应用于具有任意数量气缸的发动机中。根据一个优选的实施方式，发动机30具有大约1000立方厘米的发动机尺寸以及包含在大约15kW到19.5kW之间的额定功率，曲轴的旋转速度等于3600转数/分钟。优选地，发动机30适于安装在机动车辆上，例如，最大负荷(例如)为1.5吨的轻型运输车，例如，作为最大负荷为1.5吨的轻型运输车来销售的车辆。
再次参照图3可以观察到，排气歧管7、废气的再循环管的区段8和9(在其之间放置有热交换器14)、调节阀12以及属于吸入管线4的输出部分20的元件31。
参照图4，局部地示出了发动机30的系统1、2。在这个图中，示出了进气歧管3以及上文讨论的元件7、8、9、12、14和31。特别地，图4示出了进气歧管3的两个输出截面32、33，该进气歧管设置成用于允许空气和再循环的废气的混合物进入，其均在发动机30的相应气缸中。
图5示出了在截面中局部示出的在图4中的系统1、2的一部分。特别地，图5示出了废气的再循环管的歧管3、阀12和区段10。此外，在图5中，在截面中示出了吸入管4的部分31、34以及进气歧管3的在输入部分17处的部分。在该实例中，部分31、34是吸入管线4的输出部分20的一部分。
再次参照图5，根据一个方便的实施方式，吸入管包括阻气门构件34或孔板34。孔板34设置有孔35，该孔板限定吸入管3、4的阻气门。孔35限定管道截面18的第二流体输送区域。实际上，孔板34设置成用于在通常位于再循环的废气的输出门11的上游的吸入管中(与在吸入管中没有孔板的情况相比)，确定预定的压降的增大，以便在吸入管中(并且更优选地在进气歧管3中)确定预定的负压的增大，这适于增大在吸入管中的再循环的废气的流量。进而实现上述增大，使再循环管8、9、10的输出门11与输入门13之间的压差增大。
在图5中，管道截面18方便地设置为大致邻近于进气歧管的输入截面17。然而，孔板34通常可定位成使得管道截面18与进气歧管的输出截面32相距的距离(图1和图4)优选地包含在110mm到540mm之间。观察到的是，沿着吸入管的轴线测量这个距离。此外要注意的是，输出截面32是最接近管道截面18的与发动机30的气缸相关联的进气歧管3的输出截面。要注意的是，在管道截面18到输出截面32的距离的这种范围内，能够在具有吸入的空气和再循环的废气的混合物的充分均匀的混合物(540mm)与具有最小容积(110m)之间方便地找出最佳折中，该最小容积足以确保适当地抑制由在管道截面18与吸入阀36之间的发动机的运转循环引起的压力波(图1)。
再次参照图5，根据一个优选的实施方式，孔板34耦接(例如，焊接)至上述构件31的一端。构件31优选地是适配器管31，吸入管线的柔性管(未示出)注定要装配到该适配器管(例如，柔性橡胶管)中，该适配器管优选地连接至发动机30的空气过滤器。在图5中可以看出，适配器管31包括位于孔板34上游的恒定截面区段。
图6和图7分别示出了孔板34的前视图和横向截面图。参照这些示图，根据一个优选的实施方式，孔35包括恒定的截面孔区段37以及从上游到下游增大的截面孔区段38。
根据一个优选的实施方式，增大的截面孔区段38具有最大面积的端部截面39，并且所述最大面积与所述恒定的截面孔区段37的截面面积之间的百分比包含在125％与130％之间。
根据一个优选的实施方式，恒定的截面区段37是柱形区段，并且增大的截面区段38是截头锥形区段。在该实例中，柱形区段37的标称直径为31mm，而最大面积的截面的标称直径为35mm。
根据一个优选的实施方式，在恒定的截面区段37的面积与适配器管31的恒定截面区段的截面面积之间的百分比优选地包含在25％与45％之间，并且更优选地包含在30％与35％之间。要观察的是，上述孔35通常优选地具有圆形截面。然而，这种截面通常可以具有另一种形状，例如，椭圆形，甚至是方形。而且，只要优选地保持上述面积之间的比率，这种截面就可以相对于吸入管的轴线不对称或者偏心。
根据所进行的描述，因此可以看出根据本发明的空气抽吸和废气再循环系统如何解决上面提及的现有技术的缺点。
由于在吸入管中提供了管道截面，该管道截面位于再循环的废气的输入门上游并且具有流体输送区域，该流体输送区域是固定的且随着时间不变并且小于进气歧管的输入截面的流体输送区域，所以在吸入管中没有节流阀的情况下，实际上能够获得与现有技术的具有上述节流阀的系统相比简单得多的空气抽吸和废气再循环系统。
显然，上文通过实例描述和说明的内容可以进行修改和/或变化。
例如，要注意的是，在根据本说明书的空气抽吸和废气再循环系统中，不严格地需要提供孔板34。特别地，根据在图中未示出的实施方式，可以提供一部分吸入管线来代替孔板34，这部分吸入管线的恒定的截面的流体输送区域小于进气歧管的输入截面的流体输送区域。实际上，参照图1，可以移除孔板，并且相对于进气歧管3的输入部分的截面，可以减小输出部分20的截面。在这种情况下，在吸入管中分布的压降不是与在孔板的情况下一样的集中压降。
根据一个可替换的实施方式，只要输出门11位于上述文丘里管的管道截面18处，就可以使用吸入管的“文丘里管”部分来代替上述孔板。
在不影响本发明的概念的情况下，相对于仅通过一个非限制性实例描述和说明的内容，实现方式和实施方式细节的形式可以广泛地变化，同时依然落在本发明的由所附权利要求限定的范围内。
Claims (15)
1.一种用于柴油机(30)的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，包括：
吸入管(3、4)，所述吸入管设置成用于将从大气中吸入的空气引导至所述柴油机(30)的至少一个气缸(5)，所述吸入管(3、4)包括进气歧管(3)以及吸入管线(4)，所述吸入管线位于所述进气歧管(3)的上游并且连接至所述进气歧管(3)；以及
废气再循环系统(2)，所述废气再循环系统设置成用于将来自所述柴油机(30)的排气管(6)的一部分废气引回所述吸入管(3、4)中，所述废气再循环系统(2)包括废气的再循环管(8、9、10)，所述再循环管装配有用于所述一部分废气的输出门(11)，所述输出门适于与所述吸入管(3、4)连通；
其中，所述进气歧管(3)包括具有第一流体输送区域的输入截面(17)，以允许将来自吸入管线(4)的空气输入到所述进气歧管(3)中，并且其中，所述吸入管(3、4)包括具有第二流体输送区域的管道截面(18)，所述管道截面位于所述输出门(11)上游或所述输出门处，
其特征在于，所述第二流体输送区域是不变的且是与所述第一流体输送区域相比更小的区域,
其中，所述吸入管(3、4)包括孔板(34)，所述孔板设置有孔(35)，所述孔板限定所述吸入管(3、4)的阻气门，所述孔(35)限定所述第二流体输送区域。
2.根据权利要求1所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述柴油机(30)是吸气式柴油机(30)。
3.根据权利要求1或2所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述进气歧管(3)包括输入部分(19)，所述输入部分包括输入截面(17)，并且其中，所述吸入管线(4)包括输出部分(20)，所述输出部分连接至所述进气歧管(3)的所述输入部分(19)，所述管道截面(18)位于所述进气歧管(3)的所述输入部分(19)中或者位于所述吸入管线(4)的输出部分(20)中。
4.根据权利要求3所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述管道截面(18)大致邻近于或者精确地邻近于所述进气歧管(3)的所述输入截面(17)。
5.根据权利要求1或2所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述进气歧管(3)包括输出截面(32)，所述输出截面设置成用于允许将空气与再循环的废气的混合物输入到所述气缸(5)中，并且其中，所述管道截面(18)位于距所述进气歧管的所述输出截面(32)一距离处，所述距离包含在110mm到540mm之间。
6.根据权利要求3所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述孔(35)包括孔的恒定截面区段(37)以及孔的从上游到下游增大的截面区段(38)。
7.根据权利要求6所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，孔的所述增大的截面区段(38)具有最大面积的端部截面(39)，并且其中，所述最大面积与孔的所述恒定截面区段(37)的截面面积之间的百分比包含在125％到130％之间。
8.根据权利要求6或7所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述恒定截面区段(37)是柱形区段，并且所述增大的截面区段(38)是截头锥形区段。
9.根据权利要求6所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述吸入管(3、4)的所述输出部分(20)包括位于所述孔板(34)上游的恒定截面区段，并且其中，所述孔(35)的恒定截面区段(37)的面积与所述输出部分(20)的恒定截面区段的截面面积之间的百分比包含在25％到45％之间。
10.根据权利要求9所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述输出部分(20)包括适配器管(31)，并且其中，所述孔板(34)耦接至所述适配器管(31)的一端。
11.根据权利要求1或2所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述废气再循环系统(2)包括调节装置(12)，所述调节装置沿着所述再循环管(8、9、10)而设置，以调节待引回所述吸入管(3、4)中的所述一部分废气的流量。
12.根据权利要求11所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述调节装置(12)是调节阀(12)，并且其中，所述空气抽吸和废气再循环系统(1、2)包括控制单元，所述控制单元操作地连接至所述调节阀(12)，以控制所述调节阀，所述调节阀(12)适于采用完全打开阀的配置或者大体上完全打开阀的配置，其中，引回所述吸入管中的再循环的废气的流量是最大或大体上最大的，所述控制单元被设置或编程为控制所述调节阀(12)，以便将所述调节阀(12)保持在完全打开阀的配置或者大体上完全打开阀的配置中，曲轴的转数包含在600转/分钟到1500转/分钟之间的范围内，并且注入到所述气缸中的燃料量包含在1mm3/冲程/气缸到24mm3/冲程/气缸之间。
13.根据权利要求1或2所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)，其中，所述吸入管(3、4)不包括节流阀。
14.一种柴油机(30)，所述柴油机包括根据前述权利要求中任一项所述的空气抽吸和废气再循环系统(1、2)。
15.一种机动车辆，所述机动车辆包括根据权利要求14所述的柴油机(30)。
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