CN106103936A - 排气再循环系统、发动机、排气再循环系统的用途、排气再循环方法和柴油机排气成分 - Google Patents

排气再循环系统、发动机、排气再循环系统的用途、排气再循环方法和柴油机排气成分 Download PDF

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Abstract

一种用于排气再循环且能布置在发动机、优选是二冲程发动机的排气出口(2)与空气入口(3)之间的系统(1)。所述系统包括：在排气出口(2)与空气入口(3)之间的第一功能管道(5)中的第一涡轮增压器(4)，并包括在排气出口(2)与空气入口(3)之间的第二功能管道(7)中的第二涡轮增压器(6)。所述第一涡轮增压器(4)和所述第二涡轮增压器(6)是分离的且并联布置，优选所述第一功能管道(5)和所述第二功能管道(7)是分离的且并联布置。所述系统进一步包括：布置在空气管道(9)中的排气清洁装置(8)，所述空气管道(9)布置在排气出口(2)与空气入口(3)之间；以及用于控制所述系统(1)的功能状态的控制单元。所述空气管道(9)至少部分地布置成与所述第二功能管道(7)并联，并且所述控制单元被配置成使得所述控制单元控制布置在所述空气管道(9)中位于所述排气清洁装置(8)上游的第一入口阀(10)并控制布置在所述第二涡轮增压器(6)上游的第二入口阀(11)，使得这两个入口阀(10，11)都可以同时采取至少部分打开的位置。

Description

排气再循环系统、发动机、排气再循环系统的用途、排气再循 环方法和柴油机排气成分
本发明涉及根据独立权利要求的排气再循环系统、发动机、系统的用途、排气再循环方法和柴油机排气成分。
公知柴油发动机进气口中的(冷却的)排气外部再循环(EGR)作为一种减少氮氧化物排放的方式并且多年来一直实施于汽车应用中。对于大型船用二冲程柴油发动机，该技术仍有待开发。由此一般公知使排气从发动机的排气出口往回向发动机的空气入口再循环以优化燃烧。
使用含高达3.5％m的硫的残余燃料油会导致来自燃烧产物SOx和H2O的排气中存在硫酸(H2SO4)。酸性排气的再循环致使腐蚀发动机零件。此外，残余燃料的燃烧会产生比馏分燃料更多的颗粒物(PM)。因此，高度加载颗粒物的排气的再循环会造成与排气接触的发动机零件过度结垢的风险。
专利申请DE 10 2012 009 319公开了一种用于船用柴油发动机的排气再循环系统。所述系统的排气用于为压缩机提供动力，这迫使排气回到发动机的入口中。该系统使用再循环气体但在排气清洁管道中需要涡轮增压器。因此，在排气未穿过清洁装置的情况下无法使用涡轮增压器。
在DE 10 2012 009 315中，公开了一种排气清洁装置，其中排气或者可以为第二涡轮提供动力或者再循环穿过清洁装置。不可能同时让排气为第二涡轮提供动力且再循环。
文件WO 2011/141631公开了一种用于排气再循环和涡轮增压的布置，其中两个涡轮增压前后串联布置。串联的两级涡轮增压比并联涡轮增压更复杂。
文件DE 10 2012 009 314公开一种具有排气再循环的燃烧发动机，其中排气或者用于为压缩机提供动力或者再循环穿过清洁装置。不可能为所需情形调节清洁量。
在DE 103 31 187中，公开了一种具有排气再循环的发动机，其中排气的热用于为排气再循环装置提供动力。未公开回收的排气量以及对排气情况的调节。
WO 94/29587公开了一种用于大型增压柴油发动机的排气再循环，其中排气清洁装置串联布置有涡轮增压器。这导致考虑效率因素，因为来自发动机的排气首先被清洁然后进入涡轮增压器。然后抵达涡轮增压器的空气已经失去了显著量的能量。
本发明的目的是避免现有技术的缺点，特别是建立排气再循环系统、发动机、排气再循环方法和柴油机排气成分，允许明确地将排气成分调节至期望值。
该目的通过根据独立权利要求的系统、发动机、方法和排气成分实现。
特别是，该目的通过一种排气再循环系统实现，所述系统能布置在发动机的排气出口与空气入口之间。所述发动机优选是二冲程发动机。所述系统包括：位于排气出口与空气入口之间的第一涡轮增压器和第一功能管道，并包括位于排气出口与空气入口之间的第二涡轮增压器和第二功能管道，其中所述第一涡轮增压器和所述第二涡轮增压器是分离的且并联布置。优选所述第一功能管道和所述第二功能管道是分离的且并联布置。所述系统进一步包括布置在空气管道中的排气清洁装置，所述空气管道布置在排气出口与空气入口之间。另外，所述系统包括用于控制所述系统的功能状态的控制单元。所述空气管道至少部分地布置成与所述第二功能管道并联，并且所述控制单元被配置成使得所述控制单元控制布置在所述空气管道中位于所述排气清洁装置上游的第一入口阀并控制布置在所述第二涡轮增压器上游的第二入口阀，使得这两个入口阀都可以同时采取至少部分打开的位置。
具有两个入口阀能同时采取至少部分打开的位置的用于排气再循环的系统能够独立于发动机动力启动排气再循环。另外，可以使用并联的两个涡轮增压器并且另外清洁并再循环排气的一部分。因此，这样的系统能够以简单的方式根据需要的标准来调节排气成分。
所述排气出口布置在燃烧发动机的一个或若干气缸的出口处。所述发动机的空气入口优选包括扫气接收器。
根据本发明的功能管道使用排气为涡轮增压器提供动力并且将新鲜空气引入到发动机的空气入口。根据本发明的空气管道将排气从排气出口引入到发动机的空气入口。
所述入口阀可以采取至少部分打开的位置，使得所述空气管道和所述第二功能管道能够并联使用。所述控制单元能够分别独立于其它阀控制两个阀从完全闭合到完全打开的开度。此外，所述阀的位置可以根据情况调节。
所述第一功能管道可以包括位于所述第一涡轮增压器下游的第一冷却器以及优选地包括位于所述第一冷却器下游的第一水雾捕集器。
将冷却器实施在涡轮增压器下游导致所述发动机的效率因素更高，因为冷空气具有与较暖空气比较更高的密度。水雾捕集器使空气干燥，因此导致对燃烧室的腐蚀更小。
所述排气清洁装置可以包括洗涤器和至少一个第二水雾捕集器。
所述洗涤器可以与水雾捕集器组合用于清洁排气，所述水雾捕集器捕集所述洗涤器引入到排气中的水。
所述洗涤器可以是气体收集和颗粒物去除的组合洗涤器。
所述洗涤器必须清洁含SO2、颗粒物、SO3和H2SO4的再循环排气，以便防止对下游部件的结垢和腐蚀。存在对于排气洗涤来说公知的各种洗涤器技术，但对于高压应用而言没有紧凑形式的商业可用产品。存在可用的干式和半干洗涤器，其关于气体去除是非常有效的。此外，干式洗涤器大而重，几乎不可能在船用发动机上添加干式洗涤器。为了去除颗粒物，其它洗涤器类型是最有效的，诸如湿式或电旋风洗涤器。如果组合不同的洗涤器类型，则用于洗涤器的辅助设备应该使用相同的介质或清洁剂。这导致组合洗涤器的经济整合。
由于在燃烧过程中产生的水并且由于需要将再循环排气冷却到大约30-35℃，冷凝将发生在空气管道中。所述冷凝物必须收集、处理以及排放或储存。因此，必须安装用于冷凝或洗涤器水处理的机载设备。在湿式洗涤器的情况下，用于冷凝处理的设备另外可以设计并且用于洗涤器水处理。额外洗涤器清洁剂处理设备不是必要的。因为湿式洗涤器能够以高效率去除气态污染物和颗粒物两者，所以湿式洗涤器组合了上述要求并且在不希望或不可以组合的情况下是最优选的洗涤器类型。
湿式洗涤器需要洗涤器水处理装置，诸如中和单元、水供给单元和污泥池或水分离单元。冲洗液体可以或是海水(开环系统)或是具有适当水平的碱度来中和酸的净水(闭环系统)。
可行的洗涤器是板式塔洗涤器、液雾塔洗涤器或用于SO2吸收的喷射器文丘里洗涤器和/或用于颗粒物去除的一个或多个文丘里洗涤器。
在第二水雾捕集器的下游，可以设置压力提升装置，诸如鼓风机或压缩机。
该鼓风机可以是电气或机械驱动的，优选具有可控的速度。取决于发动机负荷点和调整要求，该变化性提供了相对简单的形式来调整排气流和压力提升。
通过使用压力提升装置，用于排气再循环的系统可以供二冲程发动机使用。在没有压力提升装置的情况下，用于排气再循环的系统可以仅供四冲程发动机使用。
所述第二功能管道可以包括位于所述第二涡轮增压器下游的第二冷却器。
使用第二冷却器增强了发动机的效率因素，因为冷空气比直接离开排气的暖空气更密集。
第一阀可以直接布置在所述第二涡轮增压器的下游。
直接位于所述第二涡轮增压器下游的第一阀导致可以完全切断所述第二涡轮增压器并且针对排气的一部分仅使用管道中的排气再循环。
术语“直接”应理解为使得没有影响离开涡轮增压器的空气的其它装置排列在涡轮增压器与阀之间。当然，在阀与涡轮增压器之间存在可能具有不同长度或直径的管线。
所述空气管道可以包括布置在所述排气清洁装置上游的第三冷却器。
第三冷却器增强了发动机的效率因素，因为经过所述排气清洁装置的空气也被冷却。
所述第二冷却器和所述第三冷却器可以是布置在第二涡轮增压器下游且布置在所述空气管道中的第一阀下游的组合冷却器。
组合冷却器仅需要一个部件且易于安装。所述空气管道可以包括位于所述组合冷却器下游的组合线阀。所述组合线阀优选是三通阀。
组合线阀使得能够选择将冷却的排气或新鲜空气引入穿过所述洗涤器或绕过洗涤器。因此，污染物的量可以根据需要的情形来调节。
所述排气清洁装置可以包括组合线阀与所述第二水雾捕集器之间的旁路管道，用以绕过所述洗涤器。
旁路能够使空气绕过所述洗涤器从而避免使用所述洗涤器，或者在停用时使空气经过所述洗涤器。
这增强了整个系统的寿命。
在所述第三冷却器的下游，三通阀可以串联布置，并且所述空气管道由两条连接线连接到所述第二功能管道，其中第一连接线起始于第一三通阀处并在第一连接点处直接在所述第二冷却器的上游连接所述第二功能管道。第二连接线起始于第二三通阀处并直接在所述第二冷却器的下游连接于第二连接点处。第一止回阀可以布置在所述第一连接点的上游，并且第二止回阀可以布置在所述第二连接点的下游。
一方面，这样的布置实现了空气管道中的所述第一涡轮增压器、所述第二涡轮增压器和所述排气清洁装置的组合操作。另外，所述第二涡轮增压器可以被切断，并且仅所述空气管道可以馈送完全清洁的排气。对于这种情况，有利的是，所述第一冷却器和所述第二冷却器可以串联布置，因此达到比仅一个冷却器更高的冷却性能。此外，这样的布置在其应用中极其可靠。
位于所述第三冷却器下游的两个三通阀可以组合成一个阀，优选是翼板。
两个阀组合成一个会引入更低的生产成本并且优化使用完整系统的安装空间。
在所述第二连接点的下游布置后连接点阀，优选是翼板。
后连接点阀导致可以分别引入全空气或排气通过排气再循环系统的清洁系统。
第三水雾捕集器可以布置在所述后连接点阀的下游。
所述第二功能管道中的第三水雾捕集器导致馈送到发动机的空气输入中的空气更干燥。这导致腐蚀更少。
另选地，在所述第三冷却器的下游，两个三通阀可以串联布置，并且所述空气管道可以由两条连接线连接到所述第二功能管道。所述第一连接线起始于所述第一三通阀处并在所述第二冷却器上游的第三三通阀处连接所述第二功能管道，并且所述第二连接线起始于所述第二三通阀处并直接在所述第二冷却器的下游连接于第四三通阀处。
如前述，该布置导致使用或可以使用所述第二涡轮增压器或所述空气管道或两者的组合。这导致可以调节需要的情形的非常柔性的系统。
预先水雾捕集器可以布置在所述第三冷却器的下游。
这样的预先水雾捕集器可增强所述洗涤器的效率，从而导致再循环排气更加清洁。
预先洗涤器可以布置在所述第一入口阀的下游。
预先洗涤器导致排气的清洁更高效并且可帮助保持所述第三冷却器表面清洁。
再循环排气必须在与扫气混合之前冷却降至扫气温度。在ISO条件下，目标温度的范围是30-35℃。如果湿式洗涤器以40％的再循环率使用，则约40％的总排气能量将消散于洗涤器水中(在所述洗涤器的上游未使用热交换器的话)。由于预先涡轮排气的温度水平较高(350-500℃)，所以包括热交换器的排气再循环系统设计在废热回收方面是有益的。(例如，回收的能量可以用于操作净水发生器)。
两种类型的热交换器(也称为冷却器)可以使用：首先是干式热交换器：排气的出口温度高于水蒸气的露点，由于冷却过程未发生冷凝。为了防止沉积物堆积在冷却器表面上，需要相对较高的气体速度穿过所述热交换器，这导致横跨所述热交换器的压力损失增加。其次是湿式热交换器：冷却器出口处的排气的温度有意地低于水蒸气的露点。冷凝会永久地清洁冷却器管。可安装例如将水注入到所述热交换器上游的额外预先洗涤器，以便通过增加冷凝物流动而提高清洁效果。
一方面，回收的能量用湿式热交换器比用干式热交换器更多，因为出口温度不受露点温度的限制。另一方面，热交换器选择可受限于洗涤器类型及其在洗涤器入口处的排气条件的要求(即在水滴的饱和度和加载方面)。热交换器材料将还取决于操作区域干/湿。
第三水雾捕集器可以布置在所述第四三通阀的下游。
第三水雾捕集器去除空气的湿度，从而在将空气引入到气缸中时导致发动机的腐蚀更小。
任何前述系统都可以包括混合装置，空气能在所述混合装置中混合而离开功能管道和/或空气管道。
所述混合装置可以是主动或被动的混合装置，并且用于将再循环排气与新鲜空气混合而离开涡轮增压器，使得引入到发动机中的空气组分是均匀的并且没有污染物、颗粒物或氧的波动。
被动的混合装置只由如下空间构成，即空气能够本身混合，其中主动的混合装置借助例如搅拌装置而主动混合空气。
所述排气清洁装置可以与扫气单元组合。
两种装置的组合会导致更好地利用可用空间。
所述扫气单元包括至少一个冷却器和至少一个水雾捕集器。所述排气清洁装置通常包括洗涤器并且可选地包括另一水雾捕集器。
所述冷却器可以用作一个装置中的扫气冷却器和/或排气冷却器。这进一步导致系统的成本优化。
该目的进一步由一种包括前述用于排气再循环的系统的发动机(优选是二冲程发动机)实现。
这样的发动机柔性地适应环境废气排放法规。
该目的进一步由一种根据前述系统进行船舶发动机升级的用途实现。通过用前述系统来升级船舶发动机，废气排放法规甚至可以通过已经服役的船只实现。
该目的进一步通过一种优选使用前述系统优选是在船舶中用于排气再循环的方法实现，所述方法包括以下步骤:
a使用燃烧发动机的排气的至少一部分来致动第一功能管道中的第一涡轮增压器的第一涡轮，并且在第一压缩机中压缩空气并将压缩空气传送到燃烧发动机的空气入口；
b使用燃烧发动机的排气的至少一部分来致动第二功能管道中的第二涡轮增压器的第二涡轮，并且在第二压缩机中压缩空气并将压缩空气传送到燃烧发动机的空气入口；
c使用空气管道中的燃烧发动机的排气的第三部分以使气体再循环，并且在排气清洁单元中清洁排气出口与燃烧发动机的进气口之间的排气；
d控制单元至少控制经过所述第二涡轮和所述空气管道的排气量，使得位于所述空气管道中的第一入口阀和位于所述第二涡轮上游的第二入口阀二者都可以采取至少部分打开的位置。
这样的用于排气再循环的方法实现了甚至当发动机以100％完全工作时排气的一部分的再循环和清洁，而无需使用排废门。
因此，排气污染物值可以直接实现并且与可以施加排气清洁之前必须减少发动机动力的系统相比更容易实现。
所述空气管道中的排气可以穿过位于所述第一入口阀下游的预先洗涤器。
位于所述第一入口阀下游的预先洗涤器导致排气的预清洁以及排气清洁的效率更高。
所述排气可以穿过位于所述入口阀下游的至少一个冷却器，优选是两个冷却器。
当重新引入到发动机中时，排气的冷却导致排气的密度更低以及发动机的效率更高。使用两个冷却器能够调节穿过所述排气清洁装置的排气量。
所述排气可以穿过位于所述冷却器下游的洗涤器。
所述洗涤器清洁排气并且可以是前述的组合洗涤器。
位于所述冷却器下游的压缩空气可以绕过洗涤器。
当不需要排气清洁时，所述洗涤器可以被绕过，从而进行保养，所述洗涤器的使用寿命提高。
所述排气可以穿过位于所述冷却器下游和/或位于所述洗涤器下游的至少一个水雾捕集器。
施加水雾捕集器会从空气或排气去除水，从而减少发动机的腐蚀。
所述排气在再循环进入所述进气口之前与外侧压缩空气混合。
本发明在下文借助附图以实施方式描述。
图1是系统的第一实施方式的示意图；
图2是第一实施方式的0-100％发动机负荷和0％排气再循环的操作条件的示意图；
图3是第一实施方式的0-60％发动机负荷和10％排气再循环的操作条件的示意图；
图4是第一实施方式的60-100％发动机负荷和10％排气再循环的操作条件的示意图；
图5是第一实施方式的0-100％发动机负荷和40％排气再循环的操作条件的示意图；
图6是系统的第二实施方式的示意图；
图7是第二实施方式的0-60％发动机负荷和10％排气再循环的操作条件的示意图；
图8是第二实施方式的60-100％发动机负荷和10％排气再循环的操作条件的示意图；
图9是第二实施方式的0-100％发动机负荷和0％排气再循环的操作条件的示意图；
图10是第二实施方式的0-100％发动机负荷和40％排气再循环的操作条件的示意图；
图11是具有用于排气再循环系统的空间的发动机的横截面视图；
图12是根据第二实施方式处于EGR模式下的排气再循环系统的横截面视图；
图13是根据第二实施方式处于非EGR模式下的排气再循环系统的横截面视图；
图14是根据第二实施方式处于EGR模式下的排气再循环系统的三维视图；
图15是根据第二实施方式处于非EGR模式下的排气再循环系统的三维视图；
图16是根据第二实施方式处于EGR模式下的排气再循环系统的横截面视图；
图17是根据第二实施方式处于非EGR模式下的排气再循环系统的横截面视图；
图18是根据第二实施方式处于EGR模式下的排气再循环系统的三维视图；
图19是根据第二实施方式处于非EGR模式下的排气再循环系统的三维视图；
图20是根据第一实施方式处于第一操作模式下的排气再循环系统的横截面视图；
图21是根据第一实施方式处于第二操作模式下的排气再循环系统的横截面视图；
图22是图20或图21在A-A处截取的横截面视图；
图23是根据第一实施方式处于第一操作模式下的排气再循环系统的三维视图；
图24是根据第一实施方式处于第二操作模式下的排气再循环系统的三维视图。
图1示出了系统1的第一实施方式的示意图。用于排气再循环的系统1布置在排气出口2与空气入口3之间。离开排气出口2的排气被部分引入到用排气为涡轮提供动力的第一涡轮增压器4中，并且新鲜空气被吸入到由第一涡轮增压器4的涡轮驱动的压缩机中。压缩空气被引入到第一冷却器12，然后穿过第一水雾捕集器13。从第一水雾捕集器13起，压缩空气被引入到混合装置37。离开排气出口2的排气的另一部分被引入穿过第二涡轮增压器6，类似于第一涡轮增压器4，在第二涡轮增压器6用排气驱动涡轮。在第二涡轮增压器6的涡轮的上游，布置了第二入口阀11。由涡轮增压器6的压缩机压缩的新鲜空气被引入穿过第一阀18并进一步穿过第二冷却器17到达第四三通阀33。在第四三通阀33的下游，布置了第三水雾捕集器29。然后，干燥的空气被引入到混合装置37。使排气的第三部分从排气出口2穿过第一入口阀10而进入第三冷却器19中。在第三冷却器19的下游，串联布置了两个三通阀22a、22b。在这两个三通阀22a、22b的下游，布置了排气清洁装置8。排气清洁装置8包括洗涤器14，并且在洗涤器14的下游包括第二水雾捕集器15。在第二水雾捕集器15的下游，布置了压力提升装置16。在该实施方式中，压力提升装置是鼓风机。离开鼓风机的空气被引入到混合装置37中。第一三通阀22a由连接线23a连接到第三三通阀32。在该实施方式中，第三三通阀32对应于第一阀18。第二三通阀22b由连接线23b连接到第四三通阀33。这种设计的优点在关于图2至图5的描述中展示。
图2示出了图1所示实施方式的0-100％发动机负荷和0％排气循环的操作条件的示意图。在该操作模式下，涡轮增压器4、6两者均在其100％能力下操作。第一涡轮增压器4由大约60％的排气提供动力，而第二涡轮增压器6由大约40％的排气提供动力。在涡轮增压器4、6两者的下游，分别布置了冷却器12、17。在每个冷却器12、17的下游，布置了水雾捕集器13、15。离开涡轮增压器4、6两者的压缩空气被引入到混合装置37，在混合装置37，空气在引入到空气入口3中之前被混合。在系统1的该操作模式下，第一功能管道5由第一涡轮增压器4、第一冷却器12和第一水雾捕集器13构建。第二功能管道7由第二涡轮增压器6、第二冷却器17和第二水雾捕集器15构建。在第二涡轮增压器6的上游，布置了第二入口阀11，第二入口阀11可以采取完全打开与完全闭合之间的任何位置。因此，引入穿过第二功能管道7的排气量能取决于发动机负荷来控制。第二入口阀11的位置由控制单元(未示出)控制。在该操作模式下，系统1满足TIERⅡ限制的要求。
图3示出了图1所示第一实施方式的0-60％发动机负荷和10％排气再循环的操作条件的示意图。在该操作状态下，第一功能管道5及其部件第一涡轮增压器4、第一冷却器12和第一水雾捕集器13如图2所示进行操作。与图2的操作状态相反，排气再循环在该操作状态下是主动的。大约60％的排气被引入穿过第一涡轮增压器4，并且为涡轮增压器4及其第一功能管道5提供动力。其余排气被引入穿过空气管道9，空气管道9由第一入口阀10、第三冷却器19、洗涤器14、水雾捕集器15和压力提升装置16构成。排气然后从压力提升装置16引入到混合装置37，与来自第一功能管道5的新鲜空气再混合。三通阀22a、22b仅允许排气流过空气管道9。至少第一入口阀10的位置由控制单元(未示出)控制并且可以控制在完全打开与完全闭合之间。
图4示出了根据图1的第一实施方式的60-100％发动机负荷和10％排气再循环的操作条件的示意图。在该操作状态下，功能管道5、7两者以及空气管道9进行操作。如已经关于图2和图3描述的，第一功能管道5馈送大约60％的排气为第一涡轮增压器4的涡轮提供动力，并且离开第一涡轮增压器4的压缩空气被引入穿过第一冷却器12和第一水雾捕集器13而进入混合装置37。其余排气被引入穿过功能管道7和空气管道9。功能管道7的组成对应于图2的功能管道7，而空气管道9的组成对应于图3的空气管道9。为了控制穿过空气管道9和功能管道7的排气量，空气管道9的第一入口阀10和功能管道7的第二入口阀11由控制单元(未示出)控制。在该操作模式下，可以在100％发动机负荷下使排气部分地再循环，这导致满足TIER II要求。
图5示出了根据图1的第一实施方式的0-100％发动机负荷和40％排气再循环的操作条件的示意图。在该实施方式中，第二涡轮增压器6(参见图1)被切断。第一功能管道5如已经关于图2至图4描述的进行操作。空气管道9借助所有三通阀22a、22b、32和33延伸过第二冷却器17。因此，排气从排气出口2穿过第一入口阀10被引入到第三冷却器19，然后由三通阀22b重新引导穿过连接线23a到达第三三通阀32并进一步穿过第二冷却器17。在第二冷却器17的下游，排气被引入穿过第四三通阀32经连接线32b到达三通阀22a，并进一步继续穿过由洗涤器14和第二水雾捕集器15构成的排气清洁装置8。在排气清洁装置8的下游，空气被引入穿过压力提升装置16并且馈送到混合装置37中。在与离开第一功能管道5的新鲜空气混合之后，混合空气被引入穿过空气入口3。在该配置中，系统1能够满足100％发动机负荷下的TIER III标准。
图6示出了系统1的第二实施方式的示意图。第二实施方式的系统1包括第一功能管道5，第一功能管道5包括第一涡轮增压器4、第一冷却器12和第一水雾捕集器13。离开第一功能管道5的压缩的新鲜空气在进入发动机(未示出)的空气入口3之前被引入到混合装置37中。偏离根据图1的第一实施方式，第一功能管道5进一步包括排废门39，排废门39能够在不使用排气为涡轮增压器提供动力或者再循环的情况下消耗排气。
第二功能管道7包括第二入口阀11，第二入口阀11布置在第二涡轮增压器6的上游。离开第二涡轮增压器6的压缩空气被引入穿过第一阀18而进入第二冷却器17。在第二冷却器17的下游，布置了采取三通阀形式的组合线阀20。离开组合线阀20，第一线引入到洗涤器14并进入水雾捕集器15。此外，离开组合线阀20，旁路管道21绕过洗涤器14并且直接引入到水雾捕集器15。排气从排气出口2引入到第一入口阀10而进入冷却器17。因此，冷却器17是用于第二功能管道7和空气管道9的组合冷却器。此外，第二水雾捕集器15在空气管道9与第二功能管道7之间被共享。在第二水雾捕集器15的下游，压力提升装置16直接布置在混合装置37的上游。在混合装置37中，再循环排气和压缩的新鲜空气混合，然后馈送到空气入口3中。此外，第二实施方式包括止回阀40，用于以下情况：引入离开第二水雾捕集器15的空气压力足以直接引入到空气入口3中。根据该图的第二实施方式的操作模式在图7至图10中描述。
图7示出了根据图6的第二实施方式的0-60％发动机负荷和10％排气再循环的操作条件的示意图。如关于图1至图6描述的，第一功能管道5由第一涡轮增压器4、第一冷却器12和第一水雾捕集器13构成。离开排气出口2的大约60％的排气被馈送到涡轮增压器4中，为压缩机提供动力。其余排气从排气出口2穿过第一入口阀10馈送到第二冷却器17中。在第二冷却器17的下游，组合线阀20所处的位置将排气穿过洗涤器14和水雾捕集器引入到鼓风机16中。在鼓风机16的下游，排气被引入到混合装置37中并进一步引入到空气入口3。该配置导致满足TIER II要求。
图8示出了根据图6的第二实施方式的60-100％发动机负荷和10％排气再循环的操作条件的示意图。除了能够在较高发动机负荷下直接消耗超流畅排气排向大气的排废门39，该操作条件对应于图7的操作条件。由于涡轮增压器能力限制，空气管道5在这些负荷下不能够处理其余排气流。该配置导致满足TIER II标准。
图9示出了根据图6的第二实施方式的0-100％发动机负荷和0％排气再循环的操作条件的示意图。大约60％的排气从排气出口2被引入穿过第一涡轮增压器4。离开涡轮增压器4的压缩空气被引入穿过第一冷却器12和第一水雾捕集器13而进入混合装置37。该第一功能管道5对应于图1所示的第一实施方式的第一功能管道5。因为在该实施方式中排气未再循环，所以大约40％的排气用于为涡轮增压器6提供动力。为涡轮增压器提供动力所使用的排气量可以由第二入口阀11控制，第二入口阀11由控制单元(未示出)控制。由涡轮增压器6压缩的空气被进一步引入到第一阀18和第二冷却器17。在第二冷却器17中冷却空气之后，空气被进一步允许穿过组合线阀20和旁路管道21以绕过清洁装置。在旁路管道21的下游，空气被允许穿过第二水雾捕集器15，并且由于其高压水平，空气可以直接馈送到空气入口3中而无需任何进一步的压力提升。在该操作模式下，可以实现TIERⅡ的要求。
图10示出了根据图6的第二实施方式的0-100％发动机负荷和40％排气再循环的操作条件的示意图。该操作模式的第一功能管道5对应于图9的第一功能管道。为了使排气再循环，排气从排气出口2被引入穿过第一入口阀10而进入冷却器17并进一步引入到组合线阀20。组合线阀20所处的位置将排气引入到洗涤器14和第二水雾捕集器15。因此，该实施方式仅需要第一涡轮增压器4。第一入口阀10由控制单元(未示出)控制。该操作模式导致满足TIER III标准。
图11示出了发动机38的横截面视图，具有用于排气再循环的系统1的空间。用于排气再循环的系统1的空间必须整合到发动机38的可用空间中。整合进一步导致横跨排气再循环系统1的低压损失。图12至图24所示的以下设计建议基于图1或图6的实施方式并且调节图11所示的可用空间。
图12示出了根据图6所示的第二实施方式处于排气再循环模式下的排气再循环系统的横截面视图。总体设计由两个隔室组成：作为扫气隔室41的外隔室和包括洗涤器14的内隔室。离开第二功能管道7和/或空气管道9，排气被引入穿过第二冷却器17。在第二冷却器17的下游，组合线阀20被构造为可以围绕枢转点42枢转的两个翼板。组合线阀20处于允许排气再循环的打开位置中。排气被引入穿过洗涤器14。穿过扫气隔室41的直接气体流被阻挡，并且排气被导向穿过洗涤器14、文丘里喷嘴45。冲洗液体液雾喷嘴43位于文丘里喷嘴喉部中以具有最高颗粒去除效率。在文丘里喷嘴45之后，排气流直接向上进入圆形洗涤器隔室形状的气体洗涤器14。在洗涤器的最低点，可以定位排放处。排气在上游流动上通过气体洗涤器14。洗涤器14设计为板式洗涤器。板可以是简单的穿孔板、筛板、冲击板、泡沫切板或阀板或它们的组合。如果气体去除效率不足，则额外的包装材料可放置在板之间以增加接触表面积。在板的顶部，冲洗液体被倾倒至气体洗涤器14中并且由重力流动驱动，向下穿过板逆流流向排气。在洗涤器板的上方，排气被导向到洗涤器隔室的纵向中心中。排气然后进入对角向下通道44(参见图14)。在离开该通道之后，排气进入扫气隔室41并且穿过水雾捕集器15，以便去除注入的冲洗液体。清洁的排气然后被处理到压力提升装置16(未示出)和混合装置37(未示出)。
图13示出了根据(图6所示的)第二实施方式处于非EGR模式下的排气再循环系统1的横截面视图。无需任何排气再循环，采取翼板形式的组合线阀20所处的位置使洗涤器14的通道闭合。来自涡轮增压器4(未示出)的压缩空气进入冷却器17。压缩空气然后直接流过扫气隔室41和水雾捕集器15。在水雾捕集器15的下游，空气被进一步引入回到空气入口3(未示出)。
图14示出了根据第二实施方式处于EGR模式(参见图12)下的排气再循环系统的三维视图。
图15示出了根据第二实施方式处于非EGR模式下(根据图13)的排气再循环系统的三维视图。
图16示出了根据第二实施方式处于EGR模式下的排气再循环系统的横截面视图。该实施方式对应于图12所示的实施方式。差异仅在于对应于组合线阀20的翼板的几何形状。在该实施方式中，组合线阀20并未组合在如图12所示的一个翼板中，而是包括两个分离的翼板。这样的设计优点在于，该方案需要更少的空间使翼板旋转。因此，在这样的实施方式中，洗涤器隔室可以占据更多的空间。
图17示出了根据第二实施方式处于非EGR模式下的排气再循环系统的横截面视图。该实施方式基于图13所示的实施方式，与图12和图16之间的差异相同。组合线阀20需要较少的空间。
图18示出了根据第二实施方式处于EGR模式下的排气再循环系统的三维视图。图18的三维视图对应于图16的横截面视图。组合线阀20包括两个分离的翼板，因此与图14所示的实施方式比较需要更少的空间。
图19示出了根据第二实施方式处于非EGR模式下的排气再循环系统的三维视图。图19的实施方式对应于图17的横截面视图，并且与图15所示的实施方式比较差异仅在于：组合线阀20包括两个分离的翼板。优点已经关于图18讨论。
图20示出了根据(图1所示的)第一实施方式处于第一操作模式下的排气再循环系统的横截面视图。第一操作模式包括低排气再循环率(大约10％)，并包括从涡轮增压器6减少的压缩空气流(大约30％)或在0-25％发动机负荷下约40％的排气再循环率或切断的排气再循环。排气再循环系统一般包括扫气隔室41和排气清洁装置8。排气在顶部进入洗涤器14。排气通过专用的排气再循环冷却器19，可选地通过预先水雾捕集器。然后，冷却的排气进入洗涤器14。洗涤器14由两个部分组成：颗粒洗涤器和气体洗涤器。颗粒洗涤器基于文丘里洗涤器原理。特别是，(图22所示的)多个文丘里喷嘴水平布置。为了实现降至约0.04μm的亚微米范围的最高颗粒去除效率，多个水液雾喷嘴43(参见图22)布置在文丘里喷嘴45中。在文丘里喷嘴45之后，排气流直接向上经圆形几何形状(参见图22)穿过板式洗涤器14。在第三水雾捕集器29中，水滴从清洁的排气中去除，然后引入到空气入口3(未示出)。与此同时，来自涡轮增压器6的压缩进气进入扫气隔室41，在扫气隔室41中，在冷却器17中冷却压缩进气并且由第三水雾捕集器29去除水滴。然后，排气被引入穿过第三水雾捕集器15，然后引入到空气入口3(未示出)中。
图21示出了根据(图1示出的)第一实施方式处于第二操作模式下的排气再循环系统的横截面视图。第二操作模式包括40％排气再循环率。在该操作模式下，第三冷却器19和第二冷却器17串联地流过排气。出于该目的，翼板46和47被置于水平位置。涡轮增压器6被切断，因此进气流没有压缩。在第二冷却器17的下游，排气被引入到排气清洁装置8。出于该目的，翼板47被闭合。
图22示出了图20或图21分别在A-A处截取的横截面视图。排气进入穿过第三冷却器19，专用的排气再循环冷却器。然后，排气穿过配备有冲洗液体液雾喷嘴43的文丘里喷嘴45。由于底部的圆形形状，排气流被向上引导，并且排气进入气体洗涤器。鉴于圆形形状，文丘里喷嘴中注入的冲洗液体可以在最低位置处已经分离地进入排放管(未示出)到达水处理系统。为了实现最大气体去除效率，关键因素是气体与冲洗液体之间的接触表面积大以及停留时间长。这可以由包括多个水平板的板式洗涤器实现。这些板可以是简单的穿孔板、筛板、冲击板、泡沫切板或阀板或它们的组合。如果气体去除效率不足，则额外的包装材料可以放置在板之间以增加接触表面积。在板的顶部，冲洗液体被倾倒至气体洗涤器14中并且由重力流动驱动，向下穿过板并逆流流向排气。在气体洗涤器的下游，排气穿过水雾捕集器15。然后，空气被处理到压力提升装置(未示出)。
图23示出了根据第一实施方式处于图20所示的第一操作模式下的排气再循环系统的三维视图。洗涤器隔室对应于图22所示的洗涤器。
图24示出了根据第一实施方式处于图21所示的第二操作模式下的排气再循环系统的三维视图。洗涤器隔室对应于图22所示的洗涤器隔室。

Claims (30)

1.一种用于排气再循环的系统(1)，该系统能布置在发动机、优选是二冲程发动机的排气出口(2)与空气入口(3)之间，所述系统(1)包括：在排气出口(2)与空气入口(3)之间的第一功能管道(5)中的第一涡轮增压器(4)；在排气出口(2)与空气入口(3)之间的第二功能管道(7)中的第二涡轮增压器(6)，其中所述第一涡轮增压器(4)和所述第二涡轮增压器(6)是分离的且并联布置，优选所述第一功能管道(5)和所述第二功能管道(7)是分离的且并联布置；以及布置在空气管道(9)中的排气清洁装置(8)，所述空气管道(9)布置在排气出口(2)与空气入口(3)之间；以及用于控制所述系统(1)的功能状态的控制单元，其特征在于，所述空气管道(9)至少部分地布置成与所述第二功能管道(7)并联，并且所述控制单元被配置成使得所述控制单元控制布置在所述空气管道(9)中位于所述排气清洁装置(8)上游的第一入口阀(10)并控制布置在所述第二涡轮增压器(6)上游的第二入口阀(11)，使得这两个入口阀(10，11)能够同时采取至少部分打开的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一功能管道包括位于所述第一涡轮增压器下游的第一冷却器以及优选地包括位于所述第一冷却器下游的第一水雾捕集器。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述排气清洁装置包括洗涤器和至少一个第二水雾捕集器。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述洗涤器是用于气体收集和颗粒物去除的组合洗涤器。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，在所述第二水雾捕集器的下游，设置有诸如鼓风机的压力提升装置。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第二功能管道包括位于所述第二涡轮增压器下游的第二冷却器。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，第一阀直接布置在所述第二涡轮增压器的下游。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述空气管道包括布置在所述排气清洁装置上游的第三冷却器。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二冷却器和所述第三冷却器是在所述空气管道中布置在所述第二涡轮增压器下游且在所述第一阀下游的组合冷却器。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述空气管道包括位于所述组合冷却器下游的组合线阀，优选是三通阀。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述排气清洁装置包括位于组合线阀与所述第二水雾捕集器之间的旁路管道，用以绕过所述洗涤器。
12.根据权利要求1至7中的任一项所述的系统，其特征在于，在所述第三冷却器的下游，两个三通阀串联布置，并且所述空气管道由两条连接线连接到所述第二功能管道，其中第一连接线起始于第一三通阀处并在第一连接点处直接在所述第二冷却器的上游连接所述第二功能管道，并且第二连接线起始于第二三通阀处并直接在所述第二冷却器的下游连接于第二连接点处，并且第一止回阀布置在所述第一连接点的上游且第二止回阀布置在所述第二连接点的下游。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，位于所述第三冷却器下游的所述两个三通阀组合成一个阀，优选是翼板。
14.根据权利要求12或13中所述的系统，其特征在于，在所述第二连接点的下游布置后连接点阀，优选是翼板。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，第三水雾捕集器布置在所述后连接点阀的下游。
16.根据权利要求1至7中的任一项所述的系统，其特征在于，在所述第三冷却器的下游，两个三通阀串联布置，并且所述空气管道由两条连接线连接到所述第二功能管道，其中所述第一连接线起始于所述第一三通阀处并在所述第二冷却器上游的第三三通阀处连接所述第二功能管道，并且所述第二连接线起始于所述第二三通阀处并直接在所述第二冷却器的下游连接于第四三通阀处。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的系统，其特征在于，预先水雾捕集器布置在所述第三冷却器的下游。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，预先洗涤器布置在所述第一入口阀的下游。
19.根据权利要求16至18中的任一项所述的系统，其特征在于，第三水雾捕集器布置在所述第四三通阀的下游。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括混合装置，空气能在所述混合装置中混合而离开所述功能管道和/或所述空气管道。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述排气清洁装置与扫气单元组合。
22.一种包括根据前述权利要求中的任一项所述的用于排气再循环的系统的发动机，优选是一种二冲程发动机。
23.一种根据权利要求1至21中的任一项所述的系统进行船舶发动机升级的用途。
24.一种优选使用根据权利要求1至21中的任一项所述的系统优选在船舶中用于排气再循环的方法，所述方法包括以下步骤：
a使用燃烧发动机的排气的至少一部分来致动第一功能管道中的第一涡轮增压器的第一涡轮，并且在第一压缩机中压缩空气并将压缩空气传送到燃烧发动机的空气入口；
b使用燃烧发动机的排气的至少一部分来致动第二功能管道中的第二涡轮增压器的第二涡轮，并且在第二压缩机中压缩空气并将压缩空气传送到燃烧发动机的空气入口；
c使用空气管道中的燃烧发动机的排气的第三部分以使气体再循环，并且在排气清洁单元中清洁排气出口与燃烧发动机的进气口之间的排气；其特征在于：
d控制单元至少控制经过所述第二涡轮和所述空气管道的排气量，使得位于所述空气管道中的第一入口阀和位于所述第二涡轮上游的第二入口阀二者都采取至少部分打开的位置。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述空气管道中的排气被引入穿过位于所述入口阀下游的预先洗涤器。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述排气被引入穿过位于所述第一入口阀下游的至少一个冷却器，优选是两个冷却器。
27.根据权利要求24至26中的任一项所述的方法，其特征在于，所述排气被引入穿过位于所述冷却器下游的洗涤器。
28.根据权利要求24至26中的任一项所述的方法，其特征在于，位于所述冷却器下游的所述压缩空气绕过洗涤器。
29.根据权利要求24至28中的任一项所述的方法，其特征在于，所述排气被引入穿过位于所述冷却器下游和/或位于所述洗涤器下游的至少一个水雾捕集器。
30.根据权利要求24至29中的任一项所述的方法，其特征在于，所述排气在再循环进入所述进气口之前与外侧压缩空气混合。
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