CN107893715A - 内燃发动机的进气排气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃发动机的进气排气系统，包括：废气再循环通道(35)，其将排气通道(7)的位于涡轮下游的部分与进气通道(6)的位于压缩机上游的部分连通；以及冷却回路(51)，所述冷却回路包括：第一蒸发器(52)，其设置在所述排气通道的位于所述涡轮下游且位于与所述废气再循环通道接合的接合部上游的那一部分中并且储存介质；喷射泵(54)，其使用来自所述第一蒸发器的蒸汽作为驱动流；冷凝器(57)，其用于冷却并冷凝从所述喷射泵排出的蒸汽并且将冷凝的介质返回至所述第一蒸发器；以及第二蒸发器(55)，其设置在所述废气再循环通道中，以通过利用所述喷射泵所产生的负压蒸发储存在该第二蒸发器中的介质来冷却经过所述废气再循环通道的废气。

Description

内燃发动机的进气排气系统
技术领域
本发明涉及一种内燃发动机的进气排气系统，特别是涉及一种包括废气在排气再循环装置中再循环的冷却回路的进气排气系统。
背景技术
作为用于抑制内燃发动机爆震的方法，已知使用EGR(废气再循环)装置，该EGR装置将内燃发动机的废气的一部分与进气流混合作为EGR气体，并且将混合物送到内燃发动机的进气系统。因为爆震可以随着馈送到进气系统的气体的温度降低而降低，所以期望尽可能多地降低馈送到进气系统的气体的温度。因为内燃发动机的废气温度较高，所以用于执行这样的EGR操作的EGR设备常常设置有用于冷却废气的EGR冷却器。
当EGR气体由使用大气作为冷却介质的EGR冷却器来冷却时，在可用空气的温度过高的情况下EGR气体可能不会被充分地冷却。出于该原因，已经提出使用这样的冷却回路，该冷却回路利用废气的热能将馈送到内燃发动机的EGR气体和/或压缩的进气冷却至期望水平。例如，参见JP2013-527369A。
根据该现有技术，冷却回路包括蒸汽发生器(第一蒸发器)、蒸发器(第二蒸发器)和喷射泵。当内燃发动机所排放的高温废气穿过第一蒸发器时，储存在第一蒸发器中的冷却剂变成高压蒸汽。通过将高压冷却剂引入到喷射泵中，第二蒸发器被减压，并且第二蒸发器的内部温度降低。随着第二蒸发器的温度降低，流过第二蒸发器内部的EGR气体和/或压缩的进气被冷却。
另外，当EGR气体的温度高于进气的温度时，一旦EGR气体与进气混合，包含在EGR气体中的水分就冷凝。因为水滴对内燃发动机的涡轮增压器有害，所以有必要在混合EGR气体和进气之前将EGR气体冷却至低于进气温度的温度水平。JP2013-527369A还公开了在用于馈送EGR气体的通道中设置第二蒸发器，使得仅EGR气体被冷却。
JP2013-527369A描述了作为第一实施方式的某种冷却回路，其中除去EGR气体之外的废气穿过第一蒸发器并且EGR气体穿过第二蒸发器。在该冷却回路中，因为EGR气体未穿过第一蒸发器，并且在仍处于高温状态下的同时直接流入第二蒸发器，因此，EGR气体有可能无法在被引入到第二蒸发器中时被充分冷却。此外，JP2013-527369A公开了略微不同的冷却回路作为第二实施方式，其中EGR气体被允许穿过第一蒸发器，并且已穿过第一蒸发器的EGR气体然后穿过第二蒸发器。在该冷却回路中，因为穿过第一蒸发器的气体仅仅由EGR气体组成，所以在第一蒸发器中获得的热能可能不足以冷却穿过第二蒸发器的EGR气体。
发明内容
鉴于现有技术的这种问题，本发明的主要目的是提供一种设置有EGR装置的内燃发动机的进气排气系统，其允许在蒸发器中获得足够量的热能，并且允许废气被冷却和再循环，使得EGR气体可通过使用在所述蒸发器中获得的热能被进一步冷却。
本发明通过提供一种内燃发动机的进气排气系统来完成这样的目的，所述内燃发动机的进气排气系统包括：排气通道(7)，所述排气通道连接到发动机主体(4)并且设置有涡轮(25)；进气通道(6)，所述进气通道连接到所述发动机主体并且设置有由所述涡轮驱动的压缩机(15)；废气再循环通道(35)，所述废气再循环通道将所述排气通道的位于所述涡轮下游的部分与所述进气通道的位于所述压缩机上游的部分连通；以及冷却回路(51)，所述冷却回路从经过所述排气通道的废气接收热并且冷却经过所述废气再循环通道的废气；其中，所述冷却回路包括：第一蒸发器(52)，所述第一蒸发器设置在所述排气通道的位于所述涡轮下游且位于与所述废气再循环通道接合的接合部上游的那一部分中并且储存借助于从废气接收的热而蒸发的介质；喷射泵(54)，所述喷射泵使用来自所述第一蒸发器的蒸汽作为驱动流；冷凝器(57)，所述冷凝器用于冷却并冷凝从所述喷射泵排出的蒸汽并且将冷凝的介质返回至所述第一蒸发器；以及第二蒸发器(55)，所述第二蒸发器设置在所述废气再循环通道中，以将介质储存在该第二蒸发器中并通过利用所述喷射泵所产生的负压蒸发储存在该第二蒸发器中的所述介质来冷却经过所述废气再循环通道的废气。
由此，足够量的热能可以从经过所述第一蒸发器的废气获得。因所述第一蒸发器中的废气的热能损失的缘故，在废气经过所述第一蒸发器时，废气的温度显著下降。因废气在所述第一蒸发器中被初步冷却的缘故，废气被所述第二蒸发器充分地冷却，使得供应至所述内燃发动机的混合物的温度得以降低，并且可以由此有利地抑制所述发动机的爆震。
所述进气排气系统可进一步包括：喷水装置(82)，所述喷水装置用于将水喷射到所述发动机主体的燃烧室中；以及供水通道(83)，所述供水通道用于将已被所述第二蒸发器冷却且在所述废气再循环通道中冷凝的水供应至所述喷水装置。
因所述第二蒸发器的冷却作用而已经在所述废气再循环通道中冷凝的水可以供应至所述喷水装置，使得可以不需要用于所述喷水装置的任何附加水源。
所述进气排气系统可进一步包括设置在所述供水通道中的水箱(81)。
由此，足够量的水可以在需要的时刻被供应至喷水装置。
所述进气排气系统可进一步包括：旁路通道(45)，所述旁路通道将所述第一蒸发器的上游端与所述第一蒸发器的下游端连接；以及旁路阀(46)，所述旁路阀用于调节流过所述第一蒸发器的废气的量。
由此，经过所述第一蒸发器的废气的量可调节成使得所述第一蒸发器能够最佳地冷却经过所述第一蒸发器的废气。
在所述进气排气系统中，所述冷凝器可连接到散热器以冷却所述发动机主体的冷却水。
通过使用所述散热器来冷却所述内燃发动机的冷却水以冷却所述冷凝器的冷却水，系统结构可以以既简单又经济的方式构建。
由此，本发明提供了一种设置有EGR装置的内燃发动机的进气排气系统，其允许在蒸发器中获得足够量的热能，并且允许废气被冷却和再循环，使得EGR气体可通过使用在所述蒸发器中获得的热能被进一步冷却。
附图说明
图1是根据本发明的包括用于废气的冷却回路的进气排气系统的管线图，其中废气在排气再循环装置中再循环；以及
图2是用在进气排气系统中的喷射泵的剖视图。
具体实施方式
将在下文参考附图来描述本发明的一个实施方式。
如图1所示，整合有表现本发明的进气排气系统1的内燃发动机2安装在车辆上。进气排气系统1连接到内燃发动机2的主体4，并且设置有与设置在发动机主体4中的缸体5连通的进气通道6和排气通道7。
进气通道6经由空气清洁器12、涡轮增压器14的压缩机15和用于冷却进气的中间冷却器16(按此顺序)从进气入口11延伸到进气歧管17，该进气歧管17连接到发动机主体4的进气侧。进气通道6在进气歧管17中分支，并且与相应缸体5的进气口18连通。在内燃发动机2的进气系统的以下描述中，关于进气的流动方向使用术语“下游”和“上游”。
发动机主体4的排气口21在连接到发动机主体4的排气侧的排气歧管22中会聚成单个流，并且发动机主体4的排气通道7经由涡轮增压器14的涡轮25、通过催化作用净化废气的废气净化装置26和消声器27(按此顺序)从排气歧管22延伸到排气出口28。在内燃发动机2的排气系统的以下描述中，关于废气的流动方向使用术语“下游”和“上游”。
进气排气系统1设置有EGR装置31。EGR装置31设置有废气再循环通道35，该废气再循环通道35从排气通道7的位于排气通道7中的涡轮25和废气净化装置26的下游侧且位于消声器27的上游侧的那一部分分支。废气再循环通道35经过EGR阀36和EGR冷却器37(按此顺序)，并且连接到进气通道6的位于空气清洁器12的下游侧且位于压缩机15的上游侧的那一部分。
从内燃发动机2排放的废气沿着排气通道7从上游端流向下游端。从排气歧管22排放的废气流入涡轮25并使涡轮25旋转。在已经过涡轮25之后，废气在排气通道7的位于涡轮25和废气净化装置26的下游侧且位于消声器27的上游侧的那一部分处被分成流入废气再循环通道35的EGR气体流和流入消声器27的废气流。流入消声器27的废气从排气出口28排放。
EGR气体经EGR阀36流入废气再循环通道35。随着流入废气再循环通道35的废气沿着该通道行进，废气被EGR冷却器37中的空气或水冷却，并被引入到进气通道6的位于空气清洁器12的下游侧且位于压缩机15的上游侧的那一部分中。流入进气通道6的EGR气体与从进气入口11引入且由空气清洁器12清洁的新鲜空气混合。混合气体沿着进气通道6流动，并且进入压缩机15，待由通过涡轮25的旋转而驱动的压缩机15进行压缩。被压缩的混合气体被中间冷却器16冷却，并且经由进气歧管17分支到相应缸体5的进气口18。如上所述，EGR装置31将预定量的废气混合到引入缸体5中的新鲜空气之中。结果是，进气中的氧气浓度降低对应的量，并且燃烧温度相应地降低，使得爆震的发生得到抑制。
在这种情况下，EGR装置31由所谓的低压EGR装置组成，在该低压EGR装置中，通过废气再循环通道35将压缩机15的上游侧和涡轮25的下游侧相互连接。低压EGR装置的优点是，与通过废气再循环通道将压缩机15的下游侧和涡轮25的上游侧相互连接的高压EGR装置相比，EGR气体可以被引入到进气通道6中而不受增压压力的影响。
进气排气系统1设置有用于冷却EGR气体的冷却回路51。冷却回路51包括：第一蒸发器52，其用于储存借助于从废气接收的热而变成蒸汽的介质；喷射泵54，其连接到第一蒸发器52并且使用来自第一蒸发器52的蒸汽作为驱动流；第二蒸发器55，其借助于喷射泵54所产生的负压而被置于负压状态下；以及冷凝器57，其连接到喷射泵54以将从喷射泵54排放的介质冷却至冷凝温度。
第一蒸发器52布置在排气通道7中的涡轮25和废气净化装置26的下游，并且设置在排气通道7与废气再循环通道35之间的接合部的上游侧。排气通道7延伸穿过第一蒸发器52的内侧，使得穿过排气通道7的废气与储存在第一蒸发器52中的介质进行热交换。更具体地，在高温废气经过穿过第一蒸发器52的内侧的管时，储存在第一蒸发器52中的介质从中接收热。
储存在第一蒸发器52中的介质由于从废气接收的热而变成蒸汽。特别是，因为第一蒸发器52设置在排气通道7与废气再循环通道35之间的接合部的上游，所以从内燃发动机2排放的所有废气都经过第一蒸发器52的内侧。因此，第一蒸发器52可以从内燃发动机2所排放的废气接收足够的热量。随着储存在第一蒸发器52中的介质从废气接收足够的热量，介质的温度达到蒸发温度，从而介质蒸发。第一蒸发器52的内部压力因介质蒸发的缘故而上升。蒸发至高压的介质被送到喷射泵54。与此同时，因为废气中的热被储存在第一蒸发器52中的介质吸收，所以废气的温度降低。
在本实施方式中，水被用作储存在第一蒸发器52中的介质。水的优点是具有较大的汽化潜热且无害。
如图2所示，喷射泵54包括内管54a，内管54a限定喷嘴62和位于该内管的上游端中的驱动流动入口61，喷嘴62形成为与流动入口61连通的节流部。喷射泵54进一步包括外管54b，外管54b中同轴地接收内管54a并且限定混合区段64、扩口区段65和位于该外管的上游端中的抽吸口63，混合区段64用于使从喷嘴62排出的具有高流速的第一介质和从抽吸口63抽吸的第二介质混合，扩口区段65连接到混合区段64的下游端并且设置有内径朝向外管54b的下游端逐渐增加的管状形状。以高压供应至喷射泵54的第一介质从喷射泵54的驱动流动入口61流动并且穿过由节流部组成的喷嘴62而到达混合区段64。因为内管54a的横截面面积朝向喷嘴62的出口逐渐降低，所以经过喷嘴62的出口的第一介质的流动速度增加，并且在该实施方式中达到超音速。喷嘴62的出口附近的介质压力由于文丘里效应而降低，并且产生负压。因此，第二介质被吸入混合区段64，然后流入扩口区段65。一旦第一介质离开扩口区段65，第一介质的压力就在该第一介质的流动速度降低的同时增加。已经过扩口区段65的混合介质被送到冷凝器57。
优选地，构造喷嘴62以使得介质在喷射泵54中经历等熵绝热膨胀，而不是等焓绝热自由膨胀。通过经历等熵绝热膨胀，因可以用于喷射泵54所做的功的熵的恢复的缘故，可以实现较高的能量效率。
被送到冷凝器57的介质在其穿过冷凝器57的内部时被冷却风扇或冷却水冷却，并且在冷凝器57内冷凝。与之结合，可设置散热器70，使得冷却水在冷凝器57与散热器70之间循环。替代地，如虚线表示的，用于冷却发动机主体4的冷却水的散热器70可连接到冷凝器57，用于冷却介质。在这种情况下，因为现有散热器70被用于冷却温度已被冷凝器57升高的冷却水，所以不需要添加用来冷却冷凝器57的散热器70，所以整体结构得到简化。
由冷凝器57冷凝的介质被送到贮存罐71。贮存罐71的下端经由阀71v、辅助泵72和液位保持泵73(按此顺序)连接到第一蒸发器52。在贮存罐71中呈液态的介质通过操作辅助泵72和液位保持泵73而返回至第一蒸发器52。
第二蒸发器55设置在废气再循环通道35的位于EGR冷却器37和与进气通道6接合的接合部之间的那一部分中，使得废气的被馈送至进气通道6的那一部分被传递经过第二蒸发器55的换热管，以待被用作加热介质。第二蒸发器55中储存与第一蒸发器52相同的介质，并且该介质从流过换热管的介质获得热。
第二蒸发器55的上部经由抽吸量调节阀74和用于除去油雾的除雾器75连接到抽吸口63，抽吸口63设置在喷射泵54的混合区段64的下部中。因为流入喷射泵54的驱动流动入口61的高压介质在混合区段64中产生负压，所以经由抽吸口63连接到混合区段64的第二蒸发器55减压。与此同时，因为第二蒸发器55减压，所以第二蒸发器55内的介质温度降低。当第二蒸发器55内的介质温度降低时，经过废气再循环通道35(穿过第二蒸发器55的换热管)的EGR气体被冷却。
第二蒸发器55的下部经由液位保持阀76连接到辅助泵72与液位保持泵73之间的接合部。因为第二蒸发器55被喷射泵54减压，所以第二蒸发器55内的介质蒸发，并且第二蒸发器55内的介质量降低。根据需要，驱动辅助泵72，并且打开液位保持阀76，以使得介质从贮存罐71被供应至第二蒸发器55。
储存在第一蒸发器52中的介质被内燃发动机2的废气热蒸发，并且介质的压力上升。当高压介质进入喷射泵54时，第二蒸发器55减压。EGR气体因第二蒸发器55中的压降的缘故而被冷却。从喷射泵54输送的介质在冷凝器57中变成液体，并且返回至第一蒸发器52。如上所述，内燃发动机2设置有第一蒸发器52、喷射泵54、第二蒸发器55和冷凝器57，使得形成了用于通过从被排放的废气接收热来冷却EGR气体的冷却回路51。
内燃发动机2进一步包括冷凝水回收罐81，冷凝水回收罐81连接到EGR冷却器37和废气再循环通道35的穿过第二蒸发器55的那一部分，以回收并储存EGR冷却器37和第二蒸发器55中冷凝的水。冷凝水回收罐81的下部经由供水通道83连接到设置在相应缸体5中的喷水装置82。每个喷水装置82均被构造成根据需要将从冷凝水回收罐81供应的水喷射到对应缸体5中。
下文将描述包括EGR装置31(该EGR装置31具有用于使废气再循环的冷却回路51)的进气排气系统1的操作模式。储存在贮存罐71中的介质通过经由辅助泵72、液位保持泵73、第一蒸发器52、喷射泵54和冷凝器57或者经由辅助泵72、液位保持阀76、第二蒸发器55、抽吸量调节阀74、除雾器75、喷射泵54和冷凝器57循环而返回至贮存罐71。由此，形成了不涉及介质的流入或流出的闭合回路。
通过从内燃发动机2所排放的废气接收热，介质在第一蒸发器52中蒸发，并获得高压。由高压蒸汽组成的介质被引入到喷射泵54中，由此使第二蒸发器55减压。EGR气体由于第二蒸发器55中的压降而被冷却。从喷射泵54输送的介质在冷凝器57中变成液体，并且返回至第一蒸发器52。
如上所述，内燃发动机2设置有第一蒸发器52、喷射泵54、第二蒸发器55和冷凝器57，使得通过将从内燃发动机2所排放的废气获得的热供应至第一蒸发器52而形成用于冷却EGR气体的冷却回路51。因为冷却回路51从废气得到进行操作所需要的热或能量，所以不需要用于驱动冷却回路51的附加电源。此外，因为利用否则将被释放到大气中的废气的热来驱动冷却回路51，所以可以提高能量效率。
可以想到构造冷却回路51，以使得第一蒸发器52被连接在消声器27与(排气通道7和废气再循环通道35之间的)接合部之间。然而，在这种情况下，除去EGR气体之外的废气经过第一蒸发器52，并且仅EGR气体经过第二蒸发器55。另一方面，在所示实施方式中，经过第二蒸发器55的EGR气体已经在第一蒸发器52中被冷却过。因此，在本实施方式中，进入第二蒸发器55的EGR气体的温度低于该替代布置，使得本实施方式能够比替代布置进一步降低经过第二蒸发器55的EGR气体的温度。
还可以想到构造冷却回路51，以使得第一蒸发器52被连接在消声器27与(EGR阀36和EGR冷却器37之间的)接合部之间。然而，在这种情况下，仅EGR气体经过第一蒸发器52，然后经过第二蒸发器55。另一方面，在所示实施方式中，从内燃发动机2排放的所有废气都经过第一蒸发器52，使得第一蒸发器52可以接收更多的热。因此，从第一蒸发器52蒸发的介质的压力进一步增加，并且第二蒸发器55因第一蒸发器52的缘故而被被置于强负压下。因此，经过第二蒸发器55的EGR气体被进一步冷却并且其温度被进一步降低。
一般地，内燃发动机2的废气包含通过燃料燃烧而生成的大量水分。因此，当EGR气体被冷却时，包含在EGR气体中的水分冷凝。当EGR气体经过EGR冷却器37时，包含在EGR气体中的水分冷凝成水。另外，当EGR气体经过第二蒸发器55时，包含在EGR气体中的水分被第二蒸发器55冷却，使得水分被进一步冷凝成水。冷凝水流入冷凝水回收罐81并被储存在其中。储存的水经由供水通道83被传送至喷水装置82，并且水在需要时被喷洒到缸体5中。因此，水可以被喷洒到缸体5中而不需要任何外部水源。通过将水喷洒到缸体5中，降低了燃烧温度，使得NOx的生成和爆震得到抑制。进一步，因为用于喷洒的水被储存在冷凝水回收罐81中，所以喷水装置82可以在适当的时刻将适量的水喷洒到燃烧室中。
虽然上文已经描述了具体实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，而是可以按照若干不同的方式进行修改。例如，如图1中的假想线表示的，可设置从废气净化装置26与第一蒸发器52之间的接合部延伸到第一蒸发器52与排气通道7中的消声器27之间的接合部的旁路通道45。旁路通道45设置有旁路阀46，用于连续地调节经过旁路通道45的废气量。
通过使用设置在旁路通道45中的旁路阀46，可以调节流入第一蒸发器52的废气量。如果流入第一蒸发器52的废气量减少，则离开第一蒸发器52的废气温度可降低。在此情况下，经过废气再循环通道35并进入第二蒸发器55的EGR气体的温度也降低。结果是，温度较低的EGR气体可借助喷射泵54所产生的负压而被供应至发动机主体4。
随着经过旁路通道45的废气量减少，由第一蒸发器52接收的能量也减少，使得喷射泵54产生的负压可降低。随着喷射泵54的负压降低，第二蒸发器55中的介质给出的能量也减少。因此，即使流入第二蒸发器55的EGR气体的温度较低，离开第二蒸发器55的EGR气体的温度也有可能不会充分降低，这是因为EGR气体不能被冷却回路51充分冷却。在这样的情况下，EGR阀36的开度可以增加，而旁路阀46的开度可以减小。
可能存在这样的情况，不仅需要调节EGR阀36的开度，而且还必须调节旁路阀46的开度，以便确保有足够量的EGR气体(这取决于施加到内燃发动机2的负载)。如果EGR阀36的开度和旁路阀46的开度基于系统构造而相关联，则旁路阀46的开度和EGR阀36的开度可相应地通过构造用于冷却回路51的控制单元而以相互协调的方式进行控制。

Claims (5)

1.一种内燃发动机的进气排气系统，所述内燃发动机的进气排气系统包括：
排气通道，所述排气通道连接到发动机主体并且设置有涡轮；
进气通道，所述进气通道连接到所述发动机主体并且设置有由所述涡轮驱动的压缩机；
废气再循环通道，所述废气再循环通道将所述排气通道的位于所述涡轮下游的部分与所述进气通道的位于所述压缩机上游的部分连通；以及
冷却回路，所述冷却回路从经过所述排气通道的废气接收热并且冷却经过所述废气再循环通道的废气；
其中，所述冷却回路包括：
第一蒸发器，所述第一蒸发器设置在所述排气通道的位于所述涡轮下游且位于与所述废气再循环通道接合的接合部上游的那一部分中并且所述第一蒸发器储存借助于从废气接收的热而蒸发的介质；
喷射泵，所述喷射泵使用来自所述第一蒸发器的蒸汽作为驱动流；
冷凝器，所述冷凝器用于冷却并冷凝从所述喷射泵排出的蒸汽并且将冷凝的介质返回至所述第一蒸发器；以及
第二蒸发器，所述第二蒸发器设置在所述废气再循环通道中，以将介质储存在该第二蒸发器中并通过利用所述喷射泵所产生的负压蒸发储存在该第二蒸发器中的所述介质来冷却经过所述废气再循环通道的废气。
2.根据权利要求1所述的内燃发动机的进气排气系统，所述内燃发动机的进气排气系统进一步包括：
喷水装置，所述喷水装置用于将水喷射到所述发动机主体的燃烧室中；以及
供水通道，所述供水通道用于将已被所述第二蒸发器冷却且已在所述废气再循环通道中冷凝的水供应至所述喷水装置。
3.根据权利要求2所述的内燃发动机的进气排气系统，所述内燃发动机的进气排气系统进一步包括设置在所述供水通道中的水箱。
4.根据权利要求1所述的内燃发动机的进气排气系统，所述内燃发动机的进气排气系统进一步包括：
旁路通道，所述旁路通道将所述第一蒸发器的上游端与所述第一蒸发器的下游端连接；以及
旁路阀，所述旁路阀用于调节流过所述第一蒸发器的废气的量。
5.根据权利要求1所述的内燃发动机的进气排气系统，其中，所述冷凝器连接到散热器以冷却所述发动机主体的冷却水。
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