CN110388289A - 用于内燃机的进气加热器系统，用于加热进气的方法以及包括这种系统的车辆 - Google Patents

用于内燃机的进气加热器系统，用于加热进气的方法以及包括这种系统的车辆 Download PDF

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Abstract

一种用于内燃机的进气加热器系统，该系统包括：涡轮增压器、高压EGR导管、低压EGR导管以及进气导管，其中该系统包括布置在涡轮增压器上游的热交换器，其中该热交换器包括将空气入口连接到涡轮增压器的入口的第一流动通道，以及第二流动通道，其中该第二流动通道是高压EGR导管的一部分。本发明的优点是可以通过高压EGR气体加热进气和低压EGR气体，以及可以通过进气冷却高压EGR气体。

Description

用于内燃机的进气加热器系统，用于加热进气的方法以及包 括这种系统的车辆
技术领域
本发明涉及一种用于加热车辆的进气的系统、一种用于加热车辆的进气的方法以及一种包括这种进气加热系统的车辆。
背景技术
包括内燃机的车辆受到多个不同的立法要求和规定。这些要求和规定中的一些指向燃料消耗和排气排放。不同的国家或市场可能具有不同的要求，但大多数包括特定测试周期，该测试周期应给出车辆的燃料消耗和排气排放的指示。在另一个测试中，测量排气排放以便控制车辆的排气后处理系统的效率。减少排气排放的一种方式是使用排气再循环(EGR)，在排气再循环中部分排气再循环到内燃机的进气歧管。再循环的排气的量例如取决于内燃机的负载而被控制。
EGR气体可以是其中直接从排气歧管获取排气的高压(HP)EGR系统或者可以是低压(LP)EGR系统，在低压(LP)EGR系统中，在涡轮增压器之后并且优选地在排气后处理装置之后获取排气。使用HP EGR气体的一个优点是该气体是热的，这允许内燃机的更快预热。一个缺点是HP EGR气体在后处理系统中未被清洁并且从而含有较高水平的污染物。使用LPEGR的一个优点是排气已经在后处理装置(例如催化剂或微粒过滤器)中被清洁。使用LPEGR的一个缺点是在较低环境温度下的湿气，较低环境温度造成湿气在车辆的在涡轮增压器上游的进气系统中冷凝。在较高环境温度下，湿气不是问题。
水的冷凝(例如在进气口内侧)是有问题的，因为在利用LP EGR气体的该加热阶段期间，来自排气的水冷凝并且在进气系统中、在进气冷却器中存在未控制量的水，并且产生撞击涡轮增压器的压缩机叶片的液滴。液滴可能损坏压缩机叶片，并且水可能冻结。
由于伴随水冷凝的问题，在低环境温度下不使用LP EGR气体，并且代替地使用HPEGR气体用于排气再循环。这不是有利的，因为HP EGR气体不像LP EGR气体一样清洁。此外，当使用LP EGR时EGR系统的效率可能更高。通过使用LP EGR，可以改进CO2减少。因此存在对于车辆的改进的EGR系统的空间。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种EGR系统，在该系统中进气被加热。本发明的进一步目的是提供一种包括这种系统的车辆。本发明的进一步目的是提供一种用于加热进气的方法。
在关于系统的权利要求1、关于车辆的权利要求7中和关于方法的权利要求10中的特征部分中描述了根据本发明的对于问题的解决方案。其它权利要求包含本发明系统、车辆和方法的有利的进一步发展。各权利要求还包含用于执行这种方法的计算机程序和计算机程序产品。
在用于内燃机的进气加热器系统中，该系统包括：具有压缩机入口、压缩机出口、涡轮机入口和涡轮机出口的涡轮增压器压缩机；具有连接到涡轮机入口的入口和连接到进气歧管的出口的高压EGR导管；具有连接到涡轮机出口的入口和连接到压缩机入口的出口的低压EGR导管；以及具有连接到压缩机出口的入口和连接到进气歧管的出口的进气导管，本发明的目的被实现是因为：该系统包括布置在压缩机入口上游的热交换器，其中所述热交换器包括将空气入口连接到压缩机入口的第一流动通道，以及第二流动通道，其中所述第二流动通道是高压EGR导管的一部分。
通过用于加热车辆的进气的系统的该第一实施例，通过热交换器加热进气，在该热交换器中HP EGR气体用作热源。同时，HP EGR气体被进气冷却。这样的一个优点是LP EGR气体可用于在较低温度下到车辆的进气口的再循环，因为进气的加热将减少LP EGR气体的水的冷凝。进一步优点是HP EGR气体被进气冷却，这允许更多的HP EGR气体用于在车辆的起动时加热发动机。如果HP EGR气体未被冷却，则其可能超过内燃机的进气歧管处的允许温度。通过使用入口空气来冷却HP EGR气体，有可能用热交换器代替特定的HP EGR气体冷却器。
应该理解，术语“连接”可以指“流体地连接”，例如，低压EGR导管的入口可以被描述为流体地连接到涡轮机出口。
该系统主要适用于在内燃机的起动时并且尤其在低环境温度期间使用。该系统将允许内燃机的更快预热时间并且将进一步允许用于再循环的LP EGR的更快的使用。内燃机的更快预热时间还将给出LP EGR气体的更快预热时间，这将进一步最小化来自LP EGR气体的水的冷凝的问题。当LP EGR导管被打开时HP EGR导管可以被关闭，或者当LP EGR导管被打开时可以减少通过HP EGR导管的流动。
热交换器被布置在车辆的空气入口处，优选地在空气过滤器的下游。热交换器被布置得相对靠近涡轮增压器的压缩机入口。LP EGR气体导管的入口被布置在热交换器的上游，这将允许LP EGR气体与经加热的入口空气混合。这将降低LP EGR气体中水的冷凝的风险。热交换器包括两个流动通道，一个用于入口空气的流动通道和一个用于HP EGR气体的流动通道。热交换器可以是双壁热交换器或者可以包括缠绕第一内流动通道的导管。重要的是热交换器不会限制通过该热交换器的流动。
在进一步的实施例中，排气管路设置有至少一个排气后处理装置，例如催化剂、微粒过滤器或NOx捕集器。后处理装置被布置在涡轮增压器的下游并且LP EGR导管的入口被布置在后处理装置的下游。在这种情况下，LP EGR气体将比HP EGR气体更清洁，并且将进一步更冷。
在用于加热用于车辆中的包括涡轮增压器压缩机的内燃机的进气的方法中，包括以下步骤：在第一流动通道中将来自空气入口的进气引导通过热交换器到达涡轮增压器压缩机的入口，以及通过第二流动通道将高压EGR气体引导通过热交换器到达进气歧管。以这种方式，进气被HP EGR气体加热，这将减少进气中水的冷凝。同时，HP EGR气体将被进气冷却。
在进一步的步骤中，低压EGR气体被引导至涡轮增压器的入口并与进气混合。由于进气被热交换器加热，因此最小化LP EGR气体中水的冷凝的风险。
在进一步的步骤中，当进气已达到预定温度时，高压EGR气体到进气歧管的流动减少或完全停止。优选地在涡轮机入口之前测量进气的温度。在此进气是仅入口空气或者入口空气与LP EGR气体的混合物中的任一种。用于再循环的LP EGR气体的使用是有利的，因为LP EGR气体比HP EGR气体更清洁和更冷。根据一个示例实施例，当进气混合物已达到预定温度时，高压EGR气体到进气歧管的流动减少或完全停止，并且进气系统已被预加热使得当再循环到进气系统中时所允许的使气体混合物再循环的低压排气将不会产生冷凝。
车辆可以包括包含涡轮增压器的柴油内燃机或汽油内燃机。车辆可以单独地由内燃机提供动力，或者可以是混合动力车辆。当车辆被起动并且内燃机的温度低时执行所述方法。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明，其中
图1示出根据本发明的用于加热内燃机的进气的系统的第一实施例，
图2示出包括根据本发明的用于加热内燃机的进气的系统的车辆，以及
图3示出用于加热内燃机的进气的本发明方法的示意性流程图。
具体实施方式
本发明的具有在下面描述的进一步发展的各实施例应仅被视为示例并且决不限制由专利权利要求提供的保护的范围。
图1示出用于加热内燃机的进气的系统的第一实施例，图2示出包括这种用于加热内燃机的进气的系统的车辆，并且图3示出用于加热内燃机的进气的本发明方法的示意性流程图。
进气加热器系统1被布置在车辆中的内燃机处。内燃机可以是柴油发动机或以汽油、天然气或类似物运行的内燃机。内燃机可以是火花点火式内燃机或火花塞控制的压缩发动机。内燃机11设置有适于接收进气并将进气分配到内燃机的入口的进气歧管10。内燃机进一步设置有适于收集和排放内燃机的燃烧气体的排气歧管12。排气歧管的输出被连接到涡轮增压器2的涡轮机入口5。涡轮增压器2适于提高发动机功率输出并减少排放。涡轮增压器2包括驱动安装在同一轴上的压缩机30的排气驱动的涡轮机29。涡轮增压器设置有涡轮机入口5、涡轮机出口6、压缩机入口3和压缩机出口4。压缩机也可以是适于压缩进气的机械或电动压缩机。
在所示示例中，用于内燃机11的进气通过空气入口22进入并经由空气入口管路27通过空气过滤器28。空气在通过压缩机入口3到涡轮增压器2的压缩机30之前通过热交换器19。经压缩的空气通过压缩机出口4离开压缩机并通过具有入口17和出口18的进气管路16。进气管路16可包括配置为改变进入内燃机的空气的质量流量的节气阀26。出口18被连接到进气歧管10。进气歧管10可以设置有适于冷却进气的空气冷却器31。空气冷却器31可以进一步增加进入内燃机的空气的密度，由此提高内燃机的性能。
排气通过排气歧管12离开内燃机11通过涡轮机入口5到达涡轮增压器2的涡轮机29，并且通过涡轮机出口6离开到达排气管路32。一个或更多排气后处理装置23可以被设置在涡轮增压器2的下游，例如以减少来自发动机排气的排放。排气后处理装置可以包括以下中的一个或多个：氧化催化剂(SCR)(例如柴油氧化催化剂)、微粒过滤器(DPF)(例如柴油微粒过滤器)或NOx吸收器(例如稀薄NOx捕集器(LNT))。
内燃机进一步设置有高压排气再循环(HP EGR)系统，该系统包括具有入口8和出口9的HP EGR导管7，入口8被连接到涡轮机入口5，或者被连接到排气歧管12的出口(或者被连接到排气歧管12的下游和涡轮机入口5的上游的一点处)，并且出口9被连接到进气歧管10。HP EGR被配置为选择性地将直接来自内燃机的排气再循环回到该内燃机中。HP EGR导管7设置有适于控制再循环的排气的量的HP EGR阀24。
内燃机进一步包括低压排气再循环(LP EGR)系统，该系统包括具有入口14和出口15的LP EGR导管13，入口14被连接在涡轮机出口6侧(在图1中，入口14被布置在一个或更多排气后处理装置23的下游)，并且出口15被连接到压缩机入口3(或者被连接到热交换器19的下游和压缩机入口3的上游的点)。LP EGR被配置为选择性地将来自内燃机的排气再循环回到该内燃机中。LP EGR导管13设置有适于控制再循环的排气的量的LP EGR阀25。
LP EGR被连接到在涡轮增压器2的下游侧处的排气系统使得离开涡轮机的排气可以被再循环到压缩机入口3中，并且LP EGR导管的入口14可以被连接到排气系统，在排气后处理装置23的上游或下游之一。将LP EGR导管连接在排气后处理装置的下游是有利的，因为在此排气将是更清洁的。此外，与涡轮增压器上游的排气相比，排气在涡轮增压器之后将具有更低的压力并且还具有更低的温度。
进气加热器系统1设置有包括第一流动通道20和第二流动通道21的热交换器19。热交换器被布置在空气入口管路27中，在压缩机入口3的上游和LP EGR导管13的出口15的上游。第一流动通道20是空气入口管路27的一部分并且将来自空气入口22的空气引导至压缩机入口3。第一流动通道的面积优选地与空气入口管路的面积相同使得热交换器不会限制通过空气入口管路的空气流动。第二流动通道21是HP EGR导管16的一部分并且适于将热量从HP EGR气体传递到入口空气。一个目的是加热入口空气并且另一个目的是冷却HP EGR气体流动。通过加热入口空气，LP EGR气体将与较暖的空气混合，这将降低冷凝的风险。同时，HP EGR气体被冷却，这意味着专用HP EGR冷却器不是必需的。
第二流动通道21可以以不同方式设计。在一个示例中，热交换器设置有双壁，在这种情况下HP EGR气体在围绕内流动通道的外通道中运行。在另一个示例中，HP EGR气体在缠绕第一流动通道的导管中运行。由于HP EGR气体未被清洁，因此使第二流动通道相对较大使得流动通道不会堵塞是有利的。
所示系统包括两个EGR回路。排气再循环用于控制来自内燃机的排放。通过将排气再循环到进气歧管，可减少过量的碳酸盐和污染物。EGR可直接作为HP EGR，即排气直接从发动机排气歧管获取，或者EGR可作为LP EGR在排气系统的进一步下游采用。HP EGR向进气歧管提供较热的排气，但是排气还包括较高水平的污染物，因为排气未通过催化剂、微粒过滤器或其它排气后处理装置。由于排气已通过后处理装置，所以LP EGR较清洁，并且较冷且具有较低的压力。
具有热的、高压无清洁气体的HP EGR对于在寒冷条件下以及当启动车辆时燃烧系统的加热是有益的。一旦燃烧和排气后处理系统已经预热，则具有较冷的、经清洁的气体的LP EGR对于在驾驶时的最佳转换和燃料消耗是有益的。HP EGR的一个缺点是由于由烟灰沉积物的堵塞造成的问题，没有经清洁的气体从质量的观点来看是具有挑战性的。同时，必须冷却HP EGR以便满足发动机进气歧管温度边界。LP EGR的一个缺点是较冷的经清洁的气体含有更多的湿气，所述湿气可能在空气入口处冷凝。然后水滴可能进入压缩机并且可能损坏以高速旋转的压缩机翼。在寒冷温下，水还可能冻结。尽可能多使用LP EGR来减少CO2是有利的。在寒冷环境条件下，由于冷凝和结冰的风险，LP EGR的使用受到限制。
在本发明系统中，为了允许LP EGR的增加的使用，HP EGR气体用于加热入口空气。这将降低LP EGR气体冷凝的风险。在传统系统中，LP EGR和新鲜入口空气系统未被预加热，并且一旦LP EGR管道打开用于排气的再循环，则系统仅由LP EGR气体预热。在加热阶段期间，来自排气冷凝的水并且不受控制量的水存在于进气系统中并产生撞击压缩机叶片的液滴。
当车辆启动并且内燃机的温度较低时，HP EGR导管用于将热燃烧气体引导到进气歧管。热的气体将有助于加热内燃机使得内燃机将尽可能快地达到其工作温度。同时，入口空气被热交换器19加热。当内燃机和排气系统(例如后处理装置)正在预热时，通过稍微关闭HP EGR阀24并且同时稍微打开LP EGR阀25可减少HP EGR气体的量以便使用LP EGR气体用于排气再循环。LP EGR气体被热交换器19预热，由此降低水冷凝的风险。当内燃机加热更多时，可以进一步调节HP EGR气体与LP EGR气体之间的关系，使得使用更多的LP EGR气体。当排气系统已达到其标称工作温度时，LP EGR气体将是温暖的并且可以再循环而无需额外的加热。使用一些HP EGR用于排气再循环可能仍是有利的，例如，以便减少瞬态发动机性能下的NOx冲击。现在可以控制HP EGR阀以添加期望量的HP EGR气体，或者可以完全关闭HPEGR阀，这取决于实际驾驶条件。在正常驾驶条件下，使用尽可能多的LP EGR气体是有利的。
图2中所示的车辆40包括内燃机11以及图1的进气加热系统(其在此不再次描述，并且仅示出其一些部件)，该内燃机11可以是柴油发动机、汽油发动机或者使用液化天然气或压缩天然气的发动机。该车辆可以单独由内燃机提供动力，或者可以是混合动力车辆。内燃机包括布置在车辆的空气入口处的进气加热器系统1。
图3示出用于加热车辆40的进气的方法的示意性流程图。该方法在车辆的启动时、在驾驶机制的开始时执行。在发动机的启动期间，可以监测车辆的不同参数以便确定车辆的各种部件的状态。内燃机的工作温度是一个重要参数。例如催化剂的温度也是重要的，并且微粒过滤器的状态可能是重要的。各参数可以被测量或者可以从车辆的其它测量来估计。
各方法步骤优选地由计算机程序和容纳在车辆的电子控制单元中并在车辆的电子控制单元中运行的计算机程序产品执行。
在步骤100中，启动内燃机。HP EGR阀24被打开，这将热的排气引导至内燃机的进气歧管。LP EGR阀25被关闭。
在步骤110中，内燃机正在运行。确定内燃机的状态以便确定何时达到内燃机的工作温度。这可以例如通过测量内燃机的温度或负载参数完成。这由车辆的电子控制单元执行。还有可能确定后处理装置的状态。
在步骤120中，确定内燃机正在预热并且未达到内燃机的工作温度。从而HP EGR阀被稍微关闭，限制到进气歧管的HP EGR气体的量。同时，LP EGR被阀稍微打开，向进气歧管添加LP EGR气体。取决于所确定的内燃机的状态，平衡HP EGR和LP EGR的量，例如通过使用预定义的表。
在步骤130中，确定达到内燃机的工作温度。通过调节HP EGR阀和LP EGR阀来控制HP EGR气体和LP EGR气体的量。HP EGR阀可以被部分或完全关闭，LP EGR阀被或多或少地打开并且取决于内燃机的负载条件来调节LP EGR气体与HP EGR气体的量之间的平衡。
本发明不应被视为限于上述各实施例，在随后专利权利要求的范围内许多另外的变型和修改是可能的。
附图标记
1：系统
2：涡轮增压器
3：压缩机入口
4：压缩机出口
5：涡轮机入口
6：涡轮机出口
7：高压EGR导管
8：入口
9：出口
10：进气歧管
11：内燃机
12：排气歧管
13：低压EGR导管
14：入口
15：出口
16：进气导管
17：入口
18：出口
19：热交换器
20：第一流动通道
21：第二流动通道
22：空气入口
23：后处理装置
24：HP EGR阀
25：LP EGR阀
26：进气阀
27：空气入口管路
28：空气过滤器
29：涡轮机
30：压缩机
31：空气冷却器
32：排气管路
40：车辆

Claims (14)

1.一种用于内燃机的进气加热器系统(1)，所述系统(1)包括：具有压缩机入口(3)、压缩机出口(4)、涡轮机入口(5)和涡轮机出口(6)的涡轮增压器(2)；具有连接到所述涡轮机入口(5)的入口(8)和连接到进气歧管(10)的出口(9)的高压EGR导管(7)；具有连接到所述涡轮机出口(6)的入口(14)和连接到所述压缩机入口(3)的出口(15)的低压EGR导管(13)；以及具有连接到所述压缩机出口(4)的入口(17)和连接到所述进气歧管(10)的出口(18)的进气导管(16)，其中所述系统(1)包括布置在所述压缩机入口(3)的上游的热交换器(19)，其中所述热交换器(19)包括将空气入口(22)连接到所述压缩机入口(3)的第一流动通道(20)，以及第二流动通道(21)，其中所述第二流动通道(21)是所述高压EGR导管(7)的一部分。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述低压EGR导管(13)的所述入口(14)被布置在后处理装置(23)的下游，所述后处理装置(23)被布置在所述内燃机的下游。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述低压EGR导管(13)设置有阀(25)，所述阀(25)能在打开与关闭状态之间被连续地控制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述高压EGR导管(7)设置有阀(24)，所述阀(24)能在打开与关闭状态之间被连续地控制。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中所述进气导管(16)设置有阀(26)，所述阀(26)能在打开与关闭状态之间被连续地控制。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述低压EGR导管(13)的所述出口(15)被布置在所述热交换器(19)的下游。
7.车辆(40)，其包括根据权利要求1至6中任一项所述的系统。
8.根据权利要求7所述的车辆，其中所述车辆(40)进一步包括布置在所述涡轮增压器(2)的下游的至少一个排气后处理装置(23)。
9.根据权利要求8所述的车辆，其中所述排气后处理装置是催化转化器(23)。
10.一种用于加热包括涡轮增压器的内燃机中的进气的方法，所述方法包括以下步骤：
-在第一流动通道中将来自空气入口的入口空气引导通过热交换器到达所述涡轮增压器的入口，
-通过第二流动通道将高压EGR气体引导通过所述热交换器到达进气歧管。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括将低压EGR气体引导至所述涡轮增压器的入口的步骤。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述方法包括当进气混合物已达到预定温度时部分地或完全地关闭所述高压EGR气体到所述进气歧管的流动的步骤。
13.一种计算机程序，其包括用于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求10-12中任一项的所有步骤的程序代码工具。
14.一种计算机程序产品，其包括存储在计算机可读介质上的用于当所述程序产品在计算机上运行时执行权利要求10-12中任一项的所有步骤的程序代码工具。
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