CN110566353A - 带有减少的冷凝物形成的排气再循环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及带有减少的冷凝物形成的排气再循环。描述了一种用于操作具有包括涡轮机(12)和压缩机(13)的机械增压器(11)并且具有用于排气再循环的装置的燃烧式发动机(10)的方法，其中，在排气再循环期间，由燃烧式发动机排出的排气流过涡轮机(12)，与涡轮机(12)下游的空气混合并且被供应(41)到压缩机(13)。该方法包括以下步骤：‑排气‑空气混合物的温度、压力和湿度在压缩机上游被确定(42)，‑排气‑空气混合物的最大湿度根据压力针对确定的温度被建立(43)，并且‑如果排气‑空气混合物的确定的湿度高于建立的最大湿度(44)，则压缩机上游的排气‑空气混合物的压力降低(46)至确定的湿度高于最大湿度(45)的压力。

Description

带有减少的冷凝物形成的排气再循环
技术领域
本发明涉及一种用于操作具有排气再循环的燃烧式发动机的方法和装置。本发明还涉及一种机动车辆。
背景技术
现代柴油发动机使用高效的低压排气再循环系统来减少内燃发动机排出的排气中的一氧化氮。特别是为了满足未来的法律法规，有必要在发动机的整个运行范围内并考虑尽可能广的环境条件范围(例如在高达1300米的海拔高度下运行)实现尽可能低的排放水平。与高压排气再循环系统相比，低压排气再循环系统可以更好地补偿在较高海拔高度处的功率损失。同时，外部温度随着达到较高的海拔高度而下降。
海平面或较大的海拔高度处的低外部温度存在再循环排气和新鲜空气的混合物中含有的水将在压缩机上游冷凝的风险。当来自压缩机的冷凝物或液滴与排气-空气混合物一起吸入时，这会导致对压缩机的损坏，特别是对压缩机叶片的损坏，以及压缩机的完全故障。
为了避免冷凝，低压排气再循环操作通常在低外部温度下被停用。例如，在文献US2004/0006978 A1中描述了诸如此类的方法。此外，冷凝风险的监测也在文献US 9,309,837B2中进行描述。
发明内容
针对所描述的背景技术，本发明所解决的问题是提供一种用于操作具有排气再循环的燃烧式发动机的方法和装置，其降低了上述冷凝风险并允许排气再循环系统(特别是低压排气再循环系统)在宽温度范围内的操作。
这些问题通过如权利要求1所述的用于操作燃烧式发动机的方法，通过如权利要求9所述的用于操作燃烧式发动机的装置和如权利要求15所述的机动车辆来解决。从属权利要求包含本发明的进一步有利实施例。
根据本发明的用于操作燃烧式发动机的方法，特别是用于操作内燃发动机的方法包括机械增压器。机械增压器包括涡轮机和压缩机。燃烧式发动机还配备有用于排气再循环的装置，其中，在排气再循环期间，由燃烧式发动机排出的排气流过涡轮机，与涡轮机下游的空气混合并被供应到压缩机。
根据本发明的方法包括以下步骤：排气-空气混合物的温度、压力和湿度在压缩机上游被确定(例如被测量)。根据压力针对所确定的温度建立排气-空气混合物的最大湿度，例如绝对湿度或相对湿度。如果排气-空气混合物的确定的湿度高于建立的最大湿度，则压缩机上游的排气-空气混合物的压力降低到确定的湿度高于最大湿度的压力。根据本发明的方法提供的优点是，由于压缩机上游的压力降低，可以在宽温度范围内以及特别是在较高的海拔高度下操作排气再循环，特别是低压排气再循环。
当排气-空气混合物的相对湿度超过时，压缩机上游和/或压缩机前方发生冷凝。换句话说，当已经超过相应的饱和曲线时，发生上述冷凝。例如，饱和曲线在图1中被示出为针对排气-空气混合物的各种压力随温度的变化。排气和空气混合在一起的范围内的降低的压力减少或完全防止在压缩机前方和/或上游的冷凝的形成。这意味着当压力降低时，饱和曲线在相同温度下转变为可吸收水的较高值。其示例在图2中示出。换句话说，气体混合物的冷凝温度在降低的压力下降低。
在优选的变型中，借助于用于降低压力的装置在压缩机的上游减少排气-空气混合物。特别地，排气-空气混合物的压力可以通过文丘里阀在压缩机的上游降低。这具有以下优点：可以以技术上简单的方式实现排气和空气混合在一起的范围内的压力降低。
优选地，用于排气再循环的装置包括排气再循环流动通道和空气供应流动通道，它们通过分支彼此流体地连接。这里的文丘里阀优选地布置在分支上或形成分支。
在进一步的变型中，排气-空气混合物的压力借助于至少一个可控阀，特别是借助于可调节阀在压缩机的上游降低。这里，用于排气再循环的装置可包括排气再循环流动通道和空气供应流动通道。至少一个可控阀可以布置在例如排气再循环通道和/或空气供应流动通道中。在一个优选的变型中，用于排气再循环的装置包括可控排气再循环阀和可控空气供应阀，所述可控排气再循环阀布置在排气再循环流动通道中，所述可控空气供应阀布置在空气供应流动通道中。该变型还提供了这样的优点，即压缩机上游的压力可以通过技术上简单的手段被降低，以便防止冷凝物形成。
例如，可以借助于温度相关湿度曲线和压力相关湿度曲线(饱和曲线)或通过查询适当的表格来确定最大湿度。所使用的曲线或表格可以被预先建立，并允许快速确定针对相应温度和主导压力的最大湿度。
在另一种变型中，排气-空气混合物的压力可以在燃烧式发动机正启动的同时降低。由于在燃烧式发动机启动期间的排气和空气温度通常低于燃烧式发动机的预热阶段之后和/或布置在燃烧式发动机下游的排气后处理装置的预热阶段之后的温度，在启动期间存在显著的冷凝流体发生风险。
根据本发明的用于操作燃烧式发动机的装置具有：机械增压器，其包括涡轮机和压缩机；用于排气再循环的装置；用于确定温度的装置；用于确定压力的装置和用于确定压缩机上游的排气-空气混合物的湿度的装置。装置的特征在于，它包括用于降低压缩机上游的排气-空气混合物的压力的装置和控制装置，该控制装置经配置执行先前已描述的根据本发明的方法。根据本发明的装置具有与上述根据本发明的方法相同的特征。
特别地，用于排气再循环的装置可包括排气再循环流动通道和空气供应流动通道，它们通过分支彼此流体地连接。用于降低排气-空气混合物的压力的装置优选地包括文丘里阀，其设置在分支上或形成分支。附加地或替代地，用于降低排气-空气混合物的压力的装置可以具有至少一个可控阀，特别是可调节阀，其布置在分支的上游。例如，至少一个阀可以是布置在空气供应流动通道中的空气供应阀。附加地或替代地，至少一个阀可以被配置为排气供应阀，其布置在排气供应流动通道中。在一个特别有利的变型中，可控制的、特别是可调节的空气供应阀布置在空气供应流动通道中，并且可控制的、特别是可调节的排气供应阀布置在排气供应流动通道中。借助于这两个阀，压缩机上游的压力可以以有效且简单的方式被控制，特别是被调节。
燃烧式发动机优选为内燃发动机。然而，它也可以是发电机。
优选地，用于排气再循环的装置经设计用于低压排气再循环。本发明有利地尤其与低压排气再循环系统有关，因为它还允许低压排气再循环在低温和较大的海拔高度下操作。
根据本发明的机动车辆包括根据本发明的用于操作燃烧式发动机(特别是用于操作内燃发动机)的前述装置。根据本发明的机动车辆提供了上面已经描述的特征和优点。所述机动车辆可以是客车、商用车辆或摩托车。
在下文中，将参考附图基于示例性实施例更详细地解释本发明。尽管通过优选的示例性实施例更详细地说明和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下得出其他变型。
附图说明
图1示意性地示出了湿度饱和曲线被表示为针对各种压力随温度的变化的图形。
图2示意性地示出了具有进一步的说明的根据图1的图形。
图3示意性地示出了根据本发明的用于操作燃烧式发动机的装置的第一变型。
图4示意性地示出了根据本发明的用于操作燃烧式发动机的装置的第二变型。
图5示意性地示出了根据本发明的机动车辆。
图6以流程图的形式示意性地示出了根据本发明的方法。
具体实施方式
图1示意性地示出了湿度饱和曲线被表示为针对各种压力随温度的变化的图形。以千克水/千克干排气-空气混合物为单位在x轴线上绘制湿度。以摄氏度(℃)为单位在y轴线上绘制温度T。曲线1表示针对0.75巴压力的排气-空气混合物的饱和曲线。换句话说，它表征在0.75巴下的排气-空气混合物的相对湿度。曲线2表征针对0.9巴压力下的排气-空气混合物的饱和曲线。曲线3表征1.0巴压力下的排气-空气混合物的饱和曲线。进一步的饱和曲线用附图标记5说明性地表示。箭头4表示饱和曲线3发生冷凝的区域。因此，如果温度沿箭头4的方向减小或者如果湿度沿箭头4的方向增加，发生冷凝。
图2示意性地示出了根据图1的图形，其中为了简单起见未绘制曲线2。例如，如果温度T是20℃并且压力是1.0巴，那么排气-空气混合物的状态位于图形的点6处，即在饱和曲线上。因此，在这些工况下不会发生冷凝。但是，如果环境温度下降，例如降至15℃，则在排气-空气混合物的压力为1.0巴时发生冷凝，因为该状态随后位于点7处，即在冷凝范围内。用ΔT表示温差。当排气-空气混合物中的湿度(即水含量)增加时，例如Δ水，同样适用。在这种情况下，也在20℃的环境温度和1.0巴的压力下发生冷凝。在这种情况下，排气-空气混合物的状态用附图标记8表示。
如果在两个变型中压力降低，即当排气-空气混合物的温度T下降时，例如由环境温度降低引起，或者当排气-空气混合物的湿度上升时，例如由排气再循环率的增加引起——在本示例中它降低到最大值0.75巴——则示例性示出的状态7和8位于饱和曲线上，结果是不发生冷凝。因此，在所述条件下可以进行排气再循环，特别是低压排气再循环。
图3示出了根据本发明的用于操作燃烧式发动机(例如内燃发动机)的装置的第一变型。装置40包括内燃发动机10和与其连接的机械增压器11。机械增压器11包括涡轮机12和压缩机13。燃料通过流动通道14被传导到内燃机发动机10并在那里燃烧，产生的排气通过流动通道15被传导到涡轮机12。在离开涡轮机12后，排气流过流动通道16到达排气后处理装置17。
排气后处理装置17可以例如包括柴油氧化催化转化器18和/或柴油微粒过滤器19或另一个排气后处理装置。离开排气后处理装置17的排气或者通过流动通道20排出或者通过流动通道21再循环。排气通过流动通道21被传导到低压排气再循环冷却器22。低压排气再循环阀23布置在冷却器22的下游。该阀23优选地是可控制的，特别是可调节的。
排气再循环流动通道21在分支25处流体地流入空气供应流动通道24。环境空气经由空气供应流动通道24被吸入。在所示的变型中，空气供应流动通道24具有空气供应阀26，其被配置为可控制的，特别是可调节的。可以使用组合阀代替阀23和26。
再循环的排气在分支25下游的区域28中与吸入的空气混合。在该混合区域28中发生冷凝的风险特别高。这用附图标记27表示。流动通道的分支25和混合区域28布置在压缩机13的下游。在流动通道区域28中产生的排气-空气混合物由压缩机13吸入并在其中压缩。离开压缩机13的排气-空气混合物经由流动通道30再循环通过中间冷却器31到达内燃发动机10。
可选地，高压排气再循环通道32可布置在流动通道15和流动通道30之间。该流动通道32优选地具有高压排气再循环阀33。
装置40还具有用于确定流动通道28附近的排气-空气混合物的温度36的装置、用于确定在流动通道28中的排气-空气混合物的压力37的装置以及用于确定在流动通道28附近的湿度38的装置。这些值也可以通过合适的计算模型来确定。
为了防止压缩机13上游的冷凝，所示的变型中的排气-空气混合物的压力根据其温度和湿度足够低于由相应的饱和曲线建立的最大湿度而通过阀门23和26降低。在这种情况下，最大湿度可以针对每个温度和每个压力基于饱和曲线(如图1和图2中的示例所示)单独确定(例如，扫描或计算)。
图4示出了根据本发明的用于操作燃烧式发动机40的装置的另一变型。除了图3所示的变型之外，文丘里阀35布置在分支25上。换句话说，文丘里阀35形成分支25。其在混合区域28中产生负压。
图5示意性地示出了根据本发明的机动车辆50。根据本发明的机动车辆包括根据本发明的先前描述的装置40。
图6以流程图的形式示意性地示出了根据本发明的方法的变型。在步骤41中，排气与涡轮机上游的空气混合并供应到压缩机13。在步骤42中，确定(例如，测量)压缩机13的上游28的排气-空气混合物的温度、压力和湿度。在步骤43中，针对步骤42中建立的温度根据压力建立排气-空气混合物的最大湿度，例如绝对最大湿度或相对最大湿度。例如，这可以借助于饱和曲线进行，如图1和图2中特别示出的那样。
在步骤44中，将步骤42中确定的湿度与步骤43中建立的最大湿度进行比较。如果确定的湿度低于最大湿度，则在步骤42继续该方法。如果确定的湿度高于最大湿度，则在步骤45中，确定最大压力，针对最大压力确定的湿度低于在确定的温度和确定的湿度下的最大湿度。这可以使用在步骤43中识别的数据发生。随后，在步骤46中，压缩机13上游的排气-空气混合物的压力降低到不大于在步骤45中确定的最大压力的压力。
附图标记列表
1 在0.75巴下的饱和曲线，
2 在0.9巴下的饱和曲线
3 在1.0巴下的饱和曲线
4 冷凝范围
5 在高于1.0巴下的饱和曲线
6 在20℃和1.0巴下的排气-空气混合物的状态
7 在15℃和0.75巴下的排气-空气混合物的状态
8 在20℃和0.75巴下的排气-空气混合物的状态
10 内燃发动机
11 机械增压器
12 涡轮机
13 压缩机
14 流动通道
15 流动通道
16 流动通道
17 排气后处理装置
18 柴油氧化催化转化器
19 柴油微粒过滤器
20 流动通道
21 流动通道
22 低压排气再循环冷却器
23 低压排气再循环阀
24 空气供应流动通道
25 分支
26 空气供应阀
27 冷凝风险
28 混合区域
30 流动通道
31 中间冷却器
32 高压排气再循环通道
33 高压排气再循环阀
35 文丘里阀
36 用于确定温度的装置
37 用于确定压力的装置
38 用于确定湿度的装置
40 用于操作燃烧式发动机的装置
41 排气和空气的混合
42 确定排气-空气混合物的温度、压力和湿度
43 确定最大湿度
44 确定的湿度高于最大湿度？
45 针对确定的湿度和确定的温度确定最大压力
46 将压力降低到不超过最大压力的压力
50 机动车辆
T 温度
ΔT 温差
Δ水 冷凝物形成

Claims (15)

1.一种用于操作燃烧式发动机(10)的方法，所述燃烧式发动机(10)具有包括涡轮机(12)和压缩机(13)的机械增压器(11)，并且具有用于排气再循环的装置，其中，在所述排气再循环期间，由所述燃烧式发动机排出的排气流过所述涡轮机(12)，与所述涡轮机(12)下游的空气混合并且被供应(41)到所述压缩机(13)，
其中
-排气-空气混合物的温度、压力和湿度在所述压缩机上游被确定(42)，
-所述排气-空气混合物的最大湿度根据所述压力针对确定的温度被建立(43)，并且
-如果所述排气-空气混合物的确定的湿度高于建立的最大湿度(44)，则所述压缩机上游的所述排气-空气混合物的所述压力降低(46)至所述确定的湿度高于所述最大湿度(45)的压力。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中
所述排气-空气混合物的所述压力通过用于降低所述压力的装置(23、26、35)在所述压缩机(13)上游降低。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中
所述排气-空气混合物的所述压力通过文丘里阀(35)在所述压缩机(13)上游降低。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中
用于排气再循环的所述装置包括排气再循环流动通道(21)和空气供应流动通道(24)，所述排气再循环流动通道(21)和所述空气供应流动通道(24)经由分支(25)流体地连接到彼此，其中所述文丘里阀(35)被布置在所述分支(25)上。
5.根据权利要求1至4中一项所述的方法，
其中
所述排气-空气混合物的所述压力通过至少一个可控阀(23、26)在所述压缩机(13)上游降低。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中
用于排气再循环的所述装置包括排气再循环流动通道(21)和空气供应流动通道(24)，并且所述至少一个可控阀被布置在所述排气再循环流动通道(23)上和/或在所述空气供应流动通道(26)上。
7.根据权利要求1至6中一项所述的方法，
其中
所述最大湿度通过温度相关湿度曲线和压力相关湿度曲线(1、2、3、5)或通过查询表格被确定。
8.根据权利要求1至7中一项所述的方法，
其中
在所述燃烧式发动机(10)正启动的同时，所述排气-空气混合物的所述压力降低。
9.一种用于操作燃烧式发动机(10)的装置，所述燃烧式发动机(10)具有包括涡轮机(12)和压缩机(13)的机械增压器(11)、用于排气再循环的装置、用于确定温度(36)的装置、用于确定压力(37)的装置和用于确定所述压缩器(13)上游的排气-空气混合物的湿度(38)的装置，
其中
所述装置包括用于降低所述压缩器(13)上游的所述排气-空气混合物的压力(23、26、35)的装置和被配置为执行根据权利要求1至8中一项所述的方法的控制装置。
10.根据权利要求9所述的装置，
其中
用于排气再循环的所述装置包括排气再循环流动通道(21)和空气供应流动通道(24)，所述排气再循环流动通道(21)和所述空气供应流动通道(24)经由分支(25)流体地连接到彼此，并且用于降低所述排气-空气混合物的所述压力的所述装置具有设置在所述分支(25)上的文丘里阀(35)。
11.根据权利要求9或10所述的装置，
其中
用于排气再循环的所述装置包括排气再循环流动通道(21)和空气供应流动通道(24)，所述排气再循环流动通道(21)和所述空气供应流动通道(24)经由分支(25)流体地连接到彼此，并且用于降低所述排气-空气混合物的所述压力的所述装置具有布置在所述分支(25)上游的至少一个可控阀(23、26)。
12.根据权利要求11所述的装置，
其中
用于降低所述排气-空气混合物的所述压力的所述装置包括空气供应阀(26)和/或排气供应阀(23)。
13.根据权利要求1至8中一项所述的方法或根据权利要求9至12中一项所述的装置，
其中
所述燃烧式发动机(10)是内燃发动机。
14.根据权利要求1至8或13中一项所述的方法或根据权利要求8至13中一项所述的装置，
其中
用于排气再循环的所述装置经设计用于低压排气再循环。
15.一种机动车辆(50)，其包括用于操作根据权利要求9至14中任一项所述的燃烧式发动机的装置(40)。
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