CN1635270A - 排气再循环气体冷却机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种排气再循环气体冷却装置，它能有效地防止煤烟和冷凝液附着在排气再循环气体的流通通道上，并且能很方便地除掉已经附着的煤烟。此外，它还把由于煤烟而使传热管的传热效率的降低限制在最小限度内，使排气再循环气体与致冷剂之间的热交换能高效率地进行。这种排气再循环气体冷却装置的结构是，在一端设有排气再循环气体的流入口6，另一端设有排气再循环气体的排出口7，并且在内部形成排气再循环气体的流通通道2的壳体管道3上，形成了把沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体的导入通道10和导出通道11连接起来的换热部分5。

Description

排气再循环气体冷却机构

技术领域

本发明涉及在排气再循环(EGR)气体与致冷剂液体之间进行热交换时，防止在冷却排气再循环气体用的排气再循环气体冷却机构中，附着煤烟和凝结冷凝液的排气再循环气体冷却机构。

背景技术

以往，在汽车的发动机之类的机器中，在汽油发动机、柴油发动机中一直在使用排气再循环系统，它把一部分排出的废气从排气系统中取出来，让它再回到发动机的进气系统，加入到混合气和吸进的空气中。在排气再循环系统中，特别是在柴油发动机的高排气再循环率的自然排气再循环系统中，为了在减少废气中的NOx，防止增加燃料费用的同时，防止由于温度额外的上升而使排气再循环阀的功能下降并降低寿命，设置了使用冷却水、冷风、车用空调机用的致冷剂，或者其他致冷剂的，用以冷却温度很高的排气再循环气体的排气再循环气体冷却装置。

这种排气再循环气体冷却装置，在其换热部分中布置了能让排气再循环气体在其内部流通的许多根细直径的传热管和传热板，借助于使上述适当的致冷剂液体沿着该传热部分的外圆周流动，通过传热管和传热板在排气再循环气体与冷却液体之间进行热交换，使排气再循环气体冷却。

作为在上述装置中使用的传热管，已经在特开平11-108578号公报中所记载的发明，和在特开2001-227413号公报所记载的发明中公知了。这些已经公知的传热管，由于其内圆周表面是光滑的，在其内部流通的排气再循环气体的流动几乎不受到阻力，所以排气再循环气体中所含有的煤烟很容易堆积在传热管的内表面上。此外，在排气再循环气体的量少，交换的热量也少的情况下，以及因为是冬季等情况，装置处于很冷的场合下，会发生传热表面的表面温度过于低的情况。

由于这种低温化，排气再循环气体中的水蒸气和未燃烧的气体，硫酸水，碳化氢等等，便凝结成为液体，在传热管的内表面上析出，而上述煤烟则溶解在这些液体中，很容易在传热管的内表面上形成粒子的视密度很高，有粘附性的潮湿的煤烟层。由于以上的原因，使得堆积在传热管和传热板的内表面上的煤烟产生了绝热作用，降低了排气再循环气体与致冷剂之间的热交换效率，以至很遗憾地损害了传热面的传热性能。此外，当冷凝液体析出并附着在传热管的内表面上时，还很容易使传热管等结构零件产生腐蚀。

为此，曾经采用了各种手段，作为从传热面的内表面上除掉煤烟的方法，例如，在传热面的内表面上涂敷氟类树脂等低能量涂料，以防止煤烟的堆积；设计这样一种传热面的流道系统，以加速排气再循环气体的流速，以便能利用排气再循环气体流动的动力把煤烟吹散；用刷子之类的工具刷掉堆积起来的煤烟；以及使用清洗液把煤烟冲洗掉等等。

可是，在涂敷上述低能量涂料的传热面上，热量的传导率减小了，换热效率降低了，会损害换热器的功能，而且，还有耐热性能方面的问题。此外，使用把煤烟吹掉的方法，排气再循环气体就必须有极高的流动速度，才能具有吹掉煤烟的良好效果，而这样做损失的压力很大，在目前的自然排气再循环系统中使用很不理想。此外，用刷子之类把煤烟刷掉的方法，要把刷子的结构组装到装置里去，这是很困难的，而且还存在可靠性的问题。用手动的方法把煤烟刷下来，不仅很费事，还必须停止传热管和传热板的冷却工作，是一种作业效率非常低的方法。此外，使用清洗液的方法，也和用刷子的方法一样，不仅有组装的困难，还有是否有可能把清洗液送到燃烧室内去的问题，根据所选择的清洗液的种类不同，有可能对发动机的燃烧造成障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种能解决以上问题的排气再循环气体的冷却机构，它具有很高的防止煤烟堆积在传热管和传热板之类的排气再循环气体的流通通道上的效果，并且，即使在流通通道的内表面上暂时堆积了一些煤烟，也能很容易地将其从流通通道的内表面上除掉。其结果是，由于煤烟而使流通通道的传热效率降低的程度降低到最低限度，从而能有效地提高在流通通道内流动的排气再循环气体与在流通通道外圆周流动的致冷剂液体之间的热交换效率。此外，由于能够防止在传热管的内表面上凝结冷凝液，所以传热管等结构部件就不会受到腐蚀，能获得很长的寿命和很高的可靠性。

为解决以上所说的问题，本发明中的第一项发明是一种排气再循环气体冷却机构，它在一端设有排气再循环气体的流入口，在另一端设有排气再循环气体的排出口，并且，在内部形成排气再循环气体的流通通道的壳体管道中，形成了把用于冷却排气再循环气体的致冷剂液体的导入通道和导出通道连接起来的换热部分，其特征在于，通过向换热部分供应沸点在150℃以上的高沸点传热流体作为致冷剂液体，使排气再循环气体的流通通道的内表面温度升高，以防止在排气再循环气体的流通通道的内表面上附着煤烟和/或凝结冷凝液。

此外，第二项发明是一种排气再循环气体冷却机构，它在一端设有排气再循环气体的流入口，在另一端设有排气再循环气体的排出口，并且，在内部形成排气再循环气体的流通通道的壳体管道中，形成了把用于冷却排气再循环气体的致冷剂液体的导入通道和导出通道连接起来的换热部分，其特征在于，在通过向换热部分供应沸点在150℃以上的高沸点的传热流体作为致冷剂液体的流通通道上，设置控制致冷剂液体的供应的控制部分。

此外，上述控制部分是由设置在致冷剂液体的导入通道上的循环泵和控制阀构成的，借助于这台循环泵流量的增减和/或控制阀的开关，就能控制供应给换热部分的致冷剂液体的供应量。

此外，上述控制部分可以通过排气再循环气体的流通通道的表面温度和/或致冷剂液体的出口温度和/或排气再循环气体的出口温度，来控制供应给换热部分的致冷剂液体的供应量。

此外，排气再循环气体流通通道的内表面温度的升高，可以在120℃～150℃的范围内。

本发明就是按照上述那样构成的排气再循环气体冷却机构。如上所述，附着在传热管和传热板等排气再循环气体的流通通道的内表面上的煤烟的体积，要受到传热面表面温度很大的影响，流通通道的表面温度越低，煤烟就堆积得越多。更进一步，在流通通道的表面温度低的情况下，由于废气中的水蒸气、未燃烧的气体、硫酸水、碳化氢等等冷凝成为液体，在流通通道的内圆周表面上析出，而上述煤烟便溶解在这些液体内，在流通通道的内表面上形成了粒子的视密度很高的，有粘附性的潮湿的煤烟层，这是一种很难剥离和吹掉的东西。这种潮湿的煤烟层，就成了使流通通道的热传导率降低，换热部分中的换热效率下降等恶劣情况的原因。

相反，在流通通道的表面温度比较高的情况下，很难发生上述液体的析出，就会形成粒子的视密度比较低，粘附力较小的干燥的煤烟层。这样，粒子的视密度越低，它的粘附力越小，从流通通道上把煤烟剥离和吹掉就很容易，这是在本发明中用实验证明了的。

因此，在本发明中，由于作为向换热部分供应的致冷剂液体是沸点在150℃以上的高沸点的传热流体，所以在预防煤烟堆积的同时，能使得堆积在内表面上的煤烟成为粒子的视密度低，粘附力很小的干燥的煤烟，从而增强了利用排气再循环气体的流动力来剥离和吹掉煤烟的效果。另外，当提高流通通道的内表面温度时，使用冷却液等沸点比较低的致冷剂液体时，部分致冷剂液体将在传热管的外圆周附近沸腾，有可能使得换热部分的零件发生损坏和变劣。为此，要使用沸点在150℃以上的各种高沸点致冷剂液体，就必须在流通通道的内表面提高温度时，不使致冷剂液体沸腾。此外，由于使用沸点150℃以上的高沸点致冷剂液体的目的，是防止致冷剂液体沸腾，所以不希望使用沸点比150℃低的致冷剂液体，但，如果是沸点比150℃高的致冷剂液体，则对沸点的上限没有限制，可以使用沸点在150℃以上的各种高沸点致冷剂液体。

此外，在第二发明的排气再循环气体冷却机构中，在燃烧室中燃烧后的排气再循环气体首先从废气排气总管通过壳体管道的流入口流入流通通道内。另一方面，借助于控制部分的控制，通过导入通道，连续地向设置在流通通道外部的换热部分供应由沸点在150℃以上的高沸点传热流体构成的致冷剂液体，并在沿着流通通道的外圆周表面流动之后，排到导出通道中。然后，这种致冷剂液体在始终进行着循环的换热部分内，通过内表面温度提高后流通通道的内、外表面，在沸点150℃以上的高沸点传热流体做成的致冷剂液体与排气再循环气体之间进行热交换，经过充分冷却后的排气再循环气体，通过排出口回到进气总管一侧。

此外，虽然借助于使流通通道的内表面的温度处于120℃～150℃的范围内，可以防止煤烟的附着和冷凝液的凝结，但，定期地或者暂时地提高温度也是可行的。这是通过控制部分的控制减少或者停止向换热部分供应的致冷剂液体来达到的。通过限制这种致冷剂液体的供应量，使换热部分的换热效率下降，而流通通道的内表面温度则借助于排气再循环气体的热量而上升。

当这条流通通道的内表面温度达到一定温度以上的高温时，防止煤烟附着在流通通道内表面上的效果就进一步提高了，即使万一煤烟堆积起来了，也能借助于排气再循环气体的流动力很容易地将其剥离和吹掉，煤烟被粉碎成细小的粉末，和排气再循环气体一起从排出口排出去。此外，这种细小的干煤烟，即使送到进气总管中，也很难对内燃机产生什么影响。

在进行提高温度时，通过控制部分的控制，增加向换热部分供应的致冷剂液体的供应量，或者再开始供应致冷剂液体，就能使换热部分中的排气再循环气体与致冷剂液体的换热继续在120℃～150℃的范围内进行下去，并且，如上所述，由于在预防煤烟的附着和除掉煤烟的同时，还能有效地防止冷凝液的凝结，所以既防止了由于煤烟而使流通通道的传热性能降低，还能以很高的效率进行热交换。因此，在提高排气再循环气体的冷却效能的同时，也提高了防止装置产生故障的效果。此外，这些工作还能在不停止发动机和换热部分中的冷却工作下进行，非常方便。

此外，控制部分只要能控制致冷剂液体的供应，可以是任何结构，例如，可以是由设置在致冷剂液体的导入通道上的循环泵和控制阀所构成。通过开关控制阀增减这台循环泵的流量，就能控制供应给换热部分的致冷剂液体的供应量。

此外，为了利用平常流动速度范围内的排气再循环气体就能很容易地把堆积在流通通道上的煤烟剥离和吹掉，最好使传热管内表面的温度保持在120℃～150℃的范围内。为此，要使用沸点在150℃以上的高沸点传热流体，这样，即使传热管的内表面温度达到120℃～150℃的高温，致冷剂液体也不会沸腾，不必对致冷剂液体施加高压，就能够实行防止煤烟附着的对策，和安全地进行除掉煤烟的作业，同时，还能防止排气再循环气体冷却机构的损坏和变劣，获得寿命和性能都很高的产品。另外，作为上述沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体，可以使用氟类非活性溶剂等。

此外，控制部分也可以用温度传感器之类来计测排气再循环气体的流通通道的表面温度和/或致冷剂液体的出口温度和/或排气再循环气体的出口温度，并用这种计测值来控制供应给换热部分的致冷剂液体的供应量。借助于计测这些温度中的至少一种温度，就能切实了解流通通道温度的降低，从而能用控制部分对致冷剂液体的流量进行调整，通过提高流通通道的温度有效地行使防止煤烟和冷凝液的附着的对策和高效率地进行除掉煤烟的作业。此外，在能够使流通通道确实达到目标温度的同时，还能防止温度过度的提高，以及提高对付煤烟的能力和提高装置的寿命。

此外，上述控制部分除了是使用沸点150℃以上的高沸点传热流体作为致冷剂液体的必不可少的部分之外，万一在流通通道上发生煤烟堆积的情况时，控制部分还能进行工作，通过提高流通通道的温度，有效地行使防止煤烟的附着的对策，和除掉煤烟的作业。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的自然排气再循环系统的示意图。

具体实施方式

下面，说明图1中把本发明用于汽车的自然排气再循环系统的排气再循环气体冷却装置中的一个实施例。图1中的标号1是传热管，排气再循环气体能在设置在其内部的流通通道2内流动。此外，传热管1可在流通通道2的内表面上形成凹凸的形状，或者在内部安装螺旋状的翅片部件等，以增大与排气再循环气体的接触面积，这样，在提高传热管1的热传导率的同时，还能使流通通道2内的排气再循环气体产生紊流。

此外，在外部气温低，整个装置比较冷，或者排气再循环气体的流入量少，进行热交换的热量减少，上述排气再循环气体的流通通道2的内表面温度很低时，很容易在内表面上形成粒子的视密度高，有粘附性质的潮湿的煤烟层，由于这种潮湿的煤烟层的堆积，使得传热管1的热传导性降低，换热效率变劣，废气中的水分结露，成为使得传热管1等部件发生腐蚀的原因。相反，本发明已经通过试验确认，当流通通道2的内表面温度高时，就能防止煤烟的堆积，而且会使已经堆积起来的潮湿的煤烟干燥，变成粒子的视密度很小，粘附性也很低的干燥的煤烟，于是就能很容易地把煤烟从流通通道2的内表面上剥离和吹掉。

而且，使用氟类非活性溶剂等沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体，就能使传热管1的流通通道2的内表面温度提高到120℃～150℃，并且不会使致冷剂液体沸腾。当上述流通通道2内表面的温度低于120℃时，则防止煤烟附着的效果就会降低，废气中的水分也会因凝结而结露。此外，如果当流通通道2内表面的温度超过150℃时，废气的冷却效果就会降低，就很难获得作为排气再循环气体冷却装置应有的功能。而且，如图1所示，在排气再循环气体冷却装置中，在圆筒形的壳体管道3的两端附近连接着一对能将内部密封的管板4，用这两块管板4隔出来的气密空间，就作为排气再循环气体与致冷剂液体进行热交换的换热部分5。而且，在一对管板4之间，布置了连接并贯穿管板4的许多根上述传热管1。此外，在壳体管道3的两端，分别连接着设有排气再循环气体的流入口6和排出口7的外壳盖8。

此外，在壳体管道3上，还设有向换热部分5供应致冷剂液体的导入通道10，和排出进行了热交换之后的致冷剂液体的导出通道11，以便使致冷剂液体能在换热部分5内部流动。此外，上述换热部分5在内部连接布置了许多块支承板13，通过将传热管1穿过这些支承板13，在将其作为折流板稳定地支承传热管1的同时，还使得在换热部分5内流动的致冷剂液体的流动过程成为蛇形流动，以加速致冷剂液体相对于传热管1外表面的相对速度。

此外，如图1中的箭头所示，在通过导入通道10向换热部分5供应沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体的同时，还配备了致冷剂冷却部分12，用以回收排到导出通道11中的致冷剂液体，对这些因与排气再循环气体进行了热交换而温度上升的致冷剂液体进行冷却，并再次通过导入通道10供应给换热部分5，使得在排气再循环气体冷却装置内能进行致冷剂液体的循环。这个致冷剂冷却部分12可以是使用散热器的空冷方式，也可以是使用冷却水等致冷剂液体的水冷方式。

此外，在上述致冷剂液体的导入通道10上，还可以设置控制部分16，其中布置了循环泵14和控制阀15，用来控制从致冷剂冷却部分12向换热部分5供应的致冷剂液体的供应量的增减，或者停止供应。由上述循环泵14和控制阀15所构成的控制部分16的工作，可以由控制内燃机用的ECU(电子控制装置)17来控制。这种ECU17根据下列各种温度传感器：用于计测布置在装置内的传热管1的内表面温度的传热管温度传感器18，计测排气再循环气体的出口温度的排气再循环气体温度传感器20，以及计测致冷剂液体的出口温度的致冷剂温度传感器21所计测到的温度，将其输入控制部分16中，用以调节向换热部分5所供应的沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体的供应量。此外，这种对沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体的供应量的调节，并不是必需的，它只是在有煤烟附着在流通通道上之类的情况下，为特别的目的才进行工作。

此外，如图1中的虚线所示，在导出通道11上还可以设置沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体的膨胀罐22，膨胀罐22能吸收由于致冷剂液体温度的变化而产生的致冷剂液体的膨胀和收缩，使得排气再循环气体冷却机构内的致冷剂液体能顺利地进行循环的同时，还能使装置内部保持一定的压力。此外，膨胀罐22还能在控制部分16调节致冷剂液体的流量的过程中完成补充罐的任务，在换热部分5温度过高时，或者排气再循环气体量增加时，通过从膨胀罐22供应致冷剂液体，增大换热部分5中的致冷剂液体的循环量，提高换热部分5中的换热效率，从而防止换热时的温度过高。相反，在换热部分5温度过低或者排气再循环气体量减少时，能将致冷剂液体回收到膨胀罐22中，以减少向换热部分5的致冷剂液体的供应量，降低其换热效率，防止换热部分5内的温度过低。

如上所述，在用排气再循环气体冷却装置进行热交换时，首先，当已经提高了温度的排气再循环气体通过排气总管一侧的流入口6导入壳体管道3内时，这些排气再循环气体便流入布置在壳体管道3内的许多传热管1内。在布置在这些传热管1外部的换热部分5中，由于致冷剂液体事先就沿着传热管1的外表面进行蛇行式的流动，所以排气再循环气体就能通过传热管1的内、外表面与沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体进行热交换。

在上述热交换中，希望传热管1的流通通道2的内表面温度保持在120℃～150℃的范围内。为了除掉附着在流通通道2内表面上的煤烟，以及作为预防煤烟附着的措施，当ECU17通过传热管温度传感器18了解到传热管1的内表面温度过低，或者通过排气再循环气体温度传感器20、致冷剂温度传感器21了解到排气再循环气体的出口温度和致冷剂液体的出口温度过低时，ECU17便控制控制部分16，通过使循环泵14节流，减少流量，或者停止循环泵14和使控制阀15节流或关闭，减少或者停止向换热部分5供应的致冷剂液体的供应量。

通过这种操作，由于换热部分5中的热交换效率降低了，所以排气再循环气体的热量便使传热管1的流通通道2的内表面温度上升，同时，换热部分5的整体温度也上升了，这样，就能用ECU17，通过上述各种温度传感器18、20、21，始终监视着换热部分5中的各种温度的变化。而且，当流通通道2的内表面温度保持在120℃～150℃的范围内时，不但防止煤烟附着在内表面上的效果好，而且排气再循环气体中的水蒸气、未燃烧的燃气、硫酸水、碳化氢等也不会冷凝，能很好地防止煤烟堆积在流通通道2的内表面上。

此外，即使万一有少量的干燥煤烟堆积在传热管1内，由于这种煤烟层是粒子的视密度低，粘附度也很小的干燥的煤烟层，所以很容易借助于排气再循环气体的流动力，把它们从流通通道2的内表面上剥离和吹掉，粉碎后的细小的煤烟粒子就能和排气再循环气体一起从排出口7排出去。此外，这种细小的干燥的煤烟，即使送到进气总管一侧，也不会对内燃机产生什么影响。此外，由于使用了沸点在150℃以上的高沸点致冷剂液体，所以致冷剂液体不会由于传热管1的高温而沸腾，从而能防止换热部分5的零件的损坏和变劣。

此外，由于ECU17始终通过上述各种温度传感器18、20、21监视着换热部分5的温度，所以当换热部分5达到目标温度以上的温度时，ECU17便接通控制部分16，使循环泵14的流量增加，或者打开控制阀15，增加致冷剂液体向换热部分5的供应量，这样，由于促进了热交换，就能防止换热部分5的温度过高。

如上所述，由于通过提高流通通道2的内表面温度，实行了防止煤烟附着在传热管1上，以及除掉煤烟的措施，所以传热管1的热传导性就不会降低，换热部分5始终能以很高的效率进行换热，从而能提高排气再循环气体冷却装置的性能。

此外，上述排气再循环气体的流通通道2的温度的提高，既可以是在ECU17中设定，以便在通过各个温度传感器18、20、21了解到流通通道2的温度降低时进行，也可以设定为每经过一定时间定期进行。此外，由于这种温度的提高即使是在很短的时间里，也能够获得充分防止煤烟附着和除掉煤烟的效果，所以，既可以在行驶过程中不停止发动机时进行，当然，也可以设定为在发动机停止时进行。

由于本发明具有如上所述的结构，所以致冷剂液体不会沸腾，能使传热管和传热板中的排气再循环气体的流通通道的内表面温度达到高温，有效地防止煤烟堆积在流通通道中，而且，万一在流通通道的内表面上堆积了煤烟，也能使煤烟粒子成为视密度低，粘附性也很小的干燥状态，有助于将其从内表面上剥离下来和将其吹掉，能很容易地从流通通道中把煤烟除掉。结果，就把由于煤烟而导致流通通道的热传导性的降低限制在最小限度内，使得在流通通道内流通的排气再循环气体与在流通通道外圆周流动的致冷剂液体之间的热交换，能以很高的效率进行。此外，通过控制部分对供应给换热部分的致冷剂液体的供应量进行调节，能防止换热部分的温度过低或过高，能提高产品的寿命，保持对排气再循环气体优良的冷却性能，从而提高商品的价值。

此外，由于提高了传热管内表面的温度，能防止废气中的水蒸气、未燃烧的燃气、硫酸水、碳化氢等凝结成冷凝液，所以不会有传热管等结构部件被腐蚀的情形，能获得很高的寿命和可靠性。

Claims (5)

1.一种排气再循环气体冷却机构，它在一端设有排气再循环气体的流入口，在另一端设有排气再循环气体的排出口，并且，在内部形成排气再循环气体的流通通道的壳体管道中，形成了把用于冷却排气再循环气体的致冷剂液体的导入通道和导出通道连接起来的换热部分，其特征在于，通过向换热部分供应沸点在150℃以上的高沸点的传热流体作为致冷剂液体，使排气再循环气体的流通通道的内表面温度升高，以防止在排气再循环气体的流通通道的内表面上附着煤烟和/或凝结冷凝液。

2.一种排气再循环气体冷却机构，它在一端设有排气再循环气体的流入口，在另一端设有排气再循环气体的排出口，并且，在内部形成排气再循环气体的流通通道的壳体管道中，形成了把用于冷却排气再循环气体的致冷剂液体的导入通道和导出通道连接起来的换热部分，其特征在于，在通过向换热部分供应沸点在150℃以上的高沸点的传热流体作为致冷剂液体的流通通道上，设置控制致冷剂液体的供应的控制部分。

3.如权利要求2所述的排气再循环气体冷却机构，其特征在于，控制部分是由设置在致冷剂液体的导入通道上的循环泵和控制阀构成的，借助于这台循环泵流量的增减和/或控制阀的开关，控制供应给换热部分的致冷剂液体的供应量。

4.如权利要求2所述的排气再循环气体冷却机构，其特征在于，控制部分利用排气再循环气体的流通通道的表面温度和/或致冷剂液体的出口温度和/或排气再循环气体的出口温度，来控制供应给换热部分的致冷剂液体的供应量。

5.如权利要求1所述的排气再循环气体冷却机构，其特征在于，排气再循环气体流通通道的内表面温度的升高，在120℃～150℃的范围内。

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