CN1938510A - 用于增压内燃机的废气再循环的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在增压内燃机(1)中进行废气再循环的装置。该装置包括用于将废气从内燃机(1)导出的排气管路(3)，用于将高于大气压的空气导入内燃机(1)的进气管路(6)，包括到排气管路(3)的连接和到进气管路(6)的连接的回流管路(8)，从而通过回流管路(8)可将废气从排气管路(3)再循环到进气管路(6)。该装置包括与回流管路(8)相结合的第一冷却器(10)，用于在废气与进气管路(6)中的空气混合之前，冷却回流管路(8)中的废气。通过第一介质在第一冷却器(10)中冷却所述废气，其中所述第一介质的温度基本上与环境温度基本一致。

Description

用于增压内燃机的废气再循环的装置
发明领域
本发明涉及一种用于在根据权利要求1前序的增压内燃机中废气再循环的装置。
背景技术
已知采用通常所说的EGR(废气再循环)技术将内燃机燃烧过程中产生的一部分废气通过回流管路导回至为内燃机提供空气的进气管路。从而将空气和废气的混合物通过进气管路提供到进行燃烧的发动机气缸中。空气中加入废气使燃烧温度降低，尤其是减少了废气中氮氧化物NOx的含量。这种技术被同时应用在汽油机(otto)和柴油机中。
可提供给增压内燃机的空气量取决于空气的压力以及空气的温度。为了将尽可能多的空气提供给内燃机，因而需要在将压缩空气导入到内燃机之前，在增压空气冷却器中冷却压缩空气。通过流经增压空气冷却器的周围空气来冷却增压空气冷却器中的压缩空气。因此可将压缩空气冷却到仅比周围环境温度高几度的温度。在使用EGR技术时，返回的废气也需要冷却。这通过所谓的EGR冷却器来实现。通常将EGR冷却器连接到内燃机冷却系统，从而通过在冷却系统中循环冷却剂在EGR冷却器中冷却废气。因此，EGR冷却器受到的局限在于，无法将废气的温度冷却到比冷却系统中的冷却剂温度更低的温度。因此，当将废气引入通到内燃机的进气管路时，冷却的废气通常比冷却的压缩空气温度高。因此，向内燃机导入的废气和空气的混合物将比导入到不具有废气再循环的增压内燃机的压缩空气温度高。配有EGR的增压内燃机的性能因而比没配备EGR的增压内燃机的性能稍差。
发明内容
本发明的目的是提供一种以以下方法影响增压内燃机中废气再循环的装置：废气再循环不会导致内燃机性能低于不具有废气再循环的相应内燃机的性能。
采用前言所提到的这种装置来实现该目的，所述装置的特征在于权利要求1的特征部分所指示的特征。这需要采用其温度与外界温度基本一致的冷却介质在冷却器中对废气进行冷却。因此可将废气冷却到刚刚高于外界温度的温度。由此可使废气的温度与随后在增压空气冷却器中冷却之后的压缩空气的温度基本一致。提供给内燃机的废气与压缩空气的混合物的温度也因此不高于提供给不具有废气再循环的相应内燃机的压缩空气。因而，配有根据本发明的装置的内燃机的性能可与不配有EGR的内燃机的性能基本一致。
根据本发明的优选实施例，所述第一介质是周围空气。周围空气总是可利用的介质，并且不需要复杂的设备来使其流经第一冷却器。使用周围空气作为冷却介质可将废气冷却到接近周围空气温度的级别。因而，可以在第一冷却器中使用与传统增压空气冷却器中相同的冷却介质来冷却压缩空气。这意味着可将废气冷却到与传统增压空气冷却器中的压缩空气相同的级别。这种装置被有利地使用在由内燃机发动的车辆中。从而使周围空气在车辆运行期间自然流过第一冷却器。可结合使用风扇来保证空气流过第一冷却器。
根据本发明的优选实施例，所述装置包括用于在回流管路中冷却废气的第二冷却器。诸如空气之类的气态冷却介质对于带走冷却器中的热量来说通常不是特别有效。还有比通过空气来进行冷却的冷却器更有效的冷却器。因此，有利的是，在通过第一冷却器冷却热的废气之前，使用这种更加有效的第二冷却器作为第一步骤来冷却热的废气。所述第二冷却器优选地通过液态介质来进行冷却。液态介质通常提供比气态介质更有效的冷却。因此，可使具有与气冷式冷却器相同冷却能力的液冷式冷却器变得小很多。当将这种液冷式第二冷却器结合到回流管路中的时候，作为第一步骤，可以采用有效的方式降低废气的温度。因此第一冷却器需要相当低的冷却能力，则就因而能够将后者制造得相当小。液态介质可用于在冷却系统中循环，所述冷却系统中还用于冷却内燃机。因此在这种情况下，在第一步骤使用车辆冷却系统中现有的冷却剂来冷却废气。尽管冷却剂的温度会高于周围空气的温度，但其结果是冷却剂的温度和废气的温度之间具有相当大的差异。因此所述第二冷却器中的冷却剂因此可有效地对废气进行冷却。
根据本发明的另一个优选实施例，所述装置包括第三冷却器，用于在空气与来自回流管路的废气混合之前，冷却进气管路中的空气。这种第三冷却器具有气冷的优点，并可以是传统的增压空气冷却器。有利地，将第一冷却器和第三冷却器相互紧邻安置。由于第一冷却器和第三冷却器都是气冷的，它们可以安排在周围空气流经它们的基本上公共的位置上。在这种情况下，第一冷却器和第三冷却器可组成集成单元。其结果是形成易于安装在车辆内的复合模块式冷却器单元。第一冷却器和第三冷却器可采用扁平冷却器元件的形式，其中每个元件都具有在一个平面上的主要区域(extent)，从而使第一冷却器和第三冷却器具有在基本上公共的平面中的区域。在这种情况下，冷却空气在基本垂直于所述平面的方向上流过冷却器。
根据本发明的另一个优选实施例，为了对冷却系统中的冷却剂进行冷却，将所述第一冷却机和所述第三冷却机安置在临近第四冷却机的位置，所述冷却系统也用于冷却内燃机。因此，第一冷却器和第三冷却器的位置位于车辆中为适合周围空气通流而设计的区域中。在这种情况下，冷却风扇可以结合有为冷却系统中的冷却剂、第一冷却器中的废气以及第三冷却器中的压缩空气提供有效冷却的更加强大的能力。
附图简述
以下通过参照附图，采用示例的方式来描述本发明的优选实施例，其中：
图1描述了用于在增压柴油机中废气再循环的装置的实施例；
图2a用图形描述了根据第一实施例的增压空气冷却器和废气冷却器的设计；以及
图2b用图形描述了根据第二实施例的增压空气冷却器和废气冷却器的设计。
具体实施方式
图1用图形描述了用于在增压内燃机中废气再循环的装置。在本例中，内燃机是柴油机1。通常将这种再循环称为EGR(废气再循环)。将废气加入到导入发动机气缸的压缩空气中降低了燃烧温度，也因此降低了在燃烧过程中形成的氮氧化物(NOx)的含量。柴油机1可例如用于发动重型车辆。来自柴油机1的汽缸的废气通过排气支管2导入排气管路3中。排气管路3中的压力高于大气压的废气被导入到涡轮机4。由此为涡轮机4提供驱动力，驱动力通过连接(connect)传送给压缩机5。压缩机5压缩导入到进气管路6的空气。增压空气冷却器7安置在进气管路6中。增压冷却器7的作用是在将压缩空气导入到柴油机1之前对其进行冷却。压缩空气在增压空气冷却器7中通过周围空气进行冷却。
回流管路8用于对来自排气管路3的部分废气的再循环。回流管路8包括EGR冷却器9，在EGR冷却器9中，将EGR冷却作为第一步骤。回流管路8还包括废气冷却器10，在废气冷却器10中，将冷却废气作为第二步骤。废气在废气冷却器10中通过周围空气来进行冷却。回流管路8最后包括采用EGR阀11的形式的阀门，在需要的时候通过该阀可切断回流管路8中废气流。EGR阀11可用于控制通过回流管路8导入到进气管路6的废气量。EGR阀11可选择地安放在EGR冷却器9之前或在EGR冷却器9与废气冷却器10之间。控制单元13用于根据与柴油机1当前运行状态相关的信息来控制EGR阀11。控制单元12可以是具有适合软件的计算机单元。在增压柴油机1中，在某些运行情况下，废气的压力将低于进气管路6中压缩空气的压力。在这种运行情况下，不借助特定的辅助设备，就不可能把回流管路8中的废气直接与进气管路6中的压缩空气混合。为此，可使用例如文丘里管(venturi)13。如果将内燃机替换成增压汽油机，由于汽油机的废气在基本上所有运行状态下的压力均高于进气管路6中压缩空气的压力，因此可直接将废气引到进气管路6。当将废气与进气管路6中的压缩空气混合后，混合物通过支管14导入到柴油机1的各个气缸中。
图2a，b用图形描述了增压冷却器7和废气冷却器10的两个不同实施例。增压空气冷却器7和废气冷却器10包括管道系统和散热凸缘，它们一起构成了基本上扁平的冷却器部件，该部件具有主要在一个平面中的区域。增压空气冷却器7和冷却器10采用图2a中的两个独立单元的形式。但也可以将他们并排安装，从而使它们具有的区域在基本公共的平面中。图中空气流通过冷却器7、11的方向由箭头来表示。冷却空气流以与冷却器区域的各自的平面基本垂直的方向，流过增压空气冷却器7和废气冷却器10。增压空气冷却器7和废气冷却器10组成图2b中的集成单元。在这种情况下，增压空气冷却器7和废气冷却器10以适当的方式互相组合。因而产生易于在车辆中安装的复合模块式冷却器单元。，增压空气冷却器7和废气冷却器10靠近传统冷却器15，冷却器15用于对车辆冷却系统中的冷却剂进行冷却。增压空气冷却器7和废气冷却器10安排在与传统冷却器15相隔一段距离的位置上。增压空气冷却器7和废气冷却器10区域所在的公共平面平行于传统冷却器元件15区域所在的主要平面。在这种情况下，周围空气在流过传统冷却器15之前，先流过增压空气冷却器7和废气冷却器10。
在柴油机1运行期间，废气驱动涡轮机4。因此向涡轮机4提供驱动压缩机5的驱动力。压缩机5对导入进气管路6中的空气进行压缩。在柴油机1的大多数运行状态下，控制单元12保持EGR阀11打开，从而将排气管路3中的部分废气导入回流管路8中。在这种情况下，废气的温度大约在600-700℃。当回流管路8中的废气到达EGR冷却器9时，其经历第一冷却步骤。在该阶段，通过冷却系统中的冷却剂来冷却废气。在此将废气的主要温度降低。然而，EGR冷却器9受到的限制是，其最多能够将废气冷却到与冷却剂温度一致的温度。冷却系统中的冷却剂温度可以变化的，但在正常运行中，它的温度通常在80-100℃范围中。可提供给柴油机1的压缩空气与废气的量取决于空气和废气的压力，也取决于后者的温度。因此，对再循环的废气提供进一步的冷却是很重要的。因此将废气导入废气冷却器10中，在废气冷却器10中通过周围的空气对废气进行冷却。使用周围空气作为冷却剂，可将废气冷却到接近周围空气的温度的级别。因此可将废气冷却到与增压空气冷却器7中的压缩空气基本相同的级别。
在增压柴油机1中，在某些运行情况下，废气的压力将因此比进气管路6中的压缩空气的压力低。文丘里管13可用于局部减少进气管路6中靠近回流管路8处的空气的静压，从而导入废气并将其与进气管路6中的压缩空气混合。此后，将废气和压缩空气通过支管14导入柴油机1的各个气缸中，此时废气和压缩空气的温度几乎相同。因此，这种通过两个步骤来冷却再循环废气的柴油机可将废气冷却到与进气管路中压缩空气相同的级别。因此它的性能可与没配有EGR的内燃机的性能基本一致。
本发明决不限于附图所描述的实施例中，而是可在权利要求的范围内自由改变。因此，不难于想象仅使用废气冷却器10将回流管路8中的废气冷却到与环境温度基本一致的温度。

Claims (10)

1、一种用于在增压内燃机(1)中进行废气再循环的装置，所述装置由此包括用于将废气从内燃机(1)导出的排气管路(3)，用于将高于大气压的空气导入内燃机(1)的进气管路(6)，包括到排气管路(3)的连接和到进气管路(6)的连接的回流管路(8)，从而通过回流管路(8)可将废气从排气管路(3)再循环到进气管路(6)，其特征在于：所述装置包括安装在回流管路(8)中的第一冷却器(10)，用于在所述废气与进气管路(6)中的空气混合之前，冷却回流管路(8)中的废气，从而通过第一介质在第一冷却器(10)中冷却所述废气，其中所述第一介质的温度基本上与环境温度基本一致。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一介质是周围的空气。
3、如权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述装置包括第二冷却器(9)，用于在所述废气到达第一冷却器(10)之前冷却回流管路(8)中的废气。
4、如权利要求3所述的装置，其特征在于通过液态介质冷却第二冷却器(9)。
5、如权利要求4所述的装置，其特征在于所述液态介质适于在冷却系统中循环使用，所述冷却系统也适用于冷却内燃机(1)。
6、如前述任意一个权利要求所述的装置，其特征在于所述装置包括第三冷却器(7)，用于在进气管路(6)中的空气与来自回流管路(8)的废气混合之前，冷却进气管路(6)中的空气。
7、如权利要求6所述的装置，其特征在于所述第一冷却器(10)和所述第三冷却器(7)互相紧邻安置。
8、如权利要求7所述的装置，其特征在于第一冷却器(10)和第三冷却器(7)构成一个集成单元。
9、如权利要求7或8所述的装置，其特征在于第一冷却器(10)和第三冷却器(7)采用扁平冷却器部件的形式，所述每个冷却器部件都具有在一个平面中的主要区域，从而以具有在基本公共平面上的区域的方式相互对应地安置第一冷却器(10)和第三冷却器(7)。
10、如权利要求7至9中任意一个权利要求所述的装置，其特征在于第一冷却器(10)和第三冷却器(7)被安放在靠近第四冷却器(15)的位置上，第四冷却器(15)用于对冷却系统中的冷却剂进行冷却。
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