CN201588709U - 具有涡轮增压器的内燃发动机的排气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及具有涡轮增压器的内燃发动机的排气再循环系统，具体公开了一种使用没有碳烟微粒的压缩进气来清洁具有涡轮增压器的内燃发动机的EGR冷却器的系统。一个示例性系统包含选择性通过EGR通道将排气的一部分转移至所述内燃发动机的进气道侧的EGR阀；位于EGR通道内的EGR冷却器，所述冷却器具有排气侧和进气侧；以及包含压缩空气通道的压缩进气输送系统，所述压缩进气输送系统配置为将由所述涡轮增压器压缩的压缩进气的一部分选择性地转移通过所述EGR冷却器以去除沉积在所述EGR冷却器中的碳烟微粒。本实用新型的系统可使用相对不含有碳烟微粒的压缩进气来清洁EGR冷却器。

Description

具有涡轮增压器的内燃发动机的排气再循环系统
【技术领域】
本实用新型涉及具有涡轮增压器的内燃发动机的排气再循环系统，具体涉及一种利用压缩进气清洁发动机排气再循环冷却器的系统。
【背景技术】
排气再循环用于改进柴油发动机的排放性能。在引入至发动机燃烧室之前，排气可通过一个或多个EGR冷却器循环。由于低温环境和EGR冷却器的气流特性，排气中含有的碳烟微粒可通常在相对较短的时间内沉积于EGR冷却器的壁上形成碳烟层，降低了EGR冷却器的热传输性能。结果是，可能无法有效地冷却再循环排气，且可能降低改进排放的再循环排气的能力。
已经使用了各种方法来解决EGR冷却器的碳烟沉积问题。在一些例子中，已经采用特殊的过滤器和氧化催化剂来驱除在EGR冷却器上游的碳烟微粒。然而，微粒过滤器和氧化催化剂可占据局促的发动机厢内的相当大的空间，可能需要经常的维护和替换。
在美国专利No.7,011,080中公开了另一个例子，可使用反向气流来清洁EGR冷却器。在该例子中，使用单个充气冷却器来冷却混合充气和再循环排气。可在开、旁路和反向位置中移动的气流阀用于控制通过冷却器的混合充气和再循环排气气流。气流阀的反向位置提供了一种穿过冷却通道的反向清洁气流来去除冷却器内积聚的碳烟微粒。然而该专利公开的方法可能使用含有碳烟微粒的受污染的排气来清洁EGR冷却器，以及增加了通过EGR冷却器的排气流设计的复杂程度。
【实用新型内容】
本实用新型所要解决的技术问题包括提供一种使用不含有碳烟微粒的压缩进气来清洁具有涡轮增压器的内燃发动机的EGR冷却器的系统以至少部分解决上述问题。
根据本实用新型的一个方面，提供一种具有涡轮增压器的内燃发动机的EGR系统，所述涡轮增压器包括涡轮机和压缩机，所述EGR系统包括：选择性通过EGR通道将排气的一部分转移至内燃发动机的进气道侧的EGR阀；位于EGR通道内的EGR冷却器，该EGR冷却器具有排气侧和进气侧；以及包含压缩空气通道的压缩进气输送系统，该压缩进气输送系统配置为选择性地将由涡轮增压器压缩的压缩进气的一部分转移通过EGR冷却器来去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒。
在一些例子中，位于压缩进气通道内的阀门可控制压缩进气流。在其他例子中，当压缩进气通道可以设计为不干扰进入EGR冷却器的EGR气流且其仍然可以为发动机输送足够量的EGR气流时，可去掉用于控制穿过压缩进气通道的压缩进气流的阀门。
根据本实用新型的另一个方面，提供一种具有涡轮增压器的内燃发动机的EGR系统，其特征在于，所述EGR系统包含：具有涡轮机和压缩机的涡轮增压器；将在涡轮机的上游位置处的排气道流体连接至压缩机的下游位置处的进气道的高压EGR通道；位于所述高压EGR通道内的EGR冷却器，所述EGR冷却器具有排气侧和进气侧；选择性通过所述高压EGR通道将排气的一部分转移至进气道的EGR阀，其中所述EGR阀为位于EGR冷却器排气侧的热侧边EGR阀；将位于所述压缩机和内燃发动机之间的进气道流体连接至所述EGR冷却器的排气侧的压缩空气通道；以及控制通过所述压缩空气通道的压缩气体流量的压缩空气阀，所述压缩空气阀配置为基于发动机工况选择性地通过所述压缩空气管道转移压缩进气的一部分至所述EGR冷却器。
这样，相对不含有碳烟微粒的涡轮增压器加压进气(其可从发动机涡轮增压器获得)可用于通过EGR冷却器抽取以产生足够的湍流从而将沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒去除。在一个例子中，当EGR未用于发动机运转时加压气体可用于去除冷却器杂质以减少对EGR气流运转的任何干扰。
该概述以简化的形式引入将在详细描述中进一步描述的选择的概念。该概述并非意味着确定权利要求的主题的关键特征或必要特征，也并非意味着限定权利要求的主题的范围。而且，权利要求的主题不限于解决了本说明中任何一部分中所提及的任何或全部不足的实施例。
【附图说明】
图1为显示了EGR系统的第一实施例的示意图，其使用了压缩进气输送系统来去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒。
图2为显示了EGR系统的第二实施例的示意图，其使用了压缩进气输送系统来去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒。
图3为显示了EGR系统的第三实施例的示意图，其使用了压缩进气输送系统来去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒。
图4为显示了EGR系统的第四实施例的示意图，其使用了压缩进气输送系统来去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒，其中EGR系统为高压EGR系统。
图5为显示了EGR系统的第五实施例的示意图，其使用了压缩进气输送系统来去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒。
图6为显示了EGR系统的第六实施例的示意图，其使用了压缩进气输送系统来去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒。
图7为使用由内燃发动机的涡轮增压器压缩的压缩进气来去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒的示例方法流程图。
【具体实施方式】
图1-6为显示了内燃发动机12的EGR系统10的实施例的示意图，该内燃发动机12使用压缩进气输送系统14输送由涡轮增压器压缩的压缩进气来去除沉积在EGR冷却器16中的碳烟微粒。图1-2中所示的EGR系统10为低压EGR系统，而图3-6中所示的EGR系统10为高压EGR系统。出于简便的目的，在图1-6中对相似的部件类似地标注。
内燃发动机12可连接至进气道18和排气道20。发动机12可包括具有涡轮机24和压缩机26的涡轮增压器22，其中涡轮机24可连接至排气道20并由流过排气道20的排气驱动，压缩机24可连接至进气道18用于压缩流过进气道18的进气。应该明白的是虽然本文所示实施例中的涡轮增压器包括单个涡轮机和单个压缩机，但也可以包括多个涡轮机和/或多个压缩机。
EGR系统10可包括EGR通道28，其流体连接于进气道18和排气道20之间用于将一部分排气从排气道20输送至进气道18从而引导回内燃发动机12之中作为排气再循环(EGR)。EGR系统10可以为低压EGR系统10，其中EGR通道28将在涡轮机24的下游位置处的排气道20流体连接至压缩机26的上游位置处的进气道18。EGR系统也可为高压EGR系统10，其中EGR通道28将位于涡轮机24上游处的排气道连接至压缩机26下游处的进气道18。
系统10可还包括位于EGR通道28内的EGR冷却器16，这里EGR冷却器16可包括邻近排气道20的排气侧32和邻近进气道18的进气侧34。EGR可通过EGR冷却器16循环从而在引导返回至内燃发动机进气道之前冷却。
EGR系统10还可包括EGR阀30用于选择性地将一部分排气通过EGR通道28转移至内燃发动机12的进气道18。EGR阀30可为任何合适调节空气流的阀，例如双向阀、单向阀、蝶形阀、球阀、止回阀、球心阀、针形阀、活塞阀等。
EGR阀30可为位于EGR通道28内处于EGR冷却器16排气侧32的热侧边EGR阀，如图1所示。EGR阀30也可为位于EGR通道28内处于EGR冷却器16进气侧34的冷侧边EGR阀，如图2所示。
EGR系统10可进一步包含压缩进气输送系统14，其可包括压缩空气通道36用于选择性将由压缩机26压缩的压缩进气的一部分转移通过EGR冷却器16用于当EGR减少时或切断时去除沉积在EGR冷却器16内的碳烟微粒。例如当EGR未使用或为了发动机运转而减少时可以切断或减少EGR。
EGR系统10也可包含涡轮增压器至EGR阀38用于控制通过压缩空气通道36的压缩进气流。涡轮增压器至EGR阀38可为任何合适调节空气流的阀，例如双向阀、单向阀、蝶形阀、球阀、止回阀、球心阀、针形阀、活塞阀等。涡轮增压器至EGR阀38可为位于EGR冷却器16的排气侧32的热侧边阀，如图1所示，或为位于EGR冷却器16的进气侧34上的压缩空气通道36的冷侧边阀，如图2所示。
还应当明白的是在一些例子中，可使用组合阀。例如，EGR阀30和涡轮增压器至EGR阀38可组合为单个阀门，例如图5和图6所示的单个二位阀31，用于控制通过EGR冷却器16的EGR流和压缩空气流。
系统10可利用在进气道18和/或排气道20内不同位置处的压力差，从而抽取使压缩进气通过EGR冷却器16来去除沉积在EGR冷却器16内的碳烟微粒。
在图1所示的例子中，至少在特定发动机运转条件下处于压缩机26下游位置处(P2)的进气道18和处于压缩机上游位置处(P1)的进气道18之间可能存在压力差。该压力差(P2-P1)可导致压缩进气流过压缩空气通道36并从排气侧32进入EGR冷却器16且从进气侧34离开EGR冷却器16。
在图2所示的另一个例子中，至少在特定发动机运转条件下处于压缩机26下游位置处(P2)的进气道18和处于涡轮机24下游位置处(P4)的排气道20之间可能存在压力差。该压力差(P2-P4)可导致压缩进气流过压缩空气通道36并从进气侧34进入EGR冷却器16且从排气侧32离开EGR冷却器16。
在图3-6所示的例子中，至少在特定发动机运转条件下处于压缩机26下游位置处(P2b)的进气道18和压缩机下游其他位置处(P2c)之间可能存在压力差。该压力差(P2b-P2c)可导致压缩进气流过压缩空气通道36并从排气侧32进入EGR冷却器16且从进气侧34离开EGR冷却器16。
在一些例子中，系统10还可调节一个或多个发动机工况用于生成足够的压力差从而使压缩进气抽取通过EGR冷却器16。
在一些例子中，例如图2所示，去除的碳烟微粒可沉积在排气道20中。这些沉积在排气道中的碳烟微粒可通过下游排放控制装置(例如催化剂和微粒过滤器)去除。在图1、3至6所示的例子中，去除的碳烟微粒可沉积在进气道18内并由发动机12燃烧掉。
在一些例子中，系统10可调节一个或多个阀门的运转来控制通过压缩空气通道和/或EGR冷却器16的压缩进气流的速度和湍流度。例如，系统10可调节涡轮增压器至EGR阀38，和/或各个EGR冷却器阀17A、17B(如图3-6所示)的运转。抽取通过EGR冷却器16的压缩进气可具有足够高的速度能够在EGR冷却器内产生足够高的雷诺数(Reynoldsnumber)使得压缩进气能够去除沉积在EGR冷却器16内的碳烟微粒。
系统10可进一步包含连接至感应各种发动机工况的传感器42的发动机控制器40。各种传感器42可包括例如各种温度传感器，例如感应冷却前EGR温度、冷却后EGR温度和进气的温度传感器。各种传感器可包括各种流量速度传感器，例如用于感应EGR和压缩进气的流速的流量速度传感器。
发动机控制器40可配置为根据例如由各种传感器42提供的各种传感器读数来确定各种发动机工况。例如，EGR冷却器的冷却效率可通过由EGR冷却器冷却之后的EGR冷却后温度来确定，或通过各种发动机工况例如发动机燃烧的时间和状况来估测。通过EGR冷却器的EGR流量速度可通过位于EGR冷却器处或其附近的一个或多个流量计测量。进气温度和排气的冷却后温度可使用位于进气通道、排气通道和/或EGR通道处的一个或多个温度传感器确定。
发动机控制器40可连接至多个驱动器44，用于在一些情况下响应于各种发动机状况控制各个驱动器的运转。具体地，发动机控制器40可连接至EGR阀30和涡轮增压器至EGR阀38并响应于发动机工况控制其运转。例如发动机控制器40可配置为当发动机控制器检测到指示由于碳烟微粒沉积EGR冷却器未能有效地运转冷却EGR的一个或多个发动机工况(EGR冷却器的冷却效率低于阈值，EGR通过EGR冷却器的流速低于阈值，进气温度高于阈值，以及由EGR冷却器冷却后的排气的冷却后温度高于阈值)时，使用压缩空气输送系统将压缩进气的一部分选择性地转送通过EGR冷却器从而去除沉积在EGR冷却器内的碳烟微粒。
例如发动机控制器40可从一个或多个发动机工况确定由于碳烟微粒聚集于EGR冷却器16中而EGR冷却器16未能有效地运转冷却EGR。发动机控制器40可随后例如通过关闭在图1-4所示的例子中的EGR阀30，或通过调节如图5-6所示的例子中的二位阀31使EGR流停止通过EGR冷却器16。发动机控制40也可通过打开在图1-4所示例子中的涡轮增压器至EGR阀38或通过调节如图5-6所示例子中的二位阀31来开启压缩进气流流过压缩空气通道36。
应理解的是在一些例子中，例如当压缩进气通道36可设计用于不与进入EGR冷却器16的EGR气流相干扰而仍然能够为发动机运转输送足够的EGR气流时，可以去除不同的阀，例如用于控制通过压缩进气通道36的压缩进气流的涡轮增压器至EGR阀38，和/或用于控制流过各个EGR冷却器16A、16B的气流的各个EGR冷却器阀17A、17B(如图3-6所示)。
应理解的是，虽然在这个例子中，EGR系统10包含单个EGR冷却器且该EGR系统使用了压缩进气输送系统14来去除EGR冷却器中沉积的碳烟微粒，在其他例子中，EGR系统可包括多个EGR冷却器，且压缩进气输送系统可包括机构(例如通道和阀门)用于输送由涡轮增压器压缩的压缩进气来去除在多个EGR冷却器中沉积的碳烟微粒。
还应理解的是EGR阀30可包含多个阀配合用于控制EGR流，涡轮增压器至EGR阀38可包含多个阀配合用于控制通过压缩空气通道36的压缩空气流。应进一步理解的是压缩空气通道36可包含多个通道用于将压缩空气输送至EGR冷却器16。
在图3和4所示的例子中，EGR系统10包含两个EGR冷却器16：第一EGR冷却器16A和第二EGR冷却器16B。各自设有EGR冷却器阀(17A和17B)用于控制通过各个EGR冷却器的空气流。各个EGR冷却器阀17A、17B可配合运转用于控制通过各个EGR冷却器的空气流。
各个EGR冷却器阀17A、17B可为位于EGR冷却器较热侧的热侧边阀，或为位于EGR冷却器较冷侧的冷侧边阀。图3中所示的例子显示了各个EGR冷却器阀17A、17B为冷侧边阀，而图4中所示的例子显示了各个EGR冷却器阀17A、17B为热侧边阀。
本领域技术人员可以理解的是，下文流程图中描述的具体程序可代表任意数量的处理策略(例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)中的一个或多个。同样，所说明的各种步骤或功能可以所示的顺序执行、以并行顺序执行或在一些情况下省略。同样地，处理的顺序也并非实现此处所描述的实施例的特征和优点所必需的，而只是为了说明和描述的方便。虽然没有详细描述，本领域技术人员将会认识到可以根据使用的具体策略重复执行所说明的步骤或功能中的一个或多个。而且，这些图示的图形表示可编程于发动机控制器40中的计算机可读存储介质中的代码。
图7为程序700的流程图，用于从内燃发动机的用来冷却排气再循环(EGR)的排气再循环(EGR)冷却器中去除碳烟微粒。程序700可用于图1-6中的EGR系统10中。
程序可包含在702处确定EGR冷却器没有有效地运转。该确定可基于EGR冷却器的冷却效率是否低于阈值、通过EGR冷却器的EGR流速是否低于阈值、进气温度是否高于阈值以及由EGR冷却器冷却后的排气冷却后温度是否高于阈值。
程序可包含在704处确定发动机运转无需EGR的发动机工况。这类发动机工况参考了图1-6作了详细讨论。
程序还可包含在706处例如通过控制位于EGR通道内的EGR阀的运转减少或切断EGR流。此类运转也参考图1-6作了详细讨论。
该程序可进一步包含在708处例如通过控制位于压缩进气通道内的阀门(例如涡轮增压器至EGR阀38)和/或通过调节一个或多个发动机工况以产生抽取使压缩进气通过EGR冷却器所需的压力差以选择性地转移和抽取使涡轮增压器压缩的进气的一部分通过EGR冷却器。该抽取可延续一预定时间段或可由发动机控制器基于一个或多个发动机工况(例如通过EGR冷却器的压缩进气的流量速度)控制。此类运转参考图1-6作了详细讨论。
在一些例子中，抽取的压缩进气从EGR冷却器邻近内燃发动机的排气道的排气侧进入EGR冷却器，并从EGR冷却器邻近内燃发动机的进气道的进气侧离开。在其他例子中，抽取的压缩进气从EGR冷却器邻近内燃发动机的进气道的进气侧进入EGR冷却器，并从EGR冷却器邻近内燃发动机的排气道的排气侧离开。抽取后的压缩进气含有的碳烟微粒可处于进气中由发动机燃烧完，或可处于排气中由下游排放控制装置例如微粒过滤器处理。
应理解的是在这里公开的配置和程序本质上为示例性的，且这些具体的实施例不应理解为具有限制意义，因为可能有无数种变化。例如，上述技术可应用于V-6，I-4，V-12，V-4、柴油、汽油、替代燃料和其他发动机类型。本说明书的主题包含各种系统和配置以及本文所披露的其他特征、功能和/或特性的所有具有新颖性和非显而易见性的组合和子组合。
本申请的权利要求具体指出了认为具有新颖性和非显而易见性的特定组合。这些权利要求可能使用“一个”要件或“第一”要件或其等同。此类权利要求应理解为包含一个或多个此类元素，既不要求也不排除两个或多个此类元素。所披露的特征、功能、要素和/或特性的其他组合或子组合可通过本申请的权利要求的修改或通过在该申请或相关申请提出新权利要求得到主张。这些权利要求，无论与原始权利要求范围相比更宽、更窄、相同或不同，也应认为已包括在本申请的主题中。

Claims (11)

1.一种具有涡轮增压器的内燃发动机的EGR系统，所述涡轮增压器包括涡轮机和压缩机，其特征在于，所述EGR系统包含：
选择性地通过EGR通道将排气的一部分转移至所述内燃发动机的进气道侧的EGR阀；
位于所述EGR通道内的EGR冷却器，所述EGR冷却器具有排气侧和进气侧；及
包含压缩空气通道的压缩进气输送系统，所述压缩进气输送系统配置为将由所述涡轮增压器压缩的压缩进气的一部分选择性地转移通过所述EGR冷却器用以去除沉积在所述EGR冷却器中的碳烟微粒。
2.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述压缩空气输送系统配置为当排气再循环减少时将所述压缩进气选择性地转移通过所述EGR冷却器。
3.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述压缩空气输送系统配置为当排气再循环切断时将所述压缩进气选择性地转移通过所述EGR冷却器。
4.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述EGR系统为低压EGR系统，所述低压EGR系统配置为将用于EGR的排气从所述涡轮机的下游的排气道转移至所述压缩机的上游的进气道。
5.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述EGR系统为高压EGR系统，所述高压EGR系统配置为将用于EGR的排气从所述涡轮机的上游的排气道转移至所述压缩机的下游的进气道。
6.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述EGR系统进一步包含配置为控制通过所述EGR冷却器的压缩空气流的阀门。
7.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述EGR系统进一步包含控制器，所述控制器配置为调节一个或多个发动机工况以产生足够的压力差以使压缩进气抽取通过所述EGR冷却器。
8.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述压缩进气输送系统配置为使所述压缩进气从所述进气侧进入所述EGR冷却器并从所述排气侧离开。
9.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述压缩进气输送系统配置为使所述压缩进气从排气侧进入所述EGR冷却器并从所述进气侧离开。
10.根据权利要求1所述的EGR系统，其特征在于，所述EGR系统配置为当所述EGR冷却器的冷却效率低于阈值时将所述压缩空气转移通过所述EGR冷却器。
11.一种具有涡轮增压器的内燃发动机的EGR系统，其特征在于，所述EGR系统包含：
具有涡轮机和压缩机的涡轮增压器；
将在涡轮机的上游位置处的排气道流体连接至压缩机的下游位置处的进气道的高压EGR通道；
位于所述高压EGR通道内的EGR冷却器，所述EGR冷却器具有排气侧和进气侧；
选择性通过所述高压EGR通道将排气的一部分转移至进气道的EGR阀，其中所述EGR阀为位于EGR冷却器排气侧的热侧边EGR阀；
将位于所述压缩机和内燃发动机之间的进气道流体连接至所述EGR冷却器的排气侧的压缩空气通道；以及
控制通过所述压缩空气通道的压缩气体流量的压缩空气阀，所述压缩空气阀配置为基于发动机工况选择性地通过所述压缩空气管道转移压缩进气的一部分至所述EGR冷却器。
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