CN101646849B - 增压流体吸入模块和内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的增压流体吸入模块(10，20)，包括一个壳体(1、2)，所述壳体形成气态的包括空气、气体和/或空气-气体混合物的增压流体(5)的流路；其中，在壳体(1、2)中布置着一个气态增压流体(5)的热交换器(11)。为实现改良的废气循环的目的，按照本发明的技术方案，壳体(1、2)具有一个废气(15)的进气道(13)，进气道(13)在气态增压流体(5)的热交换器(11)的下游接入到流路中。

Description

增压流体吸入模块和内燃机
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的增压流体吸入模块，包括一个作为气态增压流体流路的壳体，而在壳体中布置着一个用于气态增压流体的热交换器。
背景技术
这种前面所述的气态增压流体吸入模块用于输送内燃机燃烧过程中必需的气态增压流体，它特别是以增压空气或者以优选地经过压缩的增压空气-气体混合物的形式出现。
此外，增压空气冷却的概念有助于减少废气中的有害物质，特别是氮氧化物。US 5,269,143对这个概念进行了描述，其中设有一个以增压空气冷却器为形式的、作为单独部件的热交换器，用于对增压空气进行冷却。
另外，一种特别节省空间的变型可通过以下方式实现，即-如在前面所述的增压流体吸入模块上-在总进气道中为气态增压流体、特别是增压空气布置了一个热交换器。这种增压流体吸入模块在例如DE 10 2004 025 187 B3中公开。
在另一个减少内燃机-如柴油机或汽油机-的燃料消耗和废物排放的概念中，例如在US 2006/006 A1中，采用了一种废气再循环***。在这里，废气通常由一个以再循环废气冷却器为形式的、单独的外部热交换器冷却。在这种情况下，根据发动机正常工作点，废气的一个分流在发动机之后被抽出，并在一个以废气再循环冷却器为形式的热交换器中冷却，然后再混入到吸入空气中。再循环的废气量取决于废气侧和新鲜空气侧的压差以及发动机的运转特性。
而废气再循环可分为高压废气再循环和低压废气再循环。在高压废气再循环中，处于相对高压下的管路段之间的废气再循环，通过例如一条废气再循环管路进行，这条管路在废气涡轮机之前从发动机出口侧引出，并在压缩机之后从发动机的进口侧进入。与此不同的是，低压废气再循环通常为处于相对低压下的管路段之间的废气再循环，它通过例如一条废气再循环管路进行，这条管路在废气涡轮机之后从发动机出口侧引出，并在压缩机之前从发动机进口侧进入。废气再循环的效率或流量通常由再循环废气的可输送体积(量)及可利用的压差决定。在低压废气再循环的情况中，压缩机上的压差-也被称为扫气压差-通常起决定作用，并可针对通过废气冷却器再循环的废气量，在需要的情况下予以提高。在高压废气再循环的情况中，通常只利用到发动机废气侧和发动机新鲜空气侧之间的压差。
因此，如同在DE 10 2004 025 187 B3中所述，在高压废气再循环的情况中，废气通常在吸入管和增压空气冷却器之间的区域混入到经过压缩的增压空气中。
发明内容
但废气再循环的效率还有待改善。在这种情况下，本发明的目的是提供一种装置，它可以节省空间，还可以提高废气再循环的效率。
本发明的目的通过一种前面所述的增压流体吸入模块实现。按照本发明，在这个模块上，壳体具有一个废气进入通道，并且这个进入通道在为气态增压流体所设的热交换器的下游接入到流路中。
本发明以下面的设想为出发点，即废气混入的位置也对前面所述的增压流体吸入模块上的扫气压差起决定作用，在所述增压流体吸入模块上，在壳体中、特别是在总进气道中为气态的增压流体布置了一个热交换器，特别是增压空气冷却器，或者将一个热交换器集成到一个空气吸入管中。在这里已明确，在热交换器之前将废气输入是具有缺点的，因为在这种情况下，扫气压差将减少，减少的幅度相当于气态增压流体、特别是增压空气的热交换器的增压流体侧即空气侧的压差。在本发明中已提到，在这种情况下，可再循环的废气量将受到不必要的限制，这样，降低消耗方面的优势还有待提高。
在第一步中，发明以特别紧凑并靠近发动机、空气路程短的单元为出发点，在这个单元中，布置着壳体，特别是在总进气道中，布置着气态增压流体、特别是增压空气或增压空气混合物的热交换器。这样将使空气侧的增压空气的压力损失优选地保持在相对较低的水平。按照本发明，在壳体进口处，特别是在总进气道中，例如在增压空气吸气管中占决定地位的压力对废气再循环具有相对较大的影响，在这种情况下，本发明规定，废气的输入管在热交换器的下游接入到气态增压流体的流路中，以达到尽可能大的扫气压差，即使发动机的废气侧和新鲜空气侧之间的压差尽可能变大，从而为废气再循环提供一个尽可能大的压差。否则，如同现有技术一样，扫气压差将减少，幅度相当于气态增压流体的热交换器的空气侧的压差。
此外，本发明所提出的技术方案将大大减少散热器污染、热负荷和腐蚀的问题。
本发明还涉及一种废气再循环***，特别是高压废气再循环***，包括一个如本发明的技术方案所述的增压流体吸入模块。此外，在一个高压废气再循环***上采用这个增压流体吸入模块具有特别的优势，因为如前所述，对于一个高压废气再循环***而言，提高压差的元件并不是在任何情况下都可使用，可供使用的压差则是由发动机出口侧的压力和发动机进口侧的压力决定的。按照本发明的设想，通过上述增压流体吸入模块将使这个压差得到尽可能优化地利用。
本发明还涉及一种内燃机，它具有如本发明所述的增压流体吸入模块。
本发明的较佳实施形式参见下述方案，并分别优选地使本发明的目的及其它优点得以实现。
增压流体吸入模块优选地具有一个用于气态增压流体的总进气道。作为优选、补充或替代的方式，增压流体吸入模块具有多个与内燃机的各汽缸相对应的进气道，气态的增压流体可通过这些进气道输送到内燃机的各汽缸中。这种模块也被称为进气弯管。
一个节气门或另一个减压元件优选地布置在用于气态增压流体吸入模块的热交换器之前。一个节气门尤其是布置在吸入管和总进气道之间。通过这个节气门，该已有的扫气压差进一步增大，所述的扫气压差则由废气侧的抽取点和新鲜空气流路之间的压差决定。这在以柴油机为形式的内燃机上特别具有优势，此外也优选地用于汽油机。按照这个实施形式，节气门优选地布置在空气进口处，即在气态增压流体的吸气管的端部和总进气道之前。作为补充或替代，节气门或其它压力降低或压力调节元件集成到增压流体吸入模块中，并布置在热交换器之前或之后。
原则上，用于气态增压流体的热交换器可以是多种形式的，这既表现在结构上也表现与冷却介质相关的设计上。例如，空气/水-热交换器特别具有优势。但除了水之外的其它介质，例如适合的制冷剂也可被用作冷却介质。因此，一个热交换器在结构上可按需要带有不同形式的流道-无论它是用于气态的增压流体/废气或冷却介质，典型的所述流道为管状的流道，例如扁平的或多角的，或者也可以是由板片组装而成的流道。此外，这种热交换器在较佳的布置中还具有改善流动、加大涡流或其它促进传热的元件。热交换器-用于气态增压流体或废气-可以采用I形流或U形流的结构形式。它可以是单级或双级。特别是在两级、例如低温级和高温级的形式中，热交换器可具有一个旁路，用于使流体绕过这个热交换器或者绕过这个热交换器中的某一级或者任意的一级。
原则上，在本发明适合各种具有优势的布置，从结构上来说，只要废气进气道开口的位置布置在气态增压流体的流路中的热交换器的下游。因此，按照一个特别优选的实施形式，较佳的是，废气进气道接入到总进气道中。此外，按照本发明，较佳的是将混入了再循环废气的吸入空气的体积保持在尽可能低的水平。这样，即使在负荷迅速变换的情况下，发动机中的燃烧稳定性受到的影响相对较小。按照本发明的另一个特别优选的实施形式，废气的进气道可直接在分吸入管道之前接入到流路中。
此外可以看出，如果出口布置在气态增压流体的热交换器、特别是增压空气冷却器和汽缸上的进气阀之间尽可能靠后的位置上，那么按照上述实施形式，气体体积将会尤其小。原则上在这个方面特别具有优点的是，废气进气道在一个分吸入管道中接到流路上。这样，废气的混入在实际上就会尽可能地延后。
按照本发明的一个优选实施形式，废气进气道具有多个与分吸入管道分别对应的开口，所述开口分别接入到一个进气道中，或者在一个分吸入管道中接到流路上。换句话说，若干进气道可从一个共同的废气进气道引出，或者一个进气道具有多个开口，它们分别在一个分吸入管道中接到流路上。特别优选的是设有至少两个不同尺寸或形状的开口。这些尺寸或形状应优选地使废气均匀分布地输送到多个汽缸中。典型的是，可根据进气道接口的位置将废气均匀地分配到内燃机的所有汽缸。特别优选的是，废气进气道可采用分配板的形式和/或具有若干分配板，它们优选地布置在接入口区域。
例如在接入口区域，混合元件可优选地促进废气的混合或按照本发明以对压力有利的方式形成废气的混合。典型适合的是一个喷嘴，例如调节阀式喷嘴或混合叶片或者布置在流路中的渗透性元件。
按照本发明进一步发展的第一个变型，一个废气热交换器与增压流体吸入模块对应。这个废气热交换器优选地作为相对于增压流体模块独立的部件。按照上面所述的实施形式，不管再循环废气的废气管的相对位置如何，首先使废气均匀地分配到汽缸中，例如通过各废气再循环管道上的不同大小的开口，在必要时也无需考虑前面所述的进气道中的压差，例如分配板中的压差。
按照进一步发展的第二变型，废气热交换器布置在壳体中，特别是在废气进气道中。这样，在必要时，可为按照第一个变型的热交换器节省更多的空间。废气热交换器优选地布置在壳体中，从而使废气从热交换器到进气道的流路处于壳体之内。这将节省连接所需的成本。
在第二变型的一个特别优选的发展中，气态增压流体的热交换器和废气热交换器为一个共同的热交换器模块。这样，将进一步节省所占的空间；此外，热交换器作为增压空气和废气共用的模块在结构上具有优势，并节省成本。
壳体优选为一个铸件，特别是是注射成型件。材料优选为塑料和/或铝或化合物。壳体优选为由铝制成的注射成型件。
在使用铝作为材料时，优点是壳体特别适合使热交换器进一步集成。按照本发明的一个特别优选的实施形式，热交换器的一个或多个流道至少局部地与壳体成为一体。但原则上，这种进一步的集成通过除铝之外的其它材料也可以实现。
壳体优选为一个由多个部分组成的壳体，特别是包括一个用于总进气道的单独的壳体部分和一个用于分吸入管道的单独的壳体部分。此外，按照需要也可采用其它的作为补充或替代的壳体的实施形式。一个一体式的壳体特别节省成本。
在整体上，本发明的优点在于，改善了经过冷却的废气的输送和分配。如前所述，废气再循环通过例如在增压流体模块的顶部形成的分配板进行，将有效地降低成本。前面所述的、按照第二个变型的废气热交换器、特别是再循环废气冷却器的进一步集成，形成一个由总进气道组成的紧凑单元，它在必要时包括吸气管、气态增压流体的热交换器和废气热交换器。这减少了元件之间的接口数量，此外还减少了在发动机舱的装配工作。另外，通过气管和热交换器的共同加工-如所述以分别或组合的方式-可大幅度地减少成本。
下面通过附图对发明的实施例进行说明。附图没有必要将实施例按照比例画出，相反，为了能够清楚地说明，附图将采用示意和/或变形的方式。相关的现有技术将作为附图中可直接看出的原理的补充。必须要注意的是，在实施形式的具体方式和细节方面会出现多种的改型和修改，这些都不违背发明的总体设想。在说明书、附图及权利要求中所公开的特征，无论是单独还是任意组合的方式，都对发明的实施形式有着重要意义。此外，由至少两个在说明书、附图和/或权利要求中所公开的特征的所有组合均属于本发明的范畴。本发明的总体设想并不局限于在随后所展示和描述的实施形式的具体方式或细节，也不局限于权利要求中所涉及的对象。在本发明所给出的尺寸范围中，处于所述边界之内的值将作为极限值公开，可用于任意组合，并可作为权利要求的一部分。
附图说明
图1：按照增压流体模块的第一个优选实施形式的空气吸入模块，包括整体式的再循环废气分配板和废气再循环输送管，它在增压空气热交换器的下游接入到流路中；
图2：图1所示的空气吸入模块的截面图；
图3：增压流体吸入模块的第二个优选实施形式，以具有集成的再循环废气冷却器和再循环废气分配板的空气吸入模块的形式出现，其中，废气的输送管在增压空气热交换器的下游接入到流路中；
图4：图3所示的实施形式的截面图。
具体实施方式
图1中是按照本发明的第一个优选的实施形式的、用于未详述的内燃机的增压流体吸入模块，其形式为增压空气或空气吸入模块10。在图2所示的截面图中，空气吸入模块10具有一个以增压空气5为形式的增压流体的主进气道3和多个与未详述的内燃机汽缸相对应的分吸入管道7(也被称为进气弯管)，它们均作为壳体的一部分。增压空气5通过进气弯管输入到内燃机的汽缸中。增压空气5在壳体1的流路如箭头所示，它在进口侧从一个未详示的吸气接管经过一个示意表示的节气门9进入到总进气道3中，并经过以增压空气冷却器11为形式的、在图中示意表示的热交换器，然后进入到进气弯管的分吸入管道7中，并最终输送到内燃机的汽缸中。
在这里，空气吸入模块10用于一个高压废气再循环回路，但原则上也可用于低压废气再循环***。如前所述，在一个高压废气再循环***中，其优点在于，尽可能优化地利用发动机出口侧的高压区域和发动机进口侧的高压区域之间的压差，即扫气压差。在图1和图2所示的实施形式中，这通过一个废气再循环管路实现，它在壳体1中具有废气15的进气道13，而进气道13在增压空气的热交换器11的下游接入到由箭头所示的、增压空气5的流路中。在这里，进气道13具有一个布置在接入口区域的分配板17，它具有通向所述的流路的出口19。如图2所示，出口19布置在热交换器11的出口21的下游。
特别是在如图1和图2所示的实施形式中，废气15的进气道13通过分配板17加长，从而使出口19布置在进气弯管的分吸入管道7上，这样，按照这个实施形式，废气15混入到增压空气中的时机被相对推迟，也就是说，实际上直接在通向未详示的汽缸的分吸入管道7中混入。
在这个实施形式中，沿着进气道13的走向存在着一个压差。为了在这个压差下使废气能够尽可能均匀地输送到汽缸中，出口19的开口大小沿着废气15的流路方向-随着压力的下降-变大，即在布置在进气道13的进口区域的分配板17处最小，在位于端部的、在图1中处于最前面的分配板17的出口19最大。此外，在开口的形式和设计上要考虑到上面的因素并使废气和空气良好地混合。按照图1和图2中的实施形式，不仅提供了一个特别节省空间、带有集成的增压空气冷却器的增压空气吸入模块，还通过将出口19布置在增压空气5的流路中相对较后的位置，以较佳的方式完全利用了在发动机出口侧和发动机进口侧之间的压差。此外，还利用增压空气5流路上位于吸气管和主进气道3之间的节气门9，以提高增压空气5的压差，并从而提高废气15的扫气压差。
在图1和图2中，以增压空气冷却器为形式的热交换器11是代表性的和示例性的，原则上可按照使用范围采用不同的形式。为了在增压空气5和一种未详示的冷却流体、这里为一种以水为基础的冷却介质之间进行换热，该热交换器具有一个芯体，它由相互分开并换热的增压空气5和冷却介质的管路组成。芯体具有一个壳体23，所述壳体包括一个可被冷却介质穿流的腔25和布置在腔25中的增压空气流道27。冷却介质和增压空气5在腔25或流道27中相互分开流动，借助于涡流或导向元件29的提高换热的作用，使增压空气5和冷却介质之间进行热交换。如图所示，增压空气5流入到热交换器11并从其流出，可沿着增压空气5的流路方向进行。在变型中，也可按照需要，采用从侧面流入热交换器的方式，即垂直于所示的流路。
图3是空气吸入模块20的特别优选的第二实施形式的立体图，图4则是相应的截面图，在这里，对于相同或相同功能的零件采用与图1和图2相同的附图标号。
在结构和功能上相同的空气吸入模块20与图1和图2所示的实施形式不同的是-包括那里在外部和单独由空气吸入模块10所进行的空气冷却-具有一个废气冷却器31，它同样位于壳体2之内并布置在废气15的进气道13中，但它在这个实施形式中与增压空气冷却器11形成一个共用的热交换器模块33。这样，废气冷却器31和增压空气冷却器11分别形成这个共用的热交换器模块33的一个冷却区，其中，废气冷却器31的冷却区布置在废气15的进气道13区域中，而增压空气冷却器11的冷却区布置在空气吸入模块20的总进气道3中的增压空气5的流动区域内。
通过第二个实施形式实现的废气冷却器的集成，形成一个特别紧凑的单元，它由图未示的吸气管、总进气道3、增压空气冷却器11和废气冷却器13组成。这大大减少了所述部件之间的接口数量和安装工作。此外，在制造过程中，空气吸入模块20与热交换器模块33的同步制造大大节省了成本。
综上所述，本发明涉及一种用于内燃机的增压流体吸入模块10、20，包括一个壳体1、2，所述壳体形成气态的增压流体5-特别是空气、气体和/或空气-气体混合物的流路；还包括一个气态增压流体5的总进气道3；其中，气态增压流体5的热交换器11布置在总进气道3中。为了能够改善废气的再循环，按照本发明，壳体1、2具有一个废气15的进气道13，并且进气道13在气态增压流体5的热交换器11的下游接入到流路中。

Claims (20)

1.用于内燃机的增压流体吸入模块(10、20)，包括一个壳体(1、2)，所述壳体形成气态的包括空气、气体和/或空气一气体混合物的增压流体(5)的流路；其中，在壳体(1、2)中布置着一个气态增压流体(5)的热交换器(11)，其特征在于，壳体(1、2)具有一个废气(15)的进气道(13)，进气道(13)在气态增压流体(5)的热交换器(11)的下游接入到流路中，该增压流体吸入模块(10、20)还具有多个与内燃机的汽缸相对应的分吸入管道(7)，气态增压流体(5)通过它们输送到内燃机的汽缸中，废气(15)的进气道(13)具有多个与分吸入管道(7)分别对应的开口，进气道(13)的至少两个开口具有不同尺寸或形状，这些尺寸或形状使废气(15)均匀分布地输送到多个汽缸中。
2.根据权利要求1所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于还具有一个气态增压流体的总进气道(3)。
3.根据权利要求2所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，一个节气门(9)布置在气态增压流体的热交换器(11)之前。
4.根据权利要求3所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，所述节气门(9)布置在一个吸入管和一个总进气道(3)之间和/或集成到壳体(1、2)之中。
5.根据权利要求2所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，废气(15)的进气道(13)接入到总进气道(3)中。
6.根据权利要求1所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，废气(15)的进气道(13)直接在分吸入管道(7)之前接入到流路中。
7.根据权利要求1所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，废气(15)的进气道(13)在一个分吸入管道(7)上接入到流路中。
8.根据权利要求1所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，所述开口分别在一个分吸入管道(7)上接到流路上。
9.根据权利要求1所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，废气(15)的进气道(13)具有一个分配板(17)，它布置在接入口区域。
10.根据权利要求1所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，废气(15)的热交换器(31)布置在壳体中(1、2)中。
11.根据权利要求10所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，所述废气(15)的热交换器(31)布置在废气(15)的进气道中。
12.根据权利要求11所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，气态增压流体(5)的热交换器(11)和废气(15)的热交换器(31)布置在一个共同的热交换器模块(33)中。
13.根据权利要求1所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，壳体(1、2)为一个铸件。
14.根据权利要求13所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，所述壳体(1、2)为注射成型件。
15.根据权利要求14所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，所述壳体(1、2)由塑料和/或铝制成。
16.根据权利要求12所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，热交换器(11、31、33)的一个或多个流道(27)至少局部地与壳体(1、2)成为一体。
17.根据权利要求2所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，壳体(1、2)为一个由多个部分组成的壳体，包括一个用于总进气道(3)的独立的壳体部分和一个用于分吸入管道(7)的独立的壳体部分。
18.根据权利要求1所述的增压流体吸入模块(10、20)，其特征在于，壳体(1、2)为一体式。
19.废气再循环***，包括高压废气再循环***，具有一个根据权利要求1到18中任一项所述的增压流体吸入模块(10、20)。
20.内燃机具有一个根据权利要求1到18中任一项所述的增压流体吸入模块(10、20)。
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