CN102140979B - 废气再循环***中的水分清除 - Google Patents

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Abstract

废气再循环***中的水分清除。用于涡轮增压式内燃机的两个阶段冷却废气再循环***，具有入口空气控制空气冷却器。第一EGR(废气再循环)冷却器是液‑气冷却器以及第二、低温EGR冷却器是结合所述入口空气冷却器下游的气‑气冷却器。该***在确定的发动机如低发动机冷却剂温度条件期间绕过EGR(废气再循环)流动穿过所述低温EGR冷却器，以及止回阀允许未冷却的加压的入口空气的有限部分穿过所述低温EGR冷却器，以清除任何残余的水分和由发动机最终消耗。

Description

废气再循环***中的水分清除
技术领域
本发明涉及内燃机，尤其涉及一种用于此类内燃机的废气再循环(EGR)***。
背景技术
自30多年前开始的日益增强的努力，已提供用于内燃机以再循环部分废气的***，以降低燃烧温度，从而减少氮氧化物或NOx的产生。最初的开发致力于火花点火发动机，但是随后的研究已经使这项技术应用于压缩点火或柴油发动机。致力于增加EGR气体的密度，所以对效率、冷却EGR的影响已经被提议。这样的***允许更大量再循环的燃烧产物而没有不利的性能影响。然而，这种类型的***具有问题，在这些空气浓缩中被降低到目的湿度的EGR气体，因此形成水粒子。这些水粒子结合燃烧气体中的成分产生各种酸，其对于用于热交换和空气载携管道以及燃烧室部件的材料具有不利的影响。
在为提供更大量EGR的努力中，附加的冷却器已被建议用来增加气体密度，更用来将对燃烧效率的影响降至最小。附加的冷却过程提供益处的同时，伴随有附加冷凝液的情况发生和水粒子的产生。在各种***中已建议在水粒子产生时条件下避开第二冷却功能，以避免无法控制量的水吸入燃汽缸的不利问题。然而，这些***不能解决热交换器中收集的水分的问题。
因此，技术上需要一种EGR(废气再循环)***，其中用于此类***的热交换器中的水分被有效地清除而对发动机没有不利的影响。
发明内容
本发明的一种形式是一种废气再循环(EGR)***，其用于吸气、消耗燃料涡轮增压式内燃(IC)发动机，该内燃(IC)发动机产生功率输出以及燃烧产物，所述***具有管道以从涡轮增压器输送入口空气到IC发动机用于燃烧，以及热交换器，其***入口空气管道中用于冷却输送到IC发动机的空气。EGR管道接收来自IC发动机的燃烧产物的受控制部分，并选择性地将燃烧产物引入所述的入口空气管道。至少一个热交换器***EGR管道中以降低传到所述入口空气管道的燃烧产物的温度。第一阀响应于信号输入，用于预定的发动机条件下绕过至少一个热交换器旁通流动，以及第二阀响应于所述旁通流动条件从入口空气冷却器的上游点输送空气到至少一个热交换器以从该热交换器清除水分。
本发明的另一种形式包括一种动力***，其具有吸气、消耗燃料内燃发动机，该内燃发动机产生功率输出以及燃烧产物。燃料***提供燃料给IC发动机用于燃烧。涡轮增压器具有用于接收燃烧产物的涡轮以及用于压缩空气以输送到IC发动机供燃烧的压缩机。管道从涡轮增压器压缩机输送入口空气到IC发动机以供燃烧。***所述入口空气管道中的热交换器冷却输送到IC发动机的空气。排气管道从IC发动机延伸到所述涡轮增压器的涡轮，以及废气再循环(EGR)管道连接到所述排气管道以接收来自所述IC发动机的燃烧产物的受控制部分，并连接到所述入口管道以选择性地将燃烧产物导入所述入口空气管道。至少一个热交换器***EGR管道中以降低传到所述入口空气管道的燃烧产物的温度。第一阀响应于信号输入，用于预定的发动机条件情况下绕过至少一个热交换器旁通流动，以及第二阀响应于所述旁通流动条件，从入口空气冷却器的上游点输送空气到至少一个热交换器以从该热交换器清除水分。
附图说明
以上所述内容和本发明其它特征及优势，以及实现它们的方式将更加明显和通过参照以下本发明实施例的说明并结合附图，将更好地理解本发明，其中：
图1示出了使用体现本发明的EGR***的内燃发动机***的示意图；
图2是图1中的发动机***的部分示意图；以及
图3是图2中所示的发动机***部分的另一示意图。
所有附图中对应的参照符号标示出对应的部件。此处显示的示例说明了本发明的实施例，以及这样的示例将不被解释为以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
现在参照附图，尤其参照附图1，示出了内燃机10，其是一种吸气、消耗燃料的发动机，其通过轴12提供旋转输出。发动机10可以是压缩点火、火花点火式发动机或其结合。这些发动机中的任何发动机中，燃烧产物均通过排气歧管14排出到通向涡轮增压器20的涡轮18的排气管道16。从涡轮18的排放物延伸穿过管道21，管道21在通向环境A之前可包含柴油颗粒过滤器22。应该注意的是，柴油颗粒过滤器22可在包含涡轮18的上游位置的排气***中的任意点使用。
涡轮18通过轴24提供旋转输出给压缩机26，压缩机26通过入口管道28接收来自环境A的空气。典型地，这些空气以合适方式被过滤。由压缩机26加压的所述空气延伸穿过入口空气管道30经过入口空气冷却器(CAC)或入口空气热交换器32到通向发动机10的吸入歧管36的第二入口空气管道34。所述入口空气冷却器32的功能是降低流过此处空气的温度，因此增加空气的密度以允许发动机10更大的输出功率。
发动机10接收来自燃料***38的燃料，以在发动机的操作循环中在预定间隔内提供预定量的燃料，以提供来自发动机10的受控制功率。燃料***38通过信号线42接收来自电子控制模块(ECM)的控制输入40。应该注意的是，所述ECM40接收来自发动机10和整个***的多个位置的发动机操作参数输入以提供精确的燃料控制。这些连接已经被省略以简化本发明的理解。
如上所述，排放物控制已推动使用废气再循环(EGR)以降低燃烧产物的温度并因此减少氮氧化物的产生。示出这样的***，通过排气管道16中***阀44，并通过来自ECM40的信号线46控制阀44以提供控制量的燃烧产物或废气穿过EGR管道48。EGR管道48通向高温EGR冷却器60，然后通向第二EGR管道52到旁通阀54。旁通阀54的一支流体输出穿过管道56到低温EGR冷却器58，并最后穿过管道60流体连接到通向吸入歧管36的管道34。阀54选择性地在第一位置导引流体穿过管道56，以及在第二位置穿过管道62以避开低温EGR冷却器58并导引EGR流进入口空气管道34。旁通阀54通过信号线64接收来自ECM40的信号输入，以避开当发动机状况是由于EGR流动的冷却产生过度水分时在低温EGR冷却器周围的流动。典型地，其它条件当中这可能是发动机冷却剂温度处于低水平。
如说明所述，发动机10是一种液体冷却发动机并需要散热器66，其大***于穿过所述入口空气冷却器和低温EGR冷却器的周围空气流量中。散热器66是气-液热交换器并包括内部到发动机10的冷却剂流动路径，其穿过冷却剂管道68，穿过高温EGR冷却器50，并穿过冷却剂管道70到散热器66，并通过冷却剂管道72返回到发动机10。液体冷却剂泵(未画出)提供液体冷却剂的循环。因此，所述高温EGR冷却器50是液-气冷却器以及所述低温EGR冷却器58是气-气冷却器，正如入口空气冷却器32。所述入口空气冷却器32和低温EGR冷却器均是气-气冷却器，因为它们能由散热器将动态热量转移到环境空气中，环境空气远远低于在发动机10的液体控制管道中产生的发动机冷却剂温度。通过使用气-气低温EGR冷却器，EGR百分比可能大大增加以对于发动机产生的排放物提供有利的影响。然而，EGR冷却的第二阶段，经过所述排气管道16的来自发动机的燃烧产物具有水分以及随后的冷却降低了温度以至于水分从空气流中)凝结出。该水结合其它燃烧产物对于普遍用于发动机的进入口和燃烧室的材料具有不利的影响。提供所述旁通阀54用于指引绕过所述低温EGR冷却器58流动以避免发生上述所述的水分凝结现象。然而，现有的***在所述低温EGR冷却器内可能有残余的水分，其以非受控方式传到入口管道34。
根据本发明，图2和图3中所示的入口空气冷却器32和低温EGR冷却器58最小化，如果没有清除，水分不利的堆积。入口空气冷却器32具有与入口空气管道30连接的入口端74和与入口空气管道34连接的出口端76。入口空气冷却器32是气-气热交换器并包含流体通道(未画出)以通过内部流体指引通道表面提供热交换以提供冷却功能。低温冷却器58同样具有与EGR管道56连接的入口端78和在EGR冷却器58的低点位置连接至管道60的出口80，以允许任何水分通向管道60。低温EGR冷却器58具有相似构形的通道以提供热交换循环。如所述，入口空气冷却器32和低温EGR冷却器58相毗邻并且入口空气冷却器32高于低温EGR冷却器58。阀82使入口空气冷却器32的入口端74与低温EGR冷却器58的入口端78相互连接。所述入口端74位于入口空气冷却器32中内部通道的上游并因此位于入口空气冷却器的上游，并暴露于来自压缩机28的出口的压力和温度。阀82在压力差时运行，因此入口端74的压力高于入口78导致气流从入口空气冷却器的上游穿过低温EGR冷却器58。如上述，阀82是止回阀，其仅允许从端74流动到端78，因此低温EGR冷却器58内产生的任何水分不能通向入口空气冷却器32。阀82允许来自入口空气冷却器上游点的空气流穿过低温EGR冷却器以清除任何堆积的水分。所述入口空气冷却器32上游的空气处于高温并穿过所述低温EGR冷却器58蒸发并带有一些堆积的水分。因为所述入口空气冷却器与低温冷却器相邻近并通过阀82的单向流动连接，水分不会从低温冷却器58流进入口空气冷却器32。因而，入口空气冷却器32可以继续由用于进入空气冷却的优化材料制成而不需要特别地选择来防止EGR气流中水分产生的酸的影响。
图2中示出的入口空气冷却器32和低温EGR冷却器58的定位是入口空气冷却器32位于上方。图3示出了标明有主要上标的同样数字的相反定位。因此，入口空气冷却器32’位于低温EGR冷却器58’下方。阀82’仅允许从入口空气冷却器端74’到低温EGR冷却器端78’的单向流动。出口80’在EGR冷却器中的低点位置连接管道60’。这种定位的优势是低温EGR冷却器58’中的水滴由于重力落入来自入口空气冷却器32’的较高速率气流中，像细薄雾一样带入到管道34’的气流中。为了便于输送，虚线所示的混合器，比如喷嘴84，可能包含在该***中。
上述装置具有有利的效果：在入口空气冷却器和低温EGR冷却器之间使用简单的压力差止回阀，以提供从低温EGR冷却器有效清除水分而无需复杂的控制机构。保留了现有控制机构启动绕过低温入口空气冷却器旁通流动，但增加的益处是低温入口空气冷却器的有效清除水分而无需在流动到发动机的主要流动中提供水槽，其可能引起间歇地由发动机获取水分量。
本发明已经描述了至少一个实施例，本发明可在本公开的精神和范围内做进一步更改。因此本申请意欲覆盖任何变换、应用或使用其基本原理应用本发明。而且，本申请意欲覆盖这样偏离本公开的本发明相关领域中的已知或常规并落入附加的权利要求限制中。

Claims (18)

1.一种废气再循环EGR***，其用于吸气、消耗燃料、涡轮增压式内燃IC发动机，该发动机产生一功率输出以及燃烧产物，所述***包括：
一管道，其用于从涡轮增压器输送入口空气到所述IC发动机以供燃烧；
一入口空气热交换器，其***用于输送入口空气的所述管道中以冷却输送到所述IC发动机的空气；
一EGR管道，其接收来自该IC发动机的所述燃烧产物的一受控制部分，并选择性地将所述燃烧产物导入用于输送入口空气的所述管道；
至少一个EGR热交换器，其***所述EGR管道中以降低通向用于输送入口空气的所述管道的燃烧产物的温度，其中所述入口空气热交换器与所述至少一个EGR热交换器相毗邻；
一第一阀，其响应于一信号用以在预定的发动机条件下绕过至少一个EGR热交换器旁通流动；以及
一第二阀，其响应于所述旁通流动用以从所述入口空气热交换器的一上游点输送空气到所述的至少一个EGR热交换器，以从该EGR热交换器中清除水分，其中所述第二阀仅允许从所述入口空气热交换器的所述上游点流动到所述至少一个EGR热交换器。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于：所述第二阀是一压力响应阀，其用于在所述入口空气热交换器的所述上游空气压力高于所述至少一个热交换器中的压力时允许流动。
3.权利要求1所述的***，其具有一对EGR热交换器，其中第一EGR热交换器***在第二EGR热交换器下游的所述EGR管道中。
4.如权利要求3所述的***，其中所述第一EGR热交换器是液-气冷却器以及所述第二EGR热交换器是气-气热交换器。
5.如权利要求1所述的***，其中所述发动机由液态冷却剂冷却并且所述第一阀响应于发动机冷却剂温度以在发动机冷却剂温度低于一预定水平时绕过所述至少一个EGR热交换器旁通流动。
6.如权利要求3所述的***，其中所述入口空气管道在其上的一低点连接所述第二EGR热交换器。
7.如权利要求6所述的***，其中所述入口空气热交换器位于所述第二EGR热交换器的上方。
8.如权利要求6所述的***，其中所述第二EGR热交换器位于所述入口空气热交换器的上方，以使所述第二EGR热交换器中的水滴受重力作用流入所述入口空气热交换器的下游空气流中。
9.如权利要求8所述的***，进一步包括一混合器，其位于来自所述至少一个EGR热交换器的流体与来自所述入口空气热交换器的流体的连接点位置。
10.一种动力***，包括：
一吸气、消耗燃料内燃IC发动机，其产生一功率输出以及燃烧产物；
一燃料***，其用于提供燃料给所述IC发动机以产生燃烧；
一涡轮增压器，其具有用于接收燃烧产物的涡轮以及用于压缩空气以输送到所述IC发动机以供燃烧的压缩机；
一管道，其用于从所述涡轮增压器输送入口空气到所述IC发动机以供燃烧；
一入口空气热交换器，其***所述入口空气管道中以冷却输送到所述IC发动机的空气；
一排气管道，其从所述IC发动机延伸到所述涡轮增压器的所述涡轮；
一废气再循环EGR管道，其连接到所述排气管道用以接收来自所述IC发动机的燃烧产物的一受控制部分，并连接到所述入口管道以选择性地将所述燃烧产物导入所述入口空气管道；
至少一个EGR热交换器，其***所述EGR管道中用以降低通向所述入口空气管道的燃烧产物的温度，其中所述入口空气热交换器与所述至少一个EGR热交换器相毗邻；
一第一阀，其响应于一信号输入用以在预定的发动机条件下绕过所述至少一个EGR热交换器旁通流动；以及
一第二阀，其响应于所述旁通流动用以从所述入口空气热交换器上游的一点输送空气到所述至少一个EGR热交换器以从所述至少一个EGR热交换器清除水分，其中所述第二阀仅允许从所述入口空气热交换器的所述上游点流动到所述至少一个EGR热交换器。
11.如权利要求10所述的动力***，其特征在于：所述第二阀是一压力响应阀，其用于在所述入口空气热交换器的所述上游空气压力高于所述至少一个热交换器中的压力时允许流动。
12.权利要求10所述的动力***，其具有一对EGR热交换器，其中第一EGR热交换器***在第二EGR热交换器下游的所述EGR管道中。
13.如权利要求12所述的动力***，其中所述第一EGR热交换器是液-气冷却器以及所述第二EGR热交换器是气-气热交换器。
14.如权利要求10所述的动力***，其中所述第一阀响应于发动机冷却剂温度以在发动机冷却剂温度低于一预定水平时绕过所述至少一个EGR热交换器旁通流动。
15.如权利要求12所述的动力***，其中所述入口空气管道在其上的一低点连接所述第二EGR热交换器。
16.如权利要求15所述的动力***，其中所述入口空气热交换器位于所述第二EGR热交换器的上方。
17.如权利要求15所述的动力***，其中所述第二EGR热交换器位于所述入口空气热交换器的上方，以使所述第二EGR热交换器中的水滴受重力作用流入所述入口空气热交换器的下游空气流中。
18.如权利要求17所述的动力***，进一步包括一混合器，其位于来自所述至少一个EGR热交换器的流体与来自所述入口空气热交换器的流体的连接点位置。
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