CN111479993B - 包括内燃机和排气再循环回路的内燃机*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机***(2)，包括内燃机(4)和将发动机的排气歧管(8)连接到所述发动机的进气歧管(6)的排气再循环回路(12、14、16、18、20、22)，所述回路包括：至少一个簧片阀(16)；EGR阀(22)，所述EGR阀被布置在从所述排气歧管(8)流向所述进气歧管(6)的排气的路径上的所述簧片阀的下游；和EGR管线(18)，所述EGR管线将所述簧片阀连接到所述EGR阀。所述***还包括：用于气体的旁通管线(30)，以将所述EGR管线(18)连接到所述发动机的排气管线(10)；和控制装置(20、40、42)，以控制通过所述旁通管线排出的气体的流动。

Description

包括内燃机和排气再循环回路的内燃机***
技术领域
本发明涉及一种包括内燃机和排气再循环回路的内燃机***。
背景技术
在汽车工业中，已知当发动机气缸中的燃烧温度高时，内燃机效率高。然而，当长时间保持较高的峰值温度时，空气中的氮气和氧气会结合而形成新的化合物，主要是NO和NO2，称为“NOx”。然后，NOx的排放取决于发动机气缸中的燃烧温度。
对此，大多数现代发动机需要排气再循环以达到NOx排放标准。从WO 2009/081226A1中已知EGR回路的示例。EGR包括将一部分排气再循环回到发动机气缸进口，以降低局部燃烧温度。这是由于这样的事实：主要包括氮气、二氧化碳、氧气和水蒸气的残余装料(residual charge)(排气)的比热高于新鲜装料(空气)的比热，并且还因为这样的事实：由于新鲜空气的比例不太重要，因此降低了发动机进气口处的O2含量。
为了将EGR引入到进气歧管中，EGR压力必须大于进气歧管压力。在这方面，已知在EGR管线中使用可变几何涡轮(VGT)或簧片阀，或者使用非对称固定几何涡轮(FGT)或进气节气阀(ITV)来提高允许进入进气歧管中的排气的压力。
使用至少一个簧片阀是有利的，因为它可能是较便宜的解决方案。簧片阀是一种单向阀，能够让排气在进气歧管的方向上流动。簧片阀(或止回阀)防止EGR管线中的回流(back flow)，也就是说，在进气歧管压力大于排气歧管压力的情况下，可防止入流的新鲜空气经由EGR管线进入排气歧管。另外，设置EGR阀以控制允许进入进气歧管的排气量。
传统上，EGR阀在排气歧管和进气歧管之间的排气流动路径上被布置在簧片阀的上游。特别地，EGR阀位于冷却器的上游，即在热侧上。但是，这种布置无助于增加允许进入进气歧管的排气的压力。
关于这一点，在WO 2009/081226 A1中，EGR阀被布置在簧片阀的下游，这意味着簧片阀和EGR阀之间的管道部分形成某种蓄压器，其中，由于排气的积累，压力会升高。事实上，在内燃机的排气冲程期间观察到压力峰值。这样的压力峰值导致压力波间歇地通过簧片阀传播。在两个压力峰值之间，排气歧管中的压力下降。簧片阀使得能够保护EGR回路免受该压降的影响。
EGR功能并非始终处于激活状态。通常，当发动机处于冷态或要求高马达扭矩时，则没有EGR。因而，簧片阀下游的压力可以增加到高压水平，接近气缸的峰值压力。这可能导致机械故障，因为簧片阀不是被设计成去承受预定压差以上的压差。
本发明的目的在于提供一种改进的内燃机***，其可以克服现有技术***的缺点。
发明内容
为此，本发明涉及一种根据本发明的实施例的内燃机***。
由于本发明并且由于下列事实：旁通管线在位于簧片阀下游和EGR阀上游的EGR管线的连接点处将EGR管线连接到发动机的排气管线，因此，旁通管线可以将EGR流直接转向到排气管线，以控制在簧片阀和EGR阀之间延伸的EGR管线中的EGR压力。通常，所述EGR管线中的EGR压力维持在进气歧管的压力之上(新鲜空气)，以不抑制再循环，并维持在一定阈值以下，以防止簧片阀的任何机械故障。
WO 2016/207112 A1公开了以下想法：使旁通管线将处于EGR阀下游的位置处的排气再循环管线连接到处于涡轮单元下游的位置处的排气管线。设置排出阀，以控制从EGR回路排出到排气管线的气体流动。例如，将排出阀控制在打开位置以旁通涡轮增压器的涡轮，以便提高排气后处理***(EATS)上游的排气温度。
在本发明的实施例中限定了***的其他有利但非强制性的特征。
本发明还涉及一种根据本发明的实施例的车辆。
附图说明
通过阅读仅作为两个非限制性示例而给出的下文说明并且参考作为示意性图示的附图，将能更好地理解本发明，其中：
图1是重型车辆，特别是牵引卡车的侧视图；
图2是根据本发明的属于图1的车辆的内燃机***的示意图；以及
图3是根据发动机速度绘制发动机扭矩并示出内燃机的不同运行范围的曲线图。
具体实施方式
图1以侧视图示出了在示例中作为牵引卡车1的车辆。然而，在未示出的可替代实施例中，车辆可以不同于牵引卡车。例如，车辆可以是轻型、中型或重型车辆、多功能车辆、自动驾驶车辆等。
牵引卡车1包括内燃机***2，该内燃机***包括：内燃机(ICE)4，优选是柴油发动机；和排气再循环回路(或EGR回路)，该排气再循环回路将发动机的排气歧管8连接到发动机的进气歧管6。可替代地，发动机4可以是汽油发动机。
EGR回路包括至少一个簧片阀16和EGR阀22，该EGR阀被布置在从排气歧管8流到进气歧管6的排气的路径上的簧片阀16的下游。EGR回路还包括将簧片阀16连接到EGR阀22的EGR管线18。
簧片阀16也可以称为止回阀，其通常包括一对具有一定刚度的柔性金属叶片。这些柔性叶片被定尺寸成抵抗阀两侧之间的一定压差，这意味着更大的压差可能会导致机械故障。
优选地，EGR回路还包括冷却器14，该冷却器被布置在从排气歧管8流到进气歧管6的排气的路径上的簧片阀16的上游。通常，并且本身已知，冷却器14是热交换器，特别是错流热交换器(cross-flow heat exchanger)。冷却器14能够增加EGR的密度，因而增加发动机中允许进入的EGR量。这也使得能够降低进气口处的混合物的温度，并且由此降低NOx的产生。附图标记12表示排气歧管8和冷却器14之间的管道部分。
根据本发明，EGR回路还包括：旁通管线30，该旁通管线将EGR管线18连接到发动机的排气管线10；和控制装置，该控制装置用于控制通过旁通管线30排出的气体的流动。排气管线10连接到涡轮24，该涡轮连接到发动机缸体4的排气歧管8。排气管线10的功能是将排气从涡轮出口排放到大气。实践中，排气管线10优选地连接到图中未示出的排气后处理***(EATS)，以在将气体释放到环境中之前对气体进行处理。
在该示例中，控制装置包括排出阀20。排出阀20被布置在旁通管线30上。通常，排出阀20是双向阀，这意味着阀20包括连接到EGR管线18的进口和连接到排气管线10的出口。
可替代地，排出阀20可以是三通阀，包括：经由管道部分连接到簧片阀16的进口；经由另一个管道部分连接到EGR阀22的第一出口；以及连接到发动机的排气管线10的第二出口或排出出口。在该可替代实施例中，取决于阀的构造，进入三通阀的进口中的气体流被转向到阀的第一出口和/或第二出口。
由于排出阀20和EGR阀22被布置在EGR冷却器14的下游，因此它们不经受高温，这意味着可以使用基本廉价的阀。
优选地，排出阀20是机电操作阀，例如电磁阀。因而，控制装置包括控制器，诸如控制箱40，其被设置用于控制阀20的打开和关闭。通常，该控制箱40可以与控制EGR阀20的打开和关闭的控制箱相同。可替代地，排出阀20可以是自动阀，其在管道18中的压力超过预定阈值时自动打开，而在其余时间保持关闭。
在该示例中，控制装置还包括：压力传感器42，该压力传感器用于测量管线18中的将簧片阀16连接到EGR阀22的压力；和传输装置，该传输装置将所测量的压力传输到控制器40。通常，这种传输装置可以是有线或无线通讯装置。
实践中，控制器40被配置成当EGR管线18中的将簧片阀16连接到EGR阀22的压力超过预定阈值压力值时打开排出阀20，以保护簧片阀16免受过压。当阀20处于关闭构造时，旁通管线30中没有气体流。然而，当阀20处于打开构造时，在EGR管线18中积累的排气通过旁通管线30排出，从而导致管线18中的压降。
有利地，排出阀20可以被控制为在预定时间段内保持处于打开构造，或者直到管线18中的压力降低到特定的较低压力值，该较低压力值高于进气歧管6中的空气压力，以便不阻止朝向进气歧管6的排气再循环。
有利地，***2包括涡轮增压器，该涡轮增压器包括空气压缩机26和用于驱动压缩机26的涡轮24。涡轮24被布置成使得排气管线10中的排气流过涡轮24。称为涡轮增压发动机。
优选地，涡轮24是固定几何涡轮。这提供了使排气背压(即排气歧管8中的压力)最小的优点，这继而有利于燃料消耗。最重要的是，固定几何涡轮增压器比可变几何涡轮增压器便宜。
实践中，压缩机26压缩来自空气进气口28的新鲜空气，并向进气歧管6提供压缩空气。附图标记32表示在压缩机26和进气歧管6之间延伸的空气管道。在未示出的可替代实施例中，可以在压缩机26和进气歧管6之间设置冷却器。这种冷却器可以帮助增加被引入进气歧管6中的新鲜空气的密度。
有利地，旁通管线30将EGR管线18在排气管线10中流动的排气路径上的涡轮24的下游位置处与排气管线10相连接。换句话说，阀20的排出出口向在排气管线10中流动的排气路径上的涡轮24的下游打开。由于这种布置，因此无需为涡轮24配备废气门，因为排出阀20代替了废气门。
实际上，传统上，废气门是集成在涡轮壳体中并能够旁通涡轮的小阀。称为废气门涡轮增压器。当废气门打开时，一部分气体旁通涡轮，即不流过涡轮的各级。这构成了涡轮超速保护。实践中，当涡轮上游的气体的温度和/或压力高于可接受的水平时，即，当涡轮上游的气体的温度和/或压力使得可能导致涡轮超速和机械故障时，废气门打开。鉴于这种废气门在根据本发明的发动机***中不是必需的，因此涡轮增压器可以非常简单，并且特别是比废气门涡轮增压器便宜。
根据本发明，当涡轮上游的气体(例如在排气歧管8中的气体)的温度和/或压力高于预定的阈值水平时，EGR管线18和旁通管线30可以用于旁通涡轮24。因此，排出阀20可以用于替换涡轮24的废气门。因而，可以提供压力传感器和/或温度传感器(未示出)，以测量排气歧管8中的压力和/或温度。当排气歧管中的压力或温度过高，即高于涡轮24可承受的压力或温度时，排出阀20打开以防止涡轮超速。实际上，当排出阀20打开时，管道12中的背压低于管道10中的背压，这意味着排气的较大部分在EGR回路中流动。因而，减少了流过涡轮24的排气部分。
图3表示在根据发动机速度(w)绘制发动机扭矩(T)的曲线图上的内燃机的不同运行范围。为了解释，P2表示进气歧管6中的压力，通常称为“增压压力”，P3表示排气歧管8中的压力，并且P4表示涡轮24下游的压力，该压力接近大气压力。
在区域Z1、Z4和Z5中，平均P3明显低于平均P2。虽然，由于簧片阀18防止了EGR管线12中的回流，因此排气歧管8中的压力波可以用于将一小部分排气从排气歧管8驱动到进气歧管6。
在区域Z2和Z3中，平均P3足以将排气从排气歧管8驱动到进气歧管6。
在区域Z3中，涡轮24的废气门通常用于将气体流从涡轮中转向出去，以防止超速。当需要提高排气后处理***(EATS)的温度时，也可以在区域Z4中在低负载条件下打开废气门。
在下文中描述了当涡轮24没有废气门时的排出阀20的高级控制方法。
在正常运行期间，发动机很热，并且在所有运行范围内都需要EGR。在区域Z1、Z4和Z5中，排出阀20用于控制簧片阀16下游的EGR压力。控制阀20应被控制成使其仅旁通少量的EGR流，使得有足够流率的排气流过涡轮24以实现必要的增压压力P2。在区域Z2中，阀20还用于控制簧片阀16下游的EGR压力。由于平均P3比区域Z1中的高，因此通过排出阀20的旁通流率比区域Z1中的大。但是，由于平均P3大于平均P2，因此即使排出阀20使排气旁通到涡轮出口，涡轮增压器26也应能够提供足够的增压压力P2。应注意的是，排出阀20将优选地仅在这些条件下不需要EGR时才打开(这应该很少见)。在区域Z3中，阀20用于控制涡轮机速度，即涡轮24的速度，就像通常的废气门那样。由于平均P3明显高于平均P2，因此通过排出阀20将气体转向到排气管线不会抑制EGR，即不会防止排气流向进气歧管6。
然而，当发动机冷时，需要提高EATS温度。排出阀20可以在区域Z4和Z5中打开而不影响EGR流速，因为在这些条件下通常不需要EGR。然而，由于一些EGR将与冷的冷却剂一起流过EGR冷却器14，因此在EGR冷却器14和/或簧片阀16中存在堵塞的高风险。因此，可以将EGR冷却器旁路(未示出)添加到该***，从而仅旁通冷却器14或旁通冷却器14加簧片阀16。在区域Z5中，通过这种EGR冷却器旁路，EGR可以用作维持EATS温度或更快提高EATS温度的装置。在这些运行条件下，可以在需要时打开排出阀20。当需要提高EATS温度时，打开排出阀20以至少旁通涡轮24。旁通涡轮24而产生的第一直接效果是流向EATS的气体的温度升高。旁通涡轮24而产生的第二效果是限制了可用于驱动空气压缩机26的功率，这导致更少的新鲜空气被压缩机压缩，因而更少的新鲜空气被进气歧管6接收。由进气歧管6接收的新鲜空气减少使得流过EATS的排气减少，这有利于维持EATS中的温度，特别是当发动机扭矩较低时，诸如在区域Z4和Z5中那样。
在未示出的可替代实施例中，排出阀20的排出出口在排气管线10中流动的排气路径上的涡轮24的上游打开。在这种情况下，涡轮24配备有集成的废气门。
所示的实施例和未示出的可替代实施例的特征可以组合在一起以产生本发明的新实施例。

Claims (17)

1.一种内燃机***(2)，所述内燃机***包括内燃机(4)和排气再循环回路(12、14、16、18、20、22)，所述排气再循环回路将所述内燃机的排气歧管(8)连接到所述内燃机的进气歧管(6)，所述排气再循环回路包括：
-至少一个簧片阀(16)，
-EGR阀(22)，所述EGR阀被布置在排气从所述排气歧管(8)流向所述进气歧管(6)的路径上的所述簧片阀的下游，
-EGR管线(18)，所述EGR管线将所述簧片阀的出口连接到所述EGR阀的进口，
所述***还包括：
-用于气体的旁通管线(30)，所述旁通管线将所述EGR管线(18)连接到所述内燃机的排气管线(10)，和
-控制装置(20、40、42)，所述控制装置控制通过所述旁通管线排出的气体的流动，
其中，所述控制装置包括排出阀(20)。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述排出阀(20)是双向阀。
3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述控制装置还包括控制器(40)，所述控制器用于控制所述排出阀(20)的打开和关闭。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述装置还包括：压力传感器(42)，所述压力传感器用于测量所述EGR管线(18)中的压力；以及用于向所述控制器(40)传输所测量的压力的装置。
5.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述控制器(40)被配置成：当所述EGR管线(18)中的压力超过预定阈值时，打开所述排出阀(20)。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述控制器(40)被配置成维持所述排出阀(20)处于打开构造预定的时间段，或者直到所述EGR管线(18)中的压力降低到特定的压力值，所述特定的压力值高于所述进气歧管(6)中的空气压力。
7.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述排出阀(20)是机电操作阀。
8.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述***包括涡轮增压器，所述涡轮增压器包括空气压缩机(26)和用于驱动所述压缩机的涡轮(24)，所述涡轮被布置成使得所述排气管线(10)中的排气流过所述涡轮。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，在所述排气管线(10)中流动的排气的路径上的所述涡轮(24)的下游的位置处，所述旁通管线(30)连接到所述排气管线(10)。
10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述涡轮(24)没有废气门。
11.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述涡轮(24)是固定几何涡轮。
12.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述排气再循环回路还包括冷却器(14)。
13.根据权利要求12所述的***，其特征在于，所述冷却器是热交换器。
14.根据权利要求12所述的***，其特征在于，所述冷却器(14)被布置在从所述排气歧管流动到所述进气歧管的排气的路径上的所述簧片阀(16)的上游。
15.根据权利要求12所述的***，其特征在于，所述排气再循环回路包括所述冷却器(14)的旁路。
16.根据权利要求15所述的***，其特征在于，所述排气再循环回路包括所述冷却器(14)和所述簧片阀(16)的旁路。
17.一种车辆(1)，所述车辆包括根据权利要求1或2所述的内燃机***(2)。
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