SE534270C2 - Arrangemang för kylning av återcirkulerande avgaser hos en förbränningsmotor - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett arrangemang for återcirkulation av avgaser hos enförbränningsmotor (2) i ett fordon (1). Arrangemanget innefattar en avgasledning (4)som är avsedd att leda ut avgaser från förbränningsmotorn (2)och en returledning (5)som är anpassad att återcirkulera en del av avgaserna i avgasledningen (4) tillförbränningsmotorn (2). Arrangemanget innefattar även ett högtemperaturkylsystem(11) som innefattar en cirkulerande kylvätska som består ett vätskeformigt mediumsom vid ett avsett driftstryck i högtemperaturkylsystemet (11) har en koktemperatur påminst 150°C, en EGR-kylare (10) för kylning av de återcirkulerande avgaserna ireturledningen (5) i ett första steg medelst den cirkulerande högtemperaturkylvätskanoch ett kylarelement (13) där högtemperaturkylvätskan är anpassad att kylas av luft. (riga 1)

Description

25 30 35 534 270 kylsystemet således höga belastningstoppar under tillfällen då förbränningsmotom belastas hårt. I tunga fordon utnyttjas törbränningsmotorn kylsystem i regel även för andra kylbehov i fordonet såsom exempelvis kylning av oljan hos en hydraulisk retarder. Det är därför önskvärt att minska belastningen på forbränningsmotoms kylsystem.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett arrangemang där en effektiv kylning av återcirkulerande avgaser hos en förbränningsmotor kan erhållas i ett först steg.

Detta syfte uppnås med arrangemanget av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kännetecknas av de särdrag som anges i patentkravets 1 känneteeknande del. Enligt uppfinningen utnyttjas således ett högtemperaturkylsystem med en cirkulerande kylvätska som har en betydligt högre koktemperatur än kylvätskan som cirkulerar i ett konventionellt kylsystem för kylning av en förbränningsmotor.

Högtemperaturkylsystemet innefattar en EGR-kylare där avgaserna i returledningen kyls av den cirkulerande kylvätskan och ett kylarelement där kylvätskan kyls av luft.

Ett sätt att höja koktemperaturen för en kylvätska i ett kylsystem är att höja trycket i kylsystemet. Ett enklare sätt är att utnyttja ett kylmedium som har en klart högre kokpunkt än vatten. De återcirkulerande avgaserna kan ha en temperatur av upp till 600°C. Därmed måste kylvätskan i högtemperaturkylsystemet ha en relativt hög kokpunkt så att den inte förångas då den kyler avgasema i EGR-kylaren. Kylvätskan i högtemperaturkylsystemet bör därför åtminstone ha en koktemperatur av l50°C och helst en koktemperatur över 300°C. Värmeöverforande vätskor med en hög kokpunkt finns kommersiellt tillgängliga. Sådana vätskor är i regel oljor av olika slag. Ett exempel på en sådan värmeöverförande vätska är XCELTHERM® som har en kokpunkt av 400°C vid atmosfarstryck. En sådan värmeöverförande vätska med en lämplig kokpunkt kan med fördel användas i högtemperaturkylsystemet for att kyla de återcirkulerande avgaserna i EGR-kylaren. Eftersom de återcirkulerande avgasema har en så pass hög temperatur erhåller de en god kylning även med en kylvätska som har en relativt hög temperatur. Kylvätskan i högtemperaturkylsystemet kan exempelvis ha en temperatur av cirka l50°C då den leds in i EGR-kylaren. Med ett sådant högtemperaturkylsystem kan en effektiv kylning av de återcirkulerande avgaserna erhålls i ett första steg. 10 15 20 25 30 35 534 270 Enligt en föredragen utforingsform av föreliggande uppfinning är kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet anordnat i ett område, som är anpassat att genomströmmas av luft, i en position nedströms ett kylarelement hos ett kylsystem som är anpassat att kyla förbränningsmotorn. Kylvätskan i förbränningsmotoms kylsystem kyls normalt i ett kylarelement som är anordnat i ett område vid ett frontparti hos ett fordon. I detta fall anordnas således kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet vid frontpartiet bakom kylarelementet hos forbränningsmotoms kylsystem. Därmed genomströmmas kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet av lufi som redan passerat igenom och värmts i kylarelementet hos törbränningsmotoms kylsystem. Efiersom kylvätskan i högtemperaturkylsystemet har en högre temperatur än kylvätskan i förbränningsmotoms kylsystem kan denna relativt varma luñ ändå tillhandahålla en effektiv kylning av kylvatskan i högtemperaturkylsystemet. Med fördel är kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet anordnat i en position mellan kylarelementet hos förbränningsmotoms kylsystem och en kylarflälct som är anpassad att alstra en kylande luftström genom kylarelementen, Med en sådan placering av kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet genomströmmas det av ett rikligt lufiflöde som kyler kylvätskan i högtemperaturkylsystemet. I detta fall kan utnyttjas således ett redan befintligt luflflöde for att kyla kylvätskan i högtemperaturkylsystemet.

Enligt en annan utfóringsform av uppfinningen innefattar högtemperaturkylsystemet en separat kylarflälct som är anordnad i anslutning till kylarelementet, vilken är anpassad att alstra en kylande luflström genom kylarelementet. Med en sådan separat kylarfläkt är det möjligt att montera kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet i en väsentligen godtycklig position i fordonet, Med fördel är kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet anordnat i ett invändigt område av fordonet, vilket år beläget i anslutning till förbränningsmotom. Därmed kan högtemperaturkylsystemets ledningar i vilka kylvätskan cirkuleras göras relativt korta. Kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet kan vara fäst på forbränningsmotom. Därmed kan ledningarna som cirkulerar kylvätskan i högtemperaturkylsystemet göras mycket korta.

Kylarelementet hos högtemperaturkylsystemet kan här vara direkt eller indirekt fasta på forbränningsmotom medelst lämpliga fastelement.

Enligt en annan foredragen utföringsform av uppfinningen innefattar arrangemanget åtminstone en ytterligare EGR-kylare for kylning av de återcirkulerande avgaserna i 10 15 20 25 30 35 534 270 åtminstone ett ytterligare steg innan de leds till forbränningsmotorn.

Högtemperaturkylsystemet, som har en kylvätska med en relativt hög temperatur, klarar i regel inte att kyla de återcirkulerande avgaserna till en önskad låg temperatur.

De återcirkulerande avgaserna bör därför kylas ytterligare innan de leds till förbränningsmotorn. De återcirkulerande avgaserna kan vara anpassade att kylas i en ytterligare EGR-kylare av kylvätskan från förbränningsmotoms kylsystem. Kylvätskan i förbränningsmotoms kylsystem har under normal drifi en temperatur av 80-100°C.

Kylvätskan i förbränningsmotorns kylsystem har en lägre temperatur än kylvätskan i högtemperaturkylsystemet. Det är därmed möjligt att utnyttja kylvätskan i förbränningsmotoms kylsystem för att kyla de återcirkulerande avgaserna i ett andra steg. Eftersom de återcirkulerande avgaserna redan har kylts i ett första steg av högtemperaturkylsystemet erhålls i detta fall en relativt måttlig belastning på förbränningsmotoms kylsystem. De återcirkulerande avgaserna kylas med fördel i ett tredje steg för att erhålla en önskad låg temperatur. De återcirkulerande avgasema kan härvid kylas i en ytterligare EGR-kylare av kylvätska fiån ett lågtemperaturkylsystem där kylvätskan är anpassad att ha en lägre temperatur än kylvätskan i förbränningsmotoms kylsystem. Detta lågtemperaturkylsystem innefattar med fördel ett kylarelement där kylvätskan i kylsystemet kyls med lufi av omgivningens temperatur. Därmed kan kylvätskan i lågtemperaturkylsystemet erhålla en temperatur i närheten av omgivningens temperatur. Därmed möjliggörs kylning av avgaserna till en önskad låg temperatur. Alternativt kan avgasema kylas i detta steg av en lufikyld EGR-kylare. I detta fall kyls de återcirkulerande avgaserna med fördel av luft med omgivningens temperatur.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom exempel, föredragna utföringsformer av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. 1 visar ett arrangemang hos en överladdad dieselmotor enligt en första utföringsform av uppfinningen och Fig. 2 visar ett arrangemang hos en överladdad dieselmotor enligt en andra utföringsform av uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 534 270 DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar ett arrangemang hos en förbränningsmotor 2 som är anpassad att driva ett schematiskt visat fordon l. Förbränningsmotorn är här exemplifierad som en dieselmotor 2. Dieselmotom 2 kan vara avsedd som drivmotor for ett tyngre fordon l.

Avgaserna ñån dieselmotorns 2 cylindrar leds, via en avgassarnlare 3, till en avgasledning 4. Arrangemanget innefattar en returledning 5 for att tillhandahålla en återcirkulation av en del av avgaserna i avgasledningen 4. Returledningen 5 har en sträckning mellan avgasledningen 4 och en inloppsledning 6 för komprimerad lufi till förbränningsmotom 2. Dieselmotom 2 är således i detta fall överladdad.

Returledningen 5 innefattar en EGR-ventil 7, med vilken avgasflödet i returledningen 5 kan stängas av. EGR-ventilen 7 kan även användas for att steglöst styra den mängd avgaser som leds till förbränningsmotom 2. En styrenhet 8 är anpassad att styra EGR- ventilen 7 med information om dieselmotoms 2 aktuella driftstillstånd. De återcirkulerande avgaserna från returledningen 5 blandas med den komprimerade luflen i inloppsledningen 6 med hjälp av en blandningsanordning 9. Hos överladdade dieselmotorer 2 är, under vissa drifistillstånd, avgasemas tryck i avgasledningen 4 lägre än den komprimerade luñens tryck i inloppsledningen 6. Under sådana drifistillstånd är det inte möjligt att direkt blanda avgasema i returledningen 5 med den komprimerade luften i inloppsledningen 6 utan speciella hjälpmedel. Härvid kan, exempelvis, ett turboaggregat med en variabel geometri användas. Om förbränningsmotom 2 istället är en överladdad ottomotor kan avgasema i returledningen 5 direkt ledas in i inloppsledningen 6 då avgaserna i avgasledningen 4 hos en ottomotor väsentligen under alla drifistillstånd uppvisar ett högre tryck än den komprimerade lufien i inloppsledningen 6.

Arrangemanget innefattar ett högtemperaturkylsystem ll med en cirkulerande kylvätska som består ett kylmedium som vid ett avsett driftstryck i kylsystemet har en koktemperatur på minst 150°C. Högtemperaturkylsystemet 11 innefattar en EGR- kylare 10 där de återcirkulerande avgaserna i returledningen 5 är anpassade att kylas i ett forsta steg. De återcirkulerande avgasema som leds in i EGR-kylaren 10 kan ha en temperatur upp till 600°C. Kylvätskan i högtemperaturkylsystemet bör ha en så hög koktemperatur att den inte riskerar att börja förångas i kylsystemet då den kyler de återcirkulerande avgaserna i EGR-kylaren 10. En kylvätska med en koktemperatur över 300°C kan användas i detta fall. Kylvätskan i högtryckssystemet 11 kan vara en 10 15 20 25 30 35 534 270 olja som har goda värmeöverfórande egenskaper. En kylvätskepump 12 cirkulerar kylvätskan i högtemperaturkylsystemet 1 1. Högtemperaturkylsystemet 11 innefattar ett kylarelement 13 för kylning av kylvätskan. Kylarelementet 13 är placerat i ett område A av fordonet 1 där det genomströmmas av en kylande luftström under driñ av forbränningsmotom 2.

Förbränningsmotom 2 kyls pâ ett konventionellt sätt av ett kylsystem 14 som innefattar en cirkulerande kylvätska. En kylvätskepump 15 cirkulerar kylvätskan i fórbränningsmotoms kylsystem 14. Efter att kylvätskan cirkulerat igenom fórbränningsmotorn 2 leds den i en ledning 16 till en termostat 17. I de fall då kylvätskan uppnått en normal drittstemperatur är termostaten 17 anpassad att leda kylvätskan till ett kylarelement 18, som är monterad i området A i en position framför kylarelementet 13 i högtemperaturkylsystemet 11. En kylarfläkt 28 år anpassad att alstra en kylande lufiström genom kylarelementen 13, 18 under driñ av forbränningsmotorn 2. En del av kylvätskan i ledningen 16 leds in i en ledningskrets 19 vid en position 16a av ledningen 16. Kylvätskan som leds in i ledningskretsen 19 leds genom en andra EGR-kylare 20 där kylvätskan kyler de återcirkulerande avgaserna i returledningen 5 i ett andra steg. Kylvätskan leds därefier tillbaka till ledningen 16 i en position 16b som är belägen nedströms positionen 16a med avseende på kylvätskans avsedda flödesriktning i ledningen 16.

De återcirkulerande avgaserna leds vidare i returledningen 5 till en tredje EGR-kylare 21 där de kyls i ett tredje steg av kylvätskan i ett lågtemperaturkylsystem 22.

Lågtemperaturkylsystemet 22 innefattar en cirkulerande kylvätska som har en lägre temperatur an kylvätskan i forbränningsmotoms kylsystem 14. En kylvätskepump 23 cirkulerar kylvätskan i lågtemperaturkylsystemet 22. Lågtemperaturkylsystemet 22 innefattar ett kylarclement 24 som är anordnat i ett perifert område B av fordonet l. En separat kylarfläkt 25 som drivs av en elmotor 26 åstadkommer en kylande luflström genom kylarelementet 24 i området B. Efter kylningen i de tre EGR-kylarna 10, 20, 21 leds de återcirkulerande avgaserna till blandningsanordningen 9 där de blandas med den komprimerade luflen i inloppsledningen 6. Därefter leds blandningen av lufi och avgaser, via en forgrening 27, till dieselmotorns 2 respektive cylindrar.

Under drift av dieselmotom 2 strömmar avgaser ut från forbränningsmotom 2 och in i avgasledningen 4. Styrenheten 8 håller, under de flesta av dieselmotoms 2 drifistillstånd, EGR-ventilen 7 öppen så att en del av avgaserna i avgasledningen 4 leds 10 15 20 25 30 35 534 270 in i returledningen 5. Avgasema som leds in i returledningen 5 har i regel en temperatur inom området 150°C - 600°C i beroende av forbränningsmotoms drifistillstånd. De återcirkulerande avgasema i returledningen 5 kyls i ett första steg i EGR-kylaren 10 av kylvätskan i högtemperaturkylsystemet 11, Kylvätskan i högtemperaturkylsystemet ll avger värme i ett kylarelement 13 som således är beläget i området A i en position nedströms kylarelementet 18 i forbränningsmotorns kylsystem 14 med avseende på lufiens strömningsriktning i området A. Kylvätskan i kylarelementet 13 kyls därmed av luft med högre temperatur än kylvätskan i kylarelementet 18. Luften som passerar genom kylarelementet 18 erhåller i regel en temperaturstegring av 20°C - 40°C. Kylvätskan i högtemperaturkylsystemet kommer därmed inte att kunna kylas till samma låga temperatur som kylvätskan i forbränningsmotorns kylsystem 14. Kylvätskan i högtemperaturkylsystemet ll kan dock kylas till en tillräckligt låg temperatur for att kunna tillhandahålla en effektiv kylning av de återcirkulerande avgaserna i ett forsta steg. De återcirkulerande avgaserna kan exempelvis ha en temperatur inom temperaturintervallet 150°C - 200°C då de lämnar EGR-kylaren 10. De âtercirkulerande avgasema leds däreñer till EGR- kylaren 20 där de kyls av kylvätska från iörbränningsmotoms kylsystem 14.

Kylvätskan har här normalt en temperatur inom temperaturintervallet 80°C-l00°C.

Därmed kan de âtercirkulerande avgaserna kylas till en temperatur av cirka 100°C - l20°C i EGR-kylaren 20. De återcirkulerande avgaser leds slutligen till EGR-kylaren 21 där de kyls i det tredje steget med kylvätska från lågtemperaturkylsystemet 22.

Kylarelementet 24 i lågtemperaturkylsystemet 22 kyls av luft med omgivningens temperatur som forceras genom kylarelementet 24 med hjälp av den separata kylarfläkten 25. Därmed kan kylvätskan i lågtemperaturkylsystemet kylas till en temperatur i närheten av omgivningens temperatur. De återcirkulerande avgaserna kan därmed kylas till en relativt låg temperatur i det tredje steget i EGR-kylaren 2] innan de blandas med den komprimerade luften, som med fordel kylts till en motsvarande temperatur i en icke visad laddluftkylare, innan blandningen leds till forbränningsmotom 2.

Under driñstillfällen då forbränningsmotom 2 är hårt belastad kräver den en god kylning. Avgasemas har även en hög temperatur under dessa drifistillfällen. Den inledande kylningen av de återcirkulerande avgaserna med hjälp av högtemperaturkylsystemet 1 1 reducerar emellertid avgasernas temperatur väsentligt innan de kyls i det andra steget av forbränningsmotoms kylsystem 14. Därmed minskar belastningen på forbränningsmotoms kylsystem 14 väsentligt. Placeringen av 10 15 20 25 30 534 270 kylarelementet 13 hos högtemperaturkylsystemet 11 i området A gör att den redan befintliga kylande luftströmmen i området A även kan utnyttjas för att kyla kylvätskan i högtemperaturkylsystemet ll, Fig. 2 visar en alternativ utföringsform av arrangemanget. I detta fall har kylarelementet 13 hos högtemperaturkylsystemet l 1 anordnats i ett invändigt område C hos fordonet. Kylarelementet 13 har här fästs på förbränningsmotom 2 med lämpliga fastelement. En separat fläkt 29 som drivs av en elmotor 30 är anpassad att alstra en kylande lufiström genom kylarelementet 13. Luften i närheten av fórbränningsmotom 2 år relativt varm men den kan ändå med fördel användas för att kyla kylvätskan i högtemperaturkylsystemet ll. I detta fall kan ledningarna för den cirkulerande kylvätskan göras mycket korta då avståndet mellan EGR-kylaren 10 och kylarelementet 13 är kort. I detta fall har kylarelementet 24 i lågtemperaturkylsystemet 22 anordnats i området A i en position uppströms kylarelementet 18 hos forbränningsmotorns kylsystem 14. Kylvätskan i lågtemperaturkylsystemet 22 kommer även här att kylas med lufl av omgivningens temperatur. I detta fall uppvisar luften som kyler kylvätskan i kylarelementet 18 en något förhöjd temperatur. Då kylvätskan i förbränningsmotoms kylsystem har nominell en temperatur av cirka 80°C är detta inte direkt någon nackdel. I denna utföringsform av arrangemanget kyls de återcirkulerande avgaserna i tre steg på ett väsentligen motsvarande sätt som i utforingsformen i Fig. 1.

Vi gör därför inte någon ytterligare genomgång av de återcirlculerande avgasernas kylning i detta fall. Även i denna utföringsform resulterar förekomsten av högtemperaturkylsystemet ll i en avlastning av förbränningsmotorns kylsystem 14.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den utföringsform som beskrivs på ritningen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar. Det är inte nödvändigt att kyla de återcirkulerande avgaserna i tre steg utan de kan även kylas i färre steg.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 534 270 Patentkrav

1. Arrangemang for återcirkulation av avgaser hos en fórbränningsmotor (2) i ett fordon (1), varvid arrangemanget innefattar en avgasledning (4) som är avsedd att leda ut avgaser från fórbränningsmotorn (2) och en returledning (5) som är anpassad att återcirkulera en del av avgaserna i avgasledningen (4) till fórbränningsmotorn (2), ett högtemperaturkylsystem (11) som innefattar en cirkulerande kylvätska som består av ett vätskeforniigt medium och en EGR-kylare (10) for kylning av de àtercirkulerande avgaserna i returledningen (S) i ett forsta steg medelst den cirkulerande högtemperaturkylvätskan och ett kylarelement (13) där högtemperaturkylvätskan är anpassad att kylas av lufi, kännetecknat av att det vätskeformiga mediet vid ett avsett drifistryck i högtemperaturkylsystemet (1 1) har en koktemperatur på minst 300°C och att kylarelementet (13) hos högtemperaturkylsystemet (11) är anordnat i ett område (A), som är anpassat att genomströmmas av lufi, i en position nedströms ett kylarelement (18) hos ett kylsystem (14) som är anpassat att kyla fórbränningsmotom (2).

2. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att kylarelementet (13) hos högtemperaturkylsystemet (1 1) är anordnat i en position mellan kylarelementet (18) hos fórbränningsmotoms kylsystem (14) och en kylarfläkt (28) som är anpassad att alstra lufiströmmen genom kylarelementen (18, 24).

3. Arrangemang enligt något av föregående krav, känngtggknat av att arrangemanget innefattar åtminstone en ytterligare EGR-kylare (20, 21) for kylning av de återcirkulerande avgaserna i returledningen (5) i åtminstone ett ytterligare steg innan de leds till fórbränningsmotom (2).

4. Arrangemang enligt krav 3, kärmetecknat av att de återcirkulerande avgaserna är anpassade att kylas i en ytterligare EGR-kylare (20) av kylvätska från forbränningsmotoms kylsystem (14).

5. Arrangemang enligt krav 3 eller 4, kännetecknat av att de återcirkulerande avgaserna är anpassade att kylas i en ytterligare EGR-kylare (21) av kylvátska från ett lågtemperaturkylsystem (22) där kylvätskan är anpassad att ha en lägre temperatur än kylvätskan i Rârbränningsmotoms kylsystem (14). 10 534 270 10

6. Arrangemang enligt något av krav 5, kännetecknat av att kylvätskan i lâgtemperaturkylsystemet (22) är anpassad att kylas i ett kylarelement (24) av lufi med omgivningens temperatur.