專利名稱：帶有熱回收的高壓廢氣再循環系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種內燃機，尤其是柴油發動機的高壓廢氣再循環系統，廢氣再循環管從位于渦輪增壓器上游的廢氣管分支，其中廢氣再循環閥安裝在位于廢氣再循環冷卻器上游的廢氣再循環管上，且廢氣再循環管在內燃機新鮮空氣側打開。本發明也涉及一種用于控制高壓廢氣再循環系統的方法。
背景技術：
廢氣再循環系統應用于內燃機中以減少內燃機的如有關氮氧化物的排放。通過廢氣冷卻器對再循環廢氣進行冷卻以進一步減少氮氧化物(NOx)的排放。在高壓廢氣再循環中，用于再循環的廢氣從位于渦輪增壓器的渦輪上游的廢氣管中排出并在內燃機的入口側被供給到內燃機中。廢氣再處理設備，如催化式排氣凈化器和 /或微粒過濾器(柴油機微粒過濾器)也可能被安裝在廢氣管中。在此，廢氣再循環閥是一個同旁閥相互作用的部件，能夠控制或影響所有情況下通過廢氣再循環管的廢氣再循環的所需要的速率。需要再循環的廢氣通過廢氣再循環冷卻器冷卻后進入內燃機。該廢氣再循環冷卻器降低了廢氣的溫度以及因此提高了廢氣的密度，因而廢氣再循環冷卻器也提高了廢氣再循環速率。因為對再循環的熱廢氣的冷卻，使得氣缸新鮮充氣的溫度也降低，也就是說，廢氣的冷卻有利于提高燃燒室新鮮空氣或新鮮混合物的充氣。然而，在內燃機的冷起動后或預熱階段，根本地需要盡快提高內燃機的運行溫度， 因此在所述運行狀態下冷卻廢氣并不是有利的。應該降低由過低的氣缸溫度導致不完全燃燒而產生未燃燒的碳氫化合物和一氧化碳的排放，并應該升高廢氣的溫度以使得廢氣排放系統中的安裝在氣缸下游的廢氣再處理系統盡快達到它們的起燃溫度或要求的運行溫度。因此在內燃機預熱階段要防止再循環過程中廢氣的冷卻。為此，依照現有技術的廢氣再循環設備都設置有旁閥，其能夠使得在廢氣再循環過程中繞開廢氣再循環冷卻器， 并可安裝在廢氣再循環管中廢氣再循環閥(EGR閥)的上游或下游。WO 2009/022113A1公開了關于高壓廢氣再循環系統的例子。在這里，廢氣直接從渦輪增壓器的渦輪上游的廢氣管抽出，并通過廢氣再循環管供給到兩串聯的廢氣冷卻器中。在從以流向看第二個冷卻器排出后，冷卻后的廢氣被供應到內燃機的新鮮空氣側。該兩個廢氣冷卻器設計成不同的冷卻效率，以使得第一個廢氣冷卻器具有比第二個廢氣冷卻器更低的冷卻能力。該再循環的廢氣因此以分級的方式被冷卻到，可以說是，所要求的充入到新鮮空氣管的廢氣的溫度水平。WO 2009/022113A1同時也公開了保證再循環的廢氣在內燃機的預熱階段不流入第二個廢氣冷卻器的措施。依照現有的技術，現代內燃機產生相對較少的熱量，這一方面對于熱應力是非常積極的，但另一方面對于內燃機的預熱階段是不利的，因為這會使得在預熱階段發動機中產生更多摩擦。此外，例如為滿足駕駛室加熱裝置的要求需要額外的附屬加熱設備。我們當然也知道，通過回收內燃機中廢氣的熱量，比如說，去縮短內燃機的預熱階段，其中，廢氣傳導通過設置在例如廢氣再處理設備上游廢氣管中的一個單獨的廢氣熱交換器，例如使得廢氣中的熱量被傳送到在熱交換器中循環的熱交換介質。該熱交換介質可以是內燃機的冷卻劑，使得在這種方式中通過相對較熱的冷卻介質的預熱影響內燃機的預熱階段。同時可以想到的是，該回收的熱量被供給到例如駕駛室加熱裝置中。這兩個系統，也就是說廢氣再循環系統和熱回收系統，加上它們的部件，被分別地提供，這需要相當大的安裝空間，因此僅可被用在有限制的范圍中或機動車輛上。
發明內容
本發明的目的在于詳細說明在介紹中說明的高壓廢氣再循環系統，以及說明控制該廢氣再循環系統的方法，其中通過使用簡單的裝置獲得減少的安裝空間，即使該機動車輛或內燃機具有從廢氣中回收熱量的設備。依據本發明，通過具有如權利要求1特征的高壓廢氣再循環系統來實現本發明的目的。在本發明的與設備相關的方面，提供從廢氣再循環冷卻器下游的廢氣再循環管分支出的并有控制元件安裝在其上的連接管，且其在所述廢氣管打開，廢氣再循環冷卻器與內燃機的冷卻系統成為一體，使得流經廢氣再循環管的廢氣在內燃機的預熱階段能通過廢氣再循環冷卻器被冷卻，以及能夠至少部分地傳送進該廢氣管。在本發明目的的相關方法部分能夠通過具有權利要求5的特征的方法實現。令人驚訝的，該高壓廢氣再循環系統不僅集成了廢氣再循環的功能還有從內燃機廢氣中收集熱量的功能。在此，廢氣再循環冷卻器優選地連接到內燃機的冷卻系統和/或機動車輛的熱管理系統，使得回收的熱量通過循環流通在廢氣再循環冷卻器中的熱交換介質被提供到熱管理系統或冷卻系統中。連接管被優選地提供，其從控制元件分支使得廢氣能夠適時地流經廢氣再循環管，但在某種模式下至少一些所述廢氣不與內燃機的新鮮空氣混合。換句話說，當不需要或不期望廢氣再循環和/或再循環廢氣的冷卻時，通過廢氣再循環閥以及控制元件的相應控制，有可能去允許廢氣流經廢氣再循環管，以及利用或回收其中的熱量，其中該(實際上)再循環廢氣能夠完全或部分地通過朝向廢氣管方向的連接管流通。相比于現有技術中已知的的通常安裝在廢氣再處理設備的下游的熱回收系統，依照本發明的系統中僅需要一附加的帶有控制元件的連接管，其中，該連接管從廢氣再循環冷卻器下游的廢氣再循環管分支出且在所述廢氣管打開。依據本發明，廢氣再循環冷卻器具有廢氣冷卻器和從廢氣回收熱量的熱交換器的雙重作用，使得可能無需在廢氣管中安裝一個單獨的熱交換器，以此能夠獲得關于所需安裝空間的一個顯而易見的優勢。此外，因為廢氣直接流過廢氣再循環冷卻器，而不通過例如會發生無法回收的熱量損失的廢氣再處理設備，因此可用的廢氣溫度會更高。由于流經廢氣再循環管的至少一部分廢氣能夠通過連接管傳輸(通過相應的控制元件的控制)到廢氣管，因此利用依照本發明的系統能夠獲得較高的廢氣流速率。在本發明的內容中有利的是，如果廢氣再循環冷卻器連接到例如安裝在機動車輛的熱交換器，例如連接到駕駛室加熱裝置。從廢氣中回收的熱量不僅能夠用于縮短預熱階段，即預熱在其預熱階段的內燃機，還能夠影響駕駛室的溫度。為獲得高氣體流量，可優選地，設計為所謂VNT (可變噴嘴渦輪；可變渦輪幾何結構)的渦輪發動機的渦輪被提供，由此獲得足夠的排出壓力而不論廢氣是否從廢氣管分支。這些通過關閉渦輪葉片來實現。同樣有利地，如果采用合適的措施，例如通過校準內燃機，提升內燃機需提升的廢氣溫度以使得能夠進一步增加回收熱量的量。這是因為在廢氣再循環系統中傳輸的廢氣中廢氣溫度的增加，不是有害的，特別是在預熱階段，因為至少一部分所述廢氣能夠通過連接管直接通入廢氣管，其中該回收的熱量能夠被提供以縮短預熱階段或預熱內燃機，否則會隨意地進入例如駕駛室加熱裝置的其它熱交換器中。該廢氣控制閥和/或控制元件可以被連續地調節。這兩個部件也可具有多級調節性能或僅一級調節性能。安裝在廢氣再循環冷卻器下游的廢氣再循環閥(EGR閥)和/或控制元件，在協調方式下能夠精確地通過電子、液壓、氣動、機械或電磁方式被即時控制是優選的，更優選地是通過內燃機的發動機控制器或中央控制單元控制。關于某種運行模式的查詢程序可以在控制單元中存儲和/或運行。有利地，控制依照本發明的高壓廢氣再循環系統的第一步驟中，要檢測內燃機是否處于預熱階段，也就是說內燃機是否已起動例如經過相對長的停頓周期(冷起動)。如果確定是，應該流經再循環系統的廢氣速率應在第二步驟中通過廢氣再循環閥的控制來確定。在第三步驟中，安裝在連接廢氣系統的連接管上的控制元件被驅動以使得至少一部分流經廢氣再循環冷卻器的廢氣傳導通過朝向廢氣管方向的連接管。由此，在預熱階段的第一階段，全部(可以說是，再循環的)廢氣流通過控制元件的控制朝向廢氣管方向傳輸。如果，在下一個步驟，檢測到內燃機能夠通過大量再循環廢氣優選地運行，該控制元件能夠相應被驅動并以分級或連續方式關閉該連接管，以使得冷卻的廢氣或其中一部分能夠被傳導到新鮮空氣側。如果檢測到內燃機的預熱階段已經停止，即內燃機已經達到其運行溫度，該控制元件被驅動以使得連接管被完全關閉。當內燃機達到其運行溫度時，也有可能驅動該控制元件以與廢氣控制閥相作用以控制廢氣再循環的速率。這里，可能優選地，現有技術已知的旁閥以及必要的旁路管可以被省卻，因為這些工作已經完全被同廢氣再循環閥以及控制元件相作用的連接管所完成。在此，優選的是，如果廢氣能夠一直流經廢氣再循環冷卻器，即在內燃機所有運行模式中，以回收廢氣中內在的熱量。在此，該廢氣再循環速率顯然能通過控制元件和EGR閥的相互作用來控制。可以想到在渦輪增壓器上設置可調節葉片(VNT)，以使得不論是否檢測到內燃機處于預熱模式，當廢氣流經廢氣再循環管時，渦輪幾乎被關閉以因此獲得足夠的充氣壓力。同樣，如果在更進一步的步驟中，當廢氣(再循環的)流經廢氣再循環管時，在預熱階段內燃機的廢氣溫度增加是有利的。本發明更多優選實施例在附屬權利要求和下面對附圖相應說明中被揭示。單一
圖1示出高壓廢氣再循環系統的簡圖。
具體實施例方式圖1示出在一個柴油發動機的范例中的內燃機2的高壓廢氣再循環系統1簡圖。 在本發明的描述中，“內燃機”也包括例如火花點火發動機或混合發動機。
5燃機2具有新鮮空氣側或入口側3，以及出口側或廢氣側4，內燃機2具有帶有熱交換器的冷卻系統(未圖示)。僅通過該冷卻系統中的溫度調節器5作為例子來顯示。廢氣管6從廢氣側4伸出，廢氣管可以安裝到廢氣再處理設備上(未圖示)，例如以微粒過濾器和/或催化式排氣凈化器的形式。內燃機2包括渦輪增壓器，其中僅有渦輪 7被圖示。渦輪7安裝在廢氣管6上，并優選設計為VNT。廢氣再循環管8，其中廢氣再循環閥9安裝在廢氣再循環冷卻器11的上游，并從渦輪7的上游分支。連接管13在廢氣再循環冷卻器11的下游從廢氣再循環管8分支，且朝廢氣管6開口。控制元件12安裝在連接管13上。該廢氣再循環冷卻器11連接到內燃機的冷卻系統。由此，介質管14優選地被提供，其從溫度調節器殼體16伸出連接到廢氣再循環冷卻器11。介質管14從該廢氣再循環冷卻器11伸回到內燃機1或所述冷卻系統。該廢氣再循環冷卻器11可被選擇地連接到熱交換器17，例如連接到駕駛室加熱裝置17，為此相應的加熱裝置管18被顯示為短劃線，其中加熱裝置管18從介質管14分支并進入在熱交換器17的下游的介質管14。如果內燃機1現在已經起動過相對長的停頓周期(冷起動)或者內燃機1處于其預熱階段，廢氣再循環和/或再循環廢氣的冷卻實際上并不是有利的。相反地，通過本發明，廢氣(再循環的)仍然能夠流經廢氣再循環管8，所述廢氣隨即被廢氣再循環冷卻器11 相應地冷卻。通過控制元件12的相應驅動，后者能夠打開連接管13以使得至少一部分再循環的廢氣能夠經過連接管13直接傳輸到廢氣管6。如果該連接管13完全打開，幾乎全部的，即再循環的廢氣流通過該連接管13直接傳輸到廢氣管6中，因為廢氣系統的壓力水平顯著低于新鮮空氣側。由于廢氣再循環冷卻器11優選地連接到內燃機1的冷卻系統中，該廢氣再循環冷卻器11能夠具有熱交換器的功能，其能夠吸收流經的廢氣的熱量以及將該熱量傳送到冷卻介質。該回收的熱量能夠利用來縮短預熱時間或預熱內燃機1。該回收的熱量可以選擇地提供給駕駛室加熱裝置17。依照本發明的高壓廢氣再循環系統1集合了廢氣再循環的第一功能和從廢氣中回收熱量的第二功能。僅需要一額外的朝廢氣管6開口的連接管13和單個安裝在該13上的控制單元12就能實現上述雙重功能。此外，還可能省卻通常安裝在廢氣再循環冷卻器11 上游的旁閥，因為通過控制元件12的相應驅動，冷卻后的廢氣通向內燃機1新鮮空氣側3 的再循環在某些運行狀態下被防止，在該狀態下冷卻后廢氣的再循環是不利的。同時，由于連接管13的路徑能被控制元件12相應地打開或關閉，與廢氣再循環閥9相作用的控制元件12因此能夠設定在內燃機1不同的運行狀態下需要或期望的廢氣再循環速率。因此優選地使用可連續調節的廢氣再循環閥9或控制元件12，其中，顯然可以使用可多級調節的控制元件或閥。同樣有利地，渦輪葉片也相應地可調節以使得不論內燃機1是否冷起動或處于預熱階段，當廢氣從廢氣管排出和流入廢氣再循環管8時能夠獲得足夠的充氣壓力。
權利要求
1.一種高壓廢氣再循環系統，廢氣再循環管(8)從渦輪增壓器上游的廢氣管(6)分支， 其中廢氣再循環閥(9)安裝在廢氣再循環管上并位于廢氣再循環冷卻器(11)的上游，以及廢氣再循環管朝內燃機O)的新鮮空氣側(3)開口，其特征在于連接管(1 從廢氣再循環管(8)分支并位于廢氣再循環冷卻器(11)的下游，且朝廢氣管(6)開口，控制元件(1 安裝在連接管(1 上，該廢氣再循環冷卻器(11)連接到內燃機O)的冷卻系統。
2.根據權利要求1所述的高壓廢氣再循環系統，其特征在于，該廢氣再循環冷卻器 (11)連接到熱交換器(17)。
3.根據權利要求1或2所述的高壓廢氣再循環系統，其特征在于，該系統具有熱量回收功能，即使不要求廢氣再循環時。
4.根據前述權利要求之一所述的高壓廢氣再循環系統，其特征在于，渦輪增壓器形成有VNT渦輪(7)。
5.一種控制高壓廢氣再循環系統(1)的方法，特別是控制前述權利要求之一所述的系統，廢氣再循環管(8)從渦輪增壓器上游的廢氣管(6)分支，其中廢氣再循環閥(9)安裝在該廢氣再循環管上并位于廢氣再循環冷卻器(11)的上游，以及該廢氣再循環管朝內燃機 ⑵的新鮮空氣側⑶開口，包括檢測內燃機( 是否處于預熱階段，驅動所述廢氣再循環閥(9)以使得后者產生流經廢氣再循環管(8)的廢氣流，以及驅動安裝在連接管(1 上的控制元件(12)，該連接管 (13)從廢氣再循環管(8)分支并位于所述廢氣再循環冷卻器(11)的下游，且朝廢氣管(6) 開口，使得在預熱階段，至少一部分流經過所述廢氣再循環冷卻器(11)的再循環廢氣能夠經過連接管(1 直接傳輸到廢氣管(6)，流經過所述廢氣再循環冷卻器(11)的廢氣中的熱量被傳送到內燃機O)的冷卻系統的冷卻介質中，所述廢氣再循環冷卻器(11)連接到內燃機O)的冷卻系統。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，至少在預熱階段的部分階段中，該控制元件(1 能夠被驅動以使得幾乎全部的流經所述廢氣再循環冷卻器(11)的廢氣能通過所述連接管(π)傳送至所述廢氣管(6)。
7.根據權利要求5和6所述的方法，其特征在于，包括在內燃機O)的預熱階段，當所述廢氣再循環閥(9)生成廢氣流經廢氣再循環管(8) 時，VNT渦輪驅動。
8.根據權利要求5-7之一所述的方法，其特征在于，包括當檢測到內燃機O)的預熱階段已經結束時，能夠通過所述廢氣再循環閥(9)以及所述控制元件(1 來設定與內燃機( 運行模式相適應的廢氣再循環速率。
9.根據權利要求5-8之一所述的方法，其特征在于，所述廢氣再循環閥(9)以及所述控制元件(1 能被分別但同時驅動，并能可持續調節。
全文摘要
本發明涉及一種內燃機尤其是柴油發動機的高壓廢氣再循環系統(1)，廢氣再循環管(8)從位于渦輪增壓器上游的廢氣管(6)分支，其中廢氣再循環閥(9)安裝在位于廢氣再循環冷卻器(11)上游的該廢氣再循環管上，且該廢氣再循環管在內燃機(2)新鮮空氣側(3)打開。建議連接管(13)從所述廢氣再循環管(8)分支并位于所述廢氣再循環冷卻器(11)的下游，且朝廢氣管(6)開口，控制元件(12)安裝在連接管(13)上，所述廢氣再循環冷卻器(11)連接到內燃機(2)的冷卻系統。該高壓廢氣再循環系統(1)集合了廢氣再循環和熱量回收的優點，其中本發明一方面，高壓廢氣再循環系統(1)能被控制以使得即使當廢氣再循環或再循環的廢氣的冷卻實際上不需要時，廢氣流流經所述廢氣再循環冷卻器(11)，因此能利用廢氣中內在的熱量去影響預熱階段以及選擇性將所述熱量提供給駕駛室加熱裝置(17)。
文檔編號F02M25/07GK102374076SQ20111022736
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月9日 優先權日2010年8月11日
發明者C·W·維格德, H·G·奎伊克斯 申請人:福特環球技術公司