专利名称：用于燃烧发动机中废气的返回的装置和方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1和11的前序部分所述的用于燃烧发动机的废气再循 环的装置和方法。
背景技术：
被称作EGR (废气再循环)的技术是将一部分废气从燃烧发动机中的燃烧过程经 由回流管线引导回用于将空气提供到燃烧发动机的管线的已知的方式。空气和废气的混合 物因此经由空气管线被供给到燃烧在其中发生的发动机气缸。将废气添加到空气中产生较 低的燃烧温度，特别地生成具有减小的含量的氮氧化物NOx的废气。所述技术既用于奥托 发动机也用于柴油发动机。用于废气的回流管线特别地包括可设定以使得所需量的废气被再循环的EGR阀。 电控单元适于特别地基于关于燃烧发动机负载的信息控制EGR阀。回流管线还包括适于在 废气与空气混合并被引导至燃烧发动机之前冷却废气的至少一个EGR冷却器。经过一定时 间后，来自废气的碳烟沉积物不可避免地在EGR冷却器的内表面上形成，由此削弱了 EGR冷 却器的传热能力并且同时提高了废气通过EGR冷却器流动的阻力。碳烟沉积物的存在降低 了燃烧发动机的性能并且增大了废气中氮氧化物的含量。US 6，904，898涉及一种用于增压燃烧发动机的废气再循环的装置，其中再循环废 气借助于冷却剂在EGR冷却器中被冷却。如果冷却剂处于低于阈值的温度，则存在废气被 冷却到使得在EGR冷却器内形成冷凝物的温度的风险。在常规运行期间，为了防止冷凝物 的形成，当冷却剂处于低于所述阈值的温度时，没有废气再循环被允许通过EGR冷却器。然 而，在EGR冷却器需要清除碳烟沉积物的情况下，当冷却剂处于低于所述阈值的温度时废 气被允许通过EGR冷却器再循环。在这种情况下，冷凝物形成在EGR冷却器的内表面上并 且有效地溶解在它们上的任何碳烟沉积物。然而，再循环废气在它们主要通过EGR冷却器 流通期间将高于凝结温度。基本上仅有的结果将是冷凝物在EGR冷却器的最后的部分内形 成以及在EGR冷却器的所述最后的部分中的净化。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置和一种方法，由此EGR冷却器机构的内表面以简单 且有效的方式保持清洁而没有来自废气的碳烟沉积物。所述目的利用在引言中提到的类型的装置而实现，所述装置的特征在于权利要求 1的特征部分中所指出的特征。在燃烧发动机中再循环的废气在EGR冷却器机构中被冷却， 所述EGR冷却器机构可以在所述废气与压缩空气混合并且被引导至燃烧发动机之前包括 一个或多个EGR冷却器。如果废气被有效地冷却，则它们在EGR冷却器机构内的一个位置 处达到废气中的水蒸汽凝结的温度。因此在从EGR冷却器机构中的所述位置到废气被弓I导 出EGR冷却器机构的孔处将形成冷凝物。来自燃烧发动机的废气通常包含少量的硫。因此， 在EGR冷却器机构中凝结的水蒸汽形成具有低pH值的冷凝物。冷凝物因此非常适于用作移除EGR冷却器机构中的碳烟沉积物的清洁剂。在燃烧发动机运行期间冷凝物在其中常规 地形成的EGR冷却器机构的最远下游部分因此通常基本清除掉碳烟沉积物。根据本发明， 所形成的冷凝物还被用于净化EGR冷却器机构的其它部分。因此冷凝物在通过管线被弓I导 至EGR冷却器机构的适当部分之前被蓄积在容器机构中，在所述适当部分处所述冷凝物被 弓丨入并且与流动的废气混合。被引入EGR冷却器机构中的冷凝物有效地溶解EGR冷却器机 构的内表面上的碳烟沉积物。从壁上被移除的碳烟沉积物通过废气流被带走离开EGR冷却 器机构。然而，暖的废气相对迅速地使冷凝物汽化。所述汽化导致废气在EGR冷却器机构 中承受额外的冷却。因此在冷凝物被供给的情形下，废气在EGR冷却器中更迅速地地被冷 却。因此，废气中的水蒸汽相对迅速地达到其凝结温度，并且冷凝物在EGR冷却器机构中更 上游的位置处形成。供给适当量的冷凝物使得位于冷凝物被添加的位置下游的EGR冷却器 机构的基本上所有内表面被冷凝物覆盖并且碳烟沉积物被清除掉。根据本发明的一个优选实施方式，在冷凝物被引入所述EGR冷却器机构处用于废 气的所述流动段(section)被定位为接近用于所述EGR冷却器机构中的废气的入口段。这 意味着基本上所有的EGR冷却器机构的内表面至少可以在一段短的时间内被冷凝物覆盖 并且被清除掉碳烟沉积物。所述容器机构定位为接近用于EGR冷却器机构中的废气的出口 段具有优点。冷凝物在EGR冷却器机构的末端最为丰富地形成，并且可以基本上直接地聚 集在如此定位的容器机构中。在EGR冷却器机构中较早地形成的冷凝物由废气流带到出口 段并且蓄积在那里。在EGR冷却器机构包括常规配置的空气冷却的EGR冷却器的情况下， 冷凝物可以由此蓄积在EGR冷却器的出口罐的底部部分上。根据本发明的另一个优选实施方式，所述驱动部件包括适于在冷凝物将被供给到 所述EGR冷却器机构时启动的泵。利用布置在管线中适当位置处的泵，冷凝物可以在所需 的场合下以所需的量被供给到EGR冷却器机构。冷凝物可以在燃烧发动机运行期间基本上 连续地被供给或以特定的间隔被供给。备选地，可以检测经过EGR冷却器机构的废气的压 力下降或冷却。经过EGR冷却器机构的废气的大的压力下降或小的冷却表示其可能需要 净化。备选地，所述驱动部件包括在冷凝物被引入所述EGR冷却器机构处的用于所述EGR 冷却器机构中的废气的所述流动段，所述流动段被配置为使其相对于邻近流动段局部地缩 窄。流动通过所述缩窄的流动段的废气因此将具有较大的速度，由此减小所述段中的静止 (stationary)压力。冷凝物由此可以从聚集容器被抽取、通过管线并且进入所述段中。所 述管线有利地包括阀，冷凝物到所述EGR冷却器机构的流动通过所述阀被调节。冷凝物因 此可以在所需场合下以所需量被供给。所述装置优选地包括控制单元，所述控制单元适于 控制所述驱动部件以使得冷凝物在所需场合下以所需量被供给。可以是装有适当软件的计 算机单元的这种控制单元使得EGR冷却器机构可以利用冷凝物以这样的方式被净化以使 得与废气接触的整体EGR冷却器机构的内表面保持基本上没有碳烟沉积物。因此EGR冷却 器机构的能力在燃烧发动机运行期间基本上维持不变。根据本发明的一个优选实施方式，所述EGR冷却器机构包括适于使废气受到第一 步冷却的第一 EGR冷却器以及适于使废气受到第二步冷却的第二 EGR冷却器。如果废气以 多个阶段被冷却，则便于将废气从大约500-600°C的温度冷却到接近环境的温度。为此，所 述废气可以通过所述第一 EGR冷却器中的冷却剂承受冷却。所述冷却剂可以呈燃烧发动机 的冷却系统的冷却剂的形式。所述冷却剂自然将处于相对高的温度，然而也将处于比被引入第一 EGR冷却器中的废气更低的温度。所述废气可以在第二 EGR冷却器中通过处于环境 温度的空气而承受冷却。因此废气可以受到第二步冷却以被冷却到接近环境的温度，以及 被冷却到对应于在增压空气冷却器中压缩空气被冷却到的温度的温度。如上所述的目的还利用在引言中提到的类型的方法而实现，所述方法的特征在于 权利要求11的特征部分中所指出的特征。
下面将通过以参考所附附图的示例的方式描述本发明的优选实施方式，其中图1示出了带有用于增压燃烧发动机的废气再循环的回流管线的装置，图2示出了用于净化回流管线中的EGR冷却器的装置的第一实施方式，图3示出了用于净化回流管线中的EGR冷却器的装置的第二实施方式，以及图4示出了图3中区域A的横截面视图。
具体实施例方式图1示出了由增压燃烧发动机2驱动的交通工具1。交通工具1可以是由增压柴 油发动机驱动的重型车辆。来自燃烧发动机2的气缸的废气经由排气集管3被引导至排气 管线4。排气管线4中将处于高于大气压力下的废气被引导至涡轮单元的涡轮机5。因此 涡轮机5被提供给经由连接件被传输至压缩机6的驱动功率。压缩机6压缩经由空气过滤 器7被引入空气管线8中的空气。增压空气冷却器9布置在空气管线8中。增压空气冷却 器9布置在交通工具1的前部。增压空气冷却器9的目的是在压缩空气被引导至燃烧发动 机2之前冷却所述压缩空气。压缩空气在增压空气冷却器9中由环境空气冷却，所述环境 空气通过散热器风扇10被推动流动通过增压空气冷却器9。散热器风扇10经由适当的连 接件被燃烧发动机2驱动。燃烧发动机2设有用于废气再循环的EGR(废气再循环)系统。添加废气到被引导 至发动机气缸的压缩空气降低了燃烧温度，并且由此还降低了在燃烧过程期间形成的氮氧 化物NOxW含量。用于废气再循环的回流管线11从排气管线4延伸到空气管线8。回流管 线11包括EGR阀12，流回流管线11中的废气流可以被所述EGR阀12切断。EGR阀12还 可以用于无级地控制从排气管线4经由回流管线11被引导至空气管线8的废气的量。回 流管线11包括用于提供两个步骤冷却的再循环废气的第一 EGR冷却器14和第二 EGR冷却 器15。在增压柴油发动机2中、在某些运行状态下，排气管线4中废气的压力将低于进气 管线8中压缩空气的压力。在这种运行状况下，在没有专用辅助装置的情况下，不可能将回 流管线11中的废气直接与进气管线8中的压缩空气混合。为此可以使用例如带有可变几 何结构的文丘里管16或涡轮单元。如果相反地燃烧发动机2是增压奥托发动机，则回流管 线11中的废气可以被直接引导至进气管线8中，因为在基本上所有的运行情形下，奥托发 动机的排气管线4中的废气都将处于比进气管线8中的压缩空气更高的压力下。当废气已 经与进气管线8中的压缩空气混合时，混合物经由集管17被引导至燃烧发动机2的相应的 气缸。燃烧发动机2通过包含循环冷却剂的冷却系统以传统的方式被冷却。冷却剂泵18 使冷却剂在冷却系统中循环。冷却剂泵18使冷却剂的主要流动循环通过燃烧发动机2。当冷却剂已经冷却了燃烧发动机2时，其在管线21中被引导至冷却系统的恒温器19。当冷却 剂已经达到常规工作温度时，恒温器19适于将冷却剂引导至散热器20以便于被冷却。然 而，冷却系统中的部分冷却剂经由管线22被引导至第一 EGR冷却器14，在其中所述冷却剂 使再循环废气受到第一步冷却。当冷却剂已经冷却了第一 EGR冷却器14中的废气时，其经 由管线23被引导回管线21。暖的冷却剂在散热器20中被冷却，所述散热器20装配在交通 工具1的前方部分。然而散热器20在此相对于空气流的预定方向装配在增压空气冷却器 9和空气冷却的第二 EGR冷却器15的下游。利用第二 EGR冷却器15和增压空气冷却器9 的这种定位，压缩空气和再循环废气可以被冷却到接近环境温度的温度。空气和废气被冷 却以使得它们具有较小的比容，由此使得可以向燃烧发动机的气缸提供较大量的空气和再 循环废气。经过一定时间后，碳烟沉积物不可避免地在与废气接触的EGR冷却器14、15的内 表面上形成。EGR冷却器14、15的传热能力因此被削弱，同时废气通过EGR冷却器14、15流 动的阻力增大。碳烟沉积物的存在降低了燃烧发动机的性能并且增大了废气中氮氧化物的 含量。当废气在第二 EGR冷却器15中被冷却时，它们通常被冷却到比处于主导压力下的水 蒸汽的凝结温度低的温度。因此冷凝物在第二 EGR冷却器15中凝积。燃料和废气包含少 量硫的事实导致冷凝物带有低PH值。冷凝物因此非常适于用作移除碳烟沉积物的清洁剂。 因此在第二 EGR冷却器15中凝积的冷凝物基本上保持所述EGR冷却器15的下游部分没有 碳烟沉积物。图2示出了装置的一个实施方式，其使得可以从第一 EGR冷却器14和第二 EGR冷 却器15上清除碳烟沉积物。第二 EGR冷却器15包括用于接收已经在第一 EGR冷却器14中 承受第一步冷却的回流管线11中的废气的出口罐15a。第二 EGR冷却器15包括散热器部 分15b，废气在其中受到流动通过冷却部分15b的环境空气的冷却。第二 EGR冷却器15还 包括用于接收冷却的废气的出口罐15c。在第二 EGR冷却器15中，废气通常被冷却到使得 冷凝物在EGR冷却器15内凝积的温度。冷凝物蓄积在出口罐15c的底部部分15d中。装 置包括将出口罐15c的底部部分15d与第一 EGR冷却器14的入口段14a连接的管线24。 第一 EGR冷却器14在此呈逆流式热交换器的形式，在其中废气由来自燃烧发动机的冷却系 统的冷却剂冷却，所述冷却剂经由管线22被引入第一 EGR冷却器14中并且经由管线23被 引导出第一 EGR冷却器14。装置包括将冷凝物从出口罐的底部部分15d传输至第一 EGR冷 却器14的入口段14a的泵25。一控制单元25适于特别地基于来自传感器27的信息控制 泵25，所述传感器27检测出口罐15c的底部部分15d中冷凝物的水平。在燃烧发动机2运行期间，当EGR阀12打开时，暖的废气通过回流管线11返回。 废气在它们到达第一 EGR冷却器14时可以处于500-600°C的温度下。废气在第一 EGR冷却 器14中受到由冷却剂进行的第一步冷却。当废气已经在第一 EGR冷却器14中被冷却时， 它们在回流管线11中被引导至第二 EGR冷却器15，在其中它们通过处于环境温度的空气受 到第二步冷却。在第二 EGR冷却器的冷却部分15b内的一位置处，废气达到使废气中的水 蒸汽开始凝结在第二 EGR冷却器15的内表面上的温度。凝积的冷凝物溶解从所述位置到 出口罐15c在冷却部分15b内的任何碳烟沉积物。在燃烧发动机2运行期间，相对大量的 冷凝物通常形成在散热器部分15b的下游部分中。所形成的冷凝物蓄积在出口罐15c的底 部部分15d中。
控制单元26以适当的间隔启动泵25以使得冷凝物从出口罐的底部部分15d通 过管线24被泵吸到第一 EGR冷却器的入口段14a。如果传感器27指示出口罐的底部部分 15d中冷凝物不够，则控制单元26使得泵25启动。被引导至第一 EGR冷却器14的冷凝物 溶解第一 EGR冷却器14的内表面上的碳烟沉积物。碳烟沉积物通过废气流从壁上被移除 并且被带走离开第一 EGR冷却器14。然而，暖的废气相对迅速地使冷凝物汽化。所述汽化 导致废气在第一 EGR冷却器14中承受额外的冷却。因此在冷凝物被引入第一 EGR冷却器 14中的情形期间，被引导至第二 EGR冷却器15的废气具有比常规低的温度。因此，在第二 EGR冷却器15中的水蒸汽显著地更迅速地达到其凝结温度，并且冷凝物在散热器部分15b 内更早地形成。将适当量的冷凝物供给到第一 EGR冷却器的入口段14a使得两个EGR冷却 器14、15的基本上所有的内表面被冷凝物覆盖并且碳烟沉积物被清除掉。图3和4示出了装置的一个备选实施方式。在这种情况下管线24设有由控制单 元26控制的阀28。控制单元26在此可以重新接收关于出口罐15c的底部部分15d中冷 凝物的水平的来自传感器27的信息。图4示出了第一 EGR冷却器14的入口段14a的剖面 图。其示出了设有壁部分的入口段14a，所述壁部分限定出用于废气的局部缩窄的流动段 29。管线24在所述缩窄的流动段29中具有孔口。流动通过回流管线的废气在缩窄的流动 段29中具有较大的流速。因此静止压力在缩窄的流动段29中下降。结果在缩窄的流动段 29中产生比出口罐15c的底部部分15d中主导的压力更低的压力。在控制单元26打开阀 28的情形期间，冷凝物从出口罐的底部部分15d被抽到第一 EGR冷却器14的入口段14a。 控制单元26可以保持阀28打开一特定的时间，以使得适当量的冷凝物被供给到EGR冷却 器14、15，从而它们被清除掉碳烟沉积物。本发明决不限于在附图中示出的实施方式，而是可以在权利要求书的范围内自由 变化。在实施方式的实例中，使用了两个EGR冷却器。然而本发明可以适用于包括一个或 多于两个的EGR冷却器的EGR冷却器机构。冷凝物并不必须在EGR冷却器中用于废气的入 口处被供给，而是可以在EGR冷却器中的其它位置处被供给。冷凝物还可以在一个或多个 EGR冷却器中的多个不同位置处被供给。
权利要求
一种用于燃烧发动机(2)的废气再循环的装置，所述装置包括用于使废气返回燃烧发动机(2)的回流管线(11)以及废气被设定为在被引导至燃烧发动机(2)之前在其中被冷却的EGR冷却器机构(14、15)，其特征在于，所述装置包括用于聚集在所述EGR冷却器机构(14、15)中形成的冷凝物的容器机构(15c)、将所述容器机构(15c)与用于所述EGR冷却器机构(14、15)中的废气的流动段相连接的管线(24)、以及适于从所述容器机构(15c)引导冷凝物进入用于所述EGR冷却器机构(14、15)中的废气的所述流动段中的驱动部件(25、27)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在冷凝物被引入所述EGR冷却器机构 (14,15)处的用于所述废气的所述流动段被定位为接近用于所述EGR冷却器机构(14、15) 中的废气的入口段(14a)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述容器机构(15d)被定位为接近用 于所述EGR冷却器机构(14、15)中的废气的出口段(15c)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动部件包括适于在冷 凝物将被供给到所述EGR冷却器机构(14、15)时启动的泵(25)。
5.根据以上权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动部件包括在冷 凝物被引入所述EGR冷却器机构(14、15)处的用于所述EGR冷却器机构中 的废气的所述流 动段，所述流动段被配置为使其具有相对于邻近流动段局部地缩窄的形状。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述管线(24)包括阀(28)，冷凝物到所 述EGR冷却器机构(14、15)的流动可以通过所述阀(28)被调节。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括控制单元 (26)，所述控制单元(26)适于控制所述驱动部件以使得冷凝物在所需场合下以所需量被 供给。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述EGR冷却器机构包括适 于使废气受到第一步冷却的第一 EGR冷却器(14)以及适于使废气受到第二步冷却的第二 EGR冷却器(15)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述废气在所述第一EGR冷却器(14)中 受到由冷却剂进行的冷却。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述废气在第二EGR冷却器(15)中 受到由处于环境温度的空气进行的冷却。
11.一种用于燃烧发动机(2)的废气再循环的方法，其中所述燃烧发动机(2)包括用 于使废气返回所述燃烧发动机(2)的回流管线(11)以及废气被设定为在其中被冷却的EGR 冷却器机构(14、15)，其特征在于，所述方法包括在容器机构(15c)中聚集在所述EGR冷却 器机构(14、15)中形成的冷凝物的步骤以及从所述容器机构(15c)传输冷凝物进入用于所 述EGR冷却器机构(14、15)中的废气的流动段中的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃烧发动机(2)的废气再循环的装置和方法。所述装置包括用于使废气返回燃烧发动机(2)的回流管线(11)以及废气被设定为在被引导至燃烧发动机之前在其中被冷却的EGR冷却器机构(14、15)。所述装置还包括用于聚集在所述EGR冷却器机构(14、15)中形成的冷凝物的容器机构(15c)、将所述容器机构(15c)与用于所述EGR冷却器机构(14、15)中的废气的流动段相连接的管线(24)、以及适于从所述容器机构(15c)引导冷凝物进入用于所述EGR冷却器机构(14、15)中的废气的所述流动段中的驱动部件(25、27)。
文档编号F02M25/07GK101883920SQ200880118994
公开日2010年11月10日 申请日期2008年11月18日 优先权日2007年12月7日
发明者E·瑟德贝里, Z·卡多斯 申请人:斯堪尼亚商用车有限公司