排氣冷卻器的制造方法
【專利摘要】具有冷卻單元(272)的排氣冷卻器(260)可以應(yīng)用于例如利用低硫船用柴油運(yùn)行的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的排氣再循環(huán)，所述排氣冷卻器使用液體噴射系統(tǒng)(270)保持清潔和/或清潔冷卻單元(272)的冷卻表面。所述液體噴射系統(tǒng)(270)可以在冷卻表面凝結(jié)開始區(qū)域的上游或者沿著該凝結(jié)開始區(qū)域地將液體供給到排氣通路(268)中，借此減少由顆粒物質(zhì)和排氣中的諸如硫酸和/或水的汽化液體的凝結(jié)液體形成的膜和沉積物，否則所述沉積物會(huì)至少部分地堵塞所述排氣冷卻器(260)。
【專利說(shuō)明】排氣冷卻器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及排氣冷卻器，更具體地涉及排氣再循環(huán)(EGR)管路中的排氣冷卻器。
【背景技術(shù)】
[0002]由于近來(lái)對(duì)環(huán)境增強(qiáng)的責(zé)任感以及當(dāng)前和預(yù)期的排放法規(guī)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的目標(biāo)是降低由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的空氣污染物的量。那些空氣污染物可以包括顆粒物質(zhì)(PM)、氮氧化物(NOx)和硫組分。
[0003]發(fā)動(dòng)機(jī)制造商已經(jīng)研發(fā)了多種用于減少空氣污染物的生成和排放的方法。用于減少NOx的生成的廣為人知的技術(shù)是EGR。EGR可以通過(guò)使一部分排氣再循環(huán)回到燃燒過(guò)程中來(lái)完成。借此，燃燒室中的溫度會(huì)降低，因而可以減少NOx的生成。為了將排氣引導(dǎo)至增壓空氣系統(tǒng)，可以在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中的不同位置處分出EGR管路。
[0004]例如，所謂的高壓EGR可以具有設(shè)置在排氣渦輪上游的進(jìn)口。術(shù)語(yǔ)“高壓”由被抽取出的排氣的壓力比環(huán)境壓力大的事實(shí)而得。EGR管路的出口可以通入內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓空氣系統(tǒng)中——例如，通入增壓空氣歧管中，或者位于增壓空氣歧管的上游和增壓空氣冷卻器的下游。
[0005]專利W02011/066871A1公開了高壓EGR管路的示例性實(shí)施例。EGR管路在排氣管路與進(jìn)氣口之間并與這二者相互連通。高溫(HT)冷卻器、排氣壓縮機(jī)和低溫(LT)冷卻器設(shè)置在EGR管路中。被抽取出的排氣可以隨后在HT冷卻器中被冷卻、在排氣壓縮機(jī)中加壓并且在LT冷卻器中被進(jìn)一步冷卻。
[0006]冷卻到例如位于“高壓”或“低壓” EGR管路內(nèi)的被抽取出的排氣中的汽化液體的露點(diǎn)之下或該露點(diǎn)的范圍內(nèi)，會(huì)引起所述液體在凝結(jié)核周圍凝結(jié)。所述凝結(jié)核可以是PM或者排氣冷卻器的冷卻表面。因?yàn)長(zhǎng)T冷卻器通常包括可以達(dá)到所述露點(diǎn)的凝結(jié)開始區(qū)域，所以尤其該凝結(jié)開始區(qū)域會(huì)受到影響。例如，含有PM和硫酸的形成沉積物可能沉積在冷卻表面上，并且可隨后在操作期間生長(zhǎng)。所述沉積物(也被稱為積垢)可能在EGR系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)上造成多種負(fù)面影響，諸如造成整個(gè)LT冷卻器上的增大的壓降、LT冷卻器的降低的冷卻效率，和/或由于腐蝕性硫酸的原因而腐蝕冷卻表面。
[0007]本發(fā)明旨在一至少部分地一改進(jìn)或克服現(xiàn)有系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)方面。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，用于冷卻內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的排氣冷卻器可以包括冷卻器殼體。該冷卻器殼體可具有排氣進(jìn)口和排氣出口，形成在所述排氣進(jìn)口與所述排氣出口之間延伸的排氣通路。所述排氣冷卻器可包括冷卻單元。所述冷卻單元可安裝在所述排氣通路中，并可具有用于冷卻所述排氣的冷卻表面。所述冷卻表面可包括凝結(jié)開始區(qū)域，在該凝結(jié)開始區(qū)域中所述排氣可被冷卻至該排氣中的汽化液體的露點(diǎn)的范圍內(nèi)的溫度。此外，所述排氣冷卻器可包括液體噴射系統(tǒng)，該液體噴射系統(tǒng)可包括可安裝在所述排氣通路中的至少一個(gè)液體噴灑出口，并且可構(gòu)造成使得在所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行期間自所述至少一個(gè)液體噴灑出口噴灑的至少一些液體可例如以液相被輸送至所述凝結(jié)開始區(qū)域。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方案，一種閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)可包括排氣冷卻器、至少一個(gè)液體收集部分和清潔器。所述至少一個(gè)液體收集部分可按照安裝取向(in a mountedorientat1n,以懸掛方位)定位在液體噴射系統(tǒng)、冷卻單元和/或夾帶物分離器下方。所述清潔器可在所述至少一個(gè)收集部分與所述液體噴射系統(tǒng)之間并與這二者流體地相互連通。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的又一方案，一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)可包括:燃燒單元，該燃燒單元具有一個(gè)或多個(gè)氣缸和相關(guān)聯(lián)的燃燒室；以及排氣再循環(huán)系統(tǒng)，該排氣再循環(huán)系統(tǒng)具有排氣冷卻器和/或閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的又一方案，一種用于減少排氣冷卻器的冷卻單元——該冷卻單元具有冷卻表面一的阻塞的方法可包括:藉由所述冷卻表面將排氣流中的排氣冷卻到所述排氣中的汽化液體的露點(diǎn)的范圍內(nèi)，所述汽化液體諸如是硫酸和/或水；同時(shí)，將液體供給到所述排氣流中，使得所述冷卻表面可以保持清潔和/或通過(guò)液體與所述冷卻表面的相互作用而被清潔。
[0012]本發(fā)明的其它特征和方案將從以下描述和所附附圖中顯而易見(jiàn)。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1示出具有燃燒單元和EGR管路的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；
[0014]圖2示出排氣冷卻器的實(shí)施例的示意圖；
[0015]圖3示出閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖4示出包括表明分別通過(guò)圖5和圖6的冷卻單元的排氣的溫度的曲線圖的圖；
[0017]圖5示出液體噴射系統(tǒng)和安裝在排氣通路中的冷卻單元的示意圖；
[0018]圖6示出安裝在排氣通路中的冷卻單元的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下是對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述。在本文中描述且在附圖中示出的示例性實(shí)施例旨在教導(dǎo)本發(fā)明的原理，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在許多不同的環(huán)境中并針對(duì)許多不同的應(yīng)用來(lái)實(shí)施和使用本發(fā)明。因此，不應(yīng)認(rèn)為所述示例性實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制性描述。本發(fā)明范圍應(yīng)由所附權(quán)利要求限定。
[0020]本發(fā)明可以部分地基于這樣的認(rèn)識(shí)，即，如具有例如100ppm的燃料硫含量的低硫船用柴油(LSMDO)燃燒，可能因?yàn)榕艢庵袝?huì)含有硫組分和PM而對(duì)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR系統(tǒng)造成影響。
[0021]對(duì)于EGR而言，一定量的排氣可以被分流出來(lái)并再循環(huán)到燃燒單元中。當(dāng)將被抽取出的排氣冷卻到硫酸的露點(diǎn)以下時(shí)，會(huì)在排氣冷卻器中發(fā)生凝結(jié)，這——與PM結(jié)合——會(huì)導(dǎo)致例如排氣冷卻器阻塞、堵塞和積垢。結(jié)果，在整個(gè)排氣冷卻器上會(huì)出現(xiàn)增大的壓降。另外，排氣冷卻器的冷卻效率會(huì)降低，并且已凝結(jié)的硫酸會(huì)在排氣冷卻器中以及設(shè)置在排氣冷卻器下游的管道和設(shè)備中引起腐蝕。注意到，汽化液體(已蒸發(fā)的液體)在冷卻表面上凝結(jié)可能增大阻塞趨勢(shì)。例如，少量水的凝結(jié)也可能增加具有PM的沉積物的形成。來(lái)自其它燃料——諸如替代燃料(例如，基于熱解的燃料)——的燃燒的排氣可能含有當(dāng)在冷卻表面上凝結(jié)時(shí)會(huì)造成相似影響的其它汽化液體。
[0022]因此，本發(fā)明公開了一種由于自清潔(作用)而可以可靠地減少堵塞和積垢的排氣冷卻器。
[0023]另外，PM和凝結(jié)的硫酸可以聚集在設(shè)置在排氣冷卻器下面的收集部分中，以減小聚集的流體在設(shè)置于排氣冷卻器下游的管道和任何設(shè)備上的腐蝕作用。
[0024]以下參照?qǐng)D1描述了內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10的EGR系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
[0025]內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10可以包括燃燒單元12，該燃燒單元具有一個(gè)或多個(gè)氣缸以及相關(guān)聯(lián)的燃燒室14。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10還可以包括進(jìn)氣系統(tǒng)18、排氣管路22和排氣系統(tǒng)24。
[0026]燃燒單元12可以是例如以柴油、重質(zhì)燃料和/或氣體為能量源的燃燒單元。氣缸可以例如設(shè)置成直列式構(gòu)型、V構(gòu)型、W構(gòu)型或其它任何已知構(gòu)型。
[0027]燃燒單元12還可包括進(jìn)氣口 16。進(jìn)氣口 16可以例如構(gòu)造成為進(jìn)氣歧管。進(jìn)氣系統(tǒng)18可以連接至進(jìn)氣口 16用以將經(jīng)壓縮的增壓空氣供給至燃燒室14。
[0028]燃燒單元12還可包括排氣出口 20。排氣管路22可以與排氣出口 20流體地連通。排氣管路22可以將排氣從燃燒室14引導(dǎo)至排氣系統(tǒng)24。
[0029]進(jìn)氣系統(tǒng)18和排氣系統(tǒng)24可以構(gòu)造成單級(jí)或兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)。
[0030]燃燒單元12還可包括EGR系統(tǒng)30。EGR系統(tǒng)30可包括EGR管路32、36、40、44、46、50、HT冷卻器38、排氣壓縮機(jī)42、LT冷卻器60以及閥34、48。
[0031]EGR管路32可從排氣管路22中分出來(lái)。EGR管路32可以流體地連接至閥34。HT冷卻器38可設(shè)置在閥34的下游并且通過(guò)EGR管路36流體地連接至閥34。排氣壓縮機(jī)42可設(shè)置在HT冷卻器38的下游。EGR管路40可將HT冷卻器38與排氣壓縮機(jī)42流體地連接起來(lái)。EGR管路44可利用進(jìn)口端而流體地連接至排氣壓縮機(jī)42。EGR管路44的出口端可以流體地連接至LT冷卻器60。
[0032]LT冷卻器60可以例如是如本發(fā)明所提出的并在下文中被較詳細(xì)地描述的排氣冷卻器。
[0033]EGR管路46可以使LT冷卻器60 (排氣冷卻器)與閥48流體地相互連通。EGR管路50可以使閥48與進(jìn)氣口 16流體地連通。
[0034]如圖所示，EGR管路50可以通入進(jìn)氣口 16。在一些實(shí)施例中，EGR管路50可以通入進(jìn)氣系統(tǒng)18。在兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的情況中，EGR管路50可以通入兩級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的兩個(gè)壓縮機(jī)的流體連通結(jié)構(gòu)。
[0035]參見(jiàn)圖2,示出了排氣冷卻器260的示例性實(shí)施例。
[0036]排氣冷卻器260可包括具有排氣進(jìn)口 264和排氣出口 266的冷卻器殼體262。冷卻器殼體262可以在排氣進(jìn)口 264與排氣出口 266之間限定出排氣通路268。
[0037]冷卻器殼體262可由耐腐蝕材料制成以耐受排氣中的水、硫酸和/或其它組分。冷卻器殼體262可以構(gòu)造成用于如下文中描述的那樣容納各種部件。應(yīng)注意的是，冷卻器殼體262的其它實(shí)施例可以容納與EGR再循環(huán)和/或排氣處理相關(guān)聯(lián)的附加部件。
[0038]排氣進(jìn)口 264和排氣出口 266可以將排氣冷卻器260流體連接至EGR管路——例如圖1示出的EGR管路44和46。
[0039]排氣冷卻器260還可包括液體噴射系統(tǒng)270,該液體噴射系統(tǒng)可以提供設(shè)置在排氣通路268內(nèi)和/或通入排氣通路268的至少一個(gè)液體噴灑出口 270A。
[0040]一些實(shí)施例可以額外地包括如圖2中示出的設(shè)置在排氣通路268內(nèi)和/或通入排氣通路268的至少一個(gè)其它液體噴灑出口 270B。
[0041]液體噴射系統(tǒng)270可與液體源(未示出)流體地連通，所述液體源可以按照在圖2的液體噴射系統(tǒng)270上方示出的兩個(gè)箭頭指示地將液體供給至液體噴射系統(tǒng)270。
[0042]排氣冷卻器260還可包括冷卻單元272。在圖2的實(shí)施例中，液體噴射系統(tǒng)270可以設(shè)置在冷卻單元272的上游。在一些實(shí)施例中，液體噴射系統(tǒng)的至少一個(gè)液體噴灑出口可以替代地或額外地沿著位于凝結(jié)開始區(qū)域和/或初始冷卻區(qū)域中的冷卻單元設(shè)置，如將于下文較詳細(xì)地描述且如虛線的液體噴灑出口 270A’表明的那樣。
[0043]在一些實(shí)施例中，排氣冷卻器可包括這樣的液體噴射系統(tǒng)，即，該液體噴射系統(tǒng)可僅包括至少一個(gè)液體噴灑出口，或者額外地包括一組或多組液體噴灑出口。
[0044]液體噴射系統(tǒng)270可包括一個(gè)管或流體地連通的多個(gè)管。所述一個(gè)或多個(gè)管可包括一組或多組液體噴灑出口，例如，包括至少一個(gè)液體噴灑出口 270A和至少一個(gè)其它液體噴灑出口 270B。至少一個(gè)其它液體噴灑出口 270B可構(gòu)造成容許將液體噴灑和/或沖入排氣通路268中。例如，液體噴灑出口可構(gòu)造成噴嘴一諸如位于流體引導(dǎo)管道內(nèi)的噴灑噴嘴或開口。在示出的實(shí)施例中，液體噴射系統(tǒng)270可包括六個(gè)液體噴灑出口 270A和六個(gè)液體噴灑出口 270B。
[0045]在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)液體噴灑出口 270A可構(gòu)造成使得液體可被朝向冷卻單元272導(dǎo)引。因此，可以確保液體可與排氣流一起流動(dòng)并與冷卻單元272的表面接觸。
[0046]在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)液體噴灑出口 270A中的至少一者可以將液體噴灑到冷卻表面573上。
[0047]一些實(shí)施例還可包括設(shè)置在液體噴射系統(tǒng)內(nèi)、用于允許或限制液體流動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)閥。
[0048]冷卻單元272可以例如是用于排氣冷卻和/或氣態(tài)介質(zhì)冷卻的帶翅片管束、無(wú)翅片管束、板式冷卻器或其它已知類型的冷卻單元。具體地，冷卻單元272可包括用于與通過(guò)的排氣相互作用的被冷卻的表面。
[0049]在一些實(shí)施例中，排氣冷卻器260還可包括圖2中所示的夾帶物分離器/霧沫分離器274。夾帶物分離器274可以是任何類型的分離器，其能夠顯著地減少通過(guò)的排氣中的夾帶物——諸如水滴、硫酸滴和/或PM——的量。例如，夾帶物分離器274可以是用于將液體和/或固體組分從氣態(tài)介質(zhì)中分離出來(lái)的氣旋式分離器、網(wǎng)墊分離器、葉片分離器、它們的組合，或任何其它已知類型的分離器。夾帶物分離器274可定位在冷卻單元272與排氣出口 266之間。
[0050]排氣冷卻器的其它實(shí)施例可不包括夾帶物分離器。替代地，單獨(dú)的夾帶物分離器可以獨(dú)立地較遠(yuǎn)地設(shè)置在排氣冷卻器的下游，或者，由于已經(jīng)將大量的夾帶物從例如設(shè)置在排氣冷卻器的排氣通路中的冷卻單元內(nèi)的排氣中分離出來(lái)，所以可能不需要夾帶物分離器。
[0051 ] 排氣冷卻器還可包括可設(shè)置在液體噴射系統(tǒng)270、冷卻單元272和/或夾帶物分離器274下方的收集部分276。收集部分276可以例如是具有至少一個(gè)進(jìn)口的槽、池和/或管，以及可以例如由耐腐蝕材料制成。
[0052]排氣通路268可包括可將收集部分276與排氣通路268流體地連通的一個(gè)或多個(gè)開口 275。開口 275可以設(shè)置在液體噴射系統(tǒng)270下方和/或沿著液體噴射系統(tǒng)270設(shè)置，如圖2中所示。另外，可在冷卻單元272和/或夾帶物分離器274下方設(shè)置例如裂縫樣的開口。
[0053]收集部分276還可包括用于按照?qǐng)D2中示出的箭頭指示地將收集的液體和PM排到收集部分276下方的排出裝置。
[0054]在一些實(shí)施例中，可以提供分離的或連接的多個(gè)收集部分。例如，第一收集部分可以設(shè)置在液體噴射系統(tǒng)下方，第二收集部分可以設(shè)置在冷卻單元下方，第三收集部分可以設(shè)置在夾帶物分離器下方。當(dāng)然，排氣冷卻器的一些實(shí)施例可以只包括前述第一、第二和第三收集部分中的一個(gè)或兩個(gè)。此外，附加的收集部分可以設(shè)置在其它適合的位置處，例如，設(shè)置在排氣冷卻器內(nèi)或下游。
[0055]如圖3所示，閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)361的示例性實(shí)施例可包括排氣冷卻器360、清潔器378以及冷卻回路380。
[0056]排氣冷卻器360可以如同關(guān)于圖2中示出的排氣冷卻器260所闡明地那樣構(gòu)造。為了便于比較，將以“300”系列的類似附圖標(biāo)記指代相似的構(gòu)件。應(yīng)注意的是，閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)的其它實(shí)施例可以包括諸如結(jié)合圖2描述的排氣冷卻器的其它實(shí)施例。
[0057]參見(jiàn)圖3，清潔器378可與收集部分376流體地連通，或者在一些實(shí)施例中可與多于一個(gè)的收集部分流體地連通。具體地，清潔器378可以使收集部分376與排氣冷卻器360的液體噴射系統(tǒng)370流體地相互連通。液體泵379可以流體地連接在清潔器378的上游或下游。液體泵379可連接至液體噴射控制單元371。
[0058]清潔器378可以是構(gòu)造成將PM、硫酸和/或其它組分從初始供給的由液體噴射系統(tǒng)370噴灑或沖入到排氣通路368中的液體中分離出來(lái)的任意類型的清潔器。例如，清潔器378可包括一個(gè)或多個(gè)用于對(duì)液體進(jìn)行物理凈化、化學(xué)凈化和/或生物凈化的構(gòu)件。例如，清潔器378可包括沉淀池、任意類型的過(guò)濾器和/或脫酸單元。
[0059]在一些實(shí)施例中，排氣冷卻器360的冷卻單元372可與冷卻回路380流體地連通。冷卻回路380可受控于冷卻回路控制單元382。
[0060]在一些實(shí)施例中，一般而言，冷卻回路380還可包括增壓空氣系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)、排氣后處理系統(tǒng)和/或內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)或多個(gè)冷卻單元。
[0061]在一些實(shí)施例中，冷卻回路控制單元382可以與液體噴射控制單元371 —起設(shè)置在共同控制單元中。在一些實(shí)施例中，共同控制單元可以是EGR控制單元和/或發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的一部分。
[0062]以下簡(jiǎn)短地參照?qǐng)D4至圖6對(duì)排氣冷卻器的操作和功能進(jìn)行描述，尤其描繪了其與常規(guī)排氣冷卻器的區(qū)別。
[0063]圖4示出溫度-距離圖。在該溫度-距離圖中，線400表示排氣在流過(guò)冷卻單元時(shí)的溫度。距離Xe處的溫度Tc表示臨界溫度，在該臨界溫度例如由于排氣中的化學(xué)和/或物理反應(yīng)，所以會(huì)在冷卻單元的表面處形成沉積物。在圖5和圖6中，箭頭表明排氣正通過(guò)的方向。
[0064]圖5示出沿著噴射系統(tǒng)570和冷卻單元572的排氣通路568的示意圖。為了便于比較，與已經(jīng)參照?qǐng)D2和圖3描述過(guò)的那些構(gòu)件相似的構(gòu)件將以“500”系列的相似附圖標(biāo)記指代。
[0065]相比之下，圖6示出在具有常規(guī)冷卻單元600的常規(guī)排氣冷卻器內(nèi)的示例性排氣通路610的示意圖。注意到，圖6的常規(guī)冷卻器不包括如上結(jié)合圖2和圖3討論過(guò)的噴射系統(tǒng)。
[0066]如上所述，圖5和圖6的冷卻單元572和600分別構(gòu)造成帶翅片管束，并且可以分別包括例如三個(gè)冷卻管573A和673A以及多個(gè)相關(guān)聯(lián)的提供大冷卻表面573和673的散熱片573B和673B，所述冷卻表面可以分別被冷卻管573A和673A冷卻。應(yīng)注意的是，根據(jù)不同方面一諸如希望的冷卻效率、壓力范圍和溫度范圍一可以改變和選擇一些冷卻管573A和673A以及散熱片573B和673B。
[0067]各散熱片573B和673B可以與相對(duì)的散熱片分隔距離D。距離D可以在例如0.1mm至1mm的范圍內(nèi)。
[0068]如前所述，其它實(shí)施例可包括可構(gòu)造成用于排氣冷卻和/或氣態(tài)介質(zhì)冷卻的無(wú)翅片管束、板式冷卻器或其它已知類型的冷卻單元。在帶翅片管束或無(wú)翅片管束的情況中，排氣可以流動(dòng)通過(guò)冷卻管或者在冷卻管周圍流動(dòng)。
[0069]工業(yè)適用性
[0070]以下將參照?qǐng)D1至圖6描述排氣冷卻器的上述示例性實(shí)施例的基本操作。
[0071]在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10的正常運(yùn)行期間，燃料和增壓空氣可被供給至燃燒單元12并在該燃燒單元中燃燒。排氣可通過(guò)排氣出口 20離開燃燒單元到達(dá)排氣管路22。排氣的一部分可自排氣管路22分流至EGR管路32。
[0072]EGR管路32中的排氣可以隨后經(jīng)過(guò)HT冷卻器38和排氣壓縮機(jī)42。之后，排氣可進(jìn)入可構(gòu)造成為排氣冷卻器260的LT冷卻器60。
[0073]如在圖2中看到的，排氣冷卻器260的冷卻單元272可以藉由冷卻表面573 (參見(jiàn)圖5)將排氣冷卻至排氣中的汽化液體的露點(diǎn)Tc的范圍內(nèi)的溫度或露點(diǎn)Tc之下的溫度。所述汽化液體可以例如是硫酸和/或水。
[0074]典型地，在LT EGR冷卻器的常規(guī)系統(tǒng)中，在溫度水平、阻塞和積垢方面可區(qū)分出三個(gè)區(qū)域。排氣可以在初始冷卻區(qū)域中被冷卻至在汽化液體的露點(diǎn)之上的溫度，在凝結(jié)開始區(qū)域中被冷卻至在汽化液體的露點(diǎn)內(nèi)的溫度，在端部冷卻區(qū)域被冷卻至水的露點(diǎn)之下的溫度。初始冷卻區(qū)域可以與凝結(jié)開始區(qū)域交匯，并且凝結(jié)開始區(qū)域可以與端部冷卻區(qū)域交匯。
[0075]排氣進(jìn)入冷卻單元672處于冷卻表面673的初始冷卻區(qū)域中。初始冷卻區(qū)域的特征可以是，將排氣冷卻至可在排氣中的任何汽化液體的露點(diǎn)之上的溫度。排氣中的PM可在初始冷卻區(qū)域中在冷卻表面673上形成干而薄的膜。注意到，排氣中實(shí)質(zhì)上沒(méi)有汽化液體會(huì)在初始冷卻區(qū)域中凝結(jié)。初始冷卻區(qū)域中的薄而干的膜會(huì)略微降低冷卻單元的冷卻效率。
[0076]排氣可以在冷卻表面673的凝結(jié)開始區(qū)域(在下文中稱為凝結(jié)開始區(qū)域)中被進(jìn)一步冷卻，所述凝結(jié)開始區(qū)域的特征是，將排氣冷卻至排氣中的汽化液體的露點(diǎn)Tc的范圍內(nèi)的溫度。所述汽化液體可以例如是水或硫酸。
[0077]當(dāng)達(dá)到汽化液體的露點(diǎn)時(shí)，汽化液體可以在凝結(jié)核一諸如PM和冷卻表面
673-周圍凝結(jié)。起初，凝結(jié)的液體可以與PM —起在冷卻表面673的凝結(jié)開始區(qū)域中形成粘性的膜。所述粘性的膜會(huì)進(jìn)一步吸引PM和正冷凝的液體。沉積物可以在凝結(jié)開始區(qū)域中形成，所述沉積物可以隨后在操作期間生長(zhǎng)。凝結(jié)的液體和PM的更大沉積物會(huì)形成，并且會(huì)部分地堵塞排氣通路610，進(jìn)而會(huì)使整個(gè)冷卻單元的壓降增大，會(huì)降低冷卻單元672的冷卻效率，并且會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致冷卻表面673的腐蝕。
[0078]冷卻表面673的散熱片673B以例如數(shù)十毫米的距離D設(shè)置會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)沉積物生長(zhǎng)。參見(jiàn)圖4，表示排氣在通過(guò)已部分阻塞的冷卻單元時(shí)的溫度的修正線與線400相比而言，在相似位置X處可以具有減小的負(fù)梯度。
[0079]在冷卻表面673的端部冷卻區(qū)域中，排氣可以被冷卻至顯著低于水的露點(diǎn)的溫度。排氣中的汽化水可以在端部冷卻區(qū)域中以顯著的量凝結(jié)。顯著量的凝結(jié)水會(huì)減少冷卻表面673的端部冷卻區(qū)域內(nèi)的沉積物的形成。
[0080]注意到，由于排氣在其進(jìn)入冷卻單元時(shí)可能已經(jīng)具有排氣中的汽化液體的露點(diǎn)的范圍內(nèi)的溫度，所以冷卻表面可不包括初始冷卻區(qū)域。
[0081]還注意到，因?yàn)榕艢饪梢詢H在冷卻單元中被冷卻至排氣中的汽化液體的露點(diǎn)的范圍內(nèi)的溫度，所以冷卻表面可不包括端部冷卻區(qū)域。
[0082]在燃燒具有100ppm的燃料含硫量的LSMDO的情況下，排氣會(huì)含有硫組分。硫酸可以在凝結(jié)開始區(qū)域中凝結(jié)，以及可以與PM—起形成所描述的沉積物。在端部冷卻區(qū)域中，排氣中的汽化水可以顯著量凝結(jié)。顯著量的凝結(jié)水會(huì)減少沉積物在冷卻表面的端部冷卻區(qū)域內(nèi)的形成。
[0083]注意到，基本上不具有硫含量的其它燃料也可以在冷卻表面的凝結(jié)開始區(qū)域中形成沉積物。例如，排氣可以在冷卻表面的凝結(jié)開始區(qū)域中被冷卻至水的露點(diǎn)的范圍內(nèi)的溫度。少量的水可以凝結(jié)并可與PM—起形成沉積物。在冷卻表面的端部冷卻區(qū)域一在該區(qū)域中排氣可以被冷卻至顯著低于水的露點(diǎn)的溫度——中，凝結(jié)水的量可足以減少沉積物的形成。
[0084]注意到，如果排氣可以被冷卻至排氣中的汽化液體的露點(diǎn)的范圍內(nèi)的溫度，則以上描述的影響就會(huì)在冷卻單元中發(fā)生。
[0085]還注意到，排氣中的汽化液體的露點(diǎn)取決于許多因素，諸如壓力水平、燃料空氣t匕、燃料組分——例如，燃料硫含量。例如，硫酸的露點(diǎn)在6bar的絕對(duì)壓力、1.8的空燃比、100ppm的燃料硫含量以及5%的從SO2到SO3的轉(zhuǎn)化程度下可以是約140°C。一般而言，硫酸的露點(diǎn)的范圍可以是100°C至140°C。
[0086]安裝在排氣通路中的液體噴射系統(tǒng)可以減小如上提及的影響——包括沉積物在冷卻表面上的生長(zhǎng)。
[0087]如在圖2中所見(jiàn)，排氣冷卻器260的液體噴射系統(tǒng)270可以將諸如水的液體供給到排氣通路268中。排氣可以從排氣進(jìn)口 264到排氣出口 266地通過(guò)排氣通路268。借此，排氣可以與來(lái)自液體噴射系統(tǒng)270的液體在排氣通路268內(nèi)混合，并作為混合物通過(guò)冷卻單元272。
[0088]至少一個(gè)液體噴灑出口 270A可以將液體噴灑到可被輸送至冷卻單元272的排氣中。被供給的液體可以與冷卻單元的冷卻表面573相互作用，借此可以保持清潔和/或清潔冷卻表面573。具體地，液體可以以液相被輸送至例如冷卻單元272的凝結(jié)開始區(qū)域，在該凝結(jié)開始區(qū)域排氣可以被冷卻至排氣中的汽化液體的露點(diǎn)上下的溫度。凝結(jié)開始區(qū)域在圖4至圖6中最佳示出，以及可處于在溫度Tc的位置Xe的范圍內(nèi)。
[0089]具體地如圖5中所示，由至少一個(gè)液體噴灑出口 570A噴灑的液體可以顯著地減少在初始冷卻區(qū)域中膜的形成和在凝結(jié)開始區(qū)域中沉積物的形成，如參照?qǐng)D6針對(duì)常規(guī)系統(tǒng)所描述地那樣。具體地，被供給液體中的至少一些液體會(huì)以液相撞擊在冷卻表面(573)的例如起始冷卻區(qū)域、凝結(jié)開始區(qū)域和/或端部冷卻區(qū)域上，并且可以使膜和沉積物的顆粒松散、溶解和/或吸收所述顆粒。液體可以將來(lái)自排氣的凝結(jié)液體和PM的那些顆粒輸送離開冷卻表面573、經(jīng)開口 275進(jìn)入到如圖2中最佳示出的至少一個(gè)收集部分276中。借此，因?yàn)楸还┙o的液體可以借助于沿著排氣通路568流過(guò)的排氣被輸送，所以被供給的液體可以保持清潔和/或可以清潔冷卻表面573。
[0090]作為示例，水可以由液體噴射系統(tǒng)570作為液體供給。被供給的水可以被噴灑并可形成水滴584。
[0091]在一些實(shí)施例中，液體噴射控制單元371可以對(duì)液體噴射系統(tǒng)370和/或相關(guān)聯(lián)的液體泵379的操作進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，液體噴射控制單元371可以構(gòu)造成用于以連續(xù)的和/或非連續(xù)的(例如，脈沖的)操作模式對(duì)液體噴射系統(tǒng)370的操作進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外或替代地，液體噴射控制單元371可以構(gòu)造成用于根據(jù)一個(gè)或多個(gè)控制參數(shù)——諸如，燃料類型、燃料的硫含量、空氣-燃料比、時(shí)間間隔、通過(guò)排氣冷卻器的體積流量、整個(gè)排氣冷卻器上的壓降、排氣冷卻器上游的壓力以及排氣冷卻器下游的壓力一來(lái)對(duì)液體噴射系統(tǒng)370的操作進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，可以在排氣冷卻器中或者EGR管路的相鄰構(gòu)件內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的傳感器。在一些實(shí)施例中，液體噴射控制單元可以是EGR控制單元和/或發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和/或冷卻回路控制單元382的一部分。
[0092]在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)液體噴灑出口 270A’可以如圖2中所示地沿著冷卻單元270設(shè)置。在一些實(shí)施例中，那些液體噴灑出口 270A’可以設(shè)置在凝結(jié)開始區(qū)域附近，在該凝結(jié)開始區(qū)域中排氣被冷卻至排氣中的汽化液體——諸如硫酸——的露點(diǎn)的范圍內(nèi)的溫度。該凝結(jié)開始區(qū)域可以在圖5至圖6中最佳示出，以及可處于在溫度Tc的位置Xe的范圍內(nèi)。此外并且如圖2中所示，至少一個(gè)其它液體噴灑出口 270B可以進(jìn)一步將液體供給到排氣通路268中。具體地，借助于由至少一個(gè)其它液體噴灑出口 270B供給的液體可以將PM從排氣中洗掉。
[0093]總體上，由至少一個(gè)液體噴灑出口 270A和至少一個(gè)其它液體噴灑出口 270B供給的液體可以減少沿著排氣冷卻器360通過(guò)的排氣中的PM的量。
[0094]收集部分276可以收集由液體噴射系統(tǒng)270供給的液體、排氣的凝結(jié)液體和液體中的PM。
[0095]參見(jiàn)圖3，至少一個(gè)收集部分376中的收集液體和PM可以被導(dǎo)引至清潔器378以從液體清除掉PM、硫酸以及其它成分。清潔器378可以藉由液體泵379而將經(jīng)清潔的液體供給至液體噴射系統(tǒng)370用以重新使用。液體噴射控制單元371可控制液體泵379以調(diào)節(jié)至液體噴射系統(tǒng)370的液體流。
[0096]冷卻單元372可與冷卻回路380連通。冷卻回路可以將冷卻劑供給至冷卻單元372。冷卻回路控制單元382可以配置成用于將被供給至冷卻單元372的冷卻劑的冷卻劑溫度和/或冷卻劑流速設(shè)定成使得通過(guò)冷卻單元372的排氣可以被冷卻至希望的溫度。該溫度可以低于排氣中的汽化液體的露點(diǎn)，可以至少是140°C、100°C、80°C、50 V、45°C、40 V或35°C。在一些實(shí)施例中，冷卻回路控制單元可以是EGR控制單元和/或發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和/或液體噴射控制單元371的一部分。
[0097]夾帶物分離器374可以安裝在排氣通路368中。在排氣被導(dǎo)引至內(nèi)燃機(jī)10的進(jìn)氣口 16(參見(jiàn)圖1)之前，夾帶物分離器374可以去除通過(guò)排氣冷卻器360的排氣中的殘留夾帶物。
[0098]在一些實(shí)施例中，離開排氣冷卻器360的排氣的溫度可以與進(jìn)氣口 16內(nèi)的增壓空氣溫度相似，例如是45°C。
[0099]注意到，所描述的排氣冷卻器可以用于可包括排氣冷卻器的EGR、后處理和/或其它應(yīng)用，所述排氣冷卻器可將排氣冷卻至排氣中的汽化液體的露點(diǎn)內(nèi)的溫度。
[0100]盡管已在本文中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是還可以在不超出所附權(quán)利要求的范圍的情況下包含改進(jìn)和修改。
[0101]附圖標(biāo)記
[0102]發(fā)明名稱:排氣冷卻器
[0103]10內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)
[0104]12燃燒單元
[0105]14燃燒室
[0106]16 進(jìn)氣口
[0107]18進(jìn)氣系統(tǒng)
[0108]20排氣出口
[0109]22排氣管路
[0110]24排氣系統(tǒng)
[0111]30 EGR 系統(tǒng)
[0112]32 EGR 管路
[0113]34 閥
[0114]36 EGR 管路
[0115]38 HT 冷卻器
[0116]40 EGR 管路
[0117]42排氣壓縮機(jī)
[0118]44 LT冷卻器/排氣冷卻器
[0119]260排氣冷卻器
[0120]262冷卻器殼體
[0121]264 排氣進(jìn)口
[0122]266 排氣出口
[0123]268排氣通路
[0124]270液體噴射系統(tǒng)
[0125]270’液體噴射系統(tǒng)
[0126]270A液體噴灑出口
[0127]270A’ 液體噴灑出口
[0128]270B液體噴灑出口
[0129]272冷卻單元
[0130]274夾帶物分離器
[0131]275開口
[0132]276收集部分
[0133]360排氣冷卻器
[0134]361閉環(huán)排氣系統(tǒng)
[0135]362冷卻器殼體
[0136]364排氣進(jìn)口
[0137]366排氣出口
[0138]368排氣通路
[0139]370液體噴射系統(tǒng)
[0140]371液體噴射控制單元
[0141]372冷卻單元
[0142]373冷卻表面
[0143]374夾帶物分離器
[0144]376收集部分
[0145]378清潔器
[0146]379液體泵
[0147]380冷卻回路
[0148]382冷卻回路控制單元
[0149]400線
[0150]568排氣通路
[0151]570液體噴射系統(tǒng)
[0152]570A液體噴灑出口
[0153]572冷卻單元
[0154]573冷卻表面
[0155]573A冷卻管
[0156]573B散熱片
[0157]584水滴
[0158]668排氣通路
[0159]672冷卻單元
[0160]673冷卻表面
[0161]673A冷卻管
[0162]673B散熱片
【權(quán)利要求】
1.一種用于冷卻內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(10)的排氣的排氣冷卻器(60，260，360)，所述排氣冷卻器(60，260，360)包括: 具有排氣進(jìn)口(264，364)和排氣出口(266，366)的冷卻器殼體(262，362)，該冷卻器殼體形成在所述排氣進(jìn)口(264，364)與所述排氣出口(266，366)之間延伸的排氣通路(268，368,568)； 安裝在所述排氣通路(268，368，568)中、具有用于冷卻所述排氣的冷卻表面(573)的冷卻單元(272，372，572)，所述冷卻表面(573)包括凝結(jié)開始區(qū)域，在該凝結(jié)開始區(qū)域中所述排氣被冷卻至該排氣中的汽化液體的露點(diǎn)的范圍內(nèi)的溫度；和 液體噴射系統(tǒng)(270，370，570)，所述液體噴射系統(tǒng)包括安裝在所述排氣通路(268，368，568)中的至少一個(gè)液體噴灑出口(270A，570A)，并且構(gòu)造成使得在所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(10)的運(yùn)行期間自所述至少一個(gè)液體噴灑出口(270A，570A)噴灑的至少一些液體被輸送至所述凝結(jié)開始區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣冷卻器(60，260，360)，其特征在于，所述至少一個(gè)液體噴灑出口(270A，570A)在所述凝結(jié)開始區(qū)域上游和/或沿著該凝結(jié)開始區(qū)域安裝在所述排氣通路(268，368，568)中，和/或 其中所述冷卻表面(573)還包括初始冷卻區(qū)域，在該初始冷卻區(qū)域中所述排氣被冷卻至該排氣中的汽化液體的露點(diǎn)之上的溫度，所述至少一個(gè)液體噴灑出口(270A，570A)在所述初始冷卻區(qū)域上游和/或沿著該初始冷卻區(qū)域安裝在所述排氣通路(268，368，568)中，并且由所述至少一個(gè)液體噴灑出口(270A，570A)噴灑的至少一些液體被輸送至所述初始冷卻區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的排氣冷卻器(60，260，360)，其特征在于，所述至少一個(gè)液體噴灑出口(270A，570A)中的至少一者構(gòu)造成用于將液體噴灑到所述冷卻表面(573)上。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的排氣冷卻器(60,260, 360),其特征在于，所述排氣冷卻器還包括液體噴射控制單元(371)，該液體噴射控制單元構(gòu)造成用于以連續(xù)的和/或不連續(xù)的操作模式對(duì)所述液體噴射系統(tǒng)(270，370，570)的操作進(jìn)行調(diào)節(jié)，和/或根據(jù)控制參數(shù)對(duì)由所述液體噴射系統(tǒng)(270，370，570)噴射的液體的量進(jìn)行調(diào)節(jié)，所述控制參數(shù)選自包括燃料類型、燃料的硫含量、空氣-燃料比、時(shí)間間隔、在整個(gè)所述排氣冷卻器(60，260,360)上的壓降、時(shí)間間隔、通過(guò)所述排氣冷卻器出0，260，360)的體積流量、所述排氣冷卻器出0，260，360)上游的壓力、所述排氣冷卻器出0，260，360)下游的壓力的參數(shù)組。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的排氣冷卻器(60，260，360)，其特征在于，所述至少一個(gè)液體噴灑出口(270A，570A)構(gòu)造成用于在一溫度下和/或以一液滴尺寸供給液體使得所述液體以液相被輸送至所述初始冷卻區(qū)域和/或所述凝結(jié)開始區(qū)域，和/或 所述液體噴射控制單元(371)構(gòu)造成用于調(diào)節(jié)所述液體的流速和/或所述液體的溫度。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的排氣冷卻器(60,260,360),其特征在于,所述液體噴射系統(tǒng)(270，370，570)還包括至少一個(gè)其它液體噴灑出口(270B)，該至少一個(gè)其它液體噴灑出口定位在所述至少一個(gè)液體噴灑出口(270A，570A)上游，并且構(gòu)造成用于在所述內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(10)運(yùn)行期間將液體噴灑到所述排氣通路(268，368，568)中用以將顆粒物質(zhì)從所述排氣中去除。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的排氣冷卻器(60,260, 360),其特征在于,所述冷卻單元(272，372，572)構(gòu)造為帶翅片管束，所述冷卻表面(573)由至少一個(gè)冷卻管(573A)和分隔且對(duì)置的多個(gè)翅片(573B)構(gòu)成。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的排氣冷卻器(60，260，360)，其特征在于，所述排氣冷卻器還包括安裝在所述排氣通路(268，368，568)中位于所述冷卻單元(272，372，572)下游的夾帶物分離器(274，374)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的排氣冷卻器(60,260, 360),其特征在于,所述露點(diǎn)是所述排氣中的汽化的水和/或硫酸的露點(diǎn)。
10.一種閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)(361)，包括: 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的排氣冷卻器出0，260，360)； 至少一個(gè)液體收集部分(276，376)，其以安裝取向定位在所述液體噴射系統(tǒng)(270，370，570)、所述冷卻單元(272，372，572)和/或所述夾帶物分離器(274，374)下方；和 清潔器(378)，該清潔器在所述至少一個(gè)液體收集部分(276，376)與所述液體噴射系統(tǒng)(270，370，570)之間并與二者流體地相互連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)(361)，其特征在于，所述閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)還包括: 用于將冷卻劑供給至所述冷卻單元(272，372，572)的冷卻回路(380);和 冷卻回路控制單元(382)， 其中，所述冷卻回路控制單元(382)構(gòu)造成用于設(shè)定冷卻劑溫度和/或冷卻劑流速，使得通過(guò)所述冷卻單元(272，372，572)的排氣被冷卻至至少140°C、100°C、80°C、50°C、45°C、40°C或 35°C，和 / 或 其中所述冷卻回路控制單元(382)構(gòu)造成用于設(shè)定所述冷卻劑溫度和/或冷卻劑流速，使得通過(guò)所述冷卻單元的排氣被冷卻至所述排氣中的汽化液體的露點(diǎn)的范圍內(nèi)的溫度或低于該露點(diǎn)的溫度，所述汽化液體諸如是硫酸和/或水。
12.一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(10),包括: 具有一個(gè)或多個(gè)氣缸和相關(guān)聯(lián)的燃燒室(14)的燃燒單元(12);和 排氣再循環(huán)系統(tǒng)(30)，該排氣再循環(huán)系統(tǒng)具有根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的排氣冷卻器(60,260,360)和/或根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的閉環(huán)排氣冷卻系統(tǒng)(361)。
13.一種用于減少排氣冷卻器(60，260，360)的冷卻單元(272，372，572)的阻塞的方法，所述冷卻單元(272，372，572)具有冷卻表面(573)，所述方法包括: 藉由所述冷卻表面(573)將排氣流中的排氣冷卻到所述排氣中的汽化液體的露點(diǎn)的范圍內(nèi)，所述汽化液體諸如是硫酸和/或水； 同時(shí)，將液體供給到所述排氣流中，使得所述冷卻表面(573)保持清潔和/或通過(guò)所述液體與所述冷卻表面(573)的相互作用而被清潔。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述液體以液相噴灑到所述冷卻單元(272，372，572)的冷卻表面(573)的凝結(jié)開始區(qū)域上。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 收集包含顆粒物質(zhì)的被供給液體；清潔所述液體；以及使經(jīng)清潔的液體返回以供給到所述排氣流中。
【文檔編號(hào)】F23J15/02GK104271906SQ201380008959
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月10日
【發(fā)明者】D·克勞斯, J·德雷維斯, M·斯圖爾姆, C·里克特, U·施萊默-克琳 申請(qǐng)人:Hx控股有限公司, 卡特彼勒發(fā)動(dòng)機(jī)有限及兩合公司