ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С РАБОТАЮЩИМ НА РЕЦИРКУЛИРУЕМЫХ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ОХЛАДИТЕЛЕМ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH COOLER RUNNING ON RECIRCULATED WASTE GASES

Изобретение касается способа для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, а также двигателя внутреннего сгорания с камерой сгорания и системой для отработавших газов, в которую могут направляться выходящие из камеры сгорания отработавшие газы (ОГ). Система для отработавших газов оснащена системой рециркуляции ОГ, т.е. системой для возврата ОГ в камеру сгорания, с помощью которой ОГ по меньшей мере частично могут возвращаться в подвод воздуха для горения для обеспечения камеры сгорания всасываемым воздухом, причем в системе рециркуляции ОГ предусмотрен теплообменный блок, с помощью которого из энергии ОГ извлекается тепловая энергия.
Широко известны двигатели внутреннего сгорания, системы для ОГ которых оснащены системами рециркуляции ОГ, с помощью которых ОГ, которые выходят из камеры сгорания, вновь подаются к всасываемому воздуху. Такого рода системы для ОГ с рециркуляцией ОГ известны, в частности, для автомобилей. С помощью системы рециркуляции ОГ выходящие из двигателя внутреннего сгорания ОГ через соответствующие трубопроводы подаются по меньшей мере частично к воздуху для горения, в результате чего достигается повышение энтальпии воздуха для горения.
В автомобильной технике известны, прежде всего, системы для рециркуляции ОГ для двигателей внутреннего сгорания с наддувом, в которых по причинам износа и загрязнения отработавшие газы отбираются между двигателем и турбиной и направляются через отдельный теплообменник рециркуляции ОГ. Поток охлажденных ОГ с целью охлаждения всасываемого воздуха подается ниже по потоку от охладителя наддувочного воздуха к воздуху для горения.
В этой связи из EP 1843033 A2 известна установка для отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, которая оснащена соответствующей системой рециркуляции отработавших газов. В системе рециркуляции отработавших газов предусмотрен теплообменный узел, так называемый РОГ-охладитель, работающий на рециркулируемых отработавших газах охладитель, с помощью которого из отработавших газов извлекается тепло и подводится к системе последующей обработки выхлопных газов. При этом теплообменный узел на стороне отработавших газов выполнен таким образом, что пульсации давления отработавших газов, которые присутствуют в отработавших газах после выхода из по меньшей мере одной камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, продолжаются при прохождении через теплообменный узел, так что реализуется впрыскивание рециркулируемых отработавших газов в воздух для сгорания с помощью предохранительного клапана.
Для выполнения постоянно ужесточающихся требований к параметрам отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, в частности двигателей внутреннего сгорания автомобилей, исходя из известного уровня техники, задачей изобретения является улучшение использования тепла, содержащегося в отработавших газах (ОГ). В частности, при этом находящаяся в автомобиле традиционная система охлаждения (водяное охлаждение) не должна подвергаться дополнительным охлаждающим нагрузкам. Кроме того, с помощью изобретения должна гарантироваться оптимизация конфигурации установки, прежде всего в отношении наличия системы последующей обработки ОГ с термической регенерацией. Предназначенные для этого компоненты должны в соответствии с этим относительно просто соединяться с традиционным двигателем внутреннего сгорания или интегрироваться в соответствующую концепцию двигателя.
Положенная в основу изобретения задача решается с помощью двигателя внутреннего сгорания по пункту 1, а также способа по пункту 17. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов и поясняются ниже более подробно в описании со ссылкой на чертежи.
В соответствии с изобретением двигатель внутреннего сгорания с камерой сгорания и системой для ОГ, в которую направляются выходящие из камеры сгорания отработавшие газы и которая оснащена системой рециркуляции отработавших газов (РОГ-система), с помощью которой отработавшие газы (10) по меньше мере частично возвращаются в подвод воздуха для горения для снабжения камеры сгорания воздухом для горения, причем в РОГ-системе предусмотрен теплообменный узел, с помощью которого из ОГ может извлекаться тепловая энергия, усовершенствован таким образом, что предусмотрен блок компрессора, с помощью которого забираемый из окружающей среды всасываемый воздух сжимается, и сжатый всасываемый воздух в обход камеры сгорания сначала направляется через предусмотренный в РОГ-системе теплообменный узел.
Таким образом, в соответствии с изобретением внутри РОГ-системы предусмотрен теплообменный узел, в котором выделенное из ОГ тепло может передаваться в воздушный поток. Воздушный поток, предпочтительно в качестве частичного воздушного потока, извлекается из всасываемого воздуха и с помощью обычного, выполненного в форме крыльчатки вентилятора блока компрессора направляется через теплообменный узел и затем в находящуюся снаружи РОГ-системы область системы для ОГ без непосредственного ввода в тракт отработавших газов. В качестве альтернативы представляется возможным забирать воздух, необходимый для предусмотренного в РОГ-системе теплообменника «воздух/отработавшие газы», непосредственно из окружающей атмосферы и транспортировать его отдельно от воздуха для горения, необходимого для горения.
С помощью этого технического решения прежде всего обеспечивается то, что с помощью охлаждаемого воздухом теплообменника в РОГ-системе тепло может отводиться, не нагружая основную систему охлаждения автомобиля. В соответствии с этим сжатый и нагретый теплообменным узлом в РОГ-системе поток всасываемого воздуха используется для нагрева отработавших газов, направляемых в системе для ОГ снаружи РОГ-системы, предпочтительно до момента их входа в систему последующей обработки отработавших газов, или для изоляции соответствующей области системы для ОГ по меньшей мере таким образом, что предотвращается слишком сильное охлаждение ОГ перед достижением системы последующей обработки ОГ. При этом важно то, что сжатый и нагретый поток всасываемого воздуха не проводится через систему последующей обработки ОГ. В этой связи изолирование может быть достигнуто за счет того, что выходящий из охлаждаемого воздухом теплообменного узла нагретый воздух направляется в системе «труба в трубе» снаружи вдоль трубы для ОГ.
Альтернативно выходящий из охлаждаемого воздухом теплообменного узла воздух отдается непосредственно в окружающую среду или в направлении потока ОГ после системы последующей обработки ОГ вводится в систему для ОГ. В названном последнем случае введение нагретого в области РОГ-системы всасывающего воздуха в глушитель выхлопных газов представляет собой предпочтительный вариант осуществления.
С использованием описанного технического решения с помощью дополнительного блока компрессора и теплообменного узла в РОГ-системе достигается охлаждение ОГ, находящихся в РОГ-системе, без необходимости учета при выборе параметров блока компрессора потерь потока, вызванных также компонентами системы последующей обработки ОГ, например, катализаторами и/или приспособлениями для осаждения частиц. Таким образом используется содержащееся в сжатом и нагретом всасывающем воздухе тепло, и в завершение воздушный поток при обходе по потоку системы последующей обработки ОГ выводится в окружающую среду.
Особенно предпочтительно усовершенствование изобретения предусматривает, что регулирование блока компрессора осуществляется независимо от регулирования прочих охлаждающих контуров. Блок компрессора, с помощью которого поток охлаждающего воздуха может направляться через предусмотренный в РОГ-системе теплообменный узел, может эксплуатироваться, в частности, дополнительно и отдельно от остальных вентиляторов, которые эксплуатируются, например, в совокупности с теплообменными узлами, например, главным охладителем охлаждающей среды, который при необходимости содержит высокотемпературную и низкотемпературную часть, охладителем наддувочного воздуха или конденсатором системы кондиционирования. Блок компрессора сжимает по меньшей мере частичный поток всасываемого всасывающей установкой воздуха и подается в обход камеры сгорания к теплообменному узлу в РОГ-систему. Таким образом, из ОГ в РОГ-системе с помощью описанного, охлаждаемого воздухом теплообменного узла может извлекаться тепло без создания нагрузки на прочие, предусмотренные в автомобиле охлаждающие контуры.
Через предусмотренный в РОГ-системе теплообменный узел на стороне отработавших газов проходит по меньшей мере один частичный поток ОГ, выходящих из по меньшей мере одной камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания. При этом внутри теплообменного узла поток ОГ охлаждается, в то время как поток всасываемого воздуха принимает соответствующее количество тепла, за вычетом обусловленных спецификой теплообмена потерь. Охлажденный поток ОГ или частичный поток ОГ предпочтительным образом через предохранительный клапан вновь подводится к подводу воздуха горения.
Само собой разумеется, соответствующее изобретению техническое решение, в котором внутри РОГ-системы происходит теплообмен между выходящими из камеры сгорания ОГ и всасывающим воздухом, может сопрягаться с известными системами для наддува двигателя внутреннего сгорания, а также для использования отходящего тепла отработавших газов. Так, например, с одной стороны представляется возможным комбинирование описанной системы с двухступенчатым устройством наддува, в котором в подводе воздуха для горения как после первой, так и после второй ступени компрессора расположено по одному теплообменному узлу для охлаждения воздуха для горения или воздуха наддува.
С другой стороны, предпочтительным образом можно предусмотреть параллельно или последовательно включенные первый и второй теплообменные узлы внутри РОГ-системы, причем в первом теплообменном узле, как уже описывалось, происходит теплообмен между ОГ и сжатым всасываемым воздухом, а во втором теплообменном узле - между ОГ и другой теплообменной средой. Другая теплообменная среда служит в этом случае предпочтительным образом для предоставления извлеченного тепла другим компонентам, в частности, системе использования отходящего тепла в автомобиле. Через оба предусмотренных в РОГ-системе теплообменных узла предпочтительно параллельно проходит по одному частичному потоку ОГ.
В случае совершенно специфичного варианта осуществления изобретения РОГ-система, подключенная после двигателя внутреннего сгорания системы для ОГ, оснащена двумя параллельно включенными теплообменными узлами, из которых первый, термически подключенный к сжатому всасываемому воздуху, выполнен меньшим, чем второй теплообменный узел. Через второй теплообменный узел, охлаждающая способность которого больше, чем у первого узла, предпочтительно на обращенной от ОГ стороне проходит жидкая или по меньшей мере частично парообразная теплообменная среда. С помощью этой среды извлеченное из ОГ тепло может, например, предоставляться в распоряжение системы дополнительной обработки ОГ.
«Меньший» означает в этой связи, что объемный поток воздуха и тепла, проходящих в целом через РОГ-систему, распределяется неравномерно по обоим теплообменным узлам в РОГ-системе, причем меньший из обоих объемных потоков направляется в теплообменный узел, термически связанный со всасывающим воздухом. Предпочтительным образом оба теплообменных узла выполнены таким образом, что проходящие через РОГ-систему отработавшие газы или частичные потоки ОГ охлаждаются или охлаждаются до температуры около 170°C, прежде чем охлажденные ОГ вновь войдут в подвод воздуха для горения.
В случае другого специального варианта осуществления изобретения сжатый, нагретый в охлаждаемом воздухом теплообменном узле РОГ-системы воздух подводится к другому теплообменному узлу. В этой связи специальное усовершенствование изобретения предусматривает, что в случае другого теплообменного узла речь идет об интегрированном в охлаждающую систему двигателя теплообменнике. Таким образом, обеспечивается возможность сравнительно несложной разгрузки охлаждающей системы двигателя. При такого рода техническом решении представляется возможным использование всасывающего из окружающей среды и по меньшей мере частично сжатого воздуха с целью отвода тепла, образующегося в конденсаторе охлаждающей системы двигателя. Представляется возможной также комбинация такого рода охлаждаемого воздухом теплообменного узла с охлаждающей системой двигателя, имеющей по меньшей мере один низкотемпературный контур циркуляции и один высокотемпературный контур.
Тепло, которое извлекается из потока ОГ внутри РОГ-системы теплообменным узлом, через который проходит частичный поток всасываемого воздуха, и передается во всасываемый воздух, вводится в систему для ОГ предпочтительно таким образом, что тепло может быть использовано в системе последующей обработки ОГ. С помощью предусмотренного теплообменного узла предпочтительным образом по меньшей мере часть всасываемого воздуха нагревается и вводится в систему ОГ таким образом, что тепло передается в компоненты системы последующей обработки ОГ. Предпочтительным образом использование тепла происходит в системе последующей обработки ОГ с нагревом катализаторов, сепараторов и/или фильтров и, в частности, с использованием извлеченного из ОГ с помощью теплообмена в сжатый частичный поток воздуха тепла для термической регенерации устройства для отделения частиц. В одном предпочтительном варианте осуществления в случае устройства для отделения частиц речь может идти также о фильтре частиц.
В связи с использованием извлеченного из потока ОГ в РОГ-системе тепла для термической регенерации устройства для отделения частиц и/или фильтра частиц особенно пригодным является исполнение блока компрессора, который включен перед теплообменным узлом на стороне всасывающего воздуха, таким образом, что обусловленное этим блоком компрессора повышение давления всасываемого воздуха компенсирует потерю давления вследствие термической регенерации. За счет наличия дополнительного теплообменного узла в РОГ-системе, который не связан с традиционной охлаждающей системой, предпочтительным образом достигается возможность повышения температуры в области системы последующей обработки ОГ, чтобы увеличить интервалы, в которых необходима регенерация устройства для отделения частиц. Это, в свою очередь, повышает эффективность системы последующей обработки ОГ, так как на протяжении всего времени работы системы происходит уменьшение потерь давления. Более того, описанный теплообменный узел обеспечивает то,  что из ОГ извлекается тепло, которое не должно отводиться через главную охлаждающую систему, в частности охлаждающую систему автомобиля. Это означает, прежде всего, разгрузку применительно к нагрузкам охлаждения традиционно предусмотренных водяных охладителей.
Таким же образом представляется возможным использование нагретого в РОГ-системе воздуха для изолирования трубопровода в области системы последующей обработки ОГ. Нагретый воздух проходит при этом во внешнюю трубу, которая расположена вокруг самой выхлопной трубы. Альтернативно воздух, нагретый внутри предусмотренного в РОГ-системе теплообменного узла, может выводиться непосредственно в окружающую среду или вводиться в область глушителя шума отработавших газов в систему для ОГ.
В одном варианте осуществления изобретения узел компрессора, расположенный перед теплообменным узлом, через который проходит всасываемый воздух, интегрируется во всасывающую установку для обеспечения двигателя внутреннего сгорания воздухом для горения. При этом предпочтительно предусмотрена регулировочная арматура, которая разделяет сжатый поток всасываемого воздуха на первый и второй потоки всасываемого воздуха. Из этих сжатых частичных потоков в зависимости от эксплуатационного состояния один частичный поток подводится к предусмотренному в РОГ-системе теплообменному узлу, в то время как второй частичный поток всасываемого воздуха вводится в подвод воздуха для горения двигателя внутреннего сгорания. В этой взаимосвязи функция блока компрессора заключается, во-первых, в том, что он в течение фазы запуска служит в качестве ускоряющего вспомогательного средства для двигателя внутреннего сгорания, так как в ходе такта всасывания двигателя внутреннего сгорания в распоряжение предоставляется дополнительный воздух и, во-вторых, что с помощью этого дополнительно предоставленного воздуха даже в случае торможения достигается более высокая тормозная мощность тормоза двигателя.
Наряду с двигателем внутреннего сгорания с соответствующей РОГ-системой системы для ОГ изобретение касается также способа эксплуатации соответствующего двигателя внутреннего сгорания. Соответствующий изобретению способ, в котором выходящие из камеры сгорания отработавшие газы направляются в систему для ОГ, по меньшей мере частичный поток выхлопных газов через РОГ-систему возвращается в подвод воздуха для горения, который (подвод) предусмотрен для снабжения камеры сгорания всасываемым воздухом, и в котором в РОГ-системе предусмотрен теплообменный узел, с помощью которого из отработавших газов извлекается тепловая энергия, характеризуется тем, что из всасываемого воздуха забирают один частичный поток воздуха и сжимают его, и в завершение направляют через предусмотренный в РОГ-системе теплообменный узел. После прохождения через теплообменный узел в РОГ-системе сжатый и теперь нагретый всасываемый воздух направляется в окружающую среду или выборочно до или после системы последующей обработки ОГ направляется в систему для ОГ.
В одном варианте осуществления изобретения сжатый всасываемый воздух с помощью регулирующего элемента разделяется на два частичных потока, которые выборочно подводятся к охлаждаемому воздухом теплообменному узлу в РОГ-системе и/или к подводу воздуха для горения двигателя внутреннего сгорания.
В одном специальном варианте осуществления изобретения способ характеризуется тем, что сжатый частичный поток воздуха в течение промежутка времени от 0 до 5 с, предпочтительно от 1 до 2 с, после эксплуатационного запуска двигателя внутреннего сгорания вводится исключительно в подвод воздуха для горения. За счет этого кратковременного вдувания дополнительного сжатого воздуха в подвод воздуха для горения предпочтительным образом обеспечивается ускорение во время фазы запуска двигателя внутреннего сгорания. После завершения этой фазы запуска, то есть приблизительно через пять секунд, предпочтительно через две секунды, после эксплуатационного запуска сжатый воздух не подводится более к подводу воздуха для горения, а наоборот, подводится к расположенному в РОГ-системе двигателя внутреннего сгорания теплообменному узлу, там нагревается и в завершение вводится в систему для ОГ, чтобы сделать там полезным тепло, отобранное из отработавших газов.
Следующий вариант соответствующего изобретению способа предусматривает, что направляемый через предусмотренный в РОГ-системе теплообменный узел, сжатый и нагретый частичный поток воздуха подводится по меньшей мере к одному компоненту установки системы для последующей обработки отработавших газов. Предпочтительным образом предоставленное в распоряжение системе последующей обработки ОГ тепло используется для термической регенерации устройства для отделения частиц и/или фильтра частиц.
Описанный выше способ особенно пригоден в том случае, если в по меньшей мере одном следующем месте РОГ-системы из отработавших газов дополнительно извлекается тепло.
В описанном теплообменном узле или описанном способе, в котором из всасываемого воздуха извлекается частичный поток воздуха, этот частичный поток воздуха сжимается и, наконец, нагревается в теплообменном узле в РОГ-системе с помощью тепла, которое извлекается из отработавших газов, и особенно пригоден для комбинирования или интегрирования в системы, которые уже содержат теплообменный узел в РОГ-системе.
Далее изобретение поясняется более подробно со ссылкой на чертеж, но без ограничения идеи изобретения.
Фигура показывает термодинамическую блок-схему, на которой схематически изображен двигатель внутреннего сгорания с двухступенчатым наддувом автомобиля с интегрированной РОГ-системой и системой последующей обработки отработавших газов. Такого рода система при подходящем расчете может отвечать требованиям нормы “Euro6” по предписанным параметрам выхлопных газов.
Из окружающей среды забирается всасываемый воздух и подводится к блоку 1 компрессора низкого давления (НД), промежуточному охладителю 2, а также блоку 3 компрессора высокого давления (ВД) и главному охладителю воздуха наддува, прежде чем он войдет во впускной коллектор 5 подвода воздуха для горения двигателя внутреннего сгорания. За счет наличия сопла 6 Вентури скорость потока всасываемого воздуха значительно повышается, прежде чем он поступит в область впускного коллектора 5.
Как можно заключить из схематического изображения, из всасывающего воздуха еще до блока 1 компрессора низкого давления забирается частичный поток воздуха, который, в свою очередь, подводится к блоку 7 компрессора. После блока 7 компрессора ниже по потоку включена выполненная в форме заслонки регулирующая арматура 8, так что в этом месте забранный из всасываемого воздуха частичный поток может вновь разделяться.
На первой эксплуатационной фазе, которая совпадает с рабочим запуском двигателя внутреннего сгорания и длится до двух секунд, из всасываемого воздуха забирается частичный поток воздуха, сжимается с помощью блока 7 компрессора и регулирующая арматура 8 переключается таким образом, что этот сжатый частичный поток воздуха поступает во впускной коллектор 5 дополнительно к остальному всасываемому воздуху. Таким образом, в распоряжение камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания предоставляется дополнительно сжатый воздух. Таким образом, на фазе запуска двигателя внутреннего сгорания реализуется дополнительное средство ускорения.
После завершения фазы запуска двигателя внутреннего сгорания производится переключение регулирующей арматуры 8, так что забранный из всасываемого воздуха частичный поток воздуха сжимается с помощью узла 7 компрессора и вводится в первый теплообменный узел 9, который расположен внутри РОГ-системы двигателя внутреннего сгорания. В первом теплообменном узле 9 осуществляется теплообмен между выходящими из двигателя внутреннего сгорания отработавшими газами или потоком 10 отработавших газов и сжатым частичным потоком 11 всасываемого воздуха 12. При этом ОГ охлаждаются, а частичный поток 11 воздуха нагревается. Нагретый частичный поток 11 воздуха в завершение подводится к системе 13 последующей обработки ОГ. За счет введения таким образом нагретого воздушного потока в систему 13 последующей обработки ОГ в этом месте происходит нагревание соответствующих компонентов системы последующей обработки ОГ. За счет этого дополнительного нагрева уровень температуры, в частности, в устройстве для отделения частицы внутри системы 13 последующей обработки ОГ, может поддерживаться на сравнительно высоком уровне. Это повышение уровня температуры обуславливает, в свою очередь, что необходимые для термической регенерации интервалы могут удлиняться по сравнению с традиционными системами.
Изображенная на чертеже система характеризуется тем, что частичный поток 10 отработавших газов, забираемый из отработавшего газа, охлаждается в РОГ-системе с помощью двух теплообменных узлов от температуры приблизительно 600°C до температуры приблизительно 170°C. При этом оба предусмотренных в РОГ-системе теплообменных узла 9, 14 включены параллельно по потоку. Забранное с помощью первого теплообменного блока 9 из потока 10 отработавших газов тепло, как было описано выше, передается к сжатому частичному потоку 11 всасываемого воздуха. Во втором теплообменном блоке 14 отработавшие газы, напротив, охлаждаются и происходит нагревание другой теплообменной среды, в случае которой речь идет предпочтительно о смеси воды с гликолем. Охлажденные потоки отработавших газов, которые выходят из обоих теплообменных узлов 9, 14 РОГ-системы, сводятся воедино и между блоком 3 компрессора высокого давления и главным охладителем 4 воздуха наддува вновь подводятся к подаче воздуха для горения.
Наличие теплообменного блока 9 внутри РОГ-системы, который не связан с обычно предусмотренной в автомобиле охлаждающей системой, обеспечивает, с одной стороны, отвод и использование тепла из отработавших газов без нагружения обычных охлаждающих систем и, с другой стороны, за счет комбинирования с дополнительным блоком 7 компрессора (толкателем) предоставляет в распоряжение дополнительное вспомогательное средство ускорения для процесса запуска двигателя внутреннего сгорания.
Перечень ссылочных обозначений
1 Компрессор низкого давления
2 Промежуточный охладитель
3 Компрессор высокого давления
4 Главный охладитель воздуха наддува
5 Впускной коллектор подвода воздуха для горения
6 Сопло
7 Блок компрессора
8 Регулирующая арматура
9 Теплообменный узел, через который протекает всасываемый воздух
10 Отработавшие (ОГ) газы
11 Сжатый частичный поток всасываемого воздуха
12 Всасываемый воздух
13 Система последующей обработки отработавших газов
14 Второй теплообменный узел