УСТРОЙСТВО РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ АВТОМОБИЛЯ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТРОЙСТВА РЕЦИРКУЛЯЦИИ ОТРАБОТАВШЕГО ГАЗА
WASTE GAS RECIRCULATION DEVICE FOR MOTOR VEHICLE INTERNAL COMBUSTION ENGINE AS WELL AS WASTE GAS RECIRCULATION DEVICE OPERATION METHOD

Изобретение относится к устройству рециркуляции отработавшего газа для двигателя внутреннего сгорания автомобиля согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения, а также к способу эксплуатации устройства рециркуляции отработавшего газа согласно ограничительной части п. 11 формулы изобретения.
В случае таких устройств рециркуляции или возврата отработавших газов, в частности, при применении топлива, содержащего большие количества серы, существует проблема, состоящая в том, что при низком спектре нагрузок двигателя внутреннего сгорания в воздухораспределительном трубопроводе может образовываться конденсат. Этот конденсат в сочетании с частицами серы в процессе рециркуляции отработавших газов может реагировать с образованием серной кислоты и тем самым способствовать сильному износу в области отверстий для цилиндров головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Во избежание этого из US 6367256 В1 уже известна конструкция устройства рециркуляции отработавшего газа, в которой от выпускного трубопровода для отработавшего газа ответвляется первый трубопровод рециркуляции отработавшего газа, который через охладитель отработавшего газа направлен обратно к стороне воздуха в ДВС. Далее, там предусмотрен второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа в виде байпаса, посредством которого можно обойти охладитель отработавшего газа, так что отработавший газ также без охлаждения может направляться обратно к стороне воздуха двигателя внутреннего сгорания. Первый трубопровод рециркуляции отработавшего газа и второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа, образующий байпас, сводятся выше по потоку места примешивания воздуха, в котором воздух, направленный к стороне воздуха двигателя внутреннего сгорания посредством воздушного трубопровода, смешивается с возвращенным отработавшим газом. Выше по потоку от места примешивания воздуха здесь предусмотрено несколько ловушек для конденсата, посредством которых могут отделяться капли конденсата, содержащиеся в сведенном возвращаемом потоке отработавшего газа. Другая ловушка для конденсата предусмотрена еще также ниже по потоку места примешивания воздуха в воздушном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания. В общем, при этом речь идет о конструкции, которая является относительно объемной, так что эта конструкция устройства рециркуляции отработавшего газа в сочетании с двигателем внутреннего сгорания занимает относительно много места.
Аналогичная конструкция известна также из DE 19680305 С2.
В противоположность этому задачей настоящего изобретения является создание устройства рециркуляции отработавшего газа для двигателя внутреннего сгорания автомобиля, которое является конструктивно компактным и может изготовляться технологически просто и с помощью которого может надежно предотвращаться конденсация в устройстве рециркуляции отработавшего газа, в частности, при применении топлива, содержащего большие количества серы. Далее, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить в распоряжение способ эксплуатации устройства рециркуляции отработавшего газа для двигателя внутреннего сгорания автомобиля, с помощью которого может надежно снижаться, соответственно, при определенных условиях даже исключаться образование конденсата.
Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные улучшенные варианты их выполнения являются соответственно предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно п. 1 формулы изобретения предусмотрено устройство рециркуляции отработавшего газа для двигателя внутреннего сгорания автомобиля, которое имеет первый трубопровод рециркуляции отработавшего газа, который отходит от стороны отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания, выполнен с возможностью блокирования с помощью первого блокирующего устройства и который через охладитель отработавшего газа направляется обратно к стороне воздуха двигателя внутреннего сгорания. Это устройство рециркуляции отработавшего газа имеет, далее, в качестве второго трубопровода рециркуляции отработавшего газа байпас, огибающий охладитель отработавшего газа и выполненный с возможностью блокирования с помощью второго блокирующего устройства и с помощью которого отработавший газ может возвращаться без охлаждения к стороне воздуха двигателя внутреннего сгорания, причем первый трубопровод рециркуляции отработавшего газа и второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа, образующий байпас, сведены вместе выше по потоку места примешивания воздуха, в котором воздух, направленный посредством воздушного трубопровода к стороне воздуха двигателя внутреннего сгорания, может смешиваться с рециркулируемым отработавшим газом. Далее, устройство рециркуляции отработавшего газа включает в себя управляющее и/или регулирующее устройство или устройство рециркуляции отработавшего газа связано с таким управляющим и регулирующим устройством, с помощью которого количество рециркулируемого отработавшего газа может управляться и/или регулироваться путем управления первым и/или вторым блокирующим устройством в зависимости от предварительно заданных параметров рециркуляции отработавшего газа. Согласно изобретению предусмотрено, что первый трубопровод рециркуляции отработавших газов и второй трубопровод рециркуляции отработавших газов с помощью отдельных трубопроводов ответвлены от стороны отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания, предпочтительно от выпускного коллектора и/или, если смотреть в продольном направлении выпускного коллектора, ответвлены от более или менее противолежащих первой и второй конечных областей выпускного коллектора, и, исходя оттуда, направлены соответственно на противолежащую сторону воздуха двигателя внутреннего сгорания, причем первый трубопровод рециркуляции отработавшего газа, более длинный по сравнению со вторым трубопроводом рециркуляции отработавшего газа, затем направлен вдоль двигателя внутреннего сгорания - в зависимости от направления взгляда вперед или назад - вплоть до расположенной со стороны воздуха области впадения второго трубопровода рециркуляции отработавшего газа, где первый и второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа сведены в области смешивания. Согласно предпочтительному варианту выполнения для этого конкретно первый и второй трубопроводы рециркуляции отработавшего газа в области и/или вдоль противолежащих торцевых сторон блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, имеющего предпочтительно несколько отверстий для цилиндров, могут быть направлены на сторону воздуха двигателя внутреннего сгорания.
С таким устройством рециркуляции отработавшего газа согласно изобретению, в общем, возможна компактная, занимающая небольшой объем конструктивного пространства конструкция двигателя внутреннего сгорания вместе с устройством рециркуляции отработавшего газа, которое пригодно также для стесненных монтажных ситуаций. Далее, такая конструкция имеет преимущество в том, что трубопровод рециркуляции отработавшего газа, направленный через охладитель отработавшего газа, образован значительно более длинным, чем более короткие второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа, соответственно, байпас, благодаря чему обеспечено, что отработавший газ, рециркулируемый в первом трубопроводе рециркуляции отработавшего газа, может иметь достаточное время пребывания в охладителе отработавшего газа, в то время как, с другой стороны, благодаря более короткому байпасу обеспечено, что отработавший газ, направляемый в нем, не охлаждается на более длинном участке пути, а в желательной мере горячий отработавший газ может быстро и надежно предоставляться в распоряжение, если он нужен. С такой конструкцией тем самым можно оптимально управлять температурой рециркулируемого отработавшего газа, а именно управлять таким образом, что не возникает никакого конденсата или возникает лишь в небольшом количестве и, таким образом, образование серной кислоты при применении топлив, содержащих, в частности, большие количества серы, предпочтительным образом снижается или при необходимости даже может совершенно исключаться.
Особенно предпочтительное управление охлаждением отработавшего газа, протекающего через первый трубопровод рециркуляции отработавшего газа, получается при конструкции, в которой охладитель отработавшего газа проходит по существу по всей длине двигателя внутреннего сгорания. Благодаря этому можно обеспечить достаточно длительное время пребывания охлаждаемого отработавшего газа в охладителе отработавшего газа или образуется достаточно большая поверхность теплообмена, что предпочтительным образом сказывается на эффективности охлаждения отработавшего газа. Особенно предпочтительной согласно другому предпочтительному варианту выполнения является конструкция, при которой область смешивания, т.е. область, в которой первый и второй трубопроводы рециркуляции отработавшего газа сведены вместе, образована - если смотреть в направлении продольной протяженности охладителя отработавшего газа - фланцевым штуцером, согласованным с расположенной с торцевой стороны областью корпуса охладителя отработавшего газа и там расположенного, в который впадает первый трубопровод рециркуляции отработавшего газа, проходящий через охладитель отработавшего газа, и к которому присоединен, далее, второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа посредством другого фланцевого соединения. Первый трубопровод рециркуляции отработавшего газа при этом, например, выполнен (переходит) из однородного материала и/или за одно целое с фланцевым штуцером или фланцевый штуцер является отдельной конструктивной деталью или в качестве такового соединен с первым трубопроводом рециркуляции отработавшего газа и/или с охладителем отработавшего газа, в частности, соединен с помощью геометрического замыкания, и/или силового замыкания, и/или замыкания материала.
При наличии такого фланцевого штуцера получается, во-первых, очень надежная в работе связь по потоку с первым трубопроводом рециркуляции отработавшего газа, причем такой фланцевый штуцер дает также возможность конструктивно простым способом, предпочтительно посредством фланцевого соединения, присоединить второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа при обеспечении надежного функционирования. С помощью такого фланцевого штуцера осуществляется, таким образом, конструктивно простой, а также технологически простой вариант выполнения области смешивания, в которой первый и второй трубопроводы рециркуляции отработавшего газа сведены вместе, так что в целом осуществляется также оптимальное смешивание потоков отработавшего газа, рециркулируемых при необходимости через оба эти трубопровода рециркуляции отработавшего газа.
В связи с этим, далее, особенно предпочтительно, если на фланцевом штуцере согласно другому предпочтительному варианту выполнения ниже по потоку области впадения первого и второго трубопроводов рециркуляции отработавшего газа образован присоединительный фланец воздушного трубопровода, к которому прифланцован собственно воздушный трубопровод. На самом фланцевом штуцере, затем, ниже по потоку присоединительного фланца воздушного трубопровода, а также ниже по потоку области впадения первого и второго трубопроводов рециркуляции отработавшего газа и, таким образом, по существу в области места примешивания воздуха, предусмотрен присоединительный фланец распределительного трубопровода, к которому прифланцован трубопровод воздухораспределителя двигателя внутреннего сгорания. С помощью такой конструкции получается дальнейшая существенная функциональная интеграция и упрощение конструктивных деталей, так как здесь затем фланцевый штуцер, образующий область смешивания и присоединения обоих трубопроводов рециркуляции отработавшего газа дальнейшим способом при интеграции функций одновременно образует также область присоединения для воздухораспределительного трубопровода. В целях создания особенно компактной конструкции в связи с этим является, далее, предпочтительным, если, как это имеет место согласно предпочтительному варианту выполнения, воздухораспределительный трубопровод прифланцован к торцевой фланцевой области на присоединительном фланце распределительного трубопровода и, исходя оттуда, проходит по существу по всей длине двигателя внутреннего сгорания.
Особенно компактная и не нуждающаяся в большом монтажном пространстве конструкция получается с формой выполнения, при которой охладитель отработавшего газа проходит по существу параллельно воздухораспределительному трубопроводу и/или при которой охладитель отработавшего газа соединен с воздухораспределительным трубопроводом. Это соединение охладителя отработавшего газа с воздухораспределительным трубопроводом может осуществляться различным способом, например, за одно целое или за счет выполнения из однородного материала. В качестве альтернативы этому может быть предусмотрено любое пригодное соединение с геометрическим замыканием или с силовым замыканием и/или с замыканием материала.
Согласно другому, особенно предпочтительному варианту выполнения предлагается, чтобы на воздухораспределительном трубопроводе был расположен по меньшей мере один температурный сенсор, связанный сигналом с управляющим и/или регулирующим устройством, который регистрирует фактическую температуру на воздухораспределительном трубопроводе. Управляющее и/или регулирующее устройство сравнивает затем фактическую температуру, полученную с помощью по меньшей мере одного температурного сенсора, с предварительно заданным номинальным значением температуры, в отношении которой речь идет, в частности, о номинальной температуре, отложенной в поле характеристик управляющего и/или регулирующего устройства и зависящей от нагрузки и/или от перемены нагрузки. В случае обнаруженного отклонения фактической температуры от номинальной температуры настраивают первое или второе блокирующее устройство или оба блокирующих устройства таким образом, чтобы через первый и/или второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа рециркулировалось количество отработавшего газа, устанавливающее номинальную температуру в воздухораспределительном трубопроводе. С помощью такого варианта выполнения, таким образом, становится возможным проведение способа или эксплуатация устройства рециркуляции отработавшего газа, посредством которого можно надежно предотвратить образование конденсата.
Далее, в воздушном трубопроводе выше по потоку места примешивания воздуха могут быть расположены компрессор, в частности, компрессор турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, и/или охладитель наддувочного воздуха, и/или воздушный фильтр, чтобы двигателю внутреннего сгорания предоставлять в распоряжение воздух с соответственно желательным качеством воздуха и/или температурой воздуха.
Изобретение в отношении способа решается с помощью признаков п. 11 формулы изобретения. Преимущества, получающиеся при этом, были уже ранее подробнее пояснены с оценкой преимуществ устройства рециркуляции отработавшего газа. В этом отношении ссылаемся на изложенное ранее.
Согласно особенно предпочтительному проведению способа предусмотрено, что управляющее и/или регулирующее устройство осуществляют управление и/или регулирование количества отработавшего газа, рециркулируемого через первый и/или второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа таким образом, что отработавший газ в области, находящейся после охладителя газа, имеет температуру между 100°С и 200°С и/или номинальная температура в воздухораспределительном трубопроводе составляет 80°С-100°С и/или поток отработавшего газа, рециркулируемый вторым трубопроводом рециркуляции отработавшего газа, имеет температуру между по меньшей мере 300°С и максимально 700°С и/или наддувочный воздух, охлажденный с помощью охладителя наддувочного воздуха, имеет температуру 30-60°С. Как показали опыты, проведенные изобретателем, в частности, комбинация всех этих признаков, основанных на температуре, исключительным образом пригодны для того, чтобы исключить образование конденсата в области устройства рециркуляции отработавшего газа. В связи с этим оказалось особенно предпочтительным, если управляющее и/или регулирующее устройство позволяет рециркуляцию отработавшего газа только выше заданной температуры охлаждающего средства охладителя отработавшего газа, предпочтительно лишь выше температуры охлаждающего средства 60°.
Изобретение поясняется далее более подробно на основе чертежей.
Показывают
Фиг. 1 - схематический вид спереди в перспективе варианта выполнения устройства рециркуляции отработавшего газа согласно изобретению, представленного в качестве примера (в целях наглядности без блока цилиндров или двигателя внутреннего сгорания).
Фиг. 2 - схематический вид сзади в перспективе частичной области устройства рециркуляции отработавшего газа согласно фиг. 1 и
Фиг. 3 - схематическая принципиальная коммутационная схема устройства рециркуляции отработавшего газа вместе с блоком цилиндров.
Как видно из фиг. 1 - 3, первый трубопровод 4 рециркуляции отработавшего газа и второй трубопровод 7 рециркуляции отработавшего газа, образующий байпас для охладителя 5 отработавшего газа, ответвляются от первой и второй конечной области 10, 11 выпускного коллектора, противолежащих друг другу в продольном направлении x выпускного коллектора 3 двигателя 9 внутреннего сгорания, и, исходя оттуда, проходят вдоль противолежащих торцевых сторон 12, 13 имеющего здесь, например, шесть отверстий 14 для цилиндров блока 15 цилиндров двигателя 9 внутреннего сгорания соответственно на сторону 17 воздуха двигателя 9 внутреннего сгорания, противолежащую стороне 16 отработавшего газа. Как можно далее позаимствовать из фигур, первый трубопровод 4 рециркуляции отработавшего газа и второй трубопровод 7 рециркуляции отработавшего газа могут перекрываться соответственно посредством первого запорного клапана 2 и второго запорного клапана 6. Эти оба запорных клапана 2, 6 связаны посредством управляющего и/или регулирующего устройства 18, с помощью которого может управляться или регулироваться количество рециркулируемого (возвращаемого) отработавшего газа благодаря управлению первым и вторым запорным клапаном 2, 6 в зависимости от заданных параметров рециркуляции.
Как это видно далее из фиг. 1-3, первый трубопровод 4 рециркуляции отработавшего газа в этом случае выполнен с существенно большей длиной, чем противолежащий второй трубопровод 7 рециркуляции отработавшего газа, так как первый трубопровод 4 рециркуляции отработавшего газа проходит не только от стороны 16 отработавшего газа на сторону 17 воздуха блока 15 цилиндров, соответственно, двигателя 9 внутреннего сгорания, как это имеет место приблизительно в показанном здесь примере в отношении второго трубопровода 7 рециркуляции отработавшего газа, а первый трубопровод 4 рециркуляции отработавшего газа к тому же на стороне 17 воздуха двигателя 9 внутреннего сгорания в продольном направлении x проходит вдоль него вплоть до расположенной со стороны воздуха концевой области или области впадания второго трубопровода 7 рециркуляции отработавшего газа, где первый трубопровод 4 рециркуляции отработавшего газа и второй трубопровод 7 рециркуляции отработавшего газа затем переходят или впадают во фланцевый штуцер 19 (показанный на фиг. 1 и 2 пунктиром). Конкретная возможность формирования этого фланцевого штуцера 19 показана, в частности, на фиг. 1 и 2.
На своем пути к фланцевому штуцеру 19, представленному на фиг. 3 лишь символически с помощью точки смешивания, первый трубопровод 4 рециркуляции отработавшего газа проходит через уже упомянутый охладитель 5 для отработавшего газа, который в этом случае проходит по существу по всей длине двигателя 9 внутреннего сгорания, соответственно, блока 15 цилиндров и в котором отработавший газ может охлаждаться в заданной степени.
Как можно, в частности, понять из фиг. 1 и 2, второй трубопровод 7 рециркуляции отработавшего газа стабильно установлен и присоединен в виде байпаса, огибающего охладитель отработавшего газа, с помощью фланцевого соединения 20 к фланцевому штуцеру 19.
Охладитель 5 отработавшего газа эксплуатируется предпочтительно в качестве охладителя с полным потоком, что означает, что все охлаждающее средство протекает через охладитель 5 отработавшего газа.
Для того чтобы существенно более короткий по сравнению с первым трубопроводом 4 рециркуляции отработавшего газа байпас или второй трубопровод рециркуляции отработавшего газа направлял горячий отработавший газ, ответвленный в обход охладителя 5 отработавшего газа от выпускного коллектора 3, по возможности, без потерь температуры в область смешивания, образованную фланцевым штуцером 19, можно второй трубопровод 7 рециркуляции отработавшего газа снабдить дополнительно термической изоляцией, что, правда, здесь не показано.
Далее, на фланцевом штуцере 19 ниже по потоку областей впадения первого и второго трубопроводов 4, 7 рециркуляции отработавшего газа образован присоединительный фланец 21 воздушного трубопровода, к которому прифланцован воздушный трубопровод 22. Далее, на фланцевом штуцере 19 ниже по потоку области присоединительного фланца 21 воздушного трубопровода, а также ниже по потоку областей впадения первого и второго трубопроводов 4, 7 рециркуляции отработавшего газа и, таким образом, по существу в области места 23 примешивания воздуха фланцевого штуцера 19 предусмотрен присоединительный фланец 24 для распределительного трубопровода, к которому прифланцован воздухораспределительный трубопровод 8 двигателя 9 внутреннего сгорания.
Здесь следует упомянуть, что до этого места и ниже термин фланцевое соединение следует понимать в широком смысле, и он четко должен включать в себя также другие подходящие, соответственно, эквивалентные возможности присоединения.
Воздухораспределительный трубопровод 8 предпочтительно расположенной с торцевой стороны фланцевой области прифланцован к присоединительному фланцу 24 распределительного трубопровода и проходит, исходя от него, по существу, по всей длине двигателя 9 внутреннего сгорания, соответственно, блока 15 цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Как, в частности, можно видеть из фиг. 1 и 2, охладитель 5 отработавшего газа проходит по существу параллельно воздухораспределительному трубопроводу 8 и они оба могут быть соединены между собой, например, с помощью винтового соединения или т.п. Также возможно соединение обеих частей за счет однородности материалов и/или соединение за одно целое.
Как можно, в частности, позаимствовать из принципиального изображения фиг. 3, на воздухораспределительном трубопроводе 8 расположен температурный сенсор 25, который сигнально соединен с управляющим и/или регулирующим устройством 18 и с помощью которого может регистрироваться фактическая температура в воздухораспределительном трубопроводе 8. Эта фактическая температура с помощью управляющего, и/или регулирующего устройства сравнивается с отложенной в поле 26 характеристике управляющего, и/или регулирующего устройства 18, предпочтительно зависящей от нагрузки или от перемены нагрузки номинальной температурой. Независимо от рециркулируемого количества отработавшего газа, части отработавшего газа, возвращенные через первый и второй запорные клапаны 2, 6, управляются или регулируются благодаря управлению этими обоими запорными клапанами 2, 6 с помощью управляющего и/или регулирующего устройства 18 таким образом, что в воздухораспределительном трубопроводе 8 устанавливается желательная номинальная температура. Соотношение количеств отработавшего газа, направляемого через оба запорных клапана 2, 6, варьируется при этом между 0 и 100%, в зависимости от имеющихся эксплуатационных условий.
Расход через оба запорных клапана 2, 6 управляется преимущественно степенью их раскрытия. Для этого оба запорных клапана 2, 6 имеют, например, регистраторы пути, которые регистрируют степень раскрытия запорных клапанов 2, 6 с помощью управляющего и/или регулирующего устройства 18, и исполнительные элементы 27, 28 (ср. с фиг. 1 и 2), соответственно, управляющие элементы, с помощью которых управляющее и/или регулирующее устройство 18 управляет механизмом приведения в действие обоих запорных клапанов 2, 6, не показанным здесь в деталях. Управляющее и/или регулирующее устройство 18 через оба запорных клапана 2, 6 устанавливает здесь, таким образом, как общее количество рециркулируемого отработавшего газа, так и соотношение долей соответственно рециркулируемого отработавшего газа.
Как, в частности, уточняют фиг. 1 и 2, с помощью конструкции устройства 1 рециркуляции отработавшего газа согласно изобретению получается компактная и занимающая мало конструктивного пространства конструкция двигателя 9 внутреннего сгорания вместе с устройством 1 рециркуляции отработавшего газа, которая пригодна для стесненных монтажных ситуаций в отсеках двигателей автомобилей, в частности, автомобилей промышленного назначения, и с помощью которой к тому же простым образом может предотвращаться или по меньшей мере в значительной степени снижаться образование конденсата.
В изображениях фиг. 1-3 показан, далее, выпускной трубопровод 29 для отработавшего газа, отходящий от выпускного коллектора 3. Далее в изображении фиг. 1 схематически показан вход 30 для охлаждающей воды от головки цилиндров блока 15 цилиндров в охладитель 5 отработавшего газа. Далее, что, в частности, можно позаимствовать из фиг. 3, в воздушном трубопроводе 22 выше по потоку места 23 примешивания воздуха расположен компрессор 31, в частности, компрессор, не показанный здесь турбонагнетатель, работающий на отработавшем газе, и охладитель 32 наддувочного воздуха, а также воздушный фильтр 33.