排氣冷卻器的製造方法

2023-07-09 16:49:21 1

排氣冷卻器的製造方法
【專利摘要】具有冷卻單元(272)的排氣冷卻器(260)可以應用於例如利用低硫船用柴油運行的內燃發動機中的排氣再循環，所述排氣冷卻器使用液體噴射系統(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(270)可以在冷卻表面凝結開始區域的上遊或者沿著該凝結開始區域地將液體供給到排氣通路(268)中，藉此減少由顆粒物質和排氣中的諸如硫酸和/或水的汽化液體的凝結液體形成的膜和沉積物，否則所述沉積物會至少部分地堵塞所述排氣冷卻器(260)。
【專利說明】排氣冷卻器

【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及排氣冷卻器，更具體地涉及排氣再循環(EGR)管路中的排氣冷卻器。

【背景技術】
[0002]由於近來對環境增強的責任感以及當前和預期的排放法規，所以發動機製造商的目標是降低由內燃機產生的空氣汙染物的量。那些空氣汙染物可以包括顆粒物質(PM)、氮氧化物(NOx)和硫組分。
[0003]發動機製造商已經研發了多種用於減少空氣汙染物的生成和排放的方法。用於減少NOx的生成的廣為人知的技術是EGR。EGR可以通過使一部分排氣再循環回到燃燒過程中來完成。藉此，燃燒室中的溫度會降低，因而可以減少NOx的生成。為了將排氣引導至增壓空氣系統，可以在內燃發動機的排氣系統中的不同位置處分出EGR管路。
[0004]例如，所謂的高壓EGR可以具有設置在排氣渦輪上遊的進口。術語「高壓」由被抽取出的排氣的壓力比環境壓力大的事實而得。EGR管路的出口可以通入內燃發動機的增壓空氣系統中——例如，通入增壓空氣歧管中，或者位於增壓空氣歧管的上遊和增壓空氣冷卻器的下遊。
[0005]專利W02011/066871A1公開了高壓EGR管路的示例性實施例。EGR管路在排氣管路與進氣口之間並與這二者相互連通。高溫(HT)冷卻器、排氣壓縮機和低溫(LT)冷卻器設置在EGR管路中。被抽取出的排氣可以隨後在HT冷卻器中被冷卻、在排氣壓縮機中加壓並且在LT冷卻器中被進一步冷卻。
[0006]冷卻到例如位於「高壓」或「低壓」 EGR管路內的被抽取出的排氣中的汽化液體的露點之下或該露點的範圍內，會引起所述液體在凝結核周圍凝結。所述凝結核可以是PM或者排氣冷卻器的冷卻表面。因為LT冷卻器通常包括可以達到所述露點的凝結開始區域，所以尤其該凝結開始區域會受到影響。例如，含有PM和硫酸的形成沉積物可能沉積在冷卻表面上，並且可隨後在操作期間生長。所述沉積物(也被稱為積垢)可能在EGR系統和發動機上造成多種負面影響，諸如造成整個LT冷卻器上的增大的壓降、LT冷卻器的降低的冷卻效率，和/或由於腐蝕性硫酸的原因而腐蝕冷卻表面。
[0007]本發明旨在一至少部分地一改進或克服現有系統的一個或多個方面。


【發明內容】

[0008]根據本發明的一個方案，用於冷卻內燃發動機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口和排氣出口，形成在所述排氣進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，並可具有用於冷卻所述排氣的冷卻表面。所述冷卻表面可包括凝結開始區域，在該凝結開始區域中所述排氣可被冷卻至該排氣中的汽化液體的露點的範圍內的溫度。此外，所述排氣冷卻器可包括液體噴射系統，該液體噴射系統可包括可安裝在所述排氣通路中的至少一個液體噴灑出口，並且可構造成使得在所述內燃發動機的運行期間自所述至少一個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開始區域。
[0009]根據本發明的另一方案，一種閉環排氣冷卻系統可包括排氣冷卻器、至少一個液體收集部分和清潔器。所述至少一個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、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收集部分與所述液體噴射系統之間並與這二者流體地相互連通。
[0010]根據本發明的又一方案，一種內燃發動機可包括:燃燒單元，該燃燒單元具有一個或多個氣缸和相關聯的燃燒室；以及排氣再循環系統，該排氣再循環系統具有排氣冷卻器和/或閉環排氣冷卻系統。
[0011]根據本發明的又一方案，一種用於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的範圍內，所述汽化液體諸如是硫酸和/或水；同時，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/或通過液體與所述冷卻表面的相互作用而被清潔。
[0012]本發明的其它特徵和方案將從以下描述和所附附圖中顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1示出具有燃燒單元和EGR管路的內燃發動機的示意圖；
[0014]圖2示出排氣冷卻器的實施例的示意圖；
[0015]圖3示出閉環排氣冷卻系統的示意圖；
[0016]圖4示出包括表明分別通過圖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。

【具體實施方式】
[0019]以下是對本發明的示例性實施例的詳細描述。在本文中描述且在附圖中示出的示例性實施例旨在教導本發明的原理，以使本領域技術人員能夠在許多不同的環境中並針對許多不同的應用來實施和使用本發明。因此，不應認為所述示例性實施例是對本發明保護範圍的限制性描述。本發明範圍應由所附權利要求限定。
[0020]本發明可以部分地基於這樣的認識，即，如具有例如100ppm的燃料硫含量的低硫船用柴油(LSMDO)燃燒，可能因為排氣中會含有硫組分和PM而對內燃發動機的EGR系統造成影響。
[0021]對於EGR而言，一定量的排氣可以被分流出來並再循環到燃燒單元中。當將被抽取出的排氣冷卻到硫酸的露點以下時，會在排氣冷卻器中發生凝結，這——與PM結合——會導致例如排氣冷卻器阻塞、堵塞和積垢。結果，在整個排氣冷卻器上會出現增大的壓降。另外，排氣冷卻器的冷卻效率會降低，並且已凝結的硫酸會在排氣冷卻器中以及設置在排氣冷卻器下遊的管道和設備中引起腐蝕。注意到，汽化液體(已蒸發的液體)在冷卻表面上凝結可能增大阻塞趨勢。例如，少量水的凝結也可能增加具有PM的沉積物的形成。來自其它燃料——諸如替代燃料(例如，基於熱解的燃料)——的燃燒的排氣可能含有當在冷卻表面上凝結時會造成相似影響的其它汽化液體。
[0022]因此，本發明公開了一種由於自清潔(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和凝結的硫酸可以聚集在設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置於排氣冷卻器下遊的管道和任何設備上的腐蝕作用。
[0024]以下參照圖1描述了內燃發動機10的EGR系統的示例性實施例。
[0025]內燃發動機10可以包括燃燒單元12，該燃燒單元具有一個或多個氣缸以及相關聯的燃燒室14。內燃發動機10還可以包括進氣系統18、排氣管路22和排氣系統24。
[0026]燃燒單元12可以是例如以柴油、重質燃料和/或氣體為能量源的燃燒單元。氣缸可以例如設置成直列式構型、V構型、W構型或其它任何已知構型。
[0027]燃燒單元12還可包括進氣口 16。進氣口 16可以例如構造成為進氣歧管。進氣系統18可以連接至進氣口 16用以將經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引導至排氣系統24。
[0029]進氣系統18和排氣系統24可以構造成單級或兩級渦輪增壓系統。
[0030]燃燒單元12還可包括EGR系統30。EGR系統30可包括EGR管路32、36、40、44、46、50、HT冷卻器38、排氣壓縮機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。EGR管路32可以流體地連接至閥34。HT冷卻器38可設置在閥34的下遊並且通過EGR管路36流體地連接至閥34。排氣壓縮機42可設置在HT冷卻器38的下遊。EGR管路40可將HT冷卻器38與排氣壓縮機42流體地連接起來。EGR管路44可利用進口端而流體地連接至排氣壓縮機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可以例如是如本發明所提出的並在下文中被較詳細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與進氣口 16流體地連通。
[0034]如圖所示，EGR管路50可以通入進氣口 16。在一些實施例中，EGR管路50可以通入進氣系統18。在兩級渦輪增壓系統的情況中，EGR管路50可以通入兩級渦輪增壓系統的兩個壓縮機的流體連通結構。
[0035]參見圖2,示出了排氣冷卻器260的示例性實施例。
[0036]排氣冷卻器260可包括具有排氣進口 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可由耐腐蝕材料製成以耐受排氣中的水、硫酸和/或其它組分。冷卻器殼體262可以構造成用於如下文中描述的那樣容納各種部件。應注意的是，冷卻器殼體262的其它實施例可以容納與EGR再循環和/或排氣處理相關聯的附加部件。
[0038]排氣進口 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270,該液體噴射系統可以提供設置在排氣通路268內和/或通入排氣通路268的至少一個液體噴灑出口 270A。
[0040]一些實施例可以額外地包括如圖2中示出的設置在排氣通路268內和/或通入排氣通路268的至少一個其它液體噴灑出口 270B。
[0041]液體噴射系統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270上方示出的兩個箭頭指示地將液體供給至液體噴射系統270。
[0042]排氣冷卻器260還可包括冷卻單元272。在圖2的實施例中，液體噴射系統270可以設置在冷卻單元272的上遊。在一些實施例中，液體噴射系統的至少一個液體噴灑出口可以替代地或額外地沿著位於凝結開始區域和/或初始冷卻區域中的冷卻單元設置，如將於下文較詳細地描述且如虛線的液體噴灑出口 270A』表明的那樣。
[0043]在一些實施例中，排氣冷卻器可包括這樣的液體噴射系統，即，該液體噴射系統可僅包括至少一個液體噴灑出口，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270可包括一個管或流體地連通的多個管。所述一個或多個管可包括一組或多組液體噴灑出口，例如，包括至少一個液體噴灑出口 270A和至少一個其它液體噴灑出口 270B。至少一個其它液體噴灑出口 270B可構造成容許將液體噴灑和/或衝入排氣通路268中。例如，液體噴灑出口可構造成噴嘴一諸如位於流體引導管道內的噴灑噴嘴或開口。在示出的實施例中，液體噴射系統270可包括六個液體噴灑出口 270A和六個液體噴灑出口 270B。
[0045]在一些實施例中，至少一個液體噴灑出口 270A可構造成使得液體可被朝向冷卻單元272導引。因此，可以確保液體可與排氣流一起流動並與冷卻單元272的表面接觸。
[0046]在一些實施例中，至少一個液體噴灑出口 270A中的至少一者可以將液體噴灑到冷卻表面573上。
[0047]一些實施例還可包括設置在液體噴射系統內、用於允許或限制液體流動的一個或多個閥。
[0048]冷卻單元272可以例如是用於排氣冷卻和/或氣態介質冷卻的帶翅片管束、無翅片管束、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可包括用於與通過的排氣相互作用的被冷卻的表面。
[0049]在一些實施例中，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可以是用於將液體和/或固體組分從氣態介質中分離出來的氣旋式分離器、網墊分離器、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施例可不包括夾帶物分離器。替代地，單獨的夾帶物分離器可以獨立地較遠地設置在排氣冷卻器的下遊，或者，由於已經將大量的夾帶物從例如設置在排氣冷卻器的排氣通路中的冷卻單元內的排氣中分離出來，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置在液體噴射系統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進口的槽、池和/或管，以及可以例如由耐腐蝕材料製成。
[0052]排氣通路268可包括可將收集部分276與排氣通路268流體地連通的一個或多個開口 275。開口 275可以設置在液體噴射系統270下方和/或沿著液體噴射系統270設置，如圖2中所示。另外，可在冷卻單元272和/或夾帶物分離器274下方設置例如裂縫樣的開口。
[0053]收集部分276還可包括用於按照圖2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]在一些實施例中，可以提供分離的或連接的多個收集部分。例如，第一收集部分可以設置在液體噴射系統下方，第二收集部分可以設置在冷卻單元下方，第三收集部分可以設置在夾帶物分離器下方。當然，排氣冷卻器的一些實施例可以只包括前述第一、第二和第三收集部分中的一個或兩個。此外，附加的收集部分可以設置在其它適合的位置處，例如，設置在排氣冷卻器內或下遊。
[0055]如圖3所示，閉環排氣冷卻系統361的示例性實施例可包括排氣冷卻器360、清潔器378以及冷卻迴路380。
[0056]排氣冷卻器360可以如同關於圖2中示出的排氣冷卻器260所闡明地那樣構造。為了便於比較，將以「300」系列的類似附圖標記指代相似的構件。應注意的是，閉環排氣冷卻系統的其它實施例可以包括諸如結合圖2描述的排氣冷卻器的其它實施例。
[0057]參見圖3，清潔器378可與收集部分376流體地連通，或者在一些實施例中可與多於一個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的上遊或下遊。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370噴灑或衝入到排氣通路368中的液體中分離出來的任意類型的清潔器。例如，清潔器378可包括一個或多個用於對液體進行物理淨化、化學淨化和/或生物淨化的構件。例如，清潔器378可包括沉澱池、任意類型的過濾器和/或脫酸單元。
[0059]在一些實施例中，排氣冷卻器360的冷卻單元372可與冷卻迴路380流體地連通。冷卻迴路380可受控於冷卻迴路控制單元382。
[0060]在一些實施例中，一般而言，冷卻迴路380還可包括增壓空氣系統、EGR系統、排氣後處理系統和/或內燃發動機的一個或多個冷卻單元。
[0061]在一些實施例中，冷卻迴路控制單元382可以與液體噴射控制單元371 —起設置在共同控制單元中。在一些實施例中，共同控制單元可以是EGR控制單元和/或發動機控制單元的一部分。
[0062]以下簡短地參照圖4至圖6對排氣冷卻器的操作和功能進行描述，尤其描繪了其與常規排氣冷卻器的區別。
[0063]圖4示出溫度-距離圖。在該溫度-距離圖中，線400表示排氣在流過冷卻單元時的溫度。距離Xe處的溫度Tc表示臨界溫度，在該臨界溫度例如由於排氣中的化學和/或物理反應，所以會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的方向。
[0064]圖5示出沿著噴射系統570和冷卻單元572的排氣通路568的示意圖。為了便於比較，與已經參照圖2和圖3描述過的那些構件相似的構件將以「500」系列的相似附圖標記指代。
[0065]相比之下，圖6示出在具有常規冷卻單元600的常規排氣冷卻器內的示例性排氣通路610的示意圖。注意到，圖6的常規冷卻器不包括如上結合圖2和圖3討論過的噴射系統。
[0066]如上所述，圖5和圖6的冷卻單元572和600分別構造成帶翅片管束，並且可以分別包括例如三個冷卻管573A和673A以及多個相關聯的提供大冷卻表面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。應注意的是，根據不同方面一諸如希望的冷卻效率、壓力範圍和溫度範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可以與相對的散熱片分隔距離D。距離D可以在例如0.1mm至1mm的範圍內。
[0068]如前所述，其它實施例可包括可構造成用於排氣冷卻和/或氣態介質冷卻的無翅片管束、板式冷卻器或其它已知類型的冷卻單元。在帶翅片管束或無翅片管束的情況中，排氣可以流動通過冷卻管或者在冷卻管周圍流動。
[0069]工業適用性
[0070]以下將參照圖1至圖6描述排氣冷卻器的上述示例性實施例的基本操作。
[0071]在內燃發動機10的正常運行期間，燃料和增壓空氣可被供給至燃燒單元12並在該燃燒單元中燃燒。排氣可通過排氣出口 20離開燃燒單元到達排氣管路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中的排氣可以隨後經過HT冷卻器38和排氣壓縮機42。之後，排氣可進入可構造成為排氣冷卻器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 (參見圖5)將排氣冷卻至排氣中的汽化液體的露點Tc的範圍內的溫度或露點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冷卻器的常規系統中，在溫度水平、阻塞和積垢方面可區分出三個區域。排氣可以在初始冷卻區域中被冷卻至在汽化液體的露點之上的溫度，在凝結開始區域中被冷卻至在汽化液體的露點內的溫度，在端部冷卻區域被冷卻至水的露點之下的溫度。初始冷卻區域可以與凝結開始區域交匯，並且凝結開始區域可以與端部冷卻區域交匯。
[0075]排氣進入冷卻單元672處於冷卻表面673的初始冷卻區域中。初始冷卻區域的特徵可以是，將排氣冷卻至可在排氣中的任何汽化液體的露點之上的溫度。排氣中的PM可在初始冷卻區域中在冷卻表面673上形成幹而薄的膜。注意到，排氣中實質上沒有汽化液體會在初始冷卻區域中凝結。初始冷卻區域中的薄而幹的膜會略微降低冷卻單元的冷卻效率。
[0076]排氣可以在冷卻表面673的凝結開始區域(在下文中稱為凝結開始區域)中被進一步冷卻，所述凝結開始區域的特徵是，將排氣冷卻至排氣中的汽化液體的露點Tc的範圍內的溫度。所述汽化液體可以例如是水或硫酸。
[0077]當達到汽化液體的露點時，汽化液體可以在凝結核一諸如PM和冷卻表面
673-周圍凝結。起初，凝結的液體可以與PM —起在冷卻表面673的凝結開始區域中形成粘性的膜。所述粘性的膜會進一步吸引PM和正冷凝的液體。沉積物可以在凝結開始區域中形成，所述沉積物可以隨後在操作期間生長。凝結的液體和PM的更大沉積物會形成，並且會部分地堵塞排氣通路610，進而會使整個冷卻單元的壓降增大，會降低冷卻單元672的冷卻效率，並且會進一步導致冷卻表面673的腐蝕。
[0078]冷卻表面673的散熱片673B以例如數十毫米的距離D設置會進一步促進沉積物生長。參見圖4，表示排氣在通過已部分阻塞的冷卻單元時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梯度。
[0079]在冷卻表面673的端部冷卻區域中，排氣可以被冷卻至顯著低於水的露點的溫度。排氣中的汽化水可以在端部冷卻區域中以顯著的量凝結。顯著量的凝結水會減少冷卻表面673的端部冷卻區域內的沉積物的形成。
[0080]注意到，由於排氣在其進入冷卻單元時可能已經具有排氣中的汽化液體的露點的範圍內的溫度，所以冷卻表面可不包括初始冷卻區域。
[0081]還注意到，因為排氣可以僅在冷卻單元中被冷卻至排氣中的汽化液體的露點的範圍內的溫度，所以冷卻表面可不包括端部冷卻區域。
[0082]在燃燒具有100ppm的燃料含硫量的LSMDO的情況下，排氣會含有硫組分。硫酸可以在凝結開始區域中凝結，以及可以與PM—起形成所描述的沉積物。在端部冷卻區域中，排氣中的汽化水可以顯著量凝結。顯著量的凝結水會減少沉積物在冷卻表面的端部冷卻區域內的形成。
[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開始區域中形成沉積物。例如，排氣可以在冷卻表面的凝結開始區域中被冷卻至水的露點的範圍內的溫度。少量的水可以凝結並可與PM—起形成沉積物。在冷卻表面的端部冷卻區域一在該區域中排氣可以被冷卻至顯著低於水的露點的溫度——中，凝結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的範圍內的溫度，則以上描述的影響就會在冷卻單元中發生。
[0085]還注意到，排氣中的汽化液體的露點取決於許多因素，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，硫酸的露點在6bar的絕對壓力、1.8的空燃比、100ppm的燃料硫含量以及5%的從SO2到SO3的轉化程度下可以是約140°C。一般而言，硫酸的露點的範圍可以是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。
[0087]如在圖2中所見，排氣冷卻器260的液體噴射系統270可以將諸如水的液體供給到排氣通路268中。排氣可以從排氣進口 264到排氣出口 266地通過排氣通路268。藉此，排氣可以與來自液體噴射系統270的液體在排氣通路268內混合，並作為混合物通過冷卻單元272。
[0088]至少一個液體噴灑出口 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，藉此可以保持清潔和/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的凝結開始區域，在該凝結開始區域排氣可以被冷卻至排氣中的汽化液體的露點上下的溫度。凝結開始區域在圖4至圖6中最佳示出，以及可處於在溫度Tc的位置Xe的範圍內。
[0089]具體地如圖5中所示，由至少一個液體噴灑出口 570A噴灑的液體可以顯著地減少在初始冷卻區域中膜的形成和在凝結開始區域中沉積物的形成，如參照圖6針對常規系統所描述地那樣。具體地，被供給液體中的至少一些液體會以液相撞擊在冷卻表面(573)的例如起始冷卻區域、凝結開始區域和/或端部冷卻區域上，並且可以使膜和沉積物的顆粒鬆散、溶解和/或吸收所述顆粒。液體可以將來自排氣的凝結液體和PM的那些顆粒輸送離開冷卻表面573、經開口 275進入到如圖2中最佳示出的至少一個收集部分276中。藉此，因為被供給的液體可以藉助於沿著排氣通路568流過的排氣被輸送，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570作為液體供給。被供給的水可以被噴灑並可形成水滴584。
[0091]在一些實施例中，液體噴射控制單元371可以對液體噴射系統370和/或相關聯的液體泵379的操作進行調節。例如，液體噴射控制單元371可以構造成用於以連續的和/或非連續的(例如，脈衝的)操作模式對液體噴射系統370的操作進行調節。另外或替代地，液體噴射控制單元371可以構造成用於根據一個或多個控制參數——諸如，燃料類型、燃料的硫含量、空氣-燃料比、時間間隔、通過排氣冷卻器的體積流量、整個排氣冷卻器上的壓降、排氣冷卻器上遊的壓力以及排氣冷卻器下遊的壓力一來對液體噴射系統370的操作進行調節。因此，可以在排氣冷卻器中或者EGR管路的相鄰構件內設置相應的傳感器。在一些實施例中，液體噴射控制單元可以是EGR控制單元和/或發動機控制單元和/或冷卻迴路控制單元382的一部分。
[0092]在一些實施例中，至少一個液體噴灑出口 270A』可以如圖2中所示地沿著冷卻單元270設置。在一些實施例中，那些液體噴灑出口 270A』可以設置在凝結開始區域附近，在該凝結開始區域中排氣被冷卻至排氣中的汽化液體——諸如硫酸——的露點的範圍內的溫度。該凝結開始區域可以在圖5至圖6中最佳示出，以及可處於在溫度Tc的位置Xe的範圍內。此外並且如圖2中所示，至少一個其它液體噴灑出口 270B可以進一步將液體供給到排氣通路268中。具體地，藉助於由至少一個其它液體噴灑出口 270B供給的液體可以將PM從排氣中洗掉。
[0093]總體上，由至少一個液體噴灑出口 270A和至少一個其它液體噴灑出口 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270供給的液體、排氣的凝結液體和液體中的PM。
[0095]參見圖3，至少一個收集部分376中的收集液體和PM可以被導引至清潔器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而將經清潔的液體供給至液體噴射系統370用以重新使用。液體噴射控制單元371可控制液體泵379以調節至液體噴射系統370的液體流。
[0096]冷卻單元372可與冷卻迴路380連通。冷卻迴路可以將冷卻劑供給至冷卻單元372。冷卻迴路控制單元382可以配置成用於將被供給至冷卻單元372的冷卻劑的冷卻劑溫度和/或冷卻劑流速設定成使得通過冷卻單元372的排氣可以被冷卻至希望的溫度。該溫度可以低於排氣中的汽化液體的露點，可以至少是140°C、100°C、80°C、50 V、45°C、40 V或35°C。在一些實施例中，冷卻迴路控制單元可以是EGR控制單元和/或發動機控制單元和/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。在排氣被導引至內燃機10的進氣口 16(參見圖1)之前，夾帶物分離器374可以去除通過排氣冷卻器360的排氣中的殘留夾帶物。
[0098]在一些實施例中，離開排氣冷卻器360的排氣的溫度可以與進氣口 16內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於可包括排氣冷卻器的EGR、後處理和/或其它應用，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內的溫度。
[0100]儘管已在本文中描述了本發明的優選實施例，但是還可以在不超出所附權利要求的範圍的情況下包含改進和修改。
[0101]附圖標記
[0102]發明名稱:排氣冷卻器
[0103]10內燃發動機
[0104]12燃燒單元
[0105]14燃燒室
[0106]16 進氣口
[0107]18進氣系統
[0108]20排氣出口
[0109]22排氣管路
[0110]24排氣系統
[0111]30 EGR 系統
[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
[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 排氣進口
[0122]266 排氣出口
[0123]268排氣通路
[0124]270液體噴射系統
[0125]270』液體噴射系統
[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閉環排氣系統
[0135]362冷卻器殼體
[0136]364排氣進口
[0137]366排氣出口
[0138]368排氣通路
[0139]370液體噴射系統
[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冷卻迴路
[0148]382冷卻迴路控制單元
[0149]400線
[0150]568排氣通路
[0151]570液體噴射系統
[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
【權利要求】
1.一種用於冷卻內燃發動機(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、具有用於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)包括凝結開始區域，在該凝結開始區域中所述排氣被冷卻至該排氣中的汽化液體的露點的範圍內的溫度；和 液體噴射系統(270，370，570)，所述液體噴射系統包括安裝在所述排氣通路(268，368，568)中的至少一個液體噴灑出口(270A，570A)，並且構造成使得在所述內燃發動機(10)的運行期間自所述至少一個液體噴灑出口(270A，570A)噴灑的至少一些液體被輸送至所述凝結開始區域。
2.根據權利要求1所述的排氣冷卻器(60，260，360)，其特徵在於，所述至少一個液體噴灑出口(270A，570A)在所述凝結開始區域上遊和/或沿著該凝結開始區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)還包括初始冷卻區域，在該初始冷卻區域中所述排氣被冷卻至該排氣中的汽化液體的露點之上的溫度，所述至少一個液體噴灑出口(270A，570A)在所述初始冷卻區域上遊和/或沿著該初始冷卻區域安裝在所述排氣通路(268，368，568)中，並且由所述至少一個液體噴灑出口(270A，570A)噴灑的至少一些液體被輸送至所述初始冷卻區域。
3.根據權利要求1或2所述的排氣冷卻器(60，260，360)，其特徵在於，所述至少一個液體噴灑出口(270A，570A)中的至少一者構造成用於將液體噴灑到所述冷卻表面(573)上。
4.根據前述權利要求中任一項所述的排氣冷卻器(60,260, 360),其特徵在於，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造成用於以連續的和/或不連續的操作模式對所述液體噴射系統(270，370，570)的操作進行調節，和/或根據控制參數對由所述液體噴射系統(270，370，570)噴射的液體的量進行調節，所述控制參數選自包括燃料類型、燃料的硫含量、空氣-燃料比、時間間隔、在整個所述排氣冷卻器(60，260,360)上的壓降、時間間隔、通過所述排氣冷卻器出0，260，360)的體積流量、所述排氣冷卻器出0，260，360)上遊的壓力、所述排氣冷卻器出0，260，360)下遊的壓力的參數組。
5.根據前述權利要求中任一項所述的排氣冷卻器(60，260，360)，其特徵在於，所述至少一個液體噴灑出口(270A，570A)構造成用於在一溫度下和/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域和/或所述凝結開始區域，和/或 所述液體噴射控制單元(371)構造成用於調節所述液體的流速和/或所述液體的溫度。
6.根據前述權利要求中任一項所述的排氣冷卻器(60,260,360),其特徵在於,所述液體噴射系統(270，370，570)還包括至少一個其它液體噴灑出口(270B)，該至少一個其它液體噴灑出口定位在所述至少一個液體噴灑出口(270A，570A)上遊，並且構造成用於在所述內燃發動機(10)運行期間將液體噴灑到所述排氣通路(268，368，568)中用以將顆粒物質從所述排氣中去除。
7.根據前述權利要求中任一項所述的排氣冷卻器(60,260, 360),其特徵在於,所述冷卻單元(272，372，572)構造為帶翅片管束，所述冷卻表面(573)由至少一個冷卻管(573A)和分隔且對置的多個翅片(573B)構成。
8.根據前述權利要求中任一項所述的排氣冷卻器(60，260，360)，其特徵在於，所述排氣冷卻器還包括安裝在所述排氣通路(268，368，568)中位於所述冷卻單元(272，372，572)下遊的夾帶物分離器(274，374)。
9.根據前述權利要求中任一項所述的排氣冷卻器(60,260, 360),其特徵在於,所述露點是所述排氣中的汽化的水和/或硫酸的露點。
10.一種閉環排氣冷卻系統(361)，包括: 根據權利要求1至9中任一項所述的排氣冷卻器出0，260，360)； 至少一個液體收集部分(276，376)，其以安裝取向定位在所述液體噴射系統(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液體收集部分(276，376)與所述液體噴射系統(270，370，570)之間並與二者流體地相互連通。
11.根據權利要求10所述的閉環排氣冷卻系統(361)，其特徵在於，所述閉環排氣冷卻系統還包括: 用於將冷卻劑供給至所述冷卻單元(272，372，572)的冷卻迴路(380);和 冷卻迴路控制單元(382)， 其中，所述冷卻迴路控制單元(382)構造成用於設定冷卻劑溫度和/或冷卻劑流速，使得通過所述冷卻單元(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 其中所述冷卻迴路控制單元(382)構造成用於設定所述冷卻劑溫度和/或冷卻劑流速，使得通過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的範圍內的溫度或低於該露點的溫度，所述汽化液體諸如是硫酸和/或水。
12.一種內燃發動機(10),包括: 具有一個或多個氣缸和相關聯的燃燒室(14)的燃燒單元(12);和 排氣再循環系統(30)，該排氣再循環系統具有根據權利要求1至9中任一項所述的排氣冷卻器(60,260,360)和/或根據權利要求10或11所述的閉環排氣冷卻系統(361)。
13.一種用於減少排氣冷卻器(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的範圍內，所述汽化液體諸如是硫酸和/或水； 同時，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/或通過所述液體與所述冷卻表面(573)的相互作用而被清潔。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，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)的凝結開始區域上。
15.根據權利要求13或14所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括: 收集包含顆粒物質的被供給液體；清潔所述液體；以及使經清潔的液體返回以供給到所述排氣流中。
【文檔編號】F23J15/02GK104271906SQ201380008959
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年2月8日 優先權日:2012年2月10日
【發明者】D·克勞斯, J·德雷維斯, M·斯圖爾姆, C·裡克特, U·施萊默-克琳 申請人:Hx控股有限公司, 卡特彼勒發動機有限及兩合公司