用于控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的系统的制作方法

专利名称：用于控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及关联于具有设计用于减少污染的排气再循环系统的内燃发动机使用 的排气再循环冷却器的技术，更具体地，涉及控制排气再循环冷却器中的污染物沉积 的系统。
背景技术：
常规的内燃发动机在运行期间产生各种污染物。总的来说，多数内燃发动机通过 在有空气的情况下燃烧碳氢化合物燃料产生动力，空气为混合物，其包括主要成分氮 和氧以及其他微量组分。在燃烧期间产生几种排气组分。 一些组分，如水，被认为是 基本上无害的。而需要调节其他组分，如氮氧化物(N0X)且必须控制此类污染物的 产生。为了减少氮氧化物的产生，通常提供排气再循环系统，下文中称为EGR系统。 在EGR系统中，来自内燃发动机的排气中的一部分沿路径再循环回到发动机的进气系 统。排气的再循环通常可减少可用于燃烧的氧的相对量从而降低燃烧期间发动机中的 火焰温度。较低的火焰温度可极大地减少氮氧化物的产生。降低燃烧温度的另一种方 法是降低再循环排气的温度。通常，冷却器设置在再循环路径中并使再循环排气以降 低的温度进入发动机，从而进一步降低燃烧的温度。事实上，为了符合有关排放水平 的特定法律准则，必须将排气冷却到一定程度。
EGR系统应用在汽油发动机中已达至少30年并且这样的使用很普遍。在柴油发 动机中使用EGR系统是较新的做法。柴油发动机容许比汽油发动机大的EGR流量，因 此柴油EGR系统中的EGR冷却很重要。这样的系统中的冷却器通常具有较大的传热面 以有助于将热量从再循环排气传递到冷却剂。通常，冷却剂被引至传热面背后以允许 热量容易地从再循环排气传递到冷却剂。遗憾的是，在EGR系统运行期间，碳烟和其 他污染物的各种沉积物会积累在冷却器中的传热面上以及EGR系统的其他管道部分
上。少至运行ioo小时就累积起碳烟层并显著降低冷却器从再循环排气传热的能力。
更具体地，碳烟和其他污染物的层极大地降低了冷却器的效率，从而导致到达发动机 进气系统的再循环排气相对较热并在满足排放标准时降低了发动机产生动力的能力。 这样的问题对于柴油发动机特别迫切。
针对该问题的一种方法是使用大型冷却器。然而，大型冷却器的使用由于高成本 和大尺寸而被认为是不期望的。也有其他方法针对于减少沉积物的量。例如，中村 (Nakamura)的美国专利申请公开2007/0131207号教导了基于感测到的入口温度调 节通过冷却器的冷却剂流量来减少沉积物。遗憾的是，这样的系统所基于的原则是升高再循环的气体的温度。因此该系统是不理想的，因为与降低再循环排气的温度以降 低燃烧温度并减少氮氧化物产生的概念直接矛盾。
基于上述，在现有技术中需要一种设计为控制EGR冷却器中的污染物的累积同时 避免上述缺点的系统。

发明内容
本发明的目的包括提供用于控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的系统，以克 服现有技术中的系统使用高成本大尺寸的大型冷却器以及使再循环气体的温度升高 的缺点。
本发明涉及安装在车辆中的用于控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的系统。 总体上，该车辆包括支承发动机的框架，发动机与变速器和车轮可操作地连接以便驱 动车轮并移动车辆。该系统包括连接到发动机的排气总成的第一导管；连接到发动机 的进气总成的第二导管。该系统还包括具有壳体的冷却器，该壳体界定出与第一导管 连通的第一气体入口以及与第二导管连通的第一气体出口 ，第一气体出口由第一气体 冷却通道连接到第一气体入口以便允许排气沿气体再循环路径从发动机的排气总成
再循环到发动机的进气总成。该冷却器还包括第一冷却剂入口和第一冷却剂出口，第 一冷却剂出口由第一冷却剂通道连接到第一冷却剂入口以允许冷却剂流过冷却器。第 一冷却剂通道的位置适合于允许热量从排气传递到冷却剂从而冷却排气。该系统还包 括位于气体再循环路径中的阀和传感器，所述阀用于控制冷却器中的排气的流率，安 装的传感器用于测量气体循环路径中的排气的参数。该系统还包括控制器，所述控制 器从传感器接收参数信号并连接到该阀。更具体地，控制器以确保冷却器中的排气以 湍流状态流动以便去除冷却器中的沉积物的方式调节该阀的开启和关闭。
可选地，提供具有壳体的附加冷却器，该壳体界定出与第一导管连通的第二气体 入口及与第二导管连通并由第二气体冷却通道连接到第二气体入口的第二气体出口。
另外，所述附加冷却器还具有第二冷却剂入口和第二冷却剂出口，第二冷却剂出口由 第二冷却剂通道连接到第二冷却剂入口以允许冷却剂流过附加冷却器。第二冷却剂通 道的位置适合于允许热量从排气传递到冷却剂从而冷却排气。提供主阀用于控制通过 再循环路径的总体流率并提供附加阀用于控制通过附加冷却器的气体的流率。这些阀 位于进气总成和冷却器之间或排气总成和冷却器之间。
本发明还涉及控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的方法。将再循环排气流从 发动机的排气总成引导回到发动机的进气总成以便减少排气中的污染物的量。控制模 块确定冷却器中的排气的流率并接收排气的各种参数的测量值。最后，控制模块确保 冷却器中的排气流是湍流以便去除冷却器中的沉积物。优选地，使用多个冷却器且控 制模块引导排气流通过多个冷却器。可选地，控制模块确定与通过冷却器的气体流关 联的雷诺数(Reynolds number)并确保该雷诺数保持在与湍流关联的范围内。本发明的优点包括有效控制EGR冷却器中的污染物的累积而不必使用大型冷却 器或升高再循环气体的温度。
结合附图阅读下文中对优选实施例的详细说明，本发明的其他目标、特征和优点 将变得显而易见，在附图中，多个视图中类似的参考标号表示对应的部分。


图1是结合有实现本发明的用于控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的系统 的车辆的示意图2是以简单的形式示出包含位于较热一侧的控制阀的图1所示系统的示意图3是以简单的形式示出包含位于较冷一侧的控制阀的图1所示系统的示意图4是图1所示冷却器中的一个的示意图5是图4所示冷却器沿线V-V截取得到的截面图6是示出操作图1所示系统的方法的流程图；及
图7是示出由控制模块用于控制冷却器的示例控制逻辑的流程图。
具体实施例方式
首先参考图1,示出结合有根据本发明的优选实施例构建的用于控制排气再循环 冷却器中的污染物沉积的系统20的车辆10的示意图。如图1所示，包含多个汽缸 26的发动机25安装在车辆10中。优选地，发动机25是柴油发动机，车辆10是卡 车。然而，车辆10可以是任何类型的车辆，该系统可以与使用污染控制装置，包括 排气再循环冷却器的其他燃烧发动机一同工作。如图l所示，提供散热器30以冷却 发动机25。另外，车辆10包括框架32,该框架支承各种部件，如用于通过包含变速 器和传动轴(未单独标示)的动力系统38驱动车轮36的发动机25。
如图2所示，发动机25具有进气总成39和排气总成40。发动机25连接到燃料 源41和用于增加如箭头45所示进入发动机25的进气流量的增压器42，如涡轮增压 器44。更具体地，空气通过空气盒(airbox) 47进入系统20并通过通道50流入涡 轮增压器44。空气质量流量单元52安装在通道50中并包括用于测量传送到涡轮增 压器44的空气的量的传感器55。传感器55连接到电子控制模块57。传感器55能够 向电子控制模块57提供如箭头60所示表示传送到涡轮增压器44的空气的量的信号。 另外，空气质量流量单元52包括从电子控制单元57接收信号并用于控制流过其中的 空气的量的阀62。
以现有技术中公知的方式，涡轮增压器44压缩从空气盒47接收的空气并提供流 过充气冷却器65的空气充气。充气冷却器65冷却充气并传送进气到歧管67以分配 给汽缸26。发动机25接收用于燃烧的充气和燃料两者，从而产生用于驱动车辆10 的动力并在排气68中从车辆IO排出燃烧产物。继续参考图2,系统"如图所示将发动机25产生的排气68中由箭头70表示的 转向排气流(diverted exhaust flow),即再循环排气(EGR )流，通过第一导管 n传送到冷却系统72，然后通过第二导管77向进气歧管67提供转向排气流70中冷 却的部分"，从而完成从排气总成40到进气总成39的气体再循环路径69。更具体 地，系统20包括连接到排气总成40的第一导管71。首先，导管71优选地配备有分 别用于测量排气背压和排气温度的排气背压传感器82和排气温度传感器85。传感器 82和85通过导线87和88或其他已知类型的通信通道连接到电子控制模块57,从而 能够向电子控制模块57提供表示排气背压和排气温度的信号。可选地，主控制阀90 位于第一导管71中并设置为限制流过其中的转向排气流70的量。主阀90还由导线 91或其他类型的通信通道连接到电子控制模块57,以使控制模块57可以控制转向排 气流70中的排气的量。第一导管71在接头92处中止，该接头使转向排气流70分流 到两个或多个路径，每个路径通向相应的排气冷却器22、 97或98。
如图2所示，提供三个冷却器22、 97和98,第一冷却器22连接到第一路径100, 第二冷却器或附加冷却器97连接到第二路径101,第三冷却器98连接到第三路径 102。然而，应理解，本发明可以用不同数量的冷却器工作。第一冷却器或主冷却器 22冷却转向排气流70的第一部分。第一 EGR阀105位于第一路径100和第一冷却器 22之间。第一 EGR阀105还通过通信路径110与电子控制模块57通信，以使电子控 制模块57可以控制流过其中的转向排气的量。第一冷却剂输送管112如箭头113所 示从散热器30向第一冷却器22提供冷却剂，回流管115引导冷却剂113回到散热器 30以使冷却剂在再循环路径中流动。冷却剂113由第一冷却器22用于冷却转向排气 70。
以类似的方式，第二 EGR阀120定位在第二路径101和第二冷却器97之间，第 三EGR阀125定位在第三路径102和第三冷却器98之间。第二 EGR阀120和第三EGR 阀125中的每个也连接到电子控制模块57。以此方式，控制模块57可以单独地控制 转向排气70通过每个冷却器22、 97和98的流率和量。事实上，如果不存在主阀90, 则控制模块57可以使用阀105、 120、 125来控制通过控制器22、 97、 98的转向排气 流70的总量。类似地，第二冷却器97和第三冷却器98各自具有相应的第二冷却剂 输送管130和第三冷却剂输送管131以及连接到散热器30用于提供再循环冷却剂路 径的相应的第二冷却剂回流管133和第三冷却剂回流管134,以使第二冷却器97和 第三冷却器98可以使用冷却剂113来冷却流过其中的第二转向排气和第三转向排气 的量。在此，应理解电子控制模块57不必专用于排气系统，而是优选地可以是车辆 10的主电子控制单元以便控制各种发动机功能、变速器功能和其他功能。此外，虽 然公开了传感器的优选设置，但可以结合电子控制模块57使用不同的传感器以间接 地得出期望的测量值。三个冷却器作为示例示出且该实施例并非限制性的。在替代实 施例中，可以使用两个冷却器。在图2所示的实施例中，EGR闽90、 105、 120和125如图2所示位于EGR冷却 器22、 97和98的上游。总体上，流过EGR阀90、 105、 120和125的转向排气相对 较热。该设置具有EGR阀90、 105、 120和125周围的沉淀物累积相对较少的优点。 然而，EGR阀90、 105、 l20和I"必须设计为可在相对热的环境中工作。在图3所 示的替代实施例中，相应的EGR阀90' 、 105' 、 120，和125，位于EGR冷却器22、 97和98的下游。在该情况下，第一EGR阀105'、第二EGR阀120'和第三EGR阀 I25'位于相应的第一冷却器22、第二冷却器97和第三冷却器98与通向第二导管77 的相应的第一返回路径"0、第二返回路径141和第三返回路径142之间。该替代实 施例具有允许主阀90，和第一EGR阀105'、第二EGR闽120'和第三EGR阀125， 在温度相对低的条件下工作的优点。然而，需要折衷的是沉淀物累积的量增加。在所 有其他方面，两个实施例是相同的从而不需要对这些方面作进 一 步的说明。
现参考图4，示出第一冷却器22的更详细的视图。应理解，冷却器22、 97和98 优选地构建为基本上相同，然而每个冷却器的尺寸优选地可基于发动机25的需要设 置，如下文详述。基于此，冷却器22如图4所示包括壳体143，该壳体界定出与第 一导管71连通的气体入口 144及与第二导管72连通的气体出口 145。壳体143还界 定出将气体入口 144连接到气体出口 145的气体冷却通道146。冷却剂在冷却剂入口 147处从第一冷却剂输送管112进入第一冷却器22并经第一冷却器22中的通道150 传送到连接至冷却剂回流管115的冷却剂出口 148。通道150纵向延伸并形成传热面 153,该传热面由可抵御腐蚀性排气的损害的材料制成并从转向排气70向如155所示 的冷却剂流容易地传递热量。如图5最佳地示出，散热片160优选地从通道150延伸 以通过增大传热面153来进一步增加热传递。在另一个实施例中，形成散热片160和 通道150的材料形成紋理(texture),以增加在散热片160周围流过的转向排气流 的湍流。
图6是示出根据本发明的优选实施例用于控制EGR冷却器中的污染物沉积的系统 20的操作的流程图。如步骤200所示，在发动机25运行期间，排气流的部分70从 排气总成40转向以流过第一冷却器22然后沿再循环路径69再循环回到进气总成39。 如上所述，在发动机运行期间，碳烟和其他沉积物会累积在冷却器22的内表面上。 冷却器散热片160特别容易聚集碳烟。如果碳烟层了覆盖散热片160,则该散热片不 能正常工作。为了解决该潜在问题，在发动机25起动时，如步骤210中所示确定流 过第一冷却器22的特定流率。然后在步骤220中测量各种参数，如下文中进一步说 明，以计算通过冷却器22的流是层流还是湍流。然后电子控制模块57调节阀90、 105以在步骤240中确保通过第一冷却器22的排气流保持在湍流范围。电子控制模 块57如何确保排气流是湍流的更加详细的示例可见下文中对图7的说明。将流保持 在湍流范围的优点是这样的流以意料不到的方式可用于有效地抖落在冷却器22的 内表面或散热片160上形成的沉积物。 一旦碳烟或其他沉积物从冷却器22上抖落，碳烟就通过发动机汽缸26回流并最终排出。无碳烟层累积时，第一冷却器25可以用 更高的效率工作，从而允许使用比现有技术中所用的冷却器更小、更轻且成本更低的 装置。
所控制的参数中的一个是雷诺数。雷诺数基于速度、温度、气体流量和通道水力 直径以及其他因素。如图2和图3所示，排气背压和排气温度由传感器82、 85测量。 电子控制模块57基于测量的参数计算雷诺数并通过将雷诺数保持在适当的范围确保 流保持在湍流模式。然而，应注意，可以使用其他传感器获得计算雷诺数所需的参数。 也可以基于空气流量、燃料喷射参数及其他已知的或测量的发动机参数推断这样的参 数，因为发动机26的性能特性是已知的。例如，可以基于测量的空气流入量和发动 机26的特性推断出排气背压，而不是直接测量排气背压。优选地进行测试以确定造 成湍流的流率并产生用于控制模块57的查找表来确定通过冷却器22的流是湍流还是 层流。 一旦控制模块57确定了发动机25需要的EGR流量，就调节冷却器22的阀105 以尽可能多地获得湍流。
可能需要或希望使用多个冷却器22、 97和98。在这样的情况下，控制每个冷却 器22、 97和98用最优的雷诺数运行，以使相应的流为湍流。例如，第一冷却器22 和第二冷却器97优选地具有不同尺寸，其中第一冷却器22是较小的冷却器，第二冷 却器97是较大的冷却器。当发动机25在低转速下运行时，使用较小的冷却器22。 当发动机25在中等转速下运行时，使用较大的冷却器97;当发动机25在高转速下 运行时，使用冷却器22、 97两者。对于不同尺寸的冷却器22、 97,在流70通过冷 却器22、 97时，较大范围的流率可以保持在湍流状态(turbulent regime)内。取 决于特定的发动机的工作特性，可以使用三个或多个冷却器22、 97和98。在任一情 况中，在使用多个冷却器22、 97和98时，电子控制单元57根据需要通过开启和关 闭适当的EGR阀105、 105' 、 120、 120' 、 125和125'调节通过冷却器的流以便将 每个相关的雷诺数保持在适当的范围。此外，由于控制器57在使用多个冷却器时对 于通过冷却器22、 97、 98的流率具有更多选择，通过冷却器22、 97、 98的流可以在 较大范围中保持为湍流。控制模块57确定对于发动机25要求的给定的EGR流率70
应使用多少个冷却器。
现参考图7，示出描述由控制模块57用于控制两个冷却器22、 97的示例控制逻 辑的流程图。在步骤300,过程开始并首先在步骤310确定是否需要排气再循环流。 如果需要EGR流，控制模块57进入步骤320，确定控制NO,的排放所需的期望的EGR 流率。由于发动机25取决于运行状态如车速需要不同的EGR流率，所需的流率可以 改变。 一旦确定了所需的流率，控制模块57就在步骤330确定EGR质量流率是处于 第一范围、第二范围还是第三范围。如果质量流率处于相对低的第一范围，则在步骤 340控制模块57发送信号以开启阀105以向发动机25提供期望的EGR流，此外还确 保湍流出现在冷却器22中。然而，如果质量流率处在较高的第二范围，则在步骤"0控制模块57开启阀120并关闭阀105以使EGR流通过较大的冷却器97从而提供期望 的EGR流并仍然确保湍流通过冷却器97。如果EGR质量流率处在更高的第三范围， 则在步骤360开启阀105和阀120两者以提供期望的EGR流冷却，确保湍流出现在冷 却器"和97两者中。在步骤370的三个路径的任一个中，如果所需的EGR流率发生 改变，则处理将返回步骤300。当然，上述说明假设仅使用两个冷却器，即冷却器22 和97。如果使用第三冷却器98,则搜索逻辑自然会变得更加复杂，因为要使用三个 值且可以提供可能的六个不同的流范围。
基于上述，可以容易地理解，本发明提供控制EGR冷却器中的污染物的累积同时 避免现有技术的上述缺点的系统。虽然参考本发明的优选实施例进行说明，但应容易 地理解，可以对本发明作出各种改变和/或修改而不脱离其精神。例如，可以根据需 要增加大量附加的EGR冷却器到系统中，且本发明的系统可以适用于具有EGR系统的 任何发动机，无论是有进气增压器的发动机还是无进气增压器的发动机。总体上，本 发明预期只由本申请权利要求的范围所限制。
权利要求
1.一种用于控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的系统，该系统安装在包括支承具有排气再循环系统并与变速器和车轮可操作地连接以便驱动车轮并移动车辆的发动机的框架的车辆中，包括连接到发动机的排气总成的第一导管；连接到发动机的进气总成的第二导管；冷却器，其包括壳体、第一冷却剂入口和第一冷却剂出口，所述壳体界定出与第一导管连通的第一气体入口及与第二导管连通的第一气体出口，第一气体出口由第一气体冷却通道连接到第一气体入口以便允许发动机产生的排气沿气体再循环路径从发动机的排气总成再循环到发动机的进气总成，第一冷却剂出口由第一冷却剂通道连接到第一冷却剂入口以允许冷却剂流过所述冷却器，第一冷却剂通道的位置适合于允许热量从排气传递到冷却剂从而冷却排气；位于气体再循环路径中并用于控制冷却器中的排气的流率的阀；用于确定气体再循环路径中的排气的参数的传感器；及控制器，所述控制器连接到所述传感器以接收所述参数并连接到所述阀以调节所述阀的开启和关闭，从而确保冷却器中的排气以湍流方式流动以便去除所述冷却器中的沉积物。
2. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，还包括附加冷却器，其包括壳体、第二冷却剂入口和第二冷却剂出口，所述壳体界定出与第一导管连通的第二气体入口及与第二导管连通的第二气体出口，第二气体出口由 第二气体冷却通道连接到第二气体入口，第二冷却剂出口由第二冷却剂通道连接到第二冷却剂入口以允许冷却剂流过所述附加冷却器，第二冷却剂通道的位置适合于允许 热量从排气传递到冷却剂从而冷却排气。
3. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括 主阀，其用于控制通过气体再循环路径的总体流率；及 附加阀，其用于控制通过所述附加冷却器的流量。
4. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主阀位于所述进气总成与所述 冷却器和所述附加冷却器之间。
5. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主阀位于所述排气总成与所述 冷却器和所述附加冷却器之间。
6. —种用于控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的系统，包括 第一导管，其连接到发动机的排气总成；第二导管，其连接到发动机的进气总成；冷却器，其包括壳体、第一冷却剂入口和第一冷却剂出口，所述壳体界定出与第 一导管连通的第一气体入口及与第二导管连通的第一气体出口，第一气体入口由第一气体冷却通道连接到第一气体入口以便允许发动机产生的排气沿气体再循环路径从发动机的排气总成再循环到发动机的进气总成，第一冷却剂出口由第一冷却剂通道连接到第一冷却剂入口以允许冷却剂流过所述冷却器，第一冷却剂通道的位置适合于允许热量从排气传递到冷却剂从而冷却排气；阀，其位于气体再循环路径中，用于控制冷却器中的排气的流率；传感器，通过所述传感器可以确定气体再循环路径中的排气的参数；及控制器，其连接到所述传感器以接收所述参数并连接到所述间以调节所述阀的开启和关闭，从而确保冷却器中的排气以湍流方式流动以便去除所述冷却器中的沉积物。
7. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括附加冷却器，其包括壳体、第二冷却剂入口和第二冷却剂出口，所述壳体界定出 与第一导管连通的第二气体入口及与第二导管连通的第二气体出口，第二气体入口由 第二气体冷却通道连接到第二气体入口，第二冷却剂出口由第二冷却剂通道连接到第二冷却剂入口以允许冷却剂流过所述附加冷却器，第二冷却剂通道的位置适合于允许 热量从排气传递到冷却剂从而冷却排气。
8. 如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括 主阀，其用于控制通过气体再循环路径的总体流率；及 附加阀，其用于控制通过所述附加冷却器的流量。
9. 一种控制排气再循环系统中的污染物沉积的方法，所述排气再循环系统包括 具有冷却器的排气再循环回路，所述方法包括通过所述排气再循环回路引导排气的总体流量以总体流率从发动机的排气总成确定冷却器中的排气流的流率； 测量冷却器中的排气流的至少一个气流参数；及基于至少一个气流参数，控制冷却器中的排气流是湍流以控制冷却器中的沉积物。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，确定流率包括引导排气的总体流量 通过多个冷却器以及改变排气的总体流量在多个冷却器之间的百分比，其中多个冷却 器具有不同的尺寸从而包括较小的冷却器和较大的冷却器，其中在发动机以低转速运行时引导排气的总体流量仅通过较小的冷却器，在发动机以高转速运行时引导排气的 总体流量通过较小的冷却器和较大的冷却器两者。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制排气再循环冷却器中的污染物沉积的系统，该系统安装在车辆中并允许排气沿气体再循环路径从发动机的排气总成再循环到发动机的进气总成。该冷却器包括壳体，该壳体界定出通向内部气体冷却通道排气入口，内部气体冷却通道排气入口进而通向排气出口。控制器接收取决于流量的信号，进而调节通过冷却器的排气的流量以形成湍流以便控制冷却器中沉积物的产生。可以使用多个尺寸不同的冷却器，通过确定哪些冷却器应活跃来改变进入冷却器的单独排气流，同时仍保持湍流模式。本发明可以有效控制EGR冷却器中的污染物的累积而不必使用大型冷却器或升高再循环气体的温度。
文档编号B60K13/04GK101612886SQ20091014995
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月17日 优先权日2008年6月24日
发明者加文·皮尔森 申请人:福特环球技术公司