[发明专利]废气再循环系统和用于机车二冲程直流扫气柴油机的设备

说明书

技术领域

本申请是PCT专利申请，其要求2009年8月1日提交的序列号为61/230,698，题目为“Exhaust Gas Recirculation System for a Locomotive Two-Stroke Uniflow Scavenged Diesel Engine”的美国临时申请的权益，通过引用将其完整的公开文件纳入本文。

背景技术

本发明主要涉及一种机车柴油机，更具体地说，涉及一种用于机车柴油机的废气再循环(“EGR”)系统。本发明的EGR系统和设备可以被用在机车二冲程直流扫气柴油机中。

图1示出了机车100，该机车包括传统的直流扫气二冲程柴油机系统150。如图2a和图2b所示，图1的机车柴油机系统150包括传统的空气系统。同时参照图2a和图2b，机车柴油机系统150通常包括涡轮增压器200，该涡轮增压器具有压缩机202和涡轮204，该涡轮向发动机206提供压缩空气，发动机206具有气箱208、功率组件210、排气歧管212和曲轴箱214。在典型的机车柴油机系统150中，涡轮增压器200通过压缩和增加输送给发动机206的空气的量来增加发动机206的功率密度。

更明确地说，涡轮增压器200从大气216中吸入空气，空气利用传统的空气过滤器218进行过滤。经过滤的空气被压缩机202压缩。压缩机202由涡轮204提供动力，如下面将进一步详细讨论的。较大部分的压缩空气(或增压空气)被传送到后冷却器(或另外被称为热交换器、增压空气冷却器、或中冷器)220，在此处增压空气被冷却至所选择的温度。其它较小部分的压缩空气被传送至曲轴箱油气分离器222，其将发动机中的曲轴箱214排空；带走曲轴箱气体；在将曲轴箱气体和压缩空气的混合物释放到大气216中之前将夹带的曲轴箱油过滤掉。

来自后冷却器220的冷却的增压空气经过气箱208进入发动机206。增压空气进气温度的下降给发动机提供了密度更大的进气增压，这在改进燃料经济性的同时降低了NO_x排放。气箱208是单个封闭件，其将冷却的空气分配到多个缸体中。柴油机的燃烧循环包括被称为扫气和混合的过程。在扫气和混合过程期间，从气箱208的进气口至排气歧管212保持正压力梯度，从而使来自气箱208的冷却增压空气充满缸体并且将之前的燃烧循环产生的大部分废气排出。

更明确地说，在功率部件210内的扫气过程期间，冷却的增压空气进入受相关活塞和进气道控制的缸体的一端。冷却的增压空气与少量由上一循环残留的已燃烧气体混合。同时，大量的已燃烧气体经由四个排气阀从缸体的另一端排出并且作为废气进入排气歧管212。对这些扫气和混合过程的控制在降低排放以及实现所期望的燃料经济性水平方面是有帮助的。

由燃烧循环产生的废气经由排气歧管212从发动机206排出。从发动机206排出的废气流用于给涡轮增压器200的涡轮204提供动力，并且进而给涡轮增压器200的压缩机202提供动力。在给涡轮增压器200的涡轮204提供动力之后，废气经由排气管224或者消音器释放到大气216中。

发明内容

由机车柴油机释放到大气中的废气包括颗粒物、氧化氮(NO_x)和其他污染物。为降低可能释放到大气中的污染物的量，已经通过多项法规。已经提供了能降低这些污染物的传统系统，但是代价是损害燃料经济性。因此，本发明的目的是，提供一种减少由柴油机释放的污染物的量且同时能达到所希望的燃料经济性的系统。本发明的另一目的是，提供一种用于直流二冲程柴油机的EGR系统，其对上述扫气和混合过程进行管理以降低NO_x且同时实现所希望的燃料经济性。

如参照本发明的多个方面所描述的，通过使部分废气返回再次经过发动机进行循环，可以实现减少排放。再循环废气的主要组分包括N₂、CO₂和水蒸气，其通过稀释效应和热效应而影响燃烧过程。稀释效应是由进入空气中氧气浓度的降低引起的。热效应由增压的比热容增加所引起。

本发明EGR系统的各种实施例能够超过在行业中被称为环保局(EPA)Tier II(40CFR 92)和Tier III(40CFR 1033)NO_x排放要求，以及更苛刻的欧洲委员会(EURO)Tier IIIbNOx排放要求。这些各种各样的排放要求作为参考文件被在此引用并且成为本专利申请的一部分。