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CN110219754B - 排气再循环系统 - Google Patents

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CN110219754B
CN110219754B CN201910136873.8A CN201910136873A CN110219754B CN 110219754 B CN110219754 B CN 110219754B CN 201910136873 A CN201910136873 A CN 201910136873A CN 110219754 B CN110219754 B CN 110219754B
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fin
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Abstract

一种排气再循环系统，包括进气歧管、排气歧管、EGR冷却器、EGR排气导管和具有扩散器的EGR进气导管。进气歧管和排气歧管固定到发动机缸盖。进气和排气歧管各自与由发动机缸盖和发动机缸体限定的多个燃烧室流体连通。EGR冷却器包括EGR冷却器入口和EGR冷却器出口，其中EGR排气导管将排气歧管流体地联接到EGR冷却器入口。EGR进气导管包括第一端和第二端，其中第一端固定到EGR冷却器出口，第二端固定到进气歧管的进气通道。扩散器包括固定到第二端部并延伸到进气通道中的多个翅片。

Description

排气再循环系统
技术领域
本公开总体上涉及内燃系统，并且更具体地涉及用于内燃机的排气再循环(EGR)系统。
背景技术
内燃机将化学能从燃料转化为机械能。燃料可以是石油基(汽油或柴油)、天然气、其组合等。一些内燃机，例如汽油发动机，通过来自火花塞等的火花将空气-燃料混合物喷射到一个或多个气缸中用于点火。其它内燃机，例如柴油发动机，压缩气缸中的空气，然后将燃料喷射到气缸中，以点燃压缩空气。柴油发动机可以使用液压致动的电子控制单元喷射(HEUI)系统等来控制向气缸内的燃料喷射。点燃的燃料产生驱动气缸中的活塞的快速膨胀的气体。每个活塞通常连接到曲轴或类似装置上，用于将活塞的往复运动转换为旋转运动。来自曲轴的旋转运动可用于推进车辆，操作泵或发电机，或执行其它工作。车辆可以是卡车、汽车、船等。
许多内燃机在气缸中的燃烧过程中使用排气来减少氮氧化物(NOx)的产生。这些内燃机通常将排气的一部分与进气混合以在气缸中燃烧。排气通常将燃料的燃烧温度降低到氮与氧结合形成NOx的温度以下。
有多种方法用于在内燃机中将排气与进气混合。一些内燃机控制气缸中的排气阀和进气阀的打开和关闭。阀的打开和关闭可以捕获一些排气并将其从气缸推入进气歧管以与进气混合。其它内燃机使用排气再循环(EGR)系统来使离开气缸的排气的一部分转移，以便与进气混合到气缸。
当排气和进气混合时，排气在进气中的分散可能不均匀。不均匀的分散可以包括比进气中选定的排气浓度更高或更低的排气浓度的凹坑、区、区域或层。当排气进入进气气流的一侧时，分散可能更不均匀。可以降低进气中选定的排气浓度，以避免或减少不均匀分散对发动机运行的影响。内燃机可以在进气中更低的选定的排气浓度下产生更多的NOx。
因此，需要一种排气再循环系统，其更好地将排气与入口空气混合，同时还降低当空气进入进气歧管时的压降。
发明内容
本公开提供了一种排气再循环系统，该排气再循环系统将排气的一部分从该排气歧管转移到该发动机的进气歧管，同时将排气气流均匀地分散到该加压进气气流中以便在这些燃烧室中使用。本公开的排气再循环系统可以包括进气歧管、排气歧管、EGR冷却器、EGR排气导管和具有扩散器的EGR进气导管。进气歧管和排气歧管可以固定到发动机缸盖。进气和排气歧管可以各自与由发动机缸盖和发动机缸体限定的多个燃烧室流体连通。该EGR冷却器配置成用于降低该排气气流的温度。EGR冷却器包括EGR冷却器入口和EGR冷却器出口，其中EGR排气导管将排气歧管流体地联接到EGR冷却器入口。EGR进气导管包括第一端和第二端，其中第一端固定到EGR冷却器出口，第二端固定到进气歧管的进气通道。扩散器包括固定到第二端部并延伸到进气通道中的多个翅片。
所述多个翅片中的每个翅片限定多个孔，其中所述多个孔中的每个孔配置成允许排气气流穿过翅片到达相邻的翅片。多个翅片包括内部翅片和外部翅片。该内部翅片配置成与该多个翅片中的至少一个其他翅片接合并且将排气气流分散到该进气通道上的扩散器区域。外部翅片是多个翅片中的最外面的翅片，其进一步将来自至少相邻翅片的排气气流分散到扩散器区域。
中间翅片可设置在内部翅片和外部翅片之间。可以理解，在内部翅片和外部翅片之间可以实施多于一个的中间翅片。中间翅片、内部翅片和外部翅片都可以由一片材料形成。所述多个翅片可通过冲压或铸造工艺制造，使得所述多个翅片中的每个翅片如图所示彼此成一体。可替代地，多个翅片可以通过连接构件彼此焊接。
本公开还提供了一种具有改进的EGR系统的车辆发动机。该车辆发动机包括发动机缸体、发动机缸盖、进气歧管、排气歧管、EGR冷却器、EGR排气导管和EGR进气导管。发动机缸体和发动机缸盖限定了多个燃烧室，其中发动机缸盖固定到发动机缸体。进气歧管和排气歧管可以固定到发动机缸盖，使得进气歧管和排气歧管各自与多个燃烧室流体连通。该EGR冷却器配置成降低该排气气流的温度并且包括EGR冷却器入口和EGR冷却器出口。EGR排气导管配置成将排气歧管流体地联接到EGR冷却器入口。EGR进气导管包括第一端和第二端，其中EGR进气导管的第一端可以固定到EGR冷却器出口，EGR进气导管的第二端可以固定到进气歧管的进气通道。EGR进气导管还包括固定到第二端部的多个翅片，其延伸到进气通道中。
所述多个翅片中的每个翅片限定多个孔，所述多个孔配置成分散所述排气气流并且使得排气气流能够移动通过一个翅片并且到达相邻的翅片。应当理解，多个翅片包括内部翅片和外部翅片。该内部翅片配置成与该多个翅片中的至少一个其他翅片接合并且将排气气流分散到该进气通道上的扩散器区域。该外部翅片可以配置成进一步将来自该多个翅片中的至少一个其他翅片的排气气流分散至该扩散器区域。中间翅片可设置在内部翅片和外部翅片之间。
从以下参考附图的详细描述中，本公开及其特定特征和优点将变得更加明显。
附图说明
从以下详细描述、最佳模式、权利要求书和附图中，本公开的这些和其它特征和优点将是显而易见的，其中：
图1是具有排气再循环(EGR)系统的车辆发动机的示意图。
图2是根据本公开的各种实施例的示例性非限制性进气歧管的侧视图。
图3是图2的进气歧管的进气通道的示例性非限制性放大侧视图。
图4A是可以根据本公开的各种实施例使用的一件式EGR扩散器的示例性非限制性等距视图。
图4B是固定到配件上的图4A中示例性EGR扩散器的前视图。
图5是根据本公开的各种实施例可以使用的焊接的多件式EGR扩散器的示例性非限制性俯视图。
在对附图的多个视图的描述中，相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的目前优选的组合物、实施方案和方法，其构成本发明人目前已知的本公开的最佳实施方式。附图不一定按比例绘制。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，其可以以各种和可替换的形式实施。因此，本文公开的具体细节不应解释为限制性的，而仅作为本公开的任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。
除了在实施例中，或在另外明确地指出的情况下，本说明书中指示物质的量或反应和/或使用的条件的所有数值量应理解为在描述本公开的最宽范围时词语“约”修饰。在所述数值范围内的实践通常是优选的。此外，除非有相反的明确说明：百分比、“份”、和比值以重量计；与本公开内容相关的适合或优选用于给定目的的材料的组或类别的描述意味着该组或类别的任何两种或更多种成员的混合物同样适合或优选；首字母缩略词或其它缩略词的第一定义适用于本文中相同的缩略词的所有后续用途，并且经过必要的修改适用于最初定义的缩略词的正常语法变体；并且，除非有相反的明确说明，否则特性的测量是通过与先前或稍后针对相同特性所引用的相同技术来确定的。
还应当理解，本公开不限于下面描述的具体实施方案和方法，因为具体的组分和/或条件当然可以变化。此外，在此使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例的目的，并且不旨在以任何方式进行限制。
还必须注意，如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外清楚地指示。例如，以单数形式提及的组件旨在包括多个组件。
术语“包括”与“包含”、“具有”、“含有”或“其特征在于”同义。这些术语是包含性的和开放式的，并且不排除另外的、未列举的元件或方法步骤。
短语“由...组成”包括在权利要求中未指定的任何元件、步骤或成分。当该短语出现在权利要求的主体的条款中，而不是紧跟在前序之后时，它只限制在该条款中阐述的元件；其它元件不排除在作为整体的权利要求之外。
短语“基本上由...组成”将权利要求的范围限制为特定的材料或步骤，以及不实质上影响所要求保护的主题的基本和新颖特征的材料或步骤。
术语“包括”、“由...组成”和“基本上由...组成”可以替代地使用。在使用这三个术语中的一个的情况下，当前公开的和要求保护的主题可以包括使用其它两个术语中的任何一个。
在本申请中，在引用出版物的情况下，这些出版物的全部公开内容通过引用结合到本申请中，以更充分地描述本公开涉及的现有技术的状态。
现在参见图1，本公开的排气再循环(EGR)系统将排气的一部分从排气歧管14转移到发动机60的进气歧管12，同时将排气气流48均匀地分散到穿过进气通道的扩散器区域52(图2和图3)的进气气流54中。扩散器区域52是进气通道36的包括并围绕扩散器41的部分。因此，现在参考图1，本公开的示例性非限制性排气再循环系统10包括进气歧管12、排气歧管14、EGR冷却器22、EGR排气导管28和具有扩散器41的EGR进气导管30。
如图1所示，进气歧管12和排气歧管14固定到发动机缸盖16。进气和排气歧管12、14均与由发动机缸盖16和发动机缸体20限定的多个燃烧室18流体连通。排气再循环系统10的EGR冷却器22包括EGR冷却器入口24和EGR冷却器出口26。用于排气再循环系统的EGR冷却器22配置成在排气气流进入进气通道之前降低排气气流的温度。如图1所示，EGR排气导管28将排气歧管14流体地联接到EGR冷却器入口24。EGR进气导管30包括第一端32和第二端34，其中第一端32固定在EGR冷却器出口26上，第二端34固定在进气歧管12的进气通道36上。扩散器41包括固定到第二端34并延伸到进气通道36中的多个翅片38。
排气歧管14可以是位于气缸上方并固定到发动机缸盖16上的蓄积室，其聚集用于从车辆排出的排气。进气歧管12可以是气缸上方并固定到发动机缸盖16的另一腔室，发动机缸盖16保持用于气缸的燃烧气体。燃烧气体72可以是所有的进气或进气54和排气48的组合，这取决于发送到EGR控制阀(或节流阀)64的控制信号。在发动机运行期间，燃烧气体72中的排气48的量可以根据发动机的控制系统而变化。
现在参见图2和图3，本公开的扩散器41延伸到进气通道36中并且配置成在整个进气气流54上均匀地分配热排气48，使得燃烧气体72可以具有通过进气气流54的排气48的均匀分配。本公开的扩散器41由多个翅片38形成，如图3所示的扩散器轴线62基本上与如图3所示的进气气流54的流动路径对准。即，每个翅片39的宽表面86基本上平行于进气气流54，如图3所示。因此，当进气气流54经过并通过扩散器41时，进气气流54不会中断，同时排气气流48也分散在整个进气气流54中。此外，如图2和图3所示，进气通道36可由进气歧管12限定，使得进气通道36与进气歧管12成一体。或者，进气通道36可以是固定到进气歧管12上的单独部件，如图2和图3中的虚线所示。
现在参见图4A和图5，多个翅片38中的每个翅片39限定多个孔40，其中多个孔40中的每个孔40配置成允许排气气流48通过翅片39到达相邻的翅片88。在排气气流48移动通过翅片39中的孔40之后，排气气流48随后与相邻的翅片88接合，使得排气气流48随后被相邻的翅片88分散到穿过扩散器区域52并穿过下一个外部翅片39的孔的进气气流54。如图所示，每个翅片39中的孔40可以偏离相邻翅片中的孔40。此外，如图所示，多个翅片38包括内部翅片44和外部翅片46。内部翅片44配置成最初与多个翅片38中的至少一个其他翅片39接合并且将排气气流48分散到穿过进气通道36的扩散器区域52。外部翅片46是多个翅片38中的最外面的翅片，其进一步将排气气流48从至少相邻的翅片39分散到扩散器区域52。
现在参考图4A-5，中间翅片56可以设置在内部翅片44和外部翅片46之间。虽然图4A-5示出了中间翅片56，但是应当理解，可以在内部翅片44和外部翅片46之间实现多于一个的中间翅片56。如图4A和图4B所示，中间翅片56、内部翅片44和外部翅片46都可以由一片材料形成。多个翅片38可以通过冲压或铸造工艺制造，使得多个翅片38中的每个翅片39如图所示彼此成一体。可替换地，多个翅片38可以通过如图5所示的连接构件彼此焊接。
多个翅片38提供开放的结构，使得进气气流容易地通过扩散器，从而减小扩散器上的压降。因此，上游压力(扩散器的上游)基本上与下游压力(扩散器的下游)相同。在扩散器下游的区域中，假定进气歧管12开口在扩散器下游的区域中逐渐增大，则混合气流的速度可以与扩散器上游的进气气流54的速度基本相同。此外，扩散器的开放结构不会破坏进气气流，因此，当进气气流通过扩散器时，基本上保持了进气气流的速度。如已知的，流体速度与压力成反比，并且假定流体速度保持在扩散器的前部和后部，上游压力和下游压力基本上相同，使得当进气气流通过扩散器时经历减小的压降。
如图所示，进气导管通常可具有小直径。该相对较小的直径增加了进气的速度，从而在扩散器的区域中存在相对较低的压力。假设来自EGR进气导管30的排气可以具有比进气压力更高的压力，扩散器区域52中的相对较低的压力因此增加了可以进入进气导管的排气的量。
因此，本公开的扩散器将排气气流48与进气气流54均匀地混合而不中断进气气流的速度和压力。因此，燃烧气体(由进气和排气的混合物形成)具有排气在进气中的基本均匀的分散。排气在送到气缸的燃烧气体中的均匀分散确保燃烧发动机产生的NOx水平处于或低于目标水平。
返回参见图1中的示意图，本公开还提供了具有改进的EGR系统10的车辆发动机60。车辆发动机60包括发动机缸体20、发动机缸盖16、进气歧管12、排气歧管14、用于EGR的EGR冷却器22、EGR排气导管28和EGR进气导管30。发动机缸体20和发动机缸盖16限定了多个燃烧室18，其中发动机缸盖16固定到发动机缸体20。进气歧管12和排气歧管14可固定到发动机缸盖16，使得进气和排气歧管14均与多个燃烧室18流体连通。EGR冷却器22配置成降低排气气流48的温度并且包括EGR冷却器入口24和EGR冷却器出口26。EGR排气导管28配置成将排气歧管14流体地联接到EGR冷却器入口24。EGR进气导管30包括第一端32和第二端34，其中EGR进气导管30的第一端32可以固定到EGR冷却器出口26，EGR进气导管30的第二端34可以固定到进气歧管12的进气通道36。EGR进气导管30还包括固定到第二端34的多个翅片38，翅片38延伸到进气通道36中。多个翅片38在此也可称为扩散器。
如图4A和图5所示，多个翅片38中的每个翅片39限定多个孔40，所述孔40配置成分散如图4B和图5所示的排气气流48。具有多个孔40的多个翅片38配置成将排气气流48分散到交叉的进气气流54中。多个孔40使得排气气流48能够移动通过一个翅片68并到达相邻的翅片70(图4B)。参照图4A-5，可以理解，多个翅片38包括内部翅片44和外部翅片46。内部翅片44配置成与多个翅片38中的至少一个其他翅片50(见图4B和图5)接合，并且将排气气流48分散到进气通道36中的扩散器区域52(图2和图3)。外部翅片46可配置成进一步将排气气流48从多个翅片38中的至少一个其它翅片57、50分散到扩散器区域52。中间翅片56可以设置在内部翅片44和外部翅片46之间。
如图1所示，本公开的车辆发动机以及本公开的所有实施例包括将排气歧管流体地联接到EGR冷却器22上的EGR排气导管28。EGR排气导管28可以是由气缸盖或其他发动机部件形成的通道，气缸盖外部的管道或管，其组合等。虽然在图1中未示出，但是也可以利用EGR冷却器22来实现气体捕集器，其中该气体捕集器配置成用于从排气中去除微粒。EGR冷却器22可以是热交换器或其它用于从排气中除去热量的装置。EGR冷却器22可以使用来自发动机冷却系统、单独的冷却系统或其组合的冷却剂。本公开的所有实施例还可以任选地具有压力测量装置(未示出)以测量穿过该EGR导管的排气流量。
本公开的车辆发动机和EGR系统10可以但不必具有布置在EGR冷却器22的下游和进气通道36的上游的节流阀或阀(在图1中示出)。发动机控制器或另一微处理器(未示出)可启动控制阀(或节流阀)以调节朝向进气歧管12的排气流量，从而在进气中实现选定的排气浓度。选定的排气浓度可以在发动机运行期间变化。仅当排气的压力高于进气的压力时控制阀/节流阀。
因此，本公开的所有实施例包括由多个翅片38形成的扩散器，这些翅片布置在EGR进气导管30与为这些气缸供应进气的进气通道36的连接处。多个翅片38围绕扩散器轴62布置，其中每个翅片39具有变化的宽度，如图4B所示。内部翅片44可以具有最短的宽度，而外部翅片46具有最大的宽度。应当理解，外翅片46的宽度可以但不一定落入进气通道36的直径的60％至95％的范围内。
应理解的是，所有实施例的EGR进气导管30可以进一步包括任选的凸缘或配件，如图4B中所示。图4B中所示的凸缘或配件可以将EGR进气通道36联接到该进气通道上。在不使用凸缘或配件的情况下，EGR进气通道36可以直接焊接到该进气通道上。参照设置在EGR进气导管30的第二端34处的扩散器。扩散器可以但不是必须焊接到凸缘/配件58上，如图4B所示。可替代地，该扩散器可以在该EGR进气导管30与该入口的接合处直接焊接到该入口上，或者该扩散器可以直接焊接到该EGR进气导管30上。
如图2和图3所示，进气通道36可以由进气歧管12限定，或者进气通道36可以由将压缩机联接到进气歧管12的进气导管(管道或软管)限定。进气导管可以连接到对扩散器上游的进气加压的压缩机的输出。本公开的扩散器将来自EGR进气导管30的排气与来自进气气流54组合以形成用于这些燃烧气缸的燃烧气体。如所指出的，在发动机运行过程中，当排气的压力大于进气气流54的压力时，EGR节流阀/控制阀可以但不一定允许特定量的排气流入进气气流54。进气压力可以变化，特别是当使用涡轮增压器时。
详细描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开或者本公开的应用和使用。此外，不希望受到在前面的详细描述中提出的任何理论的限制。

Claims (7)

1.一种排气再循环系统，包括：
进气歧管和排气歧管，其固定到发动机缸盖上并且各自与由所述发动机缸盖和发动机缸体限定的多个燃烧室流体连通；
EGR冷却器，其具有EGR冷却器入口和EGR冷却器出口；
EGR排气导管，其配置成用于将所述排气歧管流体地联接到所述EGR冷却器入口；以及
EGR进气导管，其具有第一端和第二端，所述EGR进气导管的所述第一端固定到所述EGR冷却器出口上并且所述EGR进气导管的所述第二端固定到用于所述进气歧管的进气通道上，所述EGR进气导管进一步包括固定到所述第二端上并且延伸到所述进气通道中的多个翅片；其中，
所述多个翅片包括内部翅片和外部翅片，并且所述内部翅片配置成与所述多个翅片中的至少一个其他翅片接合并且将排气气流分散到所述进气通道上的扩散器区域；所述内部翅片和外部翅片各自限定至少一个弧形表面，所述内部翅片和外部翅片彼此互相间隔开且通过连接部互相连接在一起以成一体，从而在所述多个翅片之间限定出供进气气流垂直穿过的多个开放通道，以减小进气气流在多个翅片所形成的扩散器上的压降。
2.如权利要求1所述的排气再循环系统，其中，所述多个翅片中的每个翅片限定多个孔。
3.如权利要求2所述的排气再循环系统，其中，所述外部翅片配置成进一步将来自所述多个翅片中的所述至少一个其他翅片的所述排气气流分散至所述扩散器区域。
4.如权利要求3所述的排气再循环系统，进一步包括设置在所述内部翅片和所述外部翅片之间的中间翅片，并且，所述内部翅片、外部翅片以及中间翅片由一片材料形成。
5.如权利要求4所述的排气再循环系统，其中，所述多个孔中的每个孔配置成允许所述排气气流穿过所述多个孔中的翅片到达相邻的翅片，从而分散所述排气气流。
6.一种车辆发动机，包括：
发动机缸体，其限定多个燃烧室；
发动机缸盖，其固定到所述发动机缸体；
进气歧管和排气歧管，其固定到所述发动机缸盖上并且各自与所述多个燃烧室流体连通；
EGR冷却器，其具有EGR冷却器入口和EGR冷却器出口；
EGR排气导管，其配置成用于将所述排气歧管流体地联接到所述EGR冷却器入口；以及
EGR进气导管，其具有第一端和第二端，所述EGR进气导管的所述第一端固定到所述EGR冷却器出口上并且所述EGR进气导管的所述第二端固定到用于所述进气歧管的进气通道上，所述EGR进气导管进一步包括固定到所述第二端上并且延伸到所述进气通道中的多个翅片；其中，
所述多个翅片包括内部翅片和外部翅片，并且所述内部翅片配置成与所述多个翅片中的至少一个其他翅片接合并且将排气气流分散到所述进气通道上的扩散器区域；所述内部翅片和外部翅片各自限定至少一个弧形表面，并且，所述内部翅片和外部翅片彼此互相间隔开且通过连接部互相连接在一起以成一体，从而在所述多个翅片之间限定出供进气气流垂直穿过的多个开放通道，以减小进气气流在多个翅片所形成的扩散器上的压降。
7.如权利要求6所述的车辆发动机，其中，所述多个翅片中的每个翅片限定多个孔。
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