CN202300717U - 用于高增压发动机系统的egr混合器 - Google Patents
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Abstract
一种用于高增压发动机系统的EGR混合器，包括：在通过所述混合器的气流方向上具有缩小的流动面积的上游管道区段；在通过所述混合器的气流方向上具有扩大的流动面积的下游管道区段；形成在所述下游管道区段中用于允许排气进入所述气流的槽；以及布置在所述上游和下游管道区段之间的流动急剧扩大脊部。通过以这种方式构造的EGR混合器，再循环排气可以被有效地以降低的阻力均质化在进气流中。
Description
技术领域
本申请涉及机动车工程领域，更具体地说，本申请涉及机动车发动机系统中的排气再循环。
背景技术
增压发动机可能表现出比同等输出功率的自然吸气发动机更高的燃烧和排气温度。这种更高温度会增加氮氧化物(NOX)排放并导致发动机和相关排气系统中的材料加速老化。排气再循环(EGR)是抗击这种影响的一个途径。EGR策略通过利用排气稀释进气量来降低进气量的氧含量。当使用被稀释的空气排气混合物代替普通空气来支持发动机中的燃烧时，导致低的燃烧和排气温度。EGR通过降低节流损失和热损耗还提高了汽油发动机的燃料经济性。
在装备有涡轮增压器压缩机和涡轮的增压发动机系统中，排气可以通过高压(HP)EGR环路或低压(LP)EGR而再循环。在HP EGR环路中，排气被从涡轮的上游吸入并与压缩机下游的进气混合。在LP EGR环路中，排气被从涡轮的下游吸入并与压缩机上游的进气混合。HP和LP EGR策略在发动机的负载转速图的不同区域实现最佳功效。例如，在以化学计算的空气燃料比运行的增压汽油发动机上，在低负载下期望HP EGR，其中进气真空提供足够的流动势。在较高负载下期望LP EGR，其中LP EGR环路提供更大的流动势。还存在在这两种策略之间的其他各种折中方案，既用于汽油发动机又用于柴油发动机。这种互补性已经促使发动机设计者考虑既具有HP EGR环路又具有LP EGR环路的EGR系统。
为了能够适当地控制EGR稀释水平并保护燃烧稳定性，再循环排气利用例如EGR混合器与进气量均质化。然而，一些EGR混合器受到一方面有效均质化和另一方面过度气流限制之间的折衷的影响。换言之，提供有效均质化的流动元素也导致进气流阻力，这降低了总体效率。相反，呈现最小阻力的EGR混合器可能不会在每个混合点和操作条件都提供足够 的均质化作用。在例如美国专利7,568,340中描述的EGR混合器可以呈现较小的进气流限制。然而，该混合器被构造成在LP EGR环路中使用，其中长流动路径和压缩机作用提供了进一步均质化，由此降低了混合器所需的性能。
实用新型内容
这里，发明人已经认识到这些问题并且已经设计了一系列方案来解决这些问题。因此，该公开的一个实施方式提供了一种EGR混合器，所述EGR混合器包括：在通过所述混合器的气流方向上具有缩小的流动面积的上游管道区段；在通过所述混合器的气流方向上具有扩大的流动面积的下游管道区段；形成在所述下游管道区段中用于允许排气进入所述气流的槽；以及布置在所述上游管道区域和所述下游管道区段之间的流动急剧扩大脊部。通过以这种方式构造的EGR混合器，再循环排气可以以减小的阻力有效地在进气流中均质化。例如，所述上游管道区段和所述下游管道区段可以使得能够被吸入到气流中的EGR流增加，其中急剧基部操作以增加EGR在气流中的混合。
根据本实用新型的一个实施例，所述EGR混合器还包括围绕所述上游管道区段和/或所述下游管道区段周向地布置的排气室，其中所述上游管道区段和所述下游管道区段一起限定了管道内部，并且其中所述槽将所述排气室联接至所述管道内部。
根据本实用新型的一个实施例，其中所述槽是椭圆形的。
根据本实用新型的另一个实施例，其中所述槽是围绕所述上游管道区段和/或所述下游管道区段周向地布置的多个槽中的一个。
根据本实用新型的又一个实施例，其中所述下游管道区段的流动面积大于所述上游管道区段的流动面积。
根据本实用新型的又一个实施例，其中所述下游管道区段的流动面积在所述流动急剧扩大脊部处扩大至所述上游管道区段的流动面积。
根据本实用新型的又一个实施例，其中所述下游管道区段的流动面积在所述流动急剧扩大脊部扩大1％至10％。
根据本实用新型的又一个实施例，其中所述流动急剧扩大脊部限定一平面。
根据本实用新型的又一个实施例，其中通过所述混合器的流动面积在 所述平面上最小。
根据本实用新型的又一个实施例，其中在所述上游管道区段中通过所述混合器的流动面积在所述流动急剧扩大脊部处比在所述上游管道区段的上游端处低55％至65％。
应该理解的是，提供上述发明内容是为了以简化形式引入在具体实施方式中进一步描述的概念的片段。其并不意味着识别所要求保护的主题内容的关键或重要特征，其范围单独地由所附的权利要求来限定。而且，所要求保护的主题内容并不限于解决上述任何缺点或在本公开的任何部分中的实施方案。
附图说明
图1和图2示意性地示出了根据本公开的实施方式的示例发动机系统的方面。
图3和图4示出了根据本公开的实施方式的示例EGR混合器的方面。
具体实施方式
现在参照以上所列的图示实施方式举例说明本公开的主题内容。在一个或更多个实施方式中可能基本相同的部件、工艺步骤和其他元件同等地标识并且最少重复地进行描述。然而，应注意，同等地标识的元件也可能某种程度地不同。
图1示意性地示出了在一个实施方式中的示例发动机系统10的方面。在发动机系统10中，空气滤清器12联接至压缩机14的入口。空气滤清器从周围环境将新鲜空气引入并将过滤后的新鲜空气供给到压缩机。压缩机可以是任何适当的进气压缩机，例如马达或驱动轴驱动的增压器压缩机。然而，在图1中所示的实施方式中，所述压缩机是机械地联接至涡轮16的涡轮增压器压缩机，通过使来自排气歧管18的发动机排气膨胀来驱动涡轮。排泄阀20横跨压缩机从出口联接至入口。当所述排泄阀打开时，压缩机下游的压缩空气量的一部分或全部可以排放到压缩机的轨迹上游。例如，可以采取该行动防止或减轻压缩机喘振。在一个实施方式中，压缩机14和涡轮16可以联接在双涡旋涡轮增压器内。在另一个实施方式中，压缩机和涡轮可以联接在可变截面涡轮增压器(VGT)内，其中涡轮截面根据发动机转速主动地变化。在又一个实施方式中，压缩机的排泄阀可以 联接在发动机系统的不同轨迹之间。
在发动机系统10中，压缩机14的出口联接至增压空气冷却器(CAC)22A。在一个实施方式中，CAC是气液热交换器，所述气液热交换器被构造成将压缩空气量冷却到适合于进入进气歧管24内的温度。为此，CAC可以通过闭合环路循环液体发动机冷却剂，该闭合环路还包含发动机气缸套和散热器。来自压缩空气量的过多热可以被吸收到发动机冷却剂中。在另一个实施方式中，CAC可以是空气-空气热交换器。通过节气门26和EGR混合器28(参见下文)，CAC的出口联接至进气歧管。
进气歧管24和排气歧管18通过一系列进气门32和排气门34分别联接至一系列燃烧室30。在一个实施方式中，每个进气门和排气门都可被电致动。在另一个实施方式中，每个进气门和排气门都可以被凸轮致动。无论是电致动还是凸轮致动，都可以根据期望的燃烧和排放控制性能需要调节进气门和排气门的打开和关闭的正时。具体地说，气门正时可以被调节成使得在一个或更多个的燃烧室内仍然存在来自先前燃烧的相当大的量的排气时开始燃烧。这种被调节的气门正时可以使得“内部EGR”模式能够用于在选定操作条件下降低峰值燃烧温度。在一些实施方式中，除了在下文描述的“外部EGR”模式之外，也可以使用被调节的气门正时。
图1示出了电子控制系统36。在其中发动机系统10的进气门或排气门被构造成根据可调正时打开和关闭时，该可调正时可以通过电子控制系统来控制以调节在点火时在燃烧室内存在的排气量。为了连同发动机的各种控制功能一起评估操作条件，电子控制系统可以操作地联接至布置在发动机系统中的多个传感器一流量传感器、温度传感器、踏板位置传感器、压力传感器等。
在燃烧室30中，可以在任意变型中通过火花点火和/或压缩点火开始燃烧。另外，燃烧室可以被供给多种燃料中的任意一种：汽油、酒精、柴油、生物柴油、压缩天然气等。燃料可以通过直接喷射、气口喷射、节气体喷射或者这些喷射的任意组合供应给燃烧室。
继续在图1中，HP EGR冷却器38A联接至排气歧管18的下游和涡轮16的上游。HP EGR冷却器是气液热交换器，该气液热交换器被构造成将排气冷却到适合于混合在压缩空气量中的温度。为此，HP EGR冷却器可以使液体冷却剂通过还包括散热器的闭合环路循环。来自排气的过多 的热可以被吸收到液体冷却剂中。从HP EGR冷却器，HP排气通过计量阀40流到EGR混合器28。更一般地说，用于控制HP EGR流量的计量阀可以位于HP EGR冷却器的上游或下游。另外，可以包括冷却器旁路管线和阀以提供不与冷却剂交换热的并行HP EGR环路。旁路管线可以供基本未被冷却的HP排气流动到进气歧管。如下文进一步描述的，EGR混合器28将计量的排气混合到进气量中。被稀释的空气量从EGR混合器的出口流到进气歧管24。
发动机系统10包括废气门42，该废气门42横跨涡轮16从入口联接至出口。当期望减小涡轮扭矩时，来自排气歧管18的一些排气可以绕过涡轮直接通过废气门。来自涡轮和废气门的组合流动然后流过排气后处理装置44、46、48。排气后处理装置的特性、数量和布置在本公开的不同实施方式中可能不同。通常，排气后处理装置可以包括被构造成用于对排气进行催化处理的至少一个催化器，由此降低排气流中的一种或更多种物质的量。一个催化器可以被构造成当排气流贫乏时从排气流捕获NOX，并且在排气流富裕时减少被捕获的NOX。在其它实施例中，催化器可以被构造成在还原剂的帮助下歧化NOX或选择性地还原NOX。在其它实施例中，催化器可以被构造成氧化排气流中的残余碳氢化合物和/或一氧化碳。另外，排气后处理装置中的至少一个可以包括起然催化器和/或三元催化器。具有任何这种功能的不同催化器都可以分开或一起地布置在排气后处理装置中罩面层或其他位置。排气后处理装置还可以包括可再生煤烟过滤器，该过滤器被构造成捕获并氧化排气流中的煤烟颗粒。
继续参照图1，消音器50联接至在排气后处理装置的下游。来自排气后处理装置的处理过的排气流的全部或部分可以经由消音器释放到周围环境中。然而，根据操作条件，一些处理过的排气可以转而通过LP EGR冷却器38B吸入。LP EGR冷却器是气液热交换器，该气液热交换器被构造成将排气冷却至适合于混合到进气流中的温度。为此，LE EGR冷却器可以使液体冷却剂循环通过还包括散热器的闭合环路。来自排气的过多热可以被吸收到液体冷却剂中。在另一个实施方式中，LP EGR冷却器可以是气体-空气热交换器。联接在LP EGR冷却器下游和压缩机14上游的计量阀52控制LP排气通过发动机系统的LP EGR环路的流量。从计量阀52开始，LP排气流动到压缩机的入口。
排泄阀20、节流阀26、计量阀40和52以及废气门42中的一个或更 多个可以是电控的，并被构造成在电子控制系统36的指令下打开和关闭。另外，这些阀中的一个或多个阀可以被连续地调节。电子控制系统可以操作地联接至任意或所有电控阀并被构造成按照需要控制这些阀的打开、关闭和/或调节，以进行这里所描述的控制功能。
通过适当地控制计量阀40和52，并通过调节排气门和进气门正时(参见上文)，电子控制系统36可以使得发动机系统10能够在变化操作条件下将进气输送至燃烧室30。这些操作条件包括其中EGR从进气省略或设置在每个燃烧室内部的条件、其中EGR从涡轮16上游的起飞点吸入并输送至压缩机14下游的混合点(HP EGR)的条件以及其中EGR从涡轮下游的起飞点吸入并被输送至压缩机上游的混合点(LP EGR)的条件。
在发动机系统中使能多个EGR模式提供若干个优点。例如，被冷却的LP EGR可用于低速操作。这里，流过压缩机的EGR流使操作点从喘振线离开。涡轮功率得以保留，因为EGR在涡轮的下游吸入。另一方面，被冷却的HP EGR可用于中高速操作。在这种条件下，其中废气门34可以至少部分地打开，从涡轮上游吸入EGR不会降低涡轮增压器性能，并且由于没有EGR通过压缩机吸入，阻塞线和超速线之间的操作裕量可以得到保留。
应理解的是，图1的任何方面都不是限制性的。具体地说，在本公开的不同实施方式中，用于HP和LP EGR的起飞点和混合点可以不同。例如，尽管图1示出了LP EGR被从排气后处理装置44的下游吸入，但LPEGR在其他实施方式中可以从排气后处理装置48的下游或排气后后处理装置44的上游吸入。另外一些实施方式可以没有LP EGR冷却器或LP EGR环路。其他别的实施方式可以没有HP EGR环路。在其他一些实施方式中，EGR混合器可以联接在LP EGR环路中。
图2示意性地示出了在一个实施方式中的另一个示例发动机系统54的方面。与发动机系统10类似，发动机系统54包括HP EGR环路和LP EGR环路。在发动机系统54中，然而，HP和LP EGR环路的一些元件共用。
发动机系统54包括高温(HT)EGR冷却器38C。HT EGR冷却器可以是被构造成用于冷却HP或LP排气流以用于期望燃烧和排放控制性能的任何合适的热交换器。在HP和LP EGR环路之间共用，HT EGR冷却器的尺寸大小可以为LP EGR环路提供适当的冷却。EGR选择阀56联接在HT EGR冷却器的上游。在一个实施方式中，EGR选择阀可以是双态阀， 其中在第一状态下，阀允许后涡轮排气流到HT EGR冷却器，但阻挡前涡轮排气流到HT EGR冷却器；在第二状态下，阀阻挡后涡轮排气流到HTEGR冷却器，但允许前涡轮排气流到HT EGR冷却器。在一个实施方式中，EGR选择阀可以具有双孔蝴蝶结构。
从HT EGR冷却器38C开始，被冷却的排气流被容许进入EGR导向阀58。EGR导向阀可以使得能够进行流动计量和流动选择，其中被冷却的排气被计算和传送至HP EGR混合点或LP EGR混合点。在图2中所示的实施方式中，EGR导向阀计量被冷却的排气流并将起传送至CAC/EGR冷却器22B(HP混合点)或传送回至压缩机14的入口(LP混合点)。在一个实施方式中，EGR导向阀可以是通过电马达致动的滑动活塞或线性滑柱型阀。这里，基本为柱形的活塞可以在具有适当密封件的柱形阀体中滑动。在一些实施方式中，阀或相关阀致动器中的位置反馈会使得能够进行闭环流动控制。
CAC/EGR冷却器22B可以是被构造成用于将压缩空气量冷却至适合于进入进气歧管24的温度的任何合适的热交换器。具体地说，CAC/EGR冷却器可以为HP EGR环路执行二级冷却。CAC/EGR冷却器可以被构造成通过例如循环低温冷却剂而将排气冷却到比HT EGR冷却器48更低的温度，这是因为HP EGR环路中的水蒸气的凝结对压缩机系统没有任何危险。从CAC/EGR冷却器开始，被冷却的稀释空气量流到进气歧管。
在图2的示例构造中，HP和LP EGR环路共用EGR选择阀56和EGR导向阀58之间的公共流路。因此联接在该流动环路中的公共流量传感器可以为两个环路提供EGR流量测量。因而，发动机系统54包括联接至HT EGR冷却器38C的下游和EGR导向阀58的上游的流量传感器60。该流量传感器可以包括例如操作地联接至电子控制系统36的热丝流速计、德尔塔压力孔口或文氏管。HP和LP EGR环路之间的至少一些部件的共用(双重使用)产生了一些优点。在发动机系统54中，共用的EGR部件包括HT EGR冷却器38C、EGR流量传感器60、EGR选择和控制阀以及在它们之间延伸的部分管道。将这些部件构造成共用而不是重复，可以实现发动机系统的成本和重量的显著节省。另外，与其中所有EGR部件重复地设置的构造相比，共用构造可以减少发动机系统内的拥挤现象。而且，当仅单个传感器需要被讯问以为HP和LP EGR环路测量EGR流量时可以简化EGR计量的闭环控制。
为了示出另一个优点，将注意到发动机系统54和电子控制系统36可以被进一步构造成用于附加的操作模式，其中EGR通过这里描述的模式的组合或混合来提供。例如，通过适当地定位EGR导向阀58和EGR选择阀56，再循环的排气可以从HP起飞点传送至LP混合点。该策略在一些操作条件下可以是期望的，以例如避免第一压缩机14发生喘振或增强EGR流。
图3以剖面图示出了一个实施方式中的EGR混合器28的方面。该图是略微示意图并且并不一定是按比例绘制的。图4示出了EGR混合器的实施方式的剖切透视图。该图基于EGR混合器的模型并且是按比例绘制的。EGR混合器28包括：上游管道区段62，其具有在通过混合器的气流方向上缩小的流动面积；以及下游管道区段64，其具有在通过混合器的气流方向上扩大的流动面积。上游和下游管道区段一起限定的管道内部。
如图3所示，管道内部呈现了正交于通过混合器的气流方向的变化横截面流动面积。在图示的实施方式中，通过混合器的流动面积从上游管道的上游端到流动急剧扩大脊部逐渐缩小。例如，上游管道区段的流动面积在流动急剧扩大脊部处比在该上游管道区段的上游端处低55％至65％。然而，应该理解，这里所引用的数字值和范围仅仅是示例而已，同样可以设想其他值和范围。另外，通过混合器的流动面积可以从流动急剧扩大脊部到下游管道区段的下游端逐渐扩大。例如，下游管道区段的流动面积在下游管道区段的下游端处可以比流动急剧扩大脊部大50％至60％。因而，下游管道区段的至少一个流动面积可以大于上游管道区段的流动面积。在流动急剧扩大脊部66，下游管道区段的流动面积扩大至上游管道区段的流动面积。在一个实施方式中，流动面积在脊部可以扩大1％至10％。在一个实施方式中，流动急剧扩大脊部可以限定一平面，其中通过混合器的流动面积最小。如果这样构造，管道内部包括文氏管，该文氏管在非增压条件下加速进气流动。为了允许排气进入气流，在下游管道区段中形成有槽68A和68B。可用的EGR率取决于诸如槽形状和尺寸以及整体混合器尺寸之类的因素。这又取决于其中安装有EGR混合器的发动机的尺寸。与本公开完全一致的实施方式可以与小型(例如1.4升)发动机、大型(例如6.7+升)发动机或介于二者之间的发动机一起使用，其中针对发动机尺寸调节各种流率、尺寸和槽的数量。然而，发明人已经认识到，混合器的特定相对尺寸可以在流动限制、混合均匀性等方面提供意想不到的好处。图 3示出了两个槽，但是在其他实施方式中，EGR混合器可以仅包括一个槽或两个以上的槽。另外，所述槽可以围绕上游或下游管道区段周向地布置。从图4可以更好地看到，所述槽在形状上可以是椭圆形的以促进排气像瀑布一样(与像射流状不同)进入管道内部。
EGR混合器28还包括围绕上游管道区段62和下游管道区段64周向地布置的排气室70。槽68A和68B将排气室联接至管道内部。如图3所示，排气室与排气入口72连通，通过排气入口72接收来自EGR通道的排气。
继续参照图3和图4，流动急剧扩大脊部66布置在上游管道区段和下游管道区段之间。流动急剧扩大脊部促进排气在气流内进行湍流混合，以有效地均质化，特别是在轻负载条件下。
EGR混合器28将非常低的进气限制与非常有效的均质化相结合。因而，其适合于高压力比涡轮增压发动机(例如，其中压缩机支持3或更大的压力比的发动机)的HP EGR环路。另外，EGR混合器被设计用于在机动车中的高英里积累上EGR积碳最少。在一个实施方式中，EGR混合器可以直接集成在发动机的进气歧管内。在另一个实施方式中，EGR混合器可以布置在进气歧管外部的壳体中并联接至进气歧管。如图4所示，EGR混合器可以联接至四个螺栓的节气体以便于维修。
尽管所公开的EGR混合器很好地适合于用在HP EGR环路中，但是其也可以用在LP EGR环路中。因而，EGR混合器的上游管道区段可以联接至空气滤清器，下游管道区段可以联接至压缩机在进气流方向上的上游，并且排气室可以联接至涡轮在排气流方向上的下游。在既具有HP EGR环路又具有LP EGR环路(例如图1)或混合HP/LP EGR构造(例如图2)的发动机系统中，可以包含两个适当尺寸的EGR混合器。
最后，应理解，上述描述的论述、系统和方法是本公开的非限制性示例形式的实施方式，为此同样设想各种变型和延伸。因而，本公开包括这里公开的论述、系统和方法的所有新颖和非显而易见的组合和子组合及其所有和全部等价物。
Claims (10)
1.一种EGR混合器，其特征是，所述EGR混合器包括：
在通过所述混合器的气流方向上具有缩小的流动面积的上游管道区段；
在通过所述混合器的气流方向上具有扩大的流动面积的下游管道区段；
形成在所述下游管道区段中用于允许排气进入所述气流的槽；以及
布置在所述上游管道区段和所述下游管道区段之间的流动急剧扩大脊部。
2.根据权利要求1所述的EGR混合器，其特征是，还包括围绕所述上游管道区段和/或所述下游管道区段周向地布置的排气室，其中所述上游管道区段和所述下游管道区段一起限定了管道内部，并且其中所述槽将所述排气室联接至所述管道内部。
3.根据权利要求1所述的EGR混合器，其特征是，所述槽是椭圆形的。
4.根据权利要求1所述的EGR混合器，其特征是，所述槽是围绕所述上游管道区段和/或所述下游管道区段周向地布置的多个槽中的一个。
5.根据权利要求1所述的EGR混合器，其特征是，所述下游管道区段的流动面积大于所述上游管道区段的流动面积。
6.根据权利要求5所述的EGR混合器，其特征是，所述下游管道区段的流动面积在所述流动急剧扩大脊部处扩大至所述上游管道区段的流动面积。
7.根据权利要求6所述的EGR混合器，其特征是，所述下游管道区段的流动面积在所述流动急剧扩大脊部扩大1％至10％。
8.根据权利要求1所述的EGR混合器，其特征是，所述流动急剧扩大脊部限定一平面。
9.根据权利要求8所述的EGR混合器，其特征是，通过所述混合器的流动面积在所述平面上最小。
10.根据权利要求6所述的EGR混合器，其特征是，在所述上游管道区段中通过所述混合器的流动面积在所述流动急剧扩大脊部处比在所述上游管道区段的上游端处低55％至65％。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20120704 |