CN101487426A - 多高度的流体混合器及使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种混合器组件(204、603)用来混合来自吸气系统(124)的吸入空气和来自排气再循环系统(134)的排气以产生混合流，该混合器组件包括空气吸入导管(202、700)，导管具有流体地连接到吸气系统的入口(206、706)。混合器组件(204、603)还包括混合器(200、600)，该混合器具有流体地连接到排气再循环系统(134)的入口(208、702)。混合器(200、600)至少部分地设置在空气吸入导管(202、700)内，并包括外管(203、604)和设置在外管内的分隔部分(217、602)。该分隔部分(217、602)将第一通道(216、612)与至少一个第二通道(218、608)分开，第一通道具有位于第一高度的出口(216’、612’)，而第二通道具有位于第二高度的出口(218’、608’)。

Description

多高度的流体混合器及使用方法
技术领域
本发明涉及内燃机。具体来说，本发明涉及用于混合内燃机排气和吸气的流体混合器组件。
背景技术
大部分内燃机具有某种类型的排放控制装置和系统。一种普通类型的控制系统是排气再循环(EGR)系统，其将来自于排气系统的排气再循环到发动机的吸气系统。高压EGR系统通常将排气从涡轮机上游再循环到压缩机的下游。其它EGR系统以低压再循环气体，它们被称之为低压系统。具有高压EGR系统的发动机在空气吸气系统内具有汇合处，EGR气体和吸入空气在那里混合而形成混合物。该排气和吸入空气的混合物在发动机运行过程中被消耗掉。
向内燃机每个缸提供空气和排气的均匀混合物对于运行是有利的。均匀混合物促进发动机的有效运行，因为每个缸的排放和功率输出是均匀的。对于在发动机运行点的大范围上运行相当大量EGR的发动机来说，提供给每个缸的混合物均匀性成为特别重要的设计参数。
对于具有EGR系统的发动机，过去提出的许多方法旨在改进排气和吸入空气的混合。这些方法通常使用提高吸入空气、排气，或吸入空气和排气混合物中紊流的流动障碍，以提高供应到发动机气缸的混合物的均匀性。尽管这样的方法一般地颇为有效，但由于在吸入空气或吸入混合物中增加了紊流，所以如此方法具有在发动机吸气系统中压力损失加大的缺点。发动机吸气系统中压力损失加大导致发动机效率降低和提高燃耗。
发明内容
一种混合器组件用来混合来自吸气系统的吸入空气和来自排气再循环系统的排气以产生混合流，该混合器组件包括空气吸入导管，导管具有流体地连接到吸气系统的入口。混合器组件还包括混合器，该混合器具有流体地连接到排气再循环系统的入口。混合器至少部分地设置在空气吸入导管内，并包括外管和设置在外管内的分隔部分。该分隔部分将第一通道与至少一个第二通道分开，第一通道具有位于第一高度的出口，而第二通道具有位于第二高度的出口。
附图说明
图1是根据本发明的具有用来混合空气和排气的流体混合器的内燃机的方框图。
图2是根据本发明的混合器的后视图。
图3是根据本发明的混合器组件的侧视图。
图4是根据本发明的混合器组件的仰视图。
图5是根据本发明的混合器组件的前视立体图。
图6是根据本发明的混合器替代实施例的俯视立体图。
图7是根据本发明的混合器组件的剖切图。
图8是根据本发明用于内燃机的混合空气和排气的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述运行具有相关联的排气再循环(EGR)系统的内燃机的装置和方法。本文所述的EGR系统有利地包括混合排气和吸入空气而产生混合物的混合器。发动机通过多个气缸内的燃烧消耗掉该混合物。
图1显示安装在车辆内的具有EGR系统的发动机100的方框图。发动机100包括具有涡轮机104和压缩机106的涡轮增压器102。压缩机106具有连接到空气净化器或过滤器110的空气入口108、以及通过充气冷却器(CAC)热通道116连接到充气冷却器(CAC)114的充气出口112。CAC114具有通过CAC冷通道120连接到吸气节流阀(ITH)118的出口。ITH118连接到空气吸入导管122，空气吸入导管122流体地与发动机100的吸气系统连通，该吸气系统通常显示为附图标记124。吸气系统124的分支流体地连接到多个气缸126中的每个缸，多个缸126被包括在发动机100的曲柄轴箱128内。
发动机的多个气缸126的每个缸连接到排气系统130。发动机100的排气系统130连接到涡轮机104的入口131。排气管132连接到涡轮机104的出口。其它部件诸如消音器、催化剂、颗粒过滤器等可连接到排气管132，为简化起见，它们未予示出。
发动机100具有EGR系统134。EGR系统134包括EGR冷却器136和EGR阀138，它们以串联配置彼此连接，以使排气通过其中。EGR冷却器136通过EGR气体供给通道142流体地连通到排气系统130。EGR阀138设置在冷却的EGR气体通道148的直线上，冷却的EGR气体通道148与呈空气吸入导管122一部分的汇合处146流体地连通。混合器150位于汇合处146并流体地连通和连接冷却的EGR气体通道148与空气吸入导管122。
在发动机100的运行过程中，空气在过滤器110内被过滤，并通过入口108进入空气被压缩的压缩机106内。压缩的或充气的空气通过出口112退出压缩机106，并在CAC114处冷却，然后通过ITH118。来自ITH118的空气在汇合处146通过混合器150与来自冷却的EGR气体通道148的排气混合而产生混合物。通过继续通过混合器150之后的空气吸入导管122，混合物流到吸气系统124并进入气缸126。在气缸126中，混合物还与燃料混合并燃烧而对发动机100产生有用功、热量和排气。燃烧之后从每个缸126中排出的排气收集在排气系统130中，并流动到涡轮机104。通过涡轮机104的排气产生的功被压缩机106消耗掉。
排气系统130中的一部分排气旁路通过涡轮机104并进入EGR气体供给通道142。进入通道142的排气是将再循环到吸气系统124内的排气。再循环的排气在EGR冷却器136内冷却，EGR阀138计量再循环排气量，然后，气体流到汇合处146，以便在混合器150内与退出ITH118的充气空气混合。
混合器200显示在图2至图5中。混合器200插入到空气吸入导管(显示为弯头)202内以形成混合器组件204。混合器组件204具有形成在弯头202内的空气入口开口206、形成在混合器200内的EGR气体开口208、以及形成在弯头202内的混合器出口210。混合器200和弯头202一起在混合器组件204内执行与图1所示混合器150类似的功能，即，它们将空气和排气混合在一起。混合器组件204还可提供功能性的接口，以便流体地连接到其它发动机部件。
所示混合器组件204包括弯头202，以图示混合器200对发动机的运行可以是最有利的一种结构。弯头202包括90°的圆角(radius)，该弯头通常阻碍均匀混合物的形成。使用混合器200在出口210处有利地提供均匀的混合物，其是通过空气入口开口206进入混合器组件204的空气与通过EGR气体开口208进入混合器200的排气的混合物。
混合器200包括入口端口212，其形成EGR气体开口208并从弯头202中伸出。入口端口212显示为这样一结构，其允许软管(未示出)运载与其连接的排气，但也可构思将排气提供到混合器的其它结构和模式。弯头202形成轴环214，其布置成将混合器200的入口端口212部分容纳在其中，并提供支承和其间的密封。混合器200的分隔部分217通常呈带有角端的“泪珠”形状，然而，也可构思其它的结构。该“泪珠”或类似机翼的形状对空气围绕混合器200的移动导致较小的阻力和较小的压降。分隔部分217设置在外管203内并形成中心通道216。分隔部分217还细分为第一侧通道218和第二侧通道220，它们在外管203内的中心通道216各侧上。中心通道216、第一侧通道218和第二侧通道220的出口216’、218’和220’分别位于弯头202的内部通道体积222内。出口216’、218’和220’倾斜，使得出口的较高端比出口的较低端更靠近空气吸入导管202的入口206。
排气可通过诸开口在每个中心通道、第一侧通道和第二侧通道216、218和220中退出混合器200，所述开口有利地定位在弯头202内部通道222内的不同相对高度处。中心通道出口216’具有平均高度h1，如图2所示，测量该高度h1是从位于开口最低点处的基准D量到通道216、218、220。出口218’的平均高度是从测量h1的起点量起的高度h2，这里h2小于h1。同样地，出口220’具有平均高度h3，其从测量h1和h2的同一起点量起，这里h3小于h1和h2。此外，出口216’的最大高度大于出口218’的最大高度，出口218’的最大高度大于出口220’的最大高度。
或者，中心通道216、第一侧通道218和第二侧通道220的出口可构造和布置在内部通道体积222内的不同部位。此外，导管202内出口的数量、位置和高度可以变化。
图6至图7显示设置在空气吸入导管700内以形成混合器组件603的混合器600的第二实施例。分隔部分602包括中心部分602。分隔部分602具有“泪珠”或机翼截面形状。分隔部分602位于外管604内。分隔部分602可以沿两个直径向相对的接触直线606(仅可见一个)与外管604接触，因此，在分隔部分602和外管604之间形成第一通道608和第二通道610。第三通道612存在于分隔部分602内。这样，外管604的流动面积分隔为三部分，即，第一通道608、第二通道610和第三通道612。类似于第一实施例，第一通道608、第二通道610和第三通道612的出口平均高度彼此不同。即，第一至第三通道608、610、612的出口608’、610’和612’高度上错列。
外管604切割成一长度，该长度小于分隔部分602的高度，以使分隔部分602的一段突出超过外管604的端部614。外管604的端部614呈台阶形，形成用于第一通道608的第一边缘616，其不同于用于第二通道610的第二边缘618。第一和第二边缘616和618各大致为半圆形，并沿不同长度或高度定位，且是沿外管604的长度定位。在所示的实施例中，第一和第二边缘616和618各切割成相对于圆形外管604圆形横截面的一定角度。此外，混合器600具有引导流动通过其中的方向性的特征，该特征在于，外管604的壁622的一部分620，沿着包围第一通道608的区域向内倾斜，以使流过第一通道608的一部分流体被引导朝向分隔部分602。
图7示出安装入内燃机的空气吸入导管700内的混合部分600的局部截面图。该空气吸入导管700具有半径为r和中心线为C的圆形截面，然而，也可考虑其它的形状。该图中所示的混合部分600还包括EGR气体馈送管702。EGR气体馈送管702连接到排气源(未示出)，该排气源例如可以是EGR阀或冷却器(都未示出)的出口端口。
在发动机运行过程中，空气通过空气吸入导管700。空气吸入导管700内的气流用点虚线箭头704表示。气流704在入口截面706处进入空气吸入导管700区段，通过和围绕混合器600，并在出口截面708处退出空气吸入导管700区段。在运行过程中，排气流不时地通过EGR气体馈送管702到达混合器600。排气流用虚线箭头710表示。EGR气体馈送管702内的排气流710最好分为三个支流，使每个支流通过第一通道608、第二通道610和第三通道612退出混合器600。虽然三个支流在一起描述，但每个支流的流量却取决于第一通道608、第二通道610和第三通道612的各个出口开口的大小，三个通道不需是相等的。因此，退出各个流动通道的各支流可具有不同于另一支流的流量。
图8显示一种方法的流程图，该方法对与内燃机相关的EGR系统混合空气流和排气流。在步骤802处，使从发动机排气系统的高压或低压部位流出的排气流通过EGR阀。排气流可以是高压或是低压，并可选择地加以冷却。在步骤804处，使排气流流到混合器组件。在步骤806处，当排气流通过混合器组件时，将排气流分为两个或多个支流。在步骤808处，使两个或多个排气支流各流到两个或多个流动出口通道之一。在步骤810处，使两个或多个支流各通过其对应的流动出口通道退出混合器。在步骤812处，使退出混合器的两个或多个支流各在不同高度处与在空气吸入导管内通过和围绕混合器的气流混合。在步骤814处，使由吸入空气流和两个或多个排气支流形成的混合物流入内燃机，如内燃机运行需要，则重复该过程。
混合器组件204、603在各种流动情况下混合吸入空气和排气，同时将导管202、700内的压力损失保持在最小。通过用分隔部分将流动分为多个通道，各个通道具有其高度范围不同于其它通道的出口，由此，排气在导管202、700内进行分布。有利地是，最好具有三个不同的高度，新的流体在这些高度引入到主空气/流体中，则对垂直分布有提高的控制性(因此，混合更佳)。还有，混合器组件204、603可在较宽的流体入口速度范围上有效地进行混合，因为三个释放高度能使排气流体在其释放到主空气/流体中之前以低的动量更容易地到达任何要求高度。通过仔细地选择通道的横截面，可调整排气流体流的速度，以达到最大的分布(和生成的混合)以及最小的压降。
本发明还可以其它特定形式实施而不脱离本发明的精神或基本特征。所描述实施例在所有方面应被看作是说明性的而不是限制性的。因此，本发明范围是由附后权利要求书而不是上述的描述给以指明。所有落入权利要求书含义和其等同物范围之内的变化都被包括在本发明范围内。

Claims (15)

1.一种混合器组件，用来混合来自吸气系统的吸入空气和来自排气再循环系统的排气以产生混合流，所述混合器组件包括：
空气吸入导管，所述导管具有流体地连接到所述吸气系统的入口；
混合器，所述混合器具有流体地连接到所述排气再循环系统的入口，所述混合器至少部分地设置在所述空气吸入导管内，所述混合器包括：
外管；以及
设置在所述外管内的分隔部分，所述分隔部分将第一通道与至少一个第二通道分开，所述第一通道具有位于第一高度的出口，而所述第二通道具有位于第二高度的出口。
2.如权利要求1所述的混合器组件，其特征在于，所述分隔部分形成大致中心地设置在所述混合器内的第一通道，所述分隔部分在两个部位接触所述外管，以形成所述第二通道和带有出口的第三通道。
3.如权利要求2所述的混合器组件，其特征在于，所述第一出口、所述第二出口和所述第三出口沿所述混合器的长度设置在不同高度处。
4.如权利要求1所述的混合器组件，其特征在于，所述第一出口和第二出口倾斜，以使所述出口的较高端比所述出口的较低端更靠近所述空气吸入导管的所述入口。
5.如权利要求1所述的混合器组件，其特征在于，所述空气吸入导管具有大致90度的圆角。
6.如权利要求1所述的混合器组件，其特征在于，所述外管的一部分沿着包围所述第一通道的区域朝向所述分隔部分向内倾斜，以使流过所述外管的一部分排气被引导朝向所述分隔部分。
7.一种混合器，用来混合第一流体流和第二流体流以产生混合流，所述混合器包括：
外管，所述外管具有一长度和第一端；
分隔部分，所述分隔部分设置在所述外管内并伸过所述外管的所述第一端，其中，所述分隔部分沿着两个直径向相对的接触线连接到所述外管，其中，所述外管的流动区域分割为由所述分隔部分形成的第一通道，第二通道形成在所述第一通道的第一侧上介于所述分隔部分和所述外管之间，第三通道形成在所述第一通道的第二侧上介于所述分隔部分和所述外管之间。
8.如权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述分隔部分具有机翼形截面。
9.如权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述第一通道具有第一出口，所述第二通道具有第二出口，其中，所述第一出口和所述第二出口具有不同的最大高度。
10.如权利要求9所述的混合器，其特征在于，所述第一出口和第二出口相对于所述外管的所述长度倾斜。
11.如权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述外管的一部分沿着包围所述第二通道的区域朝向所述分隔部分向内倾斜，以使流过所述第二通道的一部分排气被引导朝向所述分隔部分。
12.如权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述第一通道具有第一出口，所述第二通道具有第二出口，所述第三通道具有第三出口，其中，所述第一出口的最大高度大于所述第二出口的最大高度，而所述第二出口的最大高度大于所述第三出口的最大高度。
13.一种用来混合来自吸气系统的吸入空气和来自排气再循环系统的排气以产生混合流的方法，所述方法包括以下步骤：
传送所述吸入空气通过吸气导管；
大致垂直于吸气导管内所述吸入空气的流动将混合器设置在所述吸气导管内，其中，所述混合器具有至少两个通道，至少一个通道具有高度不同于另一通道的出口；
传送所述排气通过所述混合器；
将所述排气流分离到所述至少两个通道内；
将所述排气分配到在不同高度处的所述至少两个通道的所述出口之外；以及
混合来自于所述至少两个通道的所述排气与所述吸气导管内的所述吸入空气以形成所述混合流。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括围绕设置在所述导管内的所述混合器使所述吸入空气转向的步骤。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述混合器包括中心通道和至少一个侧通道，还包括偏转至少一部分流动通过所述至少一个侧通道朝向中心部分的步骤。
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