CN102606347A - 用于内燃发动机的排气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃发动机的排气再循环系统。具体而言，提供一种内燃发动机，该内燃发动机包括向发动机输送压缩进气的进气系统。文氏管组件设置在进气系统中并且限定文氏管，所述文氏管限定用于穿过其中的进气的低压区域“Z”。环形排气再循环导管分配通道绕进气歧管的入口环周向延伸并且从排气系统接纳被转移排出气体，以便通过绕环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置处的排气再循环扩散器通道将排出气体输送到进气中。

Description

用于内燃发动机的排气再循环系统
相关申请的交叉引用
本专利申请要求享有2011年1月18日提交的美国专利申请序号No.61／433,585的优先权，该美国专利申请的全部内容在此通过引用并入本申请中。
技术领域
本发明的示例性实施方式涉及一种用于内燃发动机的排气再循环系统，更具体地涉及一种用于有效地提供再循环排出气体至内燃发动机的高压进气系统的系统。
背景技术
对于柴油和汽油发动机－特别是采用进气升压或压缩(例如排气驱动的涡轮增压器或发动机驱动的机械增压器)的发动机来说，排气再循环(“EGR”)是改进燃料消耗量和减少被管制的尾管排出气体排放物的重要因素。
在采用排气驱动的涡轮增压器或发动机驱动的机械增压器的发动机中，高压EGR可在高负载运转期间从涡轮增压器的上游位置转移并且供应至压缩进气。然而，在内燃发动机的高负载运转期间，EGR供应与压缩进气之间的压差(Δ“P”)可能是负的。具体地说，EGR的供应压力可能降至低于压缩进气的压力，这就使得难于（如果可能）供应EGR至进气系统(PINTAKE＞PEGR)。
已经提出在进气系统中采用文氏管系统来降低进气压力，以使EGR供应与压缩进气之间的ΔP瞬间为正数，从而允许EGR在高负载运转情况下输送至进气系统。在这种情况下，包括除高负载之外的发动机运转，都能够使EGR被均匀输送和分配。
发明内容
在示例性实施方式中，内燃发动机包括输送压缩进气至该内燃发动机的进气系统、设置在所述进气系统中并限定文氏管的文氏管组件以及环形排气再循环导管分配通道，所述文氏管限定用于进气穿过其中的低压区域“Z”，所述环形排气再循环导管分配通道绕所述文氏管周向延伸并且从排气系统接纳被转移排出气体，以便通过绕环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置的排气再循环扩散器通道将排出气体输送至进气。
在另一个示例性实施方式中，内燃发动机包括具有进气歧管的进气系统，所述进气歧管用于输送压缩进气至内燃发动机的气缸。排气系统具有构造成从内燃发动机的气缸输送排出气体至定位成与排气歧管流体连通的压缩机的排气歧管。压缩机包括涡轮壳体和压缩机壳体，所述涡轮壳体具有用于排出气体并且通过排气再循环导管与进气系统流体连通从而输送被转移排出气体至进气歧管的高压入口，所述压缩机壳体具有通过进气导管与进气系统流体连通从而输送压缩进气至进气歧管的高压出口。节气门本体设置在进气导管与进气歧管之间。文氏管组件设置在节气门本体的下游并且包括具有流动通道的入口以及包括横截面为“A1”的喷嘴截面且限定文氏管的出口，所述流动通道的截面直径为“A”且通过其本身接纳进气。进气歧管入口与文氏管组件流体连通并且接纳穿过文氏管排出的进气。入口环居中地延伸穿过进气歧管入口并且在其入口端包括等于喷嘴截面的截面直径“A1”的直径“D”，其中入口环84轴向地延伸距离“L”，所述入口环84的直径沿着所述轴向延伸距离“L”增加至第二直径“D2”，从而形成用于穿过其中的进气的低压区域“Z”。环形排气再循环导管分配通道绕入口环周向延伸并且通过入口与排气再循环导管流体连通从而从排气系统接收被转移排出气体，并且排气再循环扩散器通道绕环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置处，所述排气再循环扩散器通道限定间隔通道，所述间隔通道用于来自环形排气再循环分配通道并进入穿过进气歧管的入口环的低压区域“Z”的进气的被转移排出气体的进入和均匀分配。
方案1. 一种内燃发动机，包括：
输送压缩进气至内燃发动机的进气系统；
设置在进气系统中并且具有文氏管的文氏管组件，所述文氏管限定用于穿过其中的压缩进气的低压区域“Z”；以及
绕所述文氏管周向延伸的环形排气再循环导管分配通道，所述环形排气再循环导管分配通道从内燃发动机的排气系统接纳被转移排出气体，以便通过排气再循环扩散器通道将被转移排出气体输送至压缩进气，所述排气再循环扩散器通道绕所述环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置。
方案2. 如方案1所述的内燃发动机，进一步包括排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器与排气系统以及进气系统流体连通并且构造成输送压缩进气至进气系统。
方案3. 如方案2所述的内燃发动机，进一步包括进气冷却器，所述进气冷却器设置在进气系统中且介于排气驱动的涡轮增压器与文氏管组件之间并且构造成接纳压缩进气并使压缩进气从中穿过。
方案4. 如方案2所述的内燃发动机，进一步包括排气再循环系统，所述排气再循环系统在排气系统与环形排气再循环导管分配通道之间延伸并且构造成接纳排出气体并将排出气体输送至穿过文氏管的低压区域“Z”的压缩进气中。
方案5. 如方案4所述的内燃发动机，进一步包括能够与排气再循环系统一起操作的排气再循环阀，所述排气再循环阀能够通过控制器操作以调节输送至穿过文氏管的低压区域“Z”的压缩进气的排出气体的量。
方案6. 一种内燃发动机，包括：
具有进气歧管的进气系统，所述进气歧管用于通过节气门本体组件接收压缩进气并且输送压缩进气至内燃发动机的气缸；
具有排气歧管的排气系统，所述排气歧管构造成从内燃发动机的气缸输送排出气体至定位成与排气歧管流体连通的压缩机，所述压缩机包括具有用于排出气体的高压入口的涡轮壳体以及具有高压出口的压缩机壳体，所述高压入口通过排气再循环导管与进气系统流体连通从而输送被转移排出气体至进气系统，所述高压出口通过进气导管与进气系统流体连通并且构造成输送压缩进气至进气歧管；
节气门本体，所述节气门本体设置在进气导管与进气歧管之间；
文氏管组件，所述文氏管组件设置在所述节气门本体的下游并且包括入口和出口，所述入口具有截面直径为“A”的流动通道并且经由该通道接纳进气，所述出口包括截面直径为“A1”的喷嘴截面并且限定文氏管；
进气歧管入口，所述进气歧管入口与文氏管组件流体连通以接纳排出文氏管的进气；
入口环，所述入口环居中地延伸穿过进气歧管入口并且在其入口端包括等于文氏管的截面直径“A1”的直径“D”，其中入口环(84)轴向地延伸距离“L”，所述入口环(84)的直径沿着所述轴向延伸距离“L”增加至第二直径“D2”，从而形成用于穿过其中的进气的低压区域“Z”；
环形排气再循环导管分配通道，其绕入口环周向延伸并且通过入口与排气再循环导管流体连通，以便从排气系统接纳被转移排出气体；以及
绕环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置处的排气再循环扩散器通道，所述排气再循环扩散器通道限定间隔通道，所述间隔通道用于来自环形排气再循环分配通道并进入穿过进气歧管的入口环的低压区域“Z”的进气中的被转移排出气体的进入和均匀分配。
方案7. 一种内燃发动机，包括：
输送压缩进气至内燃发动机的进气系统；以及
环形排气再循环导管分配通道，所述环形排气再循环导管分配通道绕所述进气系统周向延伸并且构造成从排气系统接纳被转移排出气体，以便通过绕所述环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置处的排气再循环扩散器通道将被转移排出气体输送至压缩进气。
方案8. 如方案7所述的内燃发动机，其中所述环形排气再循环导管分配通道与进气歧管设置成一体并且绕进气歧管的开口延伸，所述进气歧管与进气系统流体连通。
方案9. 如方案7所述的内燃发动机，进一步包括排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器与排气系统以及进气系统流体连通并且构造成输送压缩进气至进气系统。
方案10. 如方案9所述的内燃发动机，进一步包括进气冷却器，所述进气冷却器设置在进气系统中并介于排气驱动的涡轮增压器与环形排气再循环导管分配通道之间并且构造成接纳压缩进气并使压缩进气从中穿过。
方案11. 如方案7所述的内燃发动机，进一步包括排气再循环系统，所述排气再循环系统在排气系统与环形排气再循环导管分配通道之间延伸并且构造成接纳排出气体并将排出气体输送至穿过所述进气系统的压缩进气中。
方案12. 如方案11所述的内燃发动机，进一步包括能够与排气再循环系统一起操作的排气再循环阀，所述排气再循环阀能够通过控制器操作以便调节输送至穿过进气系统的压缩进气中的排出气体的量。
本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将通过下面结合附图对本发明的详细描述而变得显而易见。
附图说明
在下面对实施方式的详细描述中，仅通过示例来呈现其他特征、优点和细节，所述详细描述参阅附图进行，附图中：
图1是包括排气再循环系统以及体现本发明的特征的进气系统的内燃发动机系统的示意图；
图2是体现本发明的特征的图1的圈2中内燃发动机系统的一部分的放大立体图；
图3A是在图2的线3A-3A处截取的文氏管组件的剖视图；
图3B是图3A的文氏管组件的部分拆解图；
图4是在线4-4处截取的图2的内燃发动机系统的一部分的剖视图；
图5是图1的内燃发动机系统的进气歧管的立体图；以及
图6-9是体现本发明的特征的图5的进气歧管的各种实施方式。
具体实施方式
下面的描述本质上仅是示例性的，并非旨在限制本发明、其应用或用途。应当理解的是，相应的附图标记在所有附图中指代相同或相应的部件或特征。
参阅图1，示例性实施方式涉及一种内燃发动机10，在本实例中是直列4缸发动机，其包括进气系统12和排气系统14。内燃发动机包括多个气缸16，进气和燃料的组合被引入所述多个气缸16。进气／燃料混合物在气缸16中燃烧，导致活塞(未示出)在其中往复运动。活塞的往复运动使曲轴(未示出)旋转以传递原动力至车辆动力系(未示出)或至发电机，或者就内燃发动机10的固定应用来说传递至这种动力的其他固定接受者(未示出)。
内燃发动机10包括与气缸16流体连通的进气歧管18，所述进气歧管18通过节气门本体组件19从进气系统12接纳压缩进气20并且输送进气至多个气缸16。排气系统14包括也与气缸16流体连通的排气歧管22，所述排气歧管22构造成去除进气／燃料混合物的燃烧组分(即，排出气体24)并且输送所述燃烧组分至压缩机26-例如定位成与其流体连通的排气驱动的涡轮增压器。在另一个示例性实施方式中，可以构想到的是，在不偏离本发明的范围的情况下，压缩机26还可包括发动机驱动的机械增压器。排气驱动的涡轮增压器26包括容纳在涡轮壳体28内的排气涡轮(未示出)。涡轮壳体28包括高压涡轮壳体入口30和低压涡轮壳体出口32。低压涡轮壳体出口32与排气系统14的剩余部分流体连通并且输送排出气体24至可包括各种排气后处理器件(未示出)的排出气体导管34，所述各种排气后处理器件构造成在排出气体24被释放至大气之前处理排出气体24的各种被管制的组分。
排气驱动的涡轮增压器26还包括容纳在压缩机壳体36内的燃烧进气压缩机叶轮。压缩机壳体36包括低压入口38和高压出口40，所述低压入口38通常与环境空气64流体连通。高压出口40与进气系统12流体连通，并且通过进气导管42输送压缩进气20至进气歧管18从而输送至内燃发动机10的气缸16。在示例性实施方式中，进气冷却器44与进气导管42共线地设置在压缩机壳体36的出口40与进气歧管18之间。进气冷却器44从进气导管42接纳加热的(由于压缩)压缩进气20，并且压缩进气20在所述进气冷却器44中冷却之后通过进气导管42的后续部分输送至进气歧管18。进气冷却器44可包括入口46和出口48，以便冷却介质50(例如典型的醇基汽车冷却剂或环境空气)经由它们循环。以公知的方式，进气冷却器44从压缩进气20传送热量至冷却介质50，从而随着压缩进气20经过进气冷却器44，使所述压缩进气20的温度降低并且密度增大。
定位成与排气系统14流体连通并且在图1所示的示例性实施方式中的排气再循环(“EGR”)系统51包括EGR导管52，所述EGR导管52与高压涡轮壳体入口30流体连通以便转移其中的高压(即涡轮增压器入口的上游)排出气体24。如将在此进一步描述的，EGR导管52定位在排气驱动的涡轮增压器26的上游高压侧，并且构造成将排出气体24的一部分从涡轮壳体入口转移并且使其返回至或使其再循环至进气系统12。在图1所示的实施方式中，EGR导管52在涡轮壳体入口30与进气系统12之间延伸，其中在示例性实施方式中其流体连接在节气门本体组件19的下游。EGR阀54流体连接至EGR导管52并且构造成控制经由所述EGR阀54并且至内燃发动机10的进气系统12的被转移排出气体56的流动。
EGR阀54与控制模块-例如发动机控制器58信号连通，所述控制模块配置成在任何给定时间基于特定的发动机运转条件运转EGR阀54以调节引入进气系统12的被转移排出气体56的容积量。发动机控制器58从传感器61a-61n收集有关内燃发动机10的运转的信息，例如排气系统、发动机冷却剂、压缩燃烧进气、环境等的温度以及压力、排气系统状况以及驾驶员需求，以便确定通过EGR导管52再循环至内燃发动机10的进气系统12的被转移排出气体56的适当流量（如果有的话）。
现参阅图2，在示例性实施方式中，进气系统12进一步包括如上所述的图1的进气冷却器44、进气导管42、节气门本体组件19、文氏管喷嘴组件59以及用于输送进气20至内燃发动机10的进气歧管18。在不偏离本发明的范围的情况下，可构想出上述特征的其他构造和组合。图3A和3B示出了文氏管喷嘴组件59的示例性实施方式，在示出的示例性实施方式中，文氏管喷嘴组件59还包括加热进气20的机构。文氏管喷嘴组件59包括具有流动通道63的入口62，所述流动通道63流体联接至节气门本体组件19的出口(未示出)并且接纳经由其中的进气20。具有流动通道68的加热器模块66从入口62接纳进气20并且包括加热元件70，所述加热元件70在收到来自控制器58的信号命令时运转以便在预定的发动机运转状况下加热进气。加热器模块66包括出口72，所述出口72包括喷嘴截面74，所述喷嘴截面74在示出的示例性实施方式中为运转以在其中限定文氏管76的钟口形喷嘴截面。可以构想到的是，在不偏离本发明的范围的情况下，其他喷嘴形状-例如圆锥形可以根据进气系统12的轴向空间限制被选择。文氏管76通过收缩率来限定，所述收缩率是加热器模块66的流动通道68的截面直径(“A”)与喷嘴截面74的截面直径(“A1”)的比率，或(收缩率=A1／A)。
参阅图3A和3B、4、5以及6，在示例性实施方式中，进气歧管18包括限定入口80的凸缘部分78。凸缘部分78构造成与加热器模块66的下游端82密封接合，并且构造成通过入口80接纳文氏管76排出的进气20。进气歧管18的凸缘部分78可使用穿过紧固件开口79的适当的紧固件(未示出)固定至加热器模块66的下游端82。入口环84居中地延伸穿过入口80并且在其入口端处包括等于喷嘴截面74的截面直径(“A1”)的直径(“D”)。入口环84轴向地延伸距离(“L”)，所述入口环84的直径沿着所述轴向延伸距离(“L”)增加至第二直径(“D2”)从而导致穿过其中的进气20的压降或低压区域(“Z”)；由此完成文氏管和文氏管效应。在示出的示例性实施方式中，环形EGR分配通道86绕入口环84周向延伸并且通过入口94与EGR导管52流体连通从而从排气系统14接收被转移排出气体56。在示例性实施方式中，入口环包括绕着入口环设置在周向间隔位置的一系列EGR扩散器通道88。EGR扩散器通道88限定用于来自环形EGR分配通道86并且进入进气20的被转移排出气体56的进入和均匀分配的间隔通道，所述进气20在流动前进到一个或多个进气流道90中之前穿过入口环84。低压区域“Z”以及均匀分配的被转移排出气体56的喷射的组合在内燃发动机10的进气系统12中的紧凑(即轴向紧凑)空间中提供了排出气体至进气20的良好分配和混合输送。
现参阅图7，在备选的示例性实施方式中，入口环84可包括定位成邻近所述入口环84的入口94的流动引导器或隔膜92。流动引导器92构造成帮助进入环84的被转移排出气体56均匀分配，从而导致进入EGR扩散器通道88的排出气体的改进的分配。类似地，第二流动引导器96可与流动引导器92径向相反设置，从环形EGR分配通道86的内壁98径向向内延伸。在优选的实施方式中，第二流动引导器96位于邻近EGR扩散器通道88处并且构造成引导被转移排出气体56穿过EGR扩散器通道并且进入进气歧管18的入口80。另外，流动引导器92、96构造成防止环形EGR分配通道86内出现可导致排出气体残余的累积以及通道堵塞的低流动区域。
现参阅图8和9，在备选的示例性实施方式中，环形EGR分配通道86的入口可构造为与螺旋状环形EGR分配通道86B关联的偏置转移排出气体入口94B。偏置转移排出气体入口94B可运转以使被转移排出气体56绕入口环84的流动加速从而改进排出气体绕所述入口环84的圆周的分布。在图8所示的实施方式中，流动引导EGR扩散器通道88B构造成随着所述被转移排出气体56与进气20混合而限定被转移排出气体56中改变的流动特性(例如，漩涡、翻滚等)。
虽然本发明已描述为包括具有低压区域“Z”以便于将被转移排出气体56输送至进气系统12的进气歧管18的文氏管，但是可以构想到的是，在内燃发动机10的某些应用中，可能不需要使用文氏管76和文氏管喷嘴组件59。在这种情形中，在不偏离本发明的范围的情况下，仍然可以将入口环84用于通过绕所述环设置在周向间隔位置的一系列EGR扩散器通道88来输送排出气体，并使其进入进气系统，入口环84具有环形EGR分配通道86，所述环形EGR分配通道86绕所述入口环84周向延伸并且通过入口94与EGR导管52流体连通以便从排气系统14接收被转移排出气体56。另外可以构想到的是，在这种情形中，入口环84可绕进气系统12的一部分而非进气歧管18设置；例如节气门本体组件19或进气导管42。
虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是所属领域技术人员将会理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可对本发明做出各种改变并且可用等同元件来代替本发明的元件。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可做出多种改型以使本发明教导适应特定情况或材料。因此，本发明将不局限于所公开的特定实施方式，相反，本发明将包括落入本申请的范围内的所有实施方式。

Claims (10)

1.一种内燃发动机，包括：
输送压缩进气至内燃发动机的进气系统；
设置在进气系统中并且具有文氏管的文氏管组件，所述文氏管限定用于穿过其中的压缩进气的低压区域“Z”；以及
绕所述文氏管周向延伸的环形排气再循环导管分配通道，所述环形排气再循环导管分配通道从内燃发动机的排气系统接纳被转移排出气体，以便通过排气再循环扩散器通道将被转移排出气体输送至压缩进气，所述排气再循环扩散器通道绕所述环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置。
2.如权利要求1所述的内燃发动机，进一步包括排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器与排气系统以及进气系统流体连通并且构造成输送压缩进气至进气系统。
3.如权利要求2所述的内燃发动机，进一步包括进气冷却器，所述进气冷却器设置在进气系统中且介于排气驱动的涡轮增压器与文氏管组件之间并且构造成接纳压缩进气并使压缩进气从中穿过。
4.如权利要求2所述的内燃发动机，进一步包括排气再循环系统，所述排气再循环系统在排气系统与环形排气再循环导管分配通道之间延伸并且构造成接纳排出气体并将排出气体输送至穿过文氏管的低压区域“Z”的压缩进气中。
5.如权利要求4所述的内燃发动机，进一步包括能够与排气再循环系统一起操作的排气再循环阀，所述排气再循环阀能够通过控制器操作以调节输送至穿过文氏管的低压区域“Z”的压缩进气的排出气体的量。
6.一种内燃发动机，包括：
具有进气歧管的进气系统，所述进气歧管用于通过节气门本体组件接收压缩进气并且输送压缩进气至内燃发动机的气缸；
具有排气歧管的排气系统，所述排气歧管构造成从内燃发动机的气缸输送排出气体至定位成与排气歧管流体连通的压缩机，所述压缩机包括具有用于排出气体的高压入口的涡轮壳体以及具有高压出口的压缩机壳体，所述高压入口通过排气再循环导管与进气系统流体连通从而输送被转移排出气体至进气系统，所述高压出口通过进气导管与进气系统流体连通并且构造成输送压缩进气至进气歧管；
节气门本体，所述节气门本体设置在进气导管与进气歧管之间；
文氏管组件，所述文氏管组件设置在所述节气门本体的下游并且包括入口和出口，所述入口具有截面直径为“A”的流动通道并且经由该通道接纳进气，所述出口包括截面直径为“A1”的喷嘴截面并且限定文氏管；
进气歧管入口，所述进气歧管入口与文氏管组件流体连通以接纳排出文氏管的进气；
入口环，所述入口环居中地延伸穿过进气歧管入口并且在其入口端包括等于文氏管的截面直径“A1”的直径“D”，其中入口环(84)轴向地延伸距离“L”，所述入口环(84)的直径沿着所述轴向延伸距离“L”增加至第二直径“D2”，从而形成用于穿过其中的进气的低压区域“Z”；
环形排气再循环导管分配通道，其绕入口环周向延伸并且通过入口与排气再循环导管流体连通，以便从排气系统接纳被转移排出气体；以及
绕环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置处的排气再循环扩散器通道，所述排气再循环扩散器通道限定间隔通道，所述间隔通道用于来自环形排气再循环分配通道并进入穿过进气歧管的入口环的低压区域“Z”的进气中的被转移排出气体的进入和均匀分配。
7.一种内燃发动机，包括：
输送压缩进气至内燃发动机的进气系统；以及
环形排气再循环导管分配通道，所述环形排气再循环导管分配通道绕所述进气系统周向延伸并且构造成从排气系统接纳被转移排出气体，以便通过绕所述环形排气再循环导管分配通道设置在周向间隔位置处的排气再循环扩散器通道将被转移排出气体输送至压缩进气。
8.如权利要求7所述的内燃发动机，其中所述环形排气再循环导管分配通道与进气歧管设置成一体并且绕进气歧管的开口延伸，所述进气歧管与进气系统流体连通。
9.如权利要求7所述的内燃发动机，进一步包括排气驱动的涡轮增压器，所述排气驱动的涡轮增压器与排气系统以及进气系统流体连通并且构造成输送压缩进气至进气系统。
10.如权利要求9所述的内燃发动机，进一步包括进气冷却器，所述进气冷却器设置在进气系统中并介于排气驱动的涡轮增压器与环形排气再循环导管分配通道之间并且构造成接纳压缩进气并使压缩进气从中穿过。
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