CN103097687A - 压缩机进气混合器系统 - Google Patents

Abstract

一种用于具有压缩充气旁路系统的内燃燃气机的压缩机进气混合器系统，该压缩机进气混合器系统包括：旁路充气和燃料预混合器，该旁路充气和燃料预混合器与充气旁路系统连成线，以减小高压旁路充气和低压燃料之间的压力梯度。单容积主混合器在预混合器的下游连接到压缩机入口，以使预混合充气流与空气混合并且向压缩机入口提供混合气体。由此，消除了对用于燃料混合器和旁路混合器的分开的容积的需要，并且在压缩机入口处设置了单容积。通过设置预混合器也消除了使容积必须位于压缩机入口处的位置约束。

Description

压缩机进气混合器系统

技术领域

本公开涉及内燃燃气机领域。具体地，本公开涉及内燃燃气机中用于压缩机进气的混合器的领域。

背景技术

许多内燃燃气机具有压缩机旁路系统。压缩机旁路系统从压缩机出口排出过多的加压充气（charge）（空气和燃料），并且将该充气返回到压缩机入口，从而通过将压缩气体再循环到压缩机入口而绕过发动机。发动机的燃料系统以低压从燃料源接收燃料，并且在压缩机进气口中将其混合。现有技术中已知的系统需要分开的混合器，来应付高压压缩机旁路系统和低压燃料系统之间的压力梯度。

发明内容

根据本公开，提供了一种用于具有压缩充气旁路系统的内燃燃气机的压缩机进气混合器系统，该压缩机进气混合器系统包括：压缩机；旁路充气管路，该旁路充气管路连接在压缩机的下游，以引导来自压缩机的高压旁路充气，用于再循环；旁路充气控制阀，该旁路充气控制阀适于控制流过旁路充气管路的旁路充气流；燃料供给管路，该燃料供给管路适于运载低压燃料；燃料控制阀；以及空气供给源，

该压缩机进气混合器系统的特征在于：

旁路充气和燃料预混合器，该旁路充气和燃料预混合器包括预混合器外壳，该预混合器外壳在旁路充气控制阀下游沿着旁路充气管路而定位，预混合器连接到燃料供给管路并且适于减小高压旁路充气和低压燃料之间的压力梯度并提供燃料和旁路充气的预混合充气流；并且

单容积主混合器，该单容积主混合器包括流体地连接在空气供给源和压缩机之间的混合器外壳，混合器外壳在预混合器外壳的下游流体地连接到旁路充气管路，以使预混合充气流与来自空气供给源的空气混合并且向压缩机提供混合气体。

优选地，根据本公开，混合器外壳与预混合器外壳间隔开。

通常，根据本公开，旁路充气和燃料预混合器是文丘里（venturi）泵。

优选地，根据本公开，旁路充气和燃料预混合器包括：

·气室，该气室布置在预混合器外壳中，该气室连接到低压燃料供给管路和旁路充气管路；

·旁路喷口，该旁路喷口与旁路充气管路连成线，并且布置在气室内部，该旁路喷口适于具有收敛段，以将旁路充气的压能转换成动能，并且从燃料供给管路吸入燃料，以在气室中提供燃料和旁路充气的预混合充气流；以及

·扩散器，该扩散器连接在预混合器外壳的下游，扩散器适于从气室接收燃料和旁路充气的预混合充气流并且将动能转换回压位差（pressure head）。

通常地，根据本公开，主混合器外壳包括：

·主体，该主体形成适于从空气供给源接收空气的进气口；

·单混合和分配器容积，该单混合和分配器容积绕主体环状延伸，混合和分配器容积适于经由入口接收预混合充气流并继续混合并分配预混合充气；

·形成在主体中的多个周向隔开的开口；

·混合室，该混合室适于经由开口接收预混合充气流，并且将空气与预混合充气进行混合，以生成混合气体；以及

·混合气体出口，该混合气体出口用于向压缩机传送混合气体。

附加地，根据本公开，旁路充气包括正常旁路流和充气泄漏流。

根据本公开的另一个实施方式，提供了一种压缩机进气混合器系统，用于混合用于内燃机的高压旁路充气、低压燃料和空气，

该系统包括：

·在旁路充气和燃料预混合器的气室中接收高压旁路充气的装置；

·将旁路充气的压能转换成动能的装置；

·将低压燃料吸入到气室中的装置；

·第一混合器，该第一混合器适于将旁路充气与燃料混合，以提供预混合充气流；

·将预混合充气的动能转换回压位差的装置；

·供应装置，该供应装置向主混合器供应预混合充气；以及

·第二混合器，该第二混合器适于在主混合器中将预混合充气与空气进行混合。

根据本公开，提供了一种混合用于内燃燃气机的高压旁路充气、低压燃料和空气的压缩机进气的方法，

该方法包括以下步骤：

·在旁路充气和燃料预混合器的气室中接收高压旁路充气；

·将旁路充气的压能转换成动能；

·将低压燃料吸入到气室中；

·将旁路充气与燃料混合，以提供预混合充气流；

·将预混合充气的动能转换回压位差；

·向主混合器供应预混合充气；以及

·在主混合器中将预混合充气与空气进行混合。

附图说明

现在将结合附图说明本公开，附图中：

图1例示了现有技术中已知的用于燃气机的压缩机进气混合器系统的流程图；

图2例示了图1中系统的主混合器的细节；

图3例示了图2中主混合器的截面图；

图4a和图4b例示了图3中燃料混合器的细节；

图5a和图5b例示了图3中旁路混合器的细节；

图6例示了根据本公开的压缩机进气混合器系统的流程图；

图7例示了根据本公开的图6中系统的主混合器的细节；

图8a和图8b例示了根据本公开的图7中主混合器的截面图；以及

图9例示了根据本公开的图6中旁路和燃料预混合器的细节。

具体实施方式

现在将参照附图中所示出的实施方式来描述本公开。该实施方式不限制本公开的范围和涉及面。描述仅涉及本公开的示例性优选实施方式及其提出的应用。

这里的附图和描述仅是例示性的并且仅例示本发明，决不限制其范围。

现有技术中已知的常规旁路系统在压缩机入口处必须设置有两个容积。

图1例示了现有技术中已知的用于燃气机的压缩机进气混合器系统的流程图，该压缩机进气混合器系统笼统地由数字100来表示。该流程图例示了如何在主混合器中将两个容积（即，燃料混合器和分开的旁路混合器）设置为分开的室，以应付主混合器中高压压缩机旁路系统和低压燃料系统之间的压力梯度。朝向发动机节流阀的虚线箭头、朝向压缩机旁路阀的虚线箭头、朝向燃料控制阀的虚线箭头和从发动机节流阀开始的虚线箭头、从压缩机旁路阀开始的虚线箭头、以及从燃料控制阀开始的虚线箭头表示朝向ECM（电子控制模块）的信号和来自ECM的信号。发动机充气流、压缩机旁路、以及燃料供给由厚度不同的箭头表示。

图2例示了图1中系统的主混合器的细节，该主混合器笼统地由数字200表示。燃料入口由数字210表示，空气进入如数字220表示的空气入口，旁路充气入口由数字230表示，并且数字240表示朝向压缩机入口的出口。

图3例示了图2中主混合器200的截面图。燃料混合器或分配器由数字310表示并且旁路充气混合器或分配器由数字330表示。燃料分配器310和旁路充气分配器330被由数字320表示的隔离物分开，由此例示出如何设置两个分开的分配器容积，即如何将两个分开的分配器容积集成在现有技术中已知的系统中的主混合器200的本体中。各分配器容积或分配器箱310、330绕主混合器300环状延伸，以分别产生燃料和旁路充气的、向主混合器室中的周向分配。

图4a和图4b例示了图3中燃料混合器的细节。燃料通过燃料入口210进入，空气通过空气入口220进入，并且朝向压缩机的充气通过出口240排出。

图5a和图5b例示了图3中旁路混合器的细节。数字230表示旁路充气入口，而数字220和240分别笼统地表示进气口和朝向压缩机的充气。

申请人已经认识到，除了制造费用高之外，形成均匀的气体周向分配的多混合器容积很大并且不便于进行封装。而且，混合器容积的特征在于必须使容积位于压缩机入口处的位置约束。由此，从发动机封装的观点看，已经证实由于高性能压缩机的要求，要构造具有图1中所例示的流程的、并在图2-图5中进一步详细例示的常规系统很昂贵且不方便。

因此，需要一种可以满足燃气机的压缩机旁路系统的以下要求的压缩机进气混合器：

·简化的混合器设计；

·消除混合器容积在发动机上的位置的严格性；

·方便的发动机封装；

·紧凑设计；以及

·有成本效益的设计。

已经进行了一些尝试来克服现有技术的缺点。例如，美国专利申请US2009/0287391公开了一种发动机燃料控制系统，其中，发动机运行参数用于操纵管线燃料和废燃料的掺合比。此外，美国专利申请US2006/0092758公开了一种液体混合文丘里管，其针对改善的响应具有良好的信号流比（signal to flow ratio）。致力于该领域作出了一些其它的尝试，如在US6026787、US6725831、US7007930、US7395818、US20050053887和WO2009033005A2中所公开的那些尝试。但是，以上公开都没有使用通过旁路/再循环充气管路的流，包括通过旁路控制阀的泄漏旁路充气流能量，用于产生吸力并混合旁路充气和燃料。

因此，根据本公开，设想出克服现有技术中的缺点并提供以下特征的发动机系统和方法以及压缩机进气混合器：

·紧凑设计；

·有效利用压缩机吸力，用于空气吸入；

·有效使用压缩机旁路泄露，以从燃料源吸入低压燃料；

·简化的混合器设计；

·消除混合器容积在发动机上的位置的严格性；

·方便的发动机封装；以及

·有成本效益的设计。

图6例示了根据本公开的压缩机进气混合器系统的流程图，该压缩机进气混合器系统笼统地由数字600表示。来自压缩机610的压缩充气在流到一个或更多个发动机汽缸（即，第一排汽缸632和第二排汽缸634）之前，通过热交换器620和发动机节流阀630到达发动机。需要使部分充气绕回到压缩机入口，以避免在甩负荷过程中和低环境条件中压缩机喘振。借助于旁路充气控制阀650（优选地，蝶型阀）来控制流过旁路充气管道或管路640的旁路质量流。即使在完全闭合阀650时，该阀650也具有泄露一定量的充气的倾向。通常地，泄漏量在总的发动机充气质量流的0.5%至1%的量级。阀处于打开位置或部分打开位置的正常旁路流与阀处于闭合位置的泄漏流被引导通过旁路燃料预混合器660，该旁路燃料预混合器660也经由燃料控制阀690从燃料供给源680接收燃料。

流过蝶型阀650的压缩机旁路充气（正常流和泄漏流）用于从燃料源或供给源680汲取或吸入低压燃料。这允许在主混合器700（图7）之前在单气室中混合燃料和旁路充气。主混合器700也从空气供给源接收空气。

通过采用上游旁路和燃料预混合器660，根据本公开的系统实现了该汲取或吸入效果，并且消除了压缩机入口处的两个容积（如图1所示）中的一个容积。朝向发动机节流阀的虚线箭头、朝向压缩机旁路阀的虚线箭头、以及朝向燃料控制阀方向的虚线箭头和从发动机节流阀开始的虚线箭头、从压缩机旁路阀开始的虚线箭头、以及从燃料控制阀开始的虚线箭头表示朝向ECM（电子控制模块）的信号和来自ECM的信号。发动机充气流、压缩机旁路流、以及燃料供给由厚度不同的箭头表示。

图7、图8a和图8b例示了根据本公开的图6中系统600的主混合器700的细节。主混合器700包括混合器外壳702，该混合器外壳702包括形成从空气供给源经由例如空气过滤器（未示出）接收空气的进气口706的主体704；混合室708，该混合室708接收并混合入口空气流和燃料与旁路气体的预混合充气流；以及混合气体出口710，该混合气体出口710向压缩机入口传送混合气体。混合器外壳702还包括单混合和分配器容积或分配器箱712，该单混合和分配器容积或分配器箱712与主体704的外表面一体形成或安装在主体704的外表面上，并且绕主体704环状延伸，以继续混合旁路气体与燃料并使该混合物经由在主体704中所形成的周向隔开的开口714分配到混合室708中。单混合和分配器箱712包括用于将预混合的混合物引入到旁路充气和燃料中的预混合充气（燃料和旁路）入口716。根据本公开的、使预混合充气（旁路和燃料）与进气口混合的混合器的设计简化并减小了混合器在压缩机入口处的尺寸。具体地，使沿着混合器外壳702的纵轴的、混合器外壳702的集成的混合与分配器部分的轴向延伸最小，因此相对于常规设计减小了。

图9例示了图6中旁路和燃料预混合器的细节。旁路和燃料预混合器660优选地是如图所示的文丘里泵。该泵包括预混合器外壳900，该预混合器外壳900包括连接于低压燃料供给管路1a和旁路充气管路1b的气室（旁路和燃料混合器）Q2。包括闭合阀时的任何泄露的、由数字910表示的、来自控制阀650的加压旁路充气穿过收敛段（1b至2b），在收敛段中，压能被转换成动能，在室Q2中生成低压区域，由此在燃料供给管路1a中产生吸力。气室由Q2表示，并且旁路喷口由Q1表示。然后，旁路充气910和燃料920的混合物穿过管口（throat）Q，到达扩散器930（从2a延伸到3a），其中，动能被转换回压位差。数字940表示通过利用在压缩机入口处的单容积混合器中产生的旁路充气能量而供应给主混合器700（图6中所示）的预混合燃料和旁路充气。旁路充气管道640（图6中所示）包括连接部642，该连接部642将预混合器外壳900连接到预混合充气（燃料和旁路）入口716处的主混合器外壳702。根据本公开的一个方面，混合器外壳702与预混合外壳900相隔一定距离。因此，由于结构或系统设置了减小旁路充气和燃料管路之间的压力梯度的上游预混合器，从而避免了到燃料管路中的任何背压，所以图6的主混合器700不需要如现有技术中已知的系统中所需要的两个分配器/混合箱或容积。

根据本公开的系统的旁路和燃料预混合器660，即，文丘里泵，比本领域现实情况中所需的混合器容积小，并且由于预混合器660无需物理地附接于主混合器，而可以与主混合器相隔一定距离，所以根据本公开的系统的旁路和燃料预混合器660可以潜在地位于发动机上的多个位置。该特征与必须位于压缩机入口处的常规混合器容积不同，由此消除了现有技术中已知系统强加的位置的严格性。

根据本公开的系统还减小了燃气机空气导进系统的整体高度，并且如连接于压缩机入口的旁路和燃料混合器连接件等的各种接口实现了一种紧凑且简单的混合系统。通过消除主混合器处的一个混合和分配器箱，可以使主混合器本体更小，并且使主混合器本体更容易地处于各种发动机的封装约束内。

技术进步和经济意义

由根据本公开的压缩机进气混合器提供的技术进步和本公开的经济意义包括实现以下方面：

·紧凑设计；

·有效利用压缩机吸力，用于空气吸入；

·有效使用压缩机旁路泄露，以从燃料源吸入低压燃料；

·简化的混合器设计；

·消除混合器容积在发动机上的位置的严格性；

·方便的发动机封装；以及

·有成本效益的设计。

给出的各种物理参数、维数和数量的数值仅是近似值，并且可以想象出比赋予物理参数、维数和数量的数值更大或更小的值均落入本公开的范围内，除非本说明书中有与此相反的陈述。

无论在什么情况下指定值的范围，分别低于和高于指定范围的最低和最高数值达10%的值均包括在本公开的范围中。

虽然这里已经着重强调了优选实施方式的具体特征，但是将理解的是，可以添加许多附加特征，并且在不偏离本公开的原理的情况下，可以对优选实施方式进行许多改变。根据本文的公开，本公开的优选实施方式中的这些和其他变化对于领域技术人员本来说将是明显的，借此将清楚地理解上述描述性内容仅被解释为对本公开的例示而不是限制。

Claims (8)

1.一种用于具有压缩充气旁路系统的内燃燃气机的压缩机进气混合器系统，该压缩机进气混合器系统包括：压缩机；旁路充气管路，该旁路充气管路连接在所述压缩机的下游，以引导来自所述压缩机的高压旁路充气，用于再循环；旁路充气控制阀，该旁路充气控制阀适于控制流过所述旁路充气管路的旁路充气流；燃料供给管路，该燃料供给管路适于运载低压燃料；燃料控制阀；以及空气供给源，

所述压缩机进气混合器系统的特征在于：

旁路充气和燃料预混合器，该旁路充气和燃料预混合器包括预混合器外壳，该预混合器外壳在所述旁路充气控制阀下游沿着所述旁路充气管路而定位，所述预混合器连接到所述燃料供给管路并且适于减小所述高压旁路充气和所述低压燃料之间的压力梯度并提供燃料和旁路充气的预混合充气流；并且

单容积主混合器，该单容积主混合器包括流体地连接在所述空气供给源和所述压缩机之间的混合器外壳，所述混合器外壳在所述预混合器外壳的下游流体地连接到所述旁路充气管路，以使所述预混合充气流与来自所述空气供给源的空气混合并且向所述压缩机提供混合气体。

2.根据权利要求1所述的压缩机进气混合器系统，其中，所述混合器外壳与所述预混合器外壳间隔开。

3.根据权利要求1所述的压缩机进气混合器系统，其中，所述旁路充气和燃料预混合器是文丘里泵。

4.根据权利要求1所述的压缩机进气混合器系统，其中，所述旁路充气和燃料预混合器包括：

·气室，该气室布置在所述预混合器外壳中，所述气室连接到所述低压燃料供给管路和所述旁路充气管路；

·旁路喷口，该旁路喷口与所述旁路充气管路连成线，并且布置在所述气室内部，所述旁路喷口适于具有收敛段，以将所述旁路充气的压能转换成动能，并且从所述燃料供给管路吸入燃料，以在所述气室中提供燃料和旁路充气的所述预混合充气流；以及

·扩散器，该扩散器连接在所述预混合器外壳的下游，所述扩散器适于从所述气室接收燃料和旁路充气的所述预混合充气流并且将所述动能转换回压位差。

5.根据权利要求1所述的压缩机进气混合器系统，其中，所述主混合器外壳包括：

·主体，该主体形成适于从所述空气供给源接收空气的进气口；

·单混合和分配器容积，该单混合和分配器容积绕所述主体环状延伸，所述混合和分配器容积适于经由入口接收所述预混合充气流并继续混合并分配所述预混合充气；

·形成在所述主体中的多个周向隔开的开口；

·混合室，该混合室适于经由所述开口接收所述预混合充气流，并且将空气与所述预混合充气进行混合，以生成所述混合气体；以及

·混合气体出口，该混合气体出口用于向所述压缩机传送所述混合气体。

6.根据权利要求1所述的压缩机进气混合器系统，其中，所述旁路充气包括正常旁路流和充气泄漏流。

7.一种压缩机进气混合器系统，用于混合用于内燃燃气机的高压旁路充气、低压燃料和空气，

所述系统包括：

·在旁路充气和燃料预混合器的气室中接收所述高压旁路充气的装置；

·将所述旁路充气的压能转换成动能的装置；

·将所述低压燃料吸入到所述气室中的装置；

·第一混合器，该第一混合器适于将所述旁路充气与所述燃料混合，以提供预混合充气流；

·将所述预混合充气的动能转换回压位差的装置；

·供应装置，该供应装置向主混合器供应所述预混合充气；以及

·第二混合器，该第二混合器适于在所述主混合器中将所述预混合充气与空气进行混合。

8.一种混合用于内燃燃气机的高压旁路充气、低压燃料和空气的压缩机进气的方法，

所述方法包括以下步骤：

·在旁路充气和燃料预混合器的气室中接收所述高压旁路充气；

·将所述旁路充气的压能转换成动能；

·将所述低压燃料吸入到所述气室中；

·将所述旁路充气与燃料混合，以提供预混合充气流；

·将所述预混合充气的动能转换回压位差；

·向主混合器供应所述预混合充气；以及

·在所述主混合器中将所述预混合充气与空气进行混合。

Images