CN111075613A - 废气再循环混合器和废气再循环系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种废气再循环(EGR)混合器。EGR混合器包括具有入口、出口和多个孔的内管。EGR混合器还包括同轴地设置在内管周围的外管。特别地，螺旋壁设置在内管与外管之间以形成螺旋流动路径。

Description

废气再循环混合器和废气再循环系统
技术领域
本发明涉及一种无源废气再循环(EGR)混合器，且更具体地，涉及一种具有螺旋废气流动路径的EGR混合器。
背景技术
通常，废气再循环(EGR)型发动机在柴油发动机和火花点火式内燃发动机中使用。在EGR型发动机中，由于再循环废气吸收热量，所以燃烧温度由于废气的存在而降低。燃烧室中的与废气一起存在的氧气稀释，结合低温燃烧，减少了氮的热氧化物(NOx)的产生。此外，当废气再循环时，发动机需要吸入的空气较少，这减少了废气的总量。此外，EGR减少了涡轮增压发动机在高负荷下对燃料浓缩(enrichment，富集)的需求，从而改进了燃料经济性。
最近，开发了一种称为专用EGR型发动机的发动机构造。在专用EGR型发动机中，如相关技术的图1所示，一个气缸专用于向EGR系统供应废气。然而，在这种专用EGR型发动机中，由于废气的脉动，EGR气体不能从专用气缸均匀分配到非专用气缸。特别地，由专用气缸供应的废气流具有不稳定的气流，例如，脉冲之间具有540度曲柄角的1/4次脉冲。因此，对EGR入口添加了显著的限制(例如，通过节流孔板)以过滤掉脉动。因此，泵送损失增加，并且燃料经济性降低。
为了在不具有增加泵送损失的节流孔板的情况下消除废气的脉动，已经开发了具有同轴管的EGR混合器。在具有同轴管构造的EGR混合器中，废气通过以螺旋构造布置的多个孔供应到进气并与进气混合。然而，废气分布在多个孔上，并在每个孔之间基本上同时喷射到进气流中。因此，EGR混合器不能实现增加EGR混合时间和/或距离，并且去除不稳定性的效果最小。
发明内容
本公开提供了一种废气再循环(EGR)混合器，其可以通过包括废气的螺旋流动路径来提高燃料效率。
根据本公开的一方面，EGR混合器可以包括：内管，其具有入口、出口和多个孔；外管，其同轴地设置在内管周围；以及螺旋壁，其设置在内管与外管之间以形成螺旋流动路径。特别地，螺旋壁的顶部(crest，嵴部)可以邻接外管并且螺旋壁的根部可以邻接内管，以限定围绕内管缠绕的螺旋流动路径。此外，外管可包括废气入口，该废气入口形成在外管的靠近内管的出口的一侧上，以在内管与外管之间提供逆流。多个孔可以穿过内管形成，以在内管与外管之间提供气体连通。
因此，废气可以通过废气入口供应到EGR混合器，并且可以通过多个孔流入内管中。此外，空气可以通过内管的入口供应到EGR混合器，并且空气和废气的混合物可以通过内管的出口从EGR混合器排出。
具体地，多个孔的直径可以从内管的入口侧朝向内管的出口侧逐渐减小。多个孔可以沿着内管的轴向方向线性对准。此外，多个孔可以形成至少两行，两行中的每行沿着内管的轴向方向对准。
EGR混合器可以由结合在一起的两个部件形成。例如，这两个部件可以通过声波焊接结合。此外，EGR混合器可以由玻璃填充塑料材料制成。
根据本公开的另一方面，一种用于车辆发动机的废气再循环(EGR)系统可以包括：进气口；进气歧管；专用EGR气缸以及EGR混合器。EGR混合器可以包括：内管，其具有入口、出口和多个孔；以及外管，其同轴地设置在内管周围并具有废气入口。EGR混合器还可以包括螺旋壁，该螺旋壁设置在内管与外管之间以形成螺旋流动路径。特别地，EGR混合器的入口可以连接到进气口，EGR混合器的出口可以连接到进气歧管，并且EGR混合器的废气入口可以连接到发动机的专用EGR气缸。多个孔可以穿过EGR混合器的内管形成，以在外管与内管之间提供气体连通。
另外，可以在专用EGR气缸与EGR混合器之间设置冷却器，并且还可以设置EGR阀以将来自专用EGR气缸的废气引导至EGR混合器和/或引导至排气歧管。EGR阀可将来自专用EGR气缸的废气引导为流向EGR混合器或排气歧管。可替代地，EGR阀可调节从专用EGR气缸流向EGR混合器的废气量。
值得注意的是，本公开不限于如上所列的元件的组合，并且可以如本文所述的元件的任何组合来组装。下文公开了本公开的其他方面。
附图说明
提供每个附图的简要描述以更充分地理解在本公开的具体实施方式中使用的附图。
图1示出了相关技术中的专用EGR型发动机；
图2是根据本公开的示例性实施例的EGR混合器的透视图，其中，出于说明的目的，外管被示出为半透明的；
图3是根据本公开的示例性实施例的EGR混合器的透视示意图；
图4示出了根据本公开的示例性实施例的EGR混合器的第一半部；
图5示出了根据本公开的示例性实施例的EGR混合器的第二半部；
图6示出了根据本公开的示例性实施例的多个孔，该多个孔的直径在EGR混合器中的废气流动方向上逐渐增大；以及
图7是根据本公开的示例性实施例的包括EGR混合器的EGR系统的示意图。
应当理解，上述附图不一定按比例绘制，这些附图呈现了说明本公开基本原理的各种优选特征的某种简化表示。本公开的具体设计特征(包括例如具体尺寸、定向、位置和形状)将部分地由具体的预期应用和使用环境来确定。
具体实施方式
参考下面详细描述的附图和示例性实施例，本公开的优点和特征以及实现本公开的方法将变得显而易见。然而，本公开不限于在本文描述的示例性实施例，并且可以在变化和修改中体现。提供示例性实施例仅是为了使本领域普通技术人员理解将由权利要求的范围限定的本公开的范围。因此，在一些实施例中，将不详细描述过程的公知操作、公知结构和公知技术，以避免使对本公开的理解晦涩难懂。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
应当理解，这里使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的乘用车、包括各种船只和船舶的水运工具、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧式车辆、插电式混合电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，从石油之外的资源获得的燃料)。
本文使用的术语仅是为了描述特定的实施例，而不是为了限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”指明存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个列出的相关联项目的任何和所有组合。
除非在上下文中特别陈述或显而易见，否则如本文所用的术语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文中另有说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明示例性实施例的废气再循环(EGR)混合器。
在根据本公开示例性实施例的EGR混合器和EGR系统中，由于在专用EGR气缸的排气冲程期间废气进入螺旋流动路径，并且废气被动地进入内管与进气流混合，所以在整个发动机循环期间，可以由进气流从螺旋流动路径中逐渐抽出废气，并因此，可以使由于专用气缸的循环所引起的脉动的不稳定影响最小化。与相关技术中使用节流孔板相比，由于泵送损失可以减少，所以EGR系统可以提高燃料效率并且可以减少污染物排放。
此外，根据本公开的示例性实施例的EGR混合器和EGR系统包括较少的运动部件，并因此，EGR混合器的寿命长、制造成本低、包装紧凑、重量轻且易于维护。
图2是根据本公开的示例性实施例的EGR混合器的透视图。图3是根据本公开的示例性实施例的EGR混合器的透视示意图。图4和图5分别示出了根据本公开的示例性实施例的EGR混合器的第一半部和第二半部。参照图2至图5，EGR混合器10可包括内管100、外管200和螺旋壁300。内管100可包括位于第一端的入口110和位于第二端的出口120，空气通过该入口供应到EGR混合器10，空气在与废气混合后通过该出口从EGR混合器10排出。
螺旋壁300可以设置在内管100与外管200之间，以围绕内管100形成螺旋流动路径400。特别地，螺旋壁300的顶部可以邻接外管200的内表面，并且螺旋壁300的根部可以邻接内管100的外表面，从而限定围绕内管100周向缠绕的螺旋流动路径400。
外管200可包括废气入口500，废气通过该废气入口从专用气缸供应到EGR混合器10的外管200。特别地，废气入口500可以形成在外管200中的靠近内管100的出口120的一侧，以在外管200内的废气流与内管100内的空气流之间提供逆流构造。例如，废气可以流过外管200，同时在与内管100内的空气流动方向相反的方向上绕内管100盘旋(spiraling)。由于如上所述的逆流构造(counter flow configuration，逆向流动构造)，可以增加EGR混合时间和距离，并且可以更有效地控制进入发动机气流中的废气流速。尽管本公开的示例性实施例在外管200内的废气流与内管100内的空气流之间具有逆流构造，但是本公开不限于此。在一些实施方式中，废气入口500也可以形成在靠近内管100的入口110的一侧，以在外管200中的废气流与内管100中的空气流之间提供同流构造(co-flow configuration，同向流动构造)。
此外，可以穿过内管100形成多个孔600，以在外管200与内管100之间提供气体连通。在操作中，从专用气缸排出的废气可以通过废气入口500供应到EGR混合器10，并且随后可以通过多个孔600流入内管100中。因此，通过内管100的入口110供应到EGR混合器10的空气可以与内管100的腔内的废气混合，并且空气和废气的混合物可以通过内管100的出口120从EGR混合器10排出。
在本公开的示例性实施例中，多个孔600的直径可以从内管100的入口110侧朝向内管100的出口120侧逐渐减小。在本公开的示例性实施例中，由于外管200中的废气流是逆流，所以废气可以流过多个孔600，这些孔的直径随着废气朝向下游流动而增大。因此，废气可流过围绕内管100的螺旋流动路径400，并且可随着废气朝向下游(例如，远离废气入口500)流动而通过直径逐渐增大的多个孔600逐渐流入内管100的腔中。
逆流构造和逐渐增大的孔直径可以允许废气与空气之间的混合时间和距离增加，并且因此可以将废气的更可控的流提供到空气流中。特别地，如图6所示，在废气压力最高的情况下，孔直径可以是最小的，而在废气压力最低的情况下，孔直径可以是最大的。孔直径的逐渐增大可以允许在废气压力较低的情况下更大量的废气流入空气流中。螺旋流动路径400的孔直径和尺寸还可以具体设计成基于设计要求来调节混合时间和距离。通过具有逐渐增大的孔直径，进入空气流的废气量可以随着时间逐渐增加，从而在整个发动机循环中更均匀地分配废气。因此，由于专用气缸的循环所导致的废气中的压力脉动可以衰减，并且EGR混合器的不稳定性可以最小化，而不需要节流孔板来过滤掉压力脉动。结果，与设置节流孔板的相关技术相比，可以减少泵送损失。
多个孔600可以线性对准，以沿着内管100的轴向方向形成一行。在一些实施方式中，多个孔600可以形成至少两行，每行沿着内管100的轴向方向对准。例如，多个孔600可形成以相等角度(例如，约180°)周向间隔开的两行、以约120°间隔开的三行或以约90°间隔开的四行。然而，本公开不限于此，并且多个孔600的行可以在保持直径从内管100的入口110侧朝向内管100的出口120侧逐渐减小的同时具有各种线性布置。当提供多行孔时，孔可以围绕内管100的同一轴向位置对准。在一些实施方式中，不同行的孔可以彼此轴向偏移。
EGR混合器10可以通过分开形成第一半部和第二半部并随后通过将第一半部和第二半部结合在一起来制造。在一些实施方式中，EGR混合器10还可以通过分开形成内管100、螺旋壁300或外管200中的至少一个并通过将每个部件结合在一起来制造。可以使用诸如铸造、锻造、挤压成型、注射成型、快速成型、附加加工等部件成形方法来形成每个部件，并且可以使用诸如声波焊接、电弧焊接、气体焊接、点焊、胶合、压配合等结合方法来将部件结合在一起。然而，本公开不限于此，可以使用各种成形和结合方法来形成和结合EGR混合器10。
可以基于操作要求(例如温度和压力)来选择EGR混合器10的材料，并且该材料可以包括玻璃填充塑料、工程塑料、商品塑料、纤维增强塑料(FRP)、金属、陶瓷等。在本公开的示例性实施例中，EGR混合器10可通过形成第一半部和第二半部且随后通过声波焊接结合而用玻璃填充的塑料材料来制造。然而，本公开不限于此，并且EGR混合器10可以由各种材料制成。
在本公开的一个方面，提供了一种用于车辆发动机的废气再循环(EGR)系统1000。图7是包括根据本公开的示例性实施例的EGR混合器的EGR系统的示意图。参照图7，EGR系统1000可包括进气口20、进气歧管30、专用EGR气缸40和EGR混合器10。EGR混合器10可以包括与上述基本相同的构造。例如，EGR混合器10可以包括：内管100，该内管100在其第一端具有入口110并在其第二端具有出口120；以及外管200，该外管同轴地设置在内管10周围。外管200还可包括废气入口500。EGR混合器10还可以包括设置在内管100与外管200之间的螺旋壁300，以形成螺旋流动路径400。此外，EGR混合器10可以包括形成在外管200与内管100之间的多个孔600，以允许废气从外管200流入内管100中。特别地，EGR混合器10的入口110可以连接到进气口20，EGR混合器10的出口120可以连接到进气歧管30，并且EGR混合器10的废气入口500可以连接到发动机的专用EGR气缸40。
在操作中，从专用EGR气缸40排出的废气可以通过废气入口500供应到EGR混合器10的外管200，可以流过在与内管100内的空气流动方向相反的方向上围绕内管100周向缠绕(例如，盘旋)的螺旋流动路径400，并且可以随后通过多个孔600流入内管100中。废气和进气可以在内管100内混合并被供应到进气歧管30。然后，混合的空气和废气可以通过进气歧管30分配到发动机的气缸。一部分混合物可被再次供应到专用气缸40，并可被压缩、与燃料一起燃烧，并随后从专用EGR气缸40排出，以如上所述连续重复废气再循环循环。
EGR系统1000还可以包括冷却器50，该冷却器设置在专用EGR气缸40与EGR混合器10之间的气体通道上，以将从专用EGR气缸40排出的废气的温度降低到低于预定阈值温度的温度。因此，废气的温度可以在进入EGR混合器10之前由冷却器50降低，以防止废气的温度超过EGR混合器10的操作极限。基于发动机和车辆的设计要求(例如可用空间、所需的冷却负荷等)，冷却器50可以被设计成空气冷却型、水冷却型等。
此外，EGR系统1000可包括EGR阀60，以将废气从专用EGR气缸40引导为流向冷却器50和EGR混合器10和/或排气歧管70。在一些实施方式中，EGR阀60可以是三通阀，其接收来自专用EGR气缸40的废气并将所接收的废气选择性地发送到冷却器50和EGR混合器10或排气歧管70。在一些实施方式中，EGR阀60可以是计量型阀，以调节流向EGR混合器10的废气量并将剩余的废气发送到排气歧管70。当将EGR阀60设置成使至少一些废气从专用EGR气缸40流向EGR混合器10时，废气可以流过冷却器50并流到EGR混合器10，在该EGR混合器中废气与进气混合。尽管在示例性实施例中提供了设置在专用气缸40与冷却器50之间的单个阀的示例，但是本公开不限于此。EGR阀60可以包括作为一个系统来引导和分配废气流的多个阀。EGR阀60的位置也可以变化。
根据本公开的示例性实施例，EGR混合器和包括EGR混合器的EGR系统可以提供如下一个或多个效果。
由于废气在专用EGR气缸的排气冲程期间进入螺旋流动路径，并且废气被动地进入内管并与进气流混合，所以进气流可以在整个发动机循环中逐渐地从螺旋流动路径中抽出废气，从而根据专用气缸的循环使脉动的不稳定影响最小化。EGR混合器的孔可以被设计成根据设计要求来调节混合时间和距离。
根据本公开示例性实施例的EGR混合器包括的运动部件数量减少，并因此，EGR混合器的寿命长、制造成本低、包装紧凑、重量轻且易于维护。与相关技术中使用节流孔板相比，泵送损失可显著减少约60％以上，同时使指示的平均有效压力(IMEP)的变化系数保持小于约3％。由于泵送损失减少，所以EGR系统可提高燃料效率并可减少污染物的排放。此外，对具有内燃机的现有车辆进行最少的修改便可改装根据本公开的示例性实施例的EGR混合器。
在上文中，尽管通过诸如具体部件等具体事项、示例性实施例和附图描述了本公开，但是提供其仅是为了帮助全面理解本公开。因此，本公开不限于示例性实施例。本发明所属领域的技术人员可根据本说明书进行各种修改和改变。因此，本公开的精神不应当限于上述示例性实施例，并且以下权利要求以及同等于或等同于权利要求修改的所有技术精神应当解释为落入本公开的范围和精神内。

Claims (19)

1.一种废气再循环混合器，包括：
内管，具有入口、出口和多个孔；
外管，同轴地设置在所述内管周围；以及
螺旋壁，设置在所述内管与所述外管之间以形成螺旋流动路径。
2.根据权利要求1所述的废气再循环混合器，其中，所述螺旋壁的顶部邻接所述外管并且所述螺旋壁的根部邻接所述内管，以限定围绕所述内管缠绕的所述螺旋流动路径。
3.根据权利要求1所述的废气再循环混合器，其中，所述外管包括废气入口。
4.根据权利要求3所述的废气再循环混合器，其中，所述废气入口形成在所述外管的靠近所述内管的所述出口的一侧上，以在所述内管与所述外管之间提供逆流。
5.根据权利要求3所述的废气再循环混合器，其中，所述多个孔穿过所述内管形成，以在所述内管与所述外管之间提供气体连通。
6.根据权利要求5所述的废气再循环混合器，其中，废气通过所述废气入口被供应到所述废气再循环混合器并通过所述多个孔流入所述内管中。
7.根据权利要求6所述的废气再循环混合器，其中，空气通过所述内管的所述入口被供应到所述废气再循环混合器，并且空气和废气的混合物通过所述内管的所述出口从所述废气再循环混合器排出。
8.根据权利要求5所述的废气再循环混合器，其中，所述多个孔的直径从所述内管的入口侧朝向所述内管的出口侧逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的废气再循环混合器，其中，所述多个孔沿着所述内管的轴向方向线性对准。
10.根据权利要求8所述的废气再循环混合器，其中，所述多个孔形成至少两行，所述两行中的每行沿着所述内管的轴向方向对准。
11.根据权利要求1所述的废气再循环混合器，其中，所述废气再循环混合器由结合在一起的两个部件形成。
12.根据权利要求11所述的废气再循环混合器，其中，所述两个部件通过声波焊接结合。
13.根据权利要求1所述的废气再循环混合器，其中，所述废气再循环混合器包括玻璃填充塑料材料。
14.一种废气再循环系统，包括：
进气口；
进气歧管；
专用废气再循环气缸；以及
废气再循环混合器，其中，所述废气再循环混合器包括：
内管，具有入口、出口和多个孔；
外管，同轴地设置在所述内管周围，其中，所述外管包括废气入口；以及
螺旋壁，设置在所述内管与所述外管之间以形成螺旋流动路径，
其中，所述废气再循环混合器的所述入口连接到所述进气口，所述废气再循环混合器的所述出口连接到所述进气歧管，并且所述废气再循环混合器的所述废气入口连接到所述专用废气再循环气缸。
15.根据权利要求14所述的废气再循环系统，其中，所述多个孔穿过所述内管形成，以在所述外管与所述内管之间提供气体连通。
16.根据权利要求14所述的废气再循环系统，还包括：
冷却器，设置在所述专用废气再循环气缸与所述废气再循环混合器之间的气体通道上。
17.根据权利要求16所述的废气再循环系统，还包括：
废气再循环阀，被构造成将来自所述专用废气再循环气缸的废气引导至所述冷却器和所述废气再循环混合器和/或引导至排气歧管。
18.根据权利要求17所述的废气再循环系统，其中，所述废气再循环阀被构造成将来自所述专用废气再循环气缸的废气选择性地引导至所述冷却器和所述废气再循环混合器或引导至所述排气歧管。
19.根据权利要求17所述的废气再循环系统，其中，所述废气再循环阀被构造成调节从所述专用废气再循环气缸流向所述冷却器和所述废气再循环混合器的废气量。
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