CN113513434A - 一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，包括发动机、排气歧管、EGR阀、EGR冷却器、进气歧管、节气门、进气中冷器、锥芯驱动装置、涡轮机和压气机，排气歧管安装于发动机的排气口处且通过管道外接有三通管路，三通管路的一端与涡轮机相连接且另一端连接与EGR阀相连接，涡轮机通过管路与压气机相连接，EGR阀通过管路与EGR冷却器相连接，EGR冷却器通过管路与进气歧管相连接，进气歧管与下方的节气门相连接且入口外部设置有球形稳压罩，球形稳压罩通过管路与EGR冷却器相连接。本发明实现废气再循环的进气歧管高度集成内锥调节的组合式变截面文丘里管，带有一套机械联动机构将驱动装置输出的动力转换为歧管内部锥芯的直线运动。

Description

一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管

技术领域

本发明涉及发动机节能减排技术领域，具体为一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管。

背景技术

现今社会，环境污染问题十分突出，车辆排放对环境的危害越来越受到人们重视。随着汽车标准法规对燃油排放性日趋严格，各发动机设计者和主机厂都在积极采取应对措施来降低发动机燃烧排放物氮氧化物NOx和碳烟排放。利用氮氧化物生成机理，将燃烧后的废气引入进气系统，与新鲜空气混合后再次进入燃烧室内实现废气再循环燃烧，来抑制氮氧化物生成。废气再循环EGR技术由于其结构简单、成本低，是目前普遍采用的降低发动机氮氧化合物排放的主要措施之一。在发动机低速小负荷、冷态、高速大负荷工况下，需要较小的EGR率甚至关闭EGR；加速时，为了保证汽车的加速性及必要的净化效果，EGR在过渡过程中起作用，当前发动机由于结构限制，在中等偏上负荷范围内最大EGR率只能实现25％。由于EGR率不能进一步提高，限制了油耗进一步降低。此外在各种工况下匹配的合理废气再循环EGR率必须是对动力性、经济性和排放性能的综合考虑，即废气再循环EGR率的需求要与发动机工况相适应。为了降低成本且防止燃烧废气对压气机的腐蚀作用，发动机多采用高压EGR系统，即废气从涡轮前引入到压气机后，但高压EGR不足之处是可实现的EGR率较低，使得发动机在高速大负荷工况下涡前与进气后压差小甚至为负值，引入EGR困难，并且随着EGR率增加导致进气温度增加，进气效率进一步下降。为克服压力逆差增加EGR率，使之与发动机工况相适应，有研究方案采用在进气管串联一个文丘里管，以降低进气管内EGR接口处进气压力，采用文丘里管EGR系统能较方便的在大工况下实现更大废气再循环率，并且可以实现减少泵气损失，降低成本，具有较大的优越性。

然而，现有的采用文丘里管EGR系统在安装和使用的过程中存在以下的问题：(1)采用单个文丘里管对EGR率的引入效果不能匹配发动机所有运行工况需求；(2)进气系统中采用两个串联或并联的可调文丘里管装置，利用两个文丘里管之间EGR率的调节分配，可以满足发动机全负荷工况范围内均能实现较好的废气再循环的问题，但是结构和控制方法复杂，成本比较高，降低了其应用能力。为此，需要设计相应的技术方案解决存在的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，解决了现有技术存在的仅通过单个文丘里管难以满足发动机全负荷工况范围内EGR率匹配问题和并联或串联两个可调文丘里管装置结构控制复杂、成本过高的问题，并提高当前由于增压发动机和自然吸气发动机结构限制导致最大EGR率只可实现25％的限值。本发明提供了一种增强废气再循环率的带内锥调节可变喉口截面文丘里管装置的进气歧管，可将EGR率按照发动机工况需求提升至40％。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，包括发动机、排气歧管、EGR阀、EGR冷却器、进气歧管、节气门、进气中冷器、锥芯驱动装置、涡轮机和压气机，所述排气歧管安装于发动机的排气口处且通过管道外接有三通管路，所述三通管路的一端与涡轮机相连接且另一端连接与EGR阀相连接，所述涡轮机通过管路与压气机相连接，所述EGR阀通过管路与EGR冷却器相连接，所述EGR冷却器通过管路与进气歧管相连接，所述进气歧管与下方的所述节气门相连接且入口外部设置有球形稳压罩，所述球形稳压罩通过管路与EGR冷却器相连接，位于所述节气门后的进气歧管处内侧装有可沿管中心线方向移动的锥芯，所述锥芯通过锥芯驱动装置驱动，所述节气门通过管路与进气中冷器相连接，所述进气中冷器通过管路与压气机相连接。

作为本发明的一种优选实施方式，所述进气歧管入口处结构为文丘里管。

作为本发明的一种优选实施方式，在自然吸气发动机中不包括涡轮机和压气机。

作为本发明的一种优选实施方式，所述文丘里管喉管段和扩压段变直径处平滑过渡。

作为本发明的一种优选实施方式，所述锥芯小端朝向的正上方设置有喉管段，所述锥芯和喉管段两者之间形成一个环形通道，所述锥芯在沿扩压段轴线方向移动，从而使得所述喉管段内环形通道流通面积发生变化。

作为本发明的一种优选实施方式，所述锥芯上沿轴向方向开设有导向槽，所述导向槽内滑动设置有导向滑块，所述导向滑块连接有固定杆，所述固定杆的一端与导向滑块相连接且另一端固定在文丘里管扩压段的内壁上，所述锥芯上垂直轴向方向开设有驱动槽，所述驱动槽内设置有驱动杆，所述驱动杆的一端设置于驱动槽内另一端连接锥芯驱动装置，所述机械联动结构将锥芯驱动装置输出的运动由驱动杆的旋转运动转换为锥芯的沿轴向方向直线运动。

作为本发明的一种优选实施方式，所述球形稳压罩位于文丘里管喉口段外部且内部的喉管段圆周方向设置若干大小统一的引射口。

作为本发明的一种优选实施方式，所述锥芯驱动装置可选用电动驱动器或气动驱动器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明实现废气再循环的进气歧管高度集成内锥调节的组合式变截面文丘里管装置，并带有一套机械联动机构将驱动装置输出的动力转换为歧管内部锥芯的直线运动。

2.本发明的带内锥调节可变喉口截面文丘里管装置的进气歧管可实现废气再循环量调节，从满足发动机全负荷工况范围内EGR率匹配需求。

3.本发明可将发动机最大EGR率从传统结构所能实现的25％限值提高到40％。

4.本发明可根据成本和结构布置边界可选则驱动装置类型和一套简洁高效的机械联动机构，尺寸小，惯性小，响应迅速可靠。

5.本发明取消发动机进气管中外接文丘里管装置及其连接结构，将文丘里管及其控制机构集成在进气歧管中，内外部结构和控制方法简单，零部件少，减少制造加工成本，而且降低了安装和售后维修成本。

附图说明

图1为本发明所述带有进气歧管的增压发动机结构示意简图。

图2为本发明所述进气歧管的自然吸气发动机结构示意简图。

图3为本发明所述进气歧管内部结构示意图。

图4为本发明所述进气歧管喉管处EGR引入方向的示意图。

图中：1、进气歧管；2、节气门；3、进气中冷器；4、涡轮机；5、压气机；6、排气歧管；7、EGR阀；8、发动机；9、EGR冷却器；10、锥芯驱动装置；10-1、电动驱动器；10-2、气动驱动器；11、球形稳压罩；12、引射口；13、导向槽；14、导向滑块；15、锥芯；16、驱动槽；17、驱动杆；18、固定杆；19、扩压段；20、喉管段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，包括发动机8、排气歧管6、EGR阀8、EGR冷却器10、进气歧管1、节气门2、进气中冷器3、锥芯驱动装置10、涡轮机4和压气机5。在发动机排气侧，排气歧管6出口与废气再循环阀7进口和涡轮机4进口通过三通管路相连，一部分燃烧废气经过涡轮机4后排出至车辆后处理系统，一部分燃烧废气流经EGR阀7和EGR冷却器9，冷却后经废气再循环管路进入带内锥调节可变喉口截面文丘里管装置的进气歧管稳压罩11内。稳压罩11起到进气稳压作用，当稳压罩11内充盈废气，新型废气即可通过喉管段20圆周布置的引射口20进入进气歧管1内，与新鲜空气充分混合后再进入发动机9气缸内燃烧，实现废气再循环。在发动机进气侧新鲜空气经压气机6压缩后流经进气管路进入进气中冷器3，经冷却后流经节气门2至进气歧管1进口处文丘里管入口，与燃烧废气充分混合，进入缸内燃烧。由于较好引入废气再循环，可满足发动机全负荷工况范围内EGR率匹配需求，从而改善不同工况下碳烟和氮氧化物排放关系。

封闭稳压罩11废气进口正对引射口12，则废气直接对冲进入歧管内，而流经其余引射口12废气不均，导致废气与新鲜空气混合不均匀，则应避免引射口12正对废气进口。当然本发明封闭稳压罩11内喉管段20圆周布置若干大小统一引射口12数量并不局限于7个，引射口12布置方式不局限于均布，孔形状不局限于圆形孔，事实上可以根据稳压罩11内废气流量和流速决定引射口12的数量、布置方式和形状，如椭圆形孔采用不均匀布置方式。另本发明并不局限于应用在增压发动机上，事实上根据需要本发明还用在自然吸气发动机上。

文丘里管设计必须满足喉管段20静态压力对废气的吸气压力，气体流动损失少，结构紧凑以提高EGR率响应性。管的扩压段19长度由经验决定，太短则气流扩充太快，引起气流扰动增加内部摩擦损失，太长则气流与管壁摩擦损失也会增加，进气歧管结构庞大也不利于整机结构布置。扩压角根据经验选择，一般7°～15°。

带内锥调节可变截面文丘里管装置的进气歧管1入口处设置文丘里管，为保证压差平稳性变化，文丘里管喉口段20和扩压段19变直径连接处平滑过渡。扩压段19装有可沿管中心线方向移动的锥芯15，锥芯15和喉管段20两者之间形成一个环形通道；锥芯15可在外力作用下由一套简洁高效的联动机构驱动沿扩压段19轴线方向前后移动，从而使得环形通道流通面积发生变化。考虑到经过喉口收缩和环形通道的整流作用，环形通道内流动更加稳定，压差误差小，引入EGR率更加精准。

根据伯努利方程

其中：Const——表示常量；

——表示流体密度；

——表示流体速度；

g——表示重力加速度；

——表示铅垂高度；

——表示流体压强。

文丘里管喉管段20截面积决定其引射能力，喉管截面越小，气流速度越高，压力越小，引射EGR能力越强，若喉口面积太小又容易发生进气拥塞情况。当发动机全速全负荷时，为防止文丘里管喉口面积过小导致进气拥塞而影响进气量，此时驱动装置10拉动驱动杆17沿驱动中心反向旋转，驱动杆17端部在垂直方向力的作用下在驱动槽内上下滑动，沿轴向方向的力驱动锥芯15沿轴向远离喉管段20方向移动，导致锥芯15和扩压段19之间的流通面积增大，保证足够进气量以满足发动机动力性。当发动机低转速小负荷及中高负荷时，为增加EGR引入率，驱动装置10推动驱动杆17沿驱动中心旋转，驱动杆17端部在垂直方向力的作用下在驱动槽内上下滑动，沿轴向方向的力驱动锥芯15沿轴向朝喉管段20方向移动，导致锥芯15和扩压段19之间的流通面积减小，则文丘里管喉口处有效截面减小，新鲜空气流速增大，压强减小，排气管7和引射口12之间压差增大，EGR引入率增加，可满足发动机绝大多数工况时EGR率需求。实践证明通过在节气门后增加一个可增强废气再循环率带有可变截面文丘里管结构的进气歧管可将增压发动机和自然吸气发动机EGR率从25％提升至40％，满足发动机全工况下对EGR率匹配需求。

驱动装置10的选择应以作业为要求，以价格高低、技术水平为评价标准。驱动装置10根据成本投入和布置空间可选用电动驱动器10-1或气动驱动器10-2。电动驱动器10-1能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，成本较高。气动驱动器10-2结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用，成本低。当然本发明并不局限于使用所述两种驱动装置，事实上根据本发明提到的可以实现锥芯15直线或曲线运动的其余驱动方式，例如液动驱动器。

此外，本发明设计中还考虑了轴承密封、结构防尘、机构联动和连接、外部驱动装置结构布置、内部文丘里管结构和工艺等细节问题，使设计能满足实际应用条件。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管(1)，其特征在于：包括发动机(8)、排气歧管(6)、EGR阀(7)、EGR冷却器(9)、进气歧管(1)、节气门(2)、进气中冷器(3)、锥芯驱动装置(10)、涡轮机(4)和压气机(5)，所述排气歧管(6)安装于发动机(8)的排气口处且通过管道外接有三通管路，所述三通管路的一端与涡轮机(4)相连接且另一端连接与EGR阀(7)相连接，所述涡轮机(4)通过管路与压气机(5)相连接，所述EGR阀(7)通过管路与EGR冷却器(9)相连接，所述EGR冷却器(9)通过管路与进气歧管(1)相连接，所述进气歧管(1)与下方的所述节气门(2)相连接且入口外部设置有球形稳压罩(11)，所述球形稳压罩(11)通过管路与EGR冷却器(9)相连接，位于所述节气门(2)后的进气歧管(1)处内侧装有可沿管中心线方向移动的锥芯(15)，所述锥芯(15)通过锥芯驱动装置(10)驱动，所述节气门(2)通过管路与进气中冷器(3)相连接，所述进气中冷器(3)通过管路与压气机(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，其特征在于：所述进气歧管(1)入口处结构为文丘里管。

3.根据权利要求1所述的一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，其特征在于：在自然吸气发动机(8)中不包括涡轮机(4)和压气机(5)。

4.根据权利要求1所述的一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，其特征在于：所述文丘里管喉管段(20)和扩压段(19)变直径处平滑过渡。

5.根据权利要求4所述的一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，其特征在于：所述锥芯(15)小端朝向的正上方设置有喉管段(20)，所述锥芯(15)和喉管段(20)两者之间形成一个环形通道，所述锥芯(15)在沿扩压段(19)轴线方向移动，从而使得所述喉管段(20)内环形通道流通面积发生变化。

6.根据权利要求5所述的一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，其特征在于：所述锥芯(15)上沿轴向方向开设有导向槽(13)，所述导向槽(13)内滑动设置有导向滑块(14)，所述导向滑块(14)连接有固定杆(18)，所述固定杆(18)的一端与导向滑块(14)相连接且另一端固定在文丘里管扩压段(19)的内壁上，所述锥芯(15)上垂直轴向方向开设有驱动槽(16)，所述驱动槽(16)内设置有驱动杆(17)，所述驱动杆(17)的一端设置于驱动槽(16)内另一端连接锥芯驱动装置(10)，所述机械联动结构将锥芯驱动装置(10)输出的运动由驱动杆(17)的旋转运动转换为锥芯(15)的沿轴向方向直线运动。

7.根据权利要求1所述的一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，其特征在于：所述球形稳压罩(11)位于文丘里管喉口段外部且内部的喉管段(20)圆周方向设置若干大小统一的引射口(12)。

8.根据权利要求6所述的一种增强废气再循环率带可变截面文丘里管的进气歧管，其特征在于：所述锥芯驱动装置(10)可选用电动驱动器(10-1)或气动驱动器(10-2)。

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