CN115807725A - 具有高压混合器的排气回收系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了“具有高压混合器的排气回收系统”。一种发动机系统包括：发动机，所述发动机具有进气歧管；涡轮增压器，所述涡轮增压器具有压缩机；以及排气回收(EGR)混合器，所述排气回收混合器联接在所述压缩机与所述进气歧管之间。所述EGR混合器包括：中心空气风道，所述中心空气风道具有中心轴线；环形环，所述环形环包围所述中心风道并且具有可连接到EGR系统的入口和与所述中心空气风道流体连通的出口；以及叶片组件，所述叶片组件设置在所述环形环上游的所述中心空气风道中并且具有多个叶片，所述多个叶片被配置为使传递通过其中的空气发生涡流。

Description

具有高压混合器的排气回收系统

技术领域

本申请涉及机动车辆发动机系统中的排气再循环(EGR)，并且更特别地，涉及高压EGR混合器。

背景技术

增压内燃发动机可能表现出比等效输出功率的自然进气式发动机更高的燃烧和排气温度。此类较高的温度可能会增加氮氧化物(NOx)排放。排气再循环(EGR)是一种用于减少NOx排放的方法。EGR策略通过用排气稀释进气充气来降低进气充气的氧含量。当使用经稀释的空气-排气混合物代替新鲜空气来支持发动机中的燃烧时，导致较低的燃烧和排气温度。

发明内容

根据一个实施例，一种发动机系统包括：发动机，所述发动机具有进气歧管；涡轮增压器，所述涡轮增压器具有压缩机；以及排气回收(EGR)混合器，所述排气回收混合器联接在所述压缩机与所述进气歧管之间。所述EGR混合器包括：中心空气风道，所述中心空气风道具有中心轴线；环形环，所述环形环包围所述中心风道并且具有可连接到EGR系统的入口和与所述中心空气风道流体连通的出口；以及叶片组件，所述叶片组件设置在所述环形环上游的所述中心空气风道中并且具有多个叶片，所述多个叶片被配置为使传递通过其中的空气发生涡流。

根据另一实施例，一种发动机系统包括：发动机，所述发动机具有进气歧管；涡轮增压器，所述涡轮增压器具有压缩机；以及排气回收(EGR)混合器，所述排气回收混合器联接在所述压缩机与所述进气歧管之间，并且被配置为将来自压缩机的新鲜空气与来自EGR系统的回收的排气进行混合。所述EGR混合器具有：空气风道，所述空气风道限定EGR端口；以及可变节距叶片组件，所述可变节距叶片组件与所述空气风道流体连通并且设置在所述EGR端口的上游。所述叶片组件包括多个叶片，所述多个叶片围绕所述空气风道的中心轴线周向地布置并且可在各种节距之间移动，以增大和减小所述空气风道的有效横截面面积并修改传递通过其中的空气的涡流。

根据另一实施例，一种排气回收(EGR)混合器包括中心风道，所述中心风道具有可连接到压缩机的上游侧和可连接到发动机进气歧管的下游侧。环形环包围所述中心风道并且具有：入口端口，所述入口端口可连接到EGR系统；蜗壳，所述蜗壳从所述入口端口延伸到终端；以及孔，所述孔限定在所述蜗壳的内侧壁中从而流体连通地连接所述蜗壳和所述中心风道。

附图说明

图1是具有涡轮增压器和具有高压混合器的EGR的发动机系统的示意图。

图2是包括高压EGR混合器的进气系统的示意图。

图3是根据一个或多个实施例的高压EGR混合器的透视图。

图4是图3的高压EGR混合器的横截面侧视图。

图5A和图5B示出了用于高压EGR混合器的可变节距叶片组件的透视图。

具体实施方式

本文描述了本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可呈现各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构细节和功能细节并不解释为限制性，而仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实现方式，可能期望与本公开的教示一致的对特征的各种组合和修改。

增压发动机系统(例如，涡轮增压的)可包括将排气再循环到发动机进气口的高压EGR回路。一些车辆还可包括低压EGR回路。在高压EGR回路中，从涡轮机的上游抽吸排气并与压缩机下游的进气混合。在低压EGR回路(如果存在)中，从涡轮机的下游抽吸排气并与压缩机上游的进气混合。

要实现适当地控制EGR稀释水平并保护燃烧稳定性，例如经由EGR混合器使再循环排气与进气充气均质化。然而，一些EGR混合器在一方面的有效均质化与另一方面的过度空气流量约束之间进行折衷。换句话说，提供有效均质化的流量元件也会致使进气流的阻力，这降低了整体效率。相反，呈现最小阻力的EGR混合器可能无法在每一个混合点和工况下提供足够的均质化。

参考图1，示例内燃发动机系统10由诸如柴油或汽油等燃料提供动力。发动机系统10包括具有压缩机14和涡轮机16的涡轮增压器11。空气净化器12从环境中吸入新鲜空气并将经过滤的新鲜空气供应到压缩机14。压缩机14可以是任何合适的进气压缩机。在示出的实施例中，压缩机是机械地联接到涡轮机16的涡轮增压器压缩机，但是在其他实施例中可以是机械增压器。通过使来自排气歧管18的发动机排气膨胀来驱动涡轮机16。排料阀20从出口到入口联接在压缩机14两端。

在发动机系统10中，压缩机14的出口15联接到增压空气冷却器22(例如，中间冷却器)。在一个实施例中，增压空气冷却器22是气体对液体热交换器，所述气体对液体热交换器被配置为将压缩空气充气冷却到适合于进入进气歧管24的温度。在另一实施例中，增压空气冷却器可以是空气对空气热交换器。

进气歧管24和排气歧管18分别通过一系列进气门32和排气门34联接到发动机31的一系列燃烧室30。发动机可包括压缩点火和/或火花点火。

EGR系统25被配置为将排气再循环到进气歧管。系统25可包括联接在排气歧管18的下游和涡轮机16的上游的冷却器38。EGR冷却器38可以是气体对液体热交换器，所述气体对液体热交换器被配置为将排气冷却到适合于混合到压缩空气充气中的温度。高压排气从冷却器38流动到高压EGR混合器28。用于控制EGR流率的阀41可位于EGR冷却器38的上游或下游。在一些实施例中，可包括冷却器旁路管线和阀以提供不与冷却剂交换热量的并联EGR回路。旁路管线可用于使基本上未冷却的高压排气流到进气歧管。如下面将进一步描述的，EGR混合器28将经计量的排气混合到进气充气中。经稀释的空气充气从EGR混合器28的出口流到进气歧管24。EGR混合器28包括入口侧40，所述入口侧经由一个或多个空气风道42和冷却器22连接到压缩机14的出口15。EGR混合器28还包括出口侧44，所述出口侧经由一个或多个风道46连接到进气歧管24。

可在冷却器22与混合器28之间提供节流阀。节流阀是可控制的，以控制进入发动机的空气量。替代地，EGR混合器28可设置在压缩机出口15的下游和节流阀26的上游。

参考图2和图3，根据一个或多个示例实施例，高压EGR混合器50包括中心空气风道52，所述中心空气风道具有可经由一个或多个中间部件(诸如空气风道、冷却器、阀等)连接到压缩机的入口54和经由一个或多个中间部件(诸如空气风道、节流阀等)连接到一个或多个进气歧管58的出口56。环形环60环绕中心空气风道52，并且具有可诸如经由导管66连接到EGR系统的入口62和通向中心风道52的出口64。虽然中心风道52被示出为单个部件，但是它可由接合在一起的多个部件形成。

环形环60包括螺旋形蜗壳70，所述螺旋形蜗壳在入口端口62处具有起始端并且围绕环形环60周向地延伸到终端。蜗壳70的横截面面积从起始端到终端减小。蜗壳70被配置为在EGR气体中创建涡流(在示出的实施例中为逆时针涡流)，以将排气与压缩的新鲜空气充气混合。将排气与高压空气充气混合是具有挑战性的，并且由蜗壳70创建的涡流可显著增加离开混合器50的空气充气的均质性。蜗壳70在内壁72中限定一个或多个孔，以将排气释放到中心风道52中。如图4中最佳地示出，该孔可以是沿着蜗壳70的至少一部分延伸的周向狭槽74。在一些实施例中，狭槽74可以仅沿着蜗壳70的一部分延伸，并且在其他实施例中，狭槽74沿着蜗壳的长度可以是连续的。替代地，该孔可以是沿着内壁72布置的一系列离散的孔洞或开口，而不是连续的狭槽。

要进一步确保混合器50内的适当混合，在一些实施例中可提供叶片组件80。(在其他实施例中，可省略叶片组件。)环形环60和叶片组件80可被配置为使空气在相同或相反方向上发生涡流。叶片组件80设置在环形环60上游的中心风道52中。叶片组件80包括多个叶片82，所述多个叶片围绕中心风道52的中心轴线86周向地布置，并且被配置为使传递通过其中的空气发生涡流。叶片组件80包括位于中心轴线86上的毂84，并且叶片82具有连接到毂84的内侧88。叶片组件80旋转地固定在中心风道52内。叶片组件80可通过将叶片82的外侧90连接到中心风道52的内壁来附接在中心风道内。在一个示例中，叶片82中的一者或多者包括从外侧延伸并接收在中心风道的对应特征部(例如，狭槽或孔洞)内以支撑叶片组件80的柱或轴(未示出)。

叶片82倾斜以在高压空气充气中引起涡流。示出的叶片82倾斜以使空气在与蜗壳相同的方向上发生涡流。然而，在其他示例中，叶片可相反地倾斜以引起蜗壳的反向涡流。在该实施例中，叶片82具有固定的节距，然而，如下面所示，在其他实施例中，叶片可具有可变的节距。可根据设计的特定需求使叶片82以多种角度倾斜。通常，增加节距(更闭合)会引起更多的涡流，但也会减少循环通过混合器的质量空气流量。根据发动机的特定需求，设计者可优化节距以平衡涡流和质量空气流量。叶片组件80可位于环形环60的上游0.25倍至3倍中心空气风道52的直径的距离处。该距离允许在流动损失减少的情况下形成涡流。在一个或多个实施例中，叶片组件可包括3至12个叶片，但当然，这仅是一个示例。

在一个或多个替代实施例中，叶片组件可以是可变节距的。可变节距叶片组件可与环形环结合利用，或者在不包括环形环的EGR混合器中利用。所述可变节距叶片组件设置在所述EGR入口端口上游的所述中心空气风道中。所述可变节距叶片组件包括多个叶片，所述多个叶片围绕所述中心风道的中心轴线周向地布置并且可在各种节距之间移动，以增大和减小所述中心风道的有效横截面面积，以修改传递通过其中的空气的涡流，并且修改通过所述混合器的质量空气流量。可变节距叶片组件可与节流阀结合使用，或者可用于替换节流阀。也就是说，叶片的节距可用于节流到发动机的气流，以允许消除标准节流阀。在一些实现方式中，使用节流阀和可变节距叶片组件两者可能是有利的，以使得可优化叶片组件以控制EGR。

参考图5A和图5B，另一高压EGR混合器100包括可变节距叶片组件102。这些图仅示出了可变节距叶片组件，应当理解，除了固定叶片组件之外，上述特征也可用于EGR混合器。例如，可变节距叶片组件102可与上述蜗壳结合使用。替代地，混合器100可不包括蜗壳，而是依赖于可变节距叶片组件102来提供新鲜空气充气和排气的充分混合。

叶片组件102可设置在混合器100的中心空气风道的一个区段内，或者可被提供为连接到中心空气风道或被支撑在中心空气风道内的单独组件。在示例图示中，中心空气风道的区段104容纳可变节距叶片组件102。EGR端口(未示出)位于叶片组件102的下游，并且如上所述提供在中心空气风道的侧壁中或提供在蜗壳(如果包括)中。

叶片组件102可包括多个叶片106，所述多个叶片围绕位于中心空气风道的中心轴线上的毂108周向地布置。叶片106可在各种节距之间移动，以增大和减小所述中心风道的有效横截面面积并修改传递通过其中的空气的涡流。例如，叶片106中的每一者可安装在可旋转地附接到中心毂108的轴110上。轴110的旋转改变了叶片106的节距。轴110可延伸穿过限定在区段104中的开口112，以与致动器组件114连接。

致动器组件114被配置为以同步化方式致动叶片。致动器组件114可包括致动器环116，所述致动器环包围叶片组件并且被配置为相对于中心轴线周向地旋转。轴110可操作地联接到致动器环116，以使得环116的周向旋转改变叶片106的节距。在示出的实施例中，致动器环116的顺时针旋转打开叶片106，并且致动器环116的逆时针旋转关闭叶片106。止动件(未示出且是任选的)可限制致动器环116的范围以防止叶片的负节距。在示例实施例中，轴110包括接收在环116的开口120中的相关联的臂118。环116的旋转使臂118围绕它们的轴110枢转，从而致使叶片106改变节距。

致动器组件114还包括致动器122，所述致动器可操作地联接到致动器环116并且被配置为使所述环旋转。致动器122可包括线性致动器124，所述线性致动器被配置为使连接到致动器环116的杆126伸出和缩回。如示例附图中所示，伸出杆126会关闭叶片106(图5B)，并且缩回杆126会打开叶片106(图5A)。致动器122可由车辆控制器电子地控制。

可基于工况而控制可变节距叶片以优化发动机性能。例如，在不需要EGR时的发动机状况期间，可完全打开可变节距叶片组件以使压力损失最小化，从而改善发动机的峰值功率。当需要高EGR时，叶片可倾斜到大角度(更闭合)以约束气流并增加节气门效果。这里，可避免诸如关闭可变喷嘴涡轮机(VNT)以驱动EGR等常规方法。因此，可减少发动机泵气损失并且可改善BSFC。在需要中等或低EGR速率的发动机状况下，叶片组件可枢转到较小的角度(打开更多)。这里，EGR混合和分布到每个气缸仍然可满足平衡发动机性能的要求。可基于空燃比而调整叶片。发动机的较稀操作对EGR混合不太敏感，并且可打开叶片以减小压降。混合器和EGR阀的叶片组件可被优化以最小化发动机压力差，同时满足所需的进气歧管压力和EGR速率。

虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可做出各种改变。如先前所述，各种实施例的特征可组合以形成本发明的可能未明确描述或示出的另外的实施例。虽然各种实施例就一个或多个期望的特性而言可能已经被描述为提供优点或优于其他实施例或现有技术实现方式，但本领域普通技术人员应认识到，可折衷一个或多个特征或特性来达成期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式期望的实施例处在本公开的范围内，并且对于特定应用来说可能是期望的。

根据本发明，提供了一种发动机系统，所述发动机系统具有：发动机，所述发动机包括进气歧管；涡轮增压器，所述涡轮增压器包括压缩机；以及排气回收(EGR)混合器，所述排气回收混合器联接在所述压缩机与所述进气歧管之间，所述混合器包括：中心空气风道，所述中心空气风道具有中心轴线；环形环，所述环形环包围所述中心风道并且具有可连接到EGR系统的入口和与所述中心空气风道流体连通的出口；以及叶片组件，所述叶片组件设置在所述环形环上游的所述中心空气风道中并且具有多个叶片，所述多个叶片被配置为使传递通过其中的空气发生涡流。

根据一个实施例，所述环形环和所述叶片组件被配置为使所述空气在相同方向上发生涡流。

根据一个实施例，叶片组件包括位于中心空气风道的中心轴线上的毂，并且叶片具有连接到毂的内侧。

根据一个实施例，所述叶片具有连接到所述中心风道的内壁的外侧。

根据一个实施例，叶片组件旋转地固定在中心风道内。

根据一个实施例，所述环形环限定在所述入口与所述出口之间延伸的螺旋形蜗壳。

根据一个实施例，蜗壳的横截面面积在入口处比出口处大。

根据一个实施例，所述叶片可旋转以改变节距。

根据一个实施例，所述叶片可在打开位置与关闭位置之间旋转，在所述关闭位置处，所述叶片阻挡所述中心风道。

根据一个实施例，所述叶片组件还包括中心毂，并且所述叶片联接到所述毂，以使得每个叶片可旋转以改变节距。

根据一个实施例，所述叶片中的每一者包括可旋转地附接到所述中心毂的轴。

根据一个实施例，所述EGR混合器还包括致动器组件，所述致动器组件连接到所述轴并且被配置为通过旋转所述轴来改变所述叶片的节距。

根据一个实施例，所述致动器组件具有致动器环，所述致动器环连接到所述轴并且可相对于所述中心轴线周向地旋转以改变所述叶片的节距。

根据一个实施例，所述轴可枢转地附接到所述致动器环。

根据一个实施例，所述致动器组件还具有线性致动器，所述线性致动器被配置为使致动器环旋转。

根据一个实施例，本发明的特征还在于：一个或多个空气风道，所述一个或多个空气风道从所述压缩机的出口延伸到所述EGR混合器的入口侧。

根据本发明，提供了一种发动机系统，所述发动机系统具有：发动机，所述发动机包括进气歧管；涡轮增压器，所述涡轮增压器包括压缩机；以及排气回收(EGR)混合器，所述排气回收混合器联接在所述压缩机与所述进气歧管之间，并且被配置为将来自压缩机的新鲜空气与来自EGR系统的回收的排气进行混合，所述混合器包括：空气风道，所述空气风道限定EGR端口；以及可变节距叶片组件，所述可变节距叶片组件与所述空气风道流体连通并且设置在所述EGR端口的上游，其中所述叶片组件包括多个叶片，所述多个叶片围绕所述空气风道的中心轴线周向地布置并且可在各种节距之间移动，以增大和减小所述空气风道的有效横截面面积并修改传递通过其中的空气的涡流。

根据一个实施例，所述EGR混合器包括致动器组件，所述致动器组件被配置为改变所述叶片的节距。

根据一个实施例，所述致动器组件包括致动器环，所述致动器环可操作地联接到所述叶片，并且可相对于所述中心轴线周向地旋转以改变所述叶片的节距。

根据本发明，提供了一种排气回收(EGR)混合器，所述排气回收混合器具有：中心风道，所述中心风道具有可连接到压缩机的上游侧和可连接到发动机进气歧管的下游侧；以及环形环，所述环形环包围所述中心风道并且包括：入口端口，所述入口端口可连接到EGR系统；蜗壳，所述蜗壳从所述入口端口延伸到终端；以及孔，所述孔限定在所述蜗壳的内侧壁中从而流体连通地连接所述蜗壳和所述中心风道。

Claims (15)

1.一种发动机系统，其包括：

发动机，所述发动机包括进气歧管；

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括压缩机；以及

排气回收(EGR)混合器，所述排气回收混合器联接在所述压缩机与所述进气歧管之间，所述混合器包括：

中心空气风道，所述中心空气风道具有中心轴线；

环形环，所述环形环包围所述中心风道并且具有可连接到EGR系统的入口和与所述中心空气风道流体连通的出口；以及

叶片组件，所述叶片组件设置在所述环形环上游的所述中心空气风道中并且具有多个叶片，所述多个叶片被配置为使传递通过其中的空气发生涡流。

2.如权利要求1所述的发动机系统，其中所述环形环和所述叶片组件被配置为使所述空气在相同方向上发生涡流。

3.如权利要求1所述的发动机系统，其中所述叶片组件包括位于所述中心空气风道的所述中心轴线上的毂，并且所述叶片具有连接到所述毂的内侧，其中所述叶片具有连接到所述中心风道的内壁的外侧。

4.如权利要求1所述的发动机系统，其中所述叶片组件旋转地固定在所述中心风道内。

5.如权利要求1所述的发动机系统，其中所述环形环限定在所述入口与所述出口之间延伸的螺旋形蜗壳。

6.如权利要求1所述的发动机系统，其中所述叶片可在打开位置与关闭位置之间旋转以改变节距，在所述关闭位置处，所述叶片阻挡所述中心风道。

7.如权利要求1所述的发动机系统，其中所述叶片组件还包括中心毂，并且所述叶片联接到所述毂，以使得每个叶片可旋转以改变节距。

8.如权利要求7所述的发动机系统，其中所述叶片中的每一者包括可旋转地附接到所述中心毂的轴，其中所述EGR混合器还包括致动器组件，所述致动器组件连接到所述轴并且被配置为通过旋转所述轴来改变所述叶片的所述节距。

9.如权利要求8所述的发动机系统，其中所述致动器组件具有致动器环，所述致动器环连接到所述轴并且可相对于所述中心轴线周向地旋转以改变所述叶片的所述节距，其中所述轴可枢转地附接到所述致动器环。

10.如权利要求9所述的发动机系统，其中所述致动器组件还具有线性致动器，所述线性致动器被配置为使所述致动器环旋转。

11.如权利要求1所述的发动机系统，其还包括：

一个或多个空气风道，所述一个或多个空气风道从所述压缩机的出口延伸到所述EGR混合器的入口侧。

12.一种发动机系统，其包括：

发动机，所述发动机包括进气歧管；

涡轮增压器，所述涡轮增压器包括压缩机；以及

排气回收(EGR)混合器，所述排气回收混合器联接在所述压缩机与所述进气歧管之间，并且被配置为将来自所述压缩机的新鲜空气与来自EGR系统的回收的排气进行混合，所述混合器包括：空气风道，所述空气风道限定EGR端口；以及可变节距叶片组件，所述可变节距叶片组件与所述空气风道流体连通并且设置在所述EGR端口的上游，其中所述叶片组件包括多个叶片，所述多个叶片围绕所述空气风道的中心轴线周向地布置并且可在各种节距之间移动，以增大和减小所述空气风道的有效横截面面积并修改传递通过其中的所述空气的涡流。

13.如权利要求12所述的发动机系统，其中所述EGR混合器包括致动器组件，所述致动器组件被配置为改变所述叶片的所述节距。

14.如权利要求13所述的发动机系统，其中所述致动器组件包括致动器环，所述致动器环可操作地联接到所述叶片，并且可相对于所述中心轴线周向地旋转以改变所述叶片的所述节距。

15.一种排气回收(EGR)混合器，其包括：

中心风道，所述中心风道具有可连接到压缩机的上游侧和可连接到发动机进气歧管的下游侧；以及

环形环，所述环形环包围所述中心风道并且包括：

入口端口，所述入口端口可连接到EGR系统，

蜗壳，所述蜗壳从所述入口端口延伸到终端，以及

孔，所述孔限定在所述蜗壳的内侧壁中从而流体连通地连接所述蜗壳和所述中心风道。

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