專利名稱：多高度的流體混合器及使用方法
技術領域：
本發明涉及內燃機。具體來說，本發明涉及用于混合內燃機排氣和吸氣的 流體混合器組件。
背景技術：
大部分內燃機具有某種類型的排放控制裝置和系統。 一種普通類型的控制
系統是排氣再循環(EGR)系統，其將來自于排氣系統的排氣再循環到發動機 的吸氣系統。高壓EGR系統通常將排氣從渦輪機上游再循環到壓縮機的下游。 其它EGR系統以低壓再循環氣體，它們被稱之為低壓系統。具有高壓EGR系 統的發動機在空氣吸氣系統內具有匯合處，EGR氣體和吸入空氣在那里混合而 形成混合物。該排氣和吸入空氣的混合物在發動機運行過程中被消耗掉。
向內燃機每個缸提供空氣和排氣的均勻混合物對于運行是有利的。均勻混 合物促進發動機的有效運行，因為每個缸的排放和功率輸出是均勻的。對于在 發動機運行點的大范圍上運行相當大量EGR的發動機來說，提供給每個缸的 混合物均勻性成為特別重要的設計參數。
對于具有EGR系統的發動機，過去提出的許多方法旨在改進排氣和吸入 空氣的混合。這些方法通常使用提高吸入空氣、排氣，或吸入空氣和排氣混合 物中紊流的流動障礙，以提高供應到發動機氣缸的混合物的均勻性。盡管這樣 的方法一般地頗為有效，但由于在吸入空氣或吸入混合物中增加了紊流，所以 如此方法具有在發動機吸氣系統中壓力損失加大的缺點。發動機吸氣系統中壓 力損失加大導致發動機效率降低和提高燃耗。
發明內容
一種混合器組件用來混合來自吸氣系統的吸入空氣和來自排氣再循環系 統的排氣以產生混合流，該混合器組件包括空氣吸入導管，導管具有流體地連
5接到吸氣系統的入口。混合器組件還包括混合器，該混合器具有流體地連接到 排氣再循環系統的入口。混合器至少部分地設置在空氣吸入導管內，并包括外 管和設置在外管內的分隔部分。該分隔部分將第一通道與至少一個第二通道分 開，第一通道具有位于第一高度的出口 ，而第二通道具有位于第二高度的出口 。
圖1是根據本發明的具有用來混合空氣和排氣的流體混合器的內燃機的方 框圖。
圖2是根據本發明的混合器的后視圖。
圖3是根據本發明的混合器組件的側視圖。
圖4是根據本發明的混合器組件的仰視圖。
圖5是根據本發明的混合器組件的前視立體圖。
圖6是根據本發明的混合器替代實施例的俯視立體圖。
圖7是根據本發明的混合器組件的剖切圖。
圖8是根據本發明用于內燃機的混合空氣和排氣的方法的流程圖。
具體實施例方式
以下描述運行具有相關聯的排氣再循環(EGR)系統的內燃機的裝置和方 法。本文所述的EGR系統有利地包括混合排氣和吸入空氣而產生混合物的混 合器。發動機通過多個氣缸內的燃燒消耗掉該混合物。
圖1顯示安裝在車輛內的具有EGR系統的發動機100的方框圖。發動機 100包括具有渦輪機104和壓縮機106的渦輪增壓器102。壓縮機106具有連 接到空氣凈化器或過濾器110的空氣入口 108、以及通過充氣冷卻器(CAC) 熱通道116連接到充氣冷卻器(CAC) 114的充氣出口 112。 CAC 114具有通 過CAC冷通道120連接到吸氣節流閥(ITH) 118的出口。 ITH 118連接到空 氣吸入導管122，空氣吸入導管122流體地與發動機100的吸氣系統連通，該 吸氣系統通常顯示為附圖標記124。吸氣系統124的分支流體地連接到多個氣 缸126中的每個缸，多個缸126被包括在發動機100的曲柄軸箱128內。
發動機的多個氣缸126的每個缸連接到排氣系統130。發動機100的排氣
6系統130連接到渦輪機104的入口 13L排氣管132連接到渦輪機104的出口 。 其它部件諸如消音器、催化劑、顆粒過濾器等可連接到排氣管132，為簡化起 見，它們未予示出。
發動機100具有EGR系統134。 EGR系統134包括EGR冷卻器136和 EGR閥138，它們以串聯配置彼此連接，以使排氣通過其中。EGR冷卻器136 通過EGR氣體供給通道142流體地連通到排氣系統130。 EGR閥138設置在 冷卻的EGR氣體通道148的直線上，冷卻的EGR氣體通道148與呈空氣吸入 導管122 —部分的匯合處146流體地連通。混合器150位于匯合處146并流體 地連通和連接冷卻的EGR氣體通道148與空氣吸入導管122。
在發動機100的運行過程中，空氣在過濾器110內被過濾，并通過入口 108 進入空氣被壓縮的壓縮機106內。壓縮的或充氣的空氣通過出口 112退出壓縮 機106，并在CAC114處冷卻，然后通過ITH118。來自ITH 118的空氣在匯 合處146通過混合器150與來自冷卻的EGR氣體通道148的排氣混合而產生 混合物。通過繼續通過混合器150之后的空氣吸入導管122，混合物流到吸氣 系統124并進入氣缸126。在氣缸126中，混合物還與燃料混合并燃燒而對發 動機IOO產生有用功、熱量和排氣。燃燒之后從每個缸126中排出的排氣收集 在排氣系統130中，并流動到渦輪機104。通過渦輪機104的排氣產生的功被 壓縮機106消耗掉。
排氣系統130中的一部分排氣旁路通過渦輪機104并進入EGR氣體供給 通道142。進入通道142的排氣是將再循環到吸氣系統124內的排氣。再循環 的排氣在EGR冷卻器136內冷卻，EGR閥138計量再循環排氣量，然后，氣 體流到匯合處146，以便在混合器150內與退出ITH 118的充氣空氣混合。
混合器200顯示在圖2至圖5中。混合器200插入到空氣吸入導管(顯示 為彎頭)202內以形成混合器組件204。混合器組件204具有形成在彎頭202 內的空氣入口開口 206、形成在混合器200內的EGR氣體開口 208、以及形成 在彎頭202內的混合器出口 210。混合器200和彎頭202 —起在混合器組件204 內執行與圖1所示混合器150類似的功能，即，它們將空氣和排氣混合在一起。 混合器組件204還可提供功能性的接口，以便流體地連接到其它發動機部件。
所示混合器組件204包括彎頭202，以圖示混合器200對發動機的運行可
7以是最有利的一種結構。彎頭202包括90。的圓角(radius)，該彎頭通常阻 礙均勻混合物的形成。使用混合器200在出口 210處有利地提供均勻的混合物， 其是通過空氣入口開口 206進入混合器組件204的空氣與通過EGR氣體開口 208進入混合器200的排氣的混合物。
混合器200包括入口端口 212，其形成EGR氣體開口 208并從彎頭202 中伸出。入口端口212顯示為這樣一結構，其允許軟管(未示出)運載與其連 接的排氣，但也可構思將排氣提供到混合器的其它結構和模式。彎頭202形成 軸環214，其布置成將混合器200的入口端口212部分容納在其中，并提供支 承和其間的密封。混合器200的分隔部分217通常呈帶有角端的"淚珠"形狀， 然而，也可構思其它的結構。該"淚珠"或類似機翼的形狀對空氣圍繞混合器 200的移動導致較小的阻力和較小的壓降。分隔部分217設置在外管203內并 形成中心通道216。分隔部分217還細分為第一側通道218和第二側通道220， 它們在外管203內的中心通道216各側上。中心通道216、第一側通道218和 第二側通道220的出口 216'、218，和220，分別位于彎頭202的內部通道體積222 內。出口216'、 218'和220'傾斜，使得出口的較高端比出口的較低端更靠近空 氣吸入導管202的入口 206。
排氣可通過諸開口在每個中心通道、第一側通道和第二側通道216、 218 和220中退出混合器200，所述開口有利地定位在彎頭202內部通道222內的 不同相對高度處。中心通道出口 216'具有平均高度hl，如圖2所示，測量該 高度hl是從位于開口最低點處的基準D量到通道216、 218、 220。出口218' 的平均高度是從測量hl的起點量起的高度h2，這里h2小于hl。同樣地，出 口 220'具有平均高度h3，其從測量hl和h2的同一起點量起，這里h3小于hl 和h2。此外，出口 216'的最大高度大于出口 218'的最大高度，出口218'的最 大高度大于出口 220'的最大高度。
或者，中心通道216、第一側通道218和第二側通道220的出口可構造和 布置在內部通道體積222內的不同部位。此外，導管202內出口的數量、位置 和高度可以變化。
圖6至圖7顯示設置在空氣吸入導管700內以形成混合器組件603的混合 器600的第二實施例。分隔部分602包括中心部分602。分隔部分602具有"淚
8珠"或機翼截面形狀。分隔部分602位于外管604內。分隔部分602可以沿兩 個直徑向相對的接觸直線606 (僅可見一個)與外管604接觸，因此，在分隔 部分602和外管604之間形成第一通道608和第二通道610。第三通道612存 在于分隔部分602內。這樣，外管604的流動面積分隔為三部分，即，第一通 道608、第二通道610和第三通道612。類似于第一實施例，第一通道608、第 二通道610和第三通道612的出口平均高度彼此不同。S卩，第一至第三通道608、 610、 612的出口 608'、 610'和612'高度上錯列。
外管604切割成一長度，該長度小于分隔部分602的高度，以使分隔部分 602的一段突出超過外管604的端部614。外管604的端部614呈臺階形，形 成用于第一通道608的第一邊緣616，其不同于用于第二通道610的第二邊緣 618。第一和第二邊緣616和618各大致為半圓形，并沿不同長度或高度定位， 且是沿外管604的長度定位。在所示的實施例中，第一和第二邊緣616和618 各切割成相對于圓形外管604圓形橫截面的一定角度。此外，混合器600具有 引導流動通過其中的方向性的特征，該特征在于，外管604的壁622的一部分 620，沿著包圍第一通道608的區域向內傾斜，以使流過第一通道608的一部 分流體被引導朝向分隔部分602 。
圖7示出安裝入內燃機的空氣吸入導管700內的混合部分600的局部截面 圖。該空氣吸入導管700具有半徑為r和中心線為C的圓形截面，然而，也可 考慮其它的形狀。該圖中所示的混合部分600還包括EGR氣體饋送管702。 EGR氣體饋送管702連接到排氣源(未示出)，該排氣源例如可以是EGR閥 或冷卻器(都未示出)的出口端口。
在發動機運行過程中，空氣通過空氣吸入導管700。空氣吸入導管700內 的氣流用點虛線箭頭704表示。氣流704在入口截面706處進入空氣吸入導管 700區段，通過和圍繞混合器600，并在出口截面708處退出空氣吸入導管700 區段。在運行過程中，排氣流不時地通過EGR氣體饋送管702到達混合器600。 排氣流用虛線箭頭710表示。EGR氣體饋送管702內的排氣流710最好分為三 個支流，使每個支流通過第一通道608、第二通道610和第三通道612退出混 合器600。雖然三個支流在一起描述，但每個支流的流量卻取決于第一通道608、 第二通道610和第三通道612的各個出口開口的大小，三個通道不需是相等的。
9因此，退出各個流動通道的各支流可具有不同于另一支流的流量。
圖8顯示一種方法的流程圖，該方法對與內燃機相關的EGR系統混合空 氣流和排氣流。在步驟802處，使從發動機排氣系統的高壓或低壓部位流出的 排氣流通過EGR閥。排氣流可以是高壓或是低壓，并可選擇地加以冷卻。在 步驟804處，使排氣流流到混合器組件。在步驟806處，當排氣流通過混合器 組件時，將排氣流分為兩個或多個支流。在步驟808處，使兩個或多個排氣支 流各流到兩個或多個流動出口通道之一。在步驟810處，使兩個或多個支流各 通過其對應的流動出口通道退出混合器。在步驟812處，使退出混合器的兩個 或多個支流各在不同高度處與在空氣吸入導管內通過和圍繞混合器的氣流混 合。在步驟814處，使由吸入空氣流和兩個或多個排氣支流形成的混合物流入 內燃機，如內燃機運行需要，則重復該過程。
混合器組件204、 603在各種流動情況下混合吸入空氣和排氣，同時將導 管202、 700內的壓力損失保持在最小。通過用分隔部分將流動分為多個通道， 各個通道具有其高度范圍不同于其它通道的出口，由此，排氣在導管202、 700 內進行分布。有利地是，最好具有三個不同的高度，新的流體在這些高度引入 到主空氣/流體中，則對垂直分布有提高的控制性(因此，混合更佳)。還有， 混合器組件204、 603可在較寬的流體入口速度范圍上有效地進行混合，因為 三個釋放高度能使排氣流體在其釋放到主空氣/流體中之前以低的動量更容易 地到達任何要求高度。通過仔細地選擇通道的橫截面，可調整排氣流體流的速 度，以達到最大的分布(和生成的混合)以及最小的壓降。
本發明還可以其它特定形式實施而不脫離本發明的精神或基本特征。所描 述實施例在所有方面應被看作是說明性的而不是限制性的。因此，本發明范圍 是由附后權利要求書而不是上述的描述給以指明。所有落入權利要求書含義和 其等同物范圍之內的變化都被包括在本發明范圍內。
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權利要求
1. 一種混合器組件，用來混合來自吸氣系統的吸入空氣和來自排氣再循環系統的排氣以產生混合流，所述混合器組件包括空氣吸入導管，所述導管具有流體地連接到所述吸氣系統的入口；混合器，所述混合器具有流體地連接到所述排氣再循環系統的入口，所述混合器至少部分地設置在所述空氣吸入導管內，所述混合器包括外管；以及設置在所述外管內的分隔部分，所述分隔部分將第一通道與至少一個第二通道分開，所述第一通道具有位于第一高度的出口，而所述第二通道具有位于第二高度的出口。
2. 如權利要求1所述的混合器組件，其特征在于，所述分隔部分形成大致 中心地設置在所述混合器內的第一通道，所述分隔部分在兩個部位接觸所述外 管，以形成所述第二通道和帶有出口的第三通道。
3. 如權利要求2所述的混合器組件，其特征在于，所述第一出口、所述第 二出口和所述第三出口沿所述混合器的長度設置在不同高度處。
4. 如權利要求1所述的混合器組件，其特征在于，所述第一出口和第二出口傾斜，以使所述出口的較高端比所述出口的較低端更靠近所述空氣吸入導管 的所述入口。
5. 如權利要求1所述的混合器組件，其特征在于，所述空氣吸入導管具有 大致90度的圓角。
6. 如權利要求1所述的混合器組件，其特征在于，所述外管的一部分沿著 包圍所述第一通道的區域朝向所述分隔部分向內傾斜，以使流過所述外管的一 部分排氣被引導朝向所述分隔部分。
7. —種混合器，用來混合第一流體流和第二流體流以產生混合流，所述混 合器包括外管，所述外管具有一長度和第一端；分隔部分，所述分隔部分設置在所述外管內并伸過所述外管的所述第一 端，其中，所述分隔部分沿著兩個直徑向相對的接觸線連接到所述外管，其中，所述外管的流動區域分割為由所述分隔部分形成的第一通道，第二通道形成在 所述第一通道的第一側上介于所述分隔部分和所述外管之間，第三通道形成在 所述第一通道的第二側上介于所述分隔部分和所述外管之間。
8. 如權利要求7所述的混合器，其特征在于，所述分隔部分具有機翼形截面。
9. 如權利要求7所述的混合器，其特征在于，所述第一通道具有第一出口 ， 所述第二通道具有第二出口，其中，所述第一出口和所述第二出口具有不同的 最大高度。
10. 如權利要求9所述的混合器，其特征在于，所述第一出口和第二出 口相對于所述外管的所述長度傾斜。
11. 如權利要求7所述的混合器，其特征在于，所述外管的一部分沿著 包圍所述第二通道的區域朝向所述分隔部分向內傾斜，以使流過所述第二通道 的一部分排氣被引導朝向所述分隔部分。
12. 如權利要求7所述的混合器，其特征在于，所述第一通道具有第一 出口，所述第二通道具有第二出口，所述第三通道具有第三出口，其中，所述 第一出口的最大高度大于所述第二出口的最大高度，而所述第二出口的最大高 度大于所述第三出口的最大高度。
13. —種用來混合來自吸氣系統的吸入空氣和來自排氣再循環系統的 排氣以產生混合流的方法，所述方法包括以下步驟傳送所述吸入空氣通過吸氣導管；大致垂直于吸氣導管內所述吸入空氣的流動將混合器設置在所述吸氣導 管內，其中，所述混合器具有至少兩個通道，至少一個通道具有高度不同于另 一通道的出口；傳送所述排氣通過所述混合器；將所述排氣流分離到所述至少兩個通道內；將所述排氣分配到在不同高度處的所述至少兩個通道的所述出口之外；以及混合來自于所述至少兩個通道的所述排氣與所述吸氣導管內的所述吸入 空氣以形成所述混合流。
14. 如權利要求13所述的方法，其特征在于，還包括圍繞設置在所述 導管內的所述混合器使所述吸入空氣轉向的步驟。
15. 如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述混合器包括中心通 道和至少一個側通道，還包括偏轉至少一部分流動通過所述至少一個側通道朝 向中心部分的步驟。
全文摘要
一種混合器組件(204、603)用來混合來自吸氣系統(124)的吸入空氣和來自排氣再循環系統(134)的排氣以產生混合流，該混合器組件包括空氣吸入導管(202、700)，導管具有流體地連接到吸氣系統的入口(206、706)。混合器組件(204、603)還包括混合器(200、600)，該混合器具有流體地連接到排氣再循環系統(134)的入口(208、702)。混合器(200、600)至少部分地設置在空氣吸入導管(202、700)內，并包括外管(203、604)和設置在外管內的分隔部分(217、602)。該分隔部分(217、602)將第一通道(216、612)與至少一個第二通道(218、608)分開，第一通道具有位于第一高度的出口(216’、612’)，而第二通道具有位于第二高度的出口(218’、608’)。
文檔編號F02M25/07GK101487426SQ20081016915
公開日2009年7月22日 申請日期2008年10月23日 優先權日2007年10月23日
發明者I·V·來德雷, J·W·布羅格頓, S·A·貝蒂 申請人:萬國引擎知識產權有限責任公司