涡轮增压柴油机中的气体再循环的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于改进废气再循环性能的设备。明确地说，本发明涉及用于将废气再循环流诱导至发动机(诸如涡轮增压柴油机)的进气歧管中以在发动机运行瞬变期间提供改进的再循环废气混合和较一致的再循环废气流的设备
【背景技术】
[0002]在车辆排放控制的领域，众所周知，在发动机的某些运行状态期间，可通过将离开发动机的燃烧室的废气的一部分引入回至发动机的进气歧管中来使不需要的燃烧产物，诸如氮的氧化物(“N0X”)减到最少。再循环废气稀释进入的新鲜进气空气，从而导致混合物至发动机，其提供用于减少NOx形成的两种主要机制。第一机制是混合物减小峰值缸内燃烧温度，其中废气充当散热器。第二机制是新鲜空气流的稀释，取代本将以其他方式吸取至燃烧室中的氧气中的一些。较低氧气含量导致供给产生NOx的较少的构成氧原子且导致NOx形成的总体减少。
[0003]在常规内燃机中，诸如(例如)图1中示意性地示出的发动机1，废气再循环通道2设置在引导离开发动机的燃烧室3的排气管路10与发动机的进气歧管20之间。废气再循环管路经常具备用于冷却废气的再循环至进气歧管中的部分的冷却器22，以及流量控制阀23。流量控制阀23可打开、关闭和/或节流以控制再循环废气的量，且进而较好地匹配发动机的再循环废气需要与当前发动机运行状态。如果发动机配备有涡轮增压器30，那么废气再循环通道2通常设置在涡轮增压器的压缩器部分31、中间冷却器40和/或任何进气流量控制装置50的下游，且在涡轮增压器的涡轮32和废气处理装置60的上游。
[0004]关于废气再循环系统的众所周知的问题在于使废气流从排气管路再循环至进气歧管以在某些发动机运行状况期间，即，当在排气管路与进气管路之间存在不利的压力比，或存在低排气质量流率状况时减少或甚至停止的倾向。举例来说，响应于发动机功率输出需求的突然增大，排气管路中可用的废气流可能太少以致无法向进气歧管供应充足的再循环废气来匹配供应至发动机的气缸的氧气和燃料的突然增多。在此些情况下，缺乏充足的再循环废气可导致在瞬变状况期间无法充分抑制NOx形成，和超过NO,排放要求的对应可能性。
[0005]一些再循环废气系统可能经历的额外问题是关于涡轮增压器的使用，因为涡轮增压器可在进气歧管中形成充足的压力以有效地停止废气通过废气再循环管路至进气管的流动，特别是在发动机输出需求瞬变期间。
[0006]改进废气再循环流的先前努力主要集中于在下游排气管中建立反压力，诸如通过至少部分关闭位于涡轮增压器的涡轮侧的上游或下游的下游排气制动阀，或通过使用昂贵的可变几何形状涡轮增压器，其叶片可调整以减少通过涡轮增压器的流且因此建立反压力。此些途径增大排气管路与进气歧管之间的废气再循环管路上的压力差。然而，即使借助此些排气管路组件的辅助，在许多瞬变发动机运行状况中也无法确保至进气歧管的充分的废气再循环流。
【发明内容】
[0007]鉴于现有技术的这些和其它问题，本发明的目标为在所有运行的发动机状况(尤其包括瞬变发动机运行状况)中提供增强的废气再循环流。进一步目标为在这些运行状况中提供再循环废气与新鲜空气的改进的混合。
[0008]这些和其它目标通过文氏管和皮托管喷嘴组件的新颖布置来解决，所述布置建立其中可采用柯恩达效应来增强实际上任何发动机运行状况下的废气再循环流的状况。这些布置进而帮助将在发动机运行状况(包括瞬变状况)期间超过排放限制的可能性减到最小。
[0009]柯恩达效应是一种现象，其中在相同类型的流体中流动的流体喷射，诸如气体喷射(例如，在气体中流动的气体喷射，或在液体中流动的液体喷射)在其通过邻近的凸面时偏转，从而遵循凸面的轮廓直到流体喷射流与表面分开为止。实际上，高速喷射符合凸面，因为其中高速喷射流动的流体不存在于高速喷射与邻近的凸面之间，即高速喷射的偏转“填充”本将以其他方式形成于防高速喷射和邻近的凸面之间的真空。根据伯努利流体流动方程，朝凸面的偏转伴随有邻近表面附近的压力的降低和流体速度的增大。
[0010]由柯恩达效应导致的流体压力的减小可用以扩大压力差和/或增大另一流体中的质量流率。举例来说，在飞机应用中，可通过使废气从喷射发动机经由机翼的顶表面排放来增加机翼的提升，使得沿着凸起的机翼上表面偏转的高速废气喷射流经历压力的减小，从而有效地增大机翼的下表面与上表面之间的压力差。在其它应用中，在高速喷射必须遵循邻近的凸面的点处的高速喷射的减小的压力和增大的速度可用以通过以下操作来增强邻近流体流的质量流率:(i)增大邻近流动流进入流动通道的上游点与产生柯恩达效应的点之间的压力差，以及(ii)通过高柯恩达流动区域中的物理夹带来增大邻近流体至高速流体中的侧向扩散。此高速夹带也帮助促进流体流的较彻底的混合。
[0011]在本发明的实施方案中，具有皮托管的一般形状的废气再循环管路借助皮托管的开口定位，其轴向地与相对高压力的新鲜空气流动通过的文氏管歧管的外管的中心对准。优选地，皮托管的出口面向下游流动方向且轴向地定位在外管的颈缩区域的入口附近。外管的直径渐减区域与外管的颈缩相对直的区域之间的过渡在外管的内部提供凸起壁表面。当在此区中流动的新鲜空气符合凸面时，柯恩达效应导致新鲜空气的压力减小和速度增大。另外，通过将皮托管的出口定位在外管的最宽区域与最窄区域之间的过渡区域中(即，在会聚流动区域中)的外管中心线处，皮托管的外表面有效地减小外管中的用于新鲜空气的横截面流动面积，进而针对给定新鲜空气质量流率进一步增大新鲜空气速度且降低新鲜空气压力。
[0012]本发明的流增强的参数之间的关系可随着应用的需要而变，只要维持合适的流动性能。举例来说，在现有技术中，注入的再循环废气与废气注入点上游的新鲜进气空气的速度之间的“速度比”通常约为1.5。借助本发明中的与柯恩达效应的应用相关联的增强，得到约2.0至5.0的速度比，从而允许较好的混合效率，增大的废气流和防止废气管道中的回流。
[0013]影响速度比的参数包括再循环废气注入点上游的新鲜空气管的内径D1，管的变窄部分的内径D2，管的会聚部分的会聚角a (DpDjP α进而定义会聚部分的长度I)，废气注入管道至管的会聚部分中的插入深度X和外径山，以及再循环废气的质量流率叫和新鲜空气的质量流率Hl2。这些变量合起来在再循环废气管道的注入端与侧向邻近的会聚管壁之间界定环形区 A(即，A = f (D1, D2, (I1, X，α )，和所得速度比 VR(即，VR = f (D1, D2, (I1, x, a , In1，m2)。
[0014]通过废气再循环皮托管和会聚的新鲜空气外管的此布置，在皮托管的出口附近显著减小的压力在废气管路与新鲜空气外管之间呈现大体上增强的压力差。此增大的压力差用以显著地增大从皮托管出口抽取的废气的质量流率和速度，甚至在其中排气歧管与进气歧管之间的压力比通常为不利的某些发动机运行状况中也如此。
[0015]使用柯恩达效应的进一步益处为增强从皮托管抽取的废气的侧向迀移，其中在新鲜空气沿着凸起外壁表面流动时的新鲜空气的压力的减小朝管壁侧向地有效地吸取废气。此效应提供朝燃烧室流动的再循环废气新鲜空气混合物的更大的同质性，和外管中的对应的横截面速度曲线，其中典型的“V”分布从中心向外拉平。增强的混合也在比常规废气再循环系统中更短的距离中发生，常规废气再循环系统简单地将废气直接排放至发动机新鲜空气进气管路中。可通过在外管会聚流动区域的下游提供分叉外管区域来进一步增强废气与新鲜空气的侧向混合。
[0016]进入发动机的燃烧室的新鲜空气/再循环废气混合物的改进的同质性通过大体上减小燃烧室中的再循环废气的过度供应和供应不足的局部区域来进一步增强对燃烧室中的NOJi成的控制。
[0017]使用皮托管来将废气注入至新鲜空气进料管中的先前系统以主要仅在文氏管部分处或附近的新鲜空气流中提供废气进入点的方式使用直的皮托管，从而导致废气在新鲜空气柱内的相对同质流中掠过大体上下游距离。因此，为了设法避免非同质空气/废气混合物进入发动机气缸(可能增加NOx排放)，先前设计在废气注入点的下游需要不合需要的长进气管，以便提供充足的气体混合。此些长的进气管对于设计者来说难以容纳在现代车辆的高度受空间约束的发动机舱中。
[0018]为了解决在上述先前设计中的同质混合物的缺乏，已知提供在新鲜空气进料管中群集的多个小废气入口管，以在离废气注入点的较短距离处提供增强的混合。然而，这些设计具有不提供足够高以在所有发动机运行状况中确保充分废气再循环流的压力梯度的缺点。
[0019]与这些先前设计相比，产生从皮托管出口抽取的废气的柯恩达效应驱动的增强的文氏管和皮托管的布置导致混合的新鲜空气/废气流中的显著较大