Смеситель рециркуляции выхлопных газов и система двигателей транспортного средства (варианты)
Смеситель рециркуляции выхлопных газов содержит верхнюю по потоку секцию трубопровода, имеющую проходное сечение, сужающееся в направлении воздушного потока через смеситель, нижнюю по потоку секцию трубопровода, имеющую расширяющееся проходное сечение в направлении воздушного потока через смеситель, прорезь, сформированную в нижней по потоку секции трубопровода, для введения выхлопного газа в воздушный поток, и выступ, резкое расширяющий поток и расположенный между верхней по потоку и нижней по потоку секциями трубопровода. В смесителе рециркуляции выхлопных газов, выполненном таким образом, рециркуляционный выхлопной газ может быть эффективно гомогенизирован в потоке впускного воздуха с уменьшенным сопротивлением потоку.
Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к области двигателестроения и более конкретно к рециркуляции выхлопных газов в системах двигателей транспортных средств. Уровень техники
Для форсированного двигателя характерны более высокие температуры сгорания и выхлопных газов по сравнению с нефорсированным двигателем эквивалентной мощности. Указанные более высокие температуры способствуют увеличению выброса окиси азота (NOX) и вызывают повышенный износ деталей двигателя и связанной с ним выхлопной системы. Рециркуляция выхлопных газов (EGR) является одним из решений для борьбы с указанными эффектами. Технологии EGR уменьшают содержание кислорода во впускном воздухе путем его разбавления с выхлопным газом. Если для поддержки сгорания в двигателе вместо обычного воздуха используется обедненная смесь воздуха с выхлопным газом, то в результате снижаются температуры сгорания и выхлопных газов. EGR также повышает экономию топлива в бензиновых двигателях за счет снижения потерь на дросселирование и теплоотвод.
В системе форсированного двигателя, оснащенной компрессором турбонагнетателя и турбиной, выхлопные газы могут быть рециркулированы посредством контура высокого давления (HP) EGR или контура низкого давления (LP) EGR. В контуре высокого давления выхлопные газы поступают выше по потоку турбины и смешиваются с приточным воздухом ниже по потоку компрессора. В контуре низкого давления выхлопные газы поступают ниже по потоку турбины и смешиваются с приточным воздухом выше по потоку компрессора. Алгоритм EGR высокого давления и низкого давления обеспечивает оптимальную эффективность в различных областях характеристики двигателя «скорость-нагрузка». Например, в форсированных бензиновых двигателях, использующих стехиометрический показатель AFR (соотношение воздух/топливо), EGR высокого давления предпочтительна при низких нагрузках, при которых разрежение на впуске двигателя обеспечивает достаточный потенциал потока; EGR низкого давления предпочтительна при более высоких нагрузках, при которых контур EGR низкого давления обеспечивает более высокий потенциал потока. Также возможны различные другие соотношения между этими двумя алгоритмами как для бензиновых, так и для дизельных двигателей. Такая взаимозависимость мотивирует конструкторов к созданию систем, имеющих контуры EGR как высокого давления, так и низкого давления.
Для обеспечения соответствующего управления уровнем смешивания EGR и устойчивости сгорания рециркуляционные выхлопные газы гомогенизируют с впускным воздухом, например, посредством смесителя EGR. Однако некоторые смесители EGR нарушают соотношение между эффективной гомогенизацией с одной стороны и ограничением чрезмерного расхода воздуха с другой стороны. Иными словами, элементы потока, которые обеспечивают эффективную гомогенизацию, также вызывают всасывание впускного воздуха, что уменьшает общую эффективность. Напротив, смесители EGR, которые обеспечивают минимальное всасывание, могут не обеспечивать достаточную гомогенизацию в каждой точке смешивания и в каждом эксплуатационном режиме. Смеситель EGR, описанный в патенте США 7,568,340, например, может обеспечить относительно небольшое ограничение для впускного воздуха. Однако указанный смеситель выполнен с возможностью использования в контуре EGR низкого давления, в котором увеличенный путь потока и действие компрессора обеспечивают дополнительную гомогенизацию и таким образом смягчают требования к рабочим характеристикам смесителя.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом данной полезной модели является повышение эффективности гомогенизации рециркулированных выхлопных газов во впускном воздухе при уменьшенном сопротивлении потоку.
Изобретатели обнаружили указанные проблемы и предложили ряд способов, для их решения. Таким образом, согласно одному из вариантов реализации системы предложен смеситель EGR, содержащий: верхнюю по потоку секцию трубопровода, поперечное сечение которой сужается в направлении воздушного потока, протекающего через смеситель, нижнюю по потоку секцию трубопровода, поперечное сечение которой расширяется в направлении воздушного потока, протекающего через смеситель, прорезь, сформированную ниже по потоку секции трубопровода для допуска выхлопных газов в воздушный поток, и выступ, который резко расширяет поток и который расположен между верхней по потоку и нижней по потоку секциями трубопровода. Смеситель EGR, выполненный таким образом, способствует эффективной гомогенизации рециркулированных выхлопных газов во впускном воздухе при уменьшенном сопротивлении потоку. Например, верхняя по потоку и нижняя по потоку секции трубопровода могут обеспечить увеличение потока EGR, который подлежит введению в поток воздуха, благодаря крутому выступу, который улучшает смешивание EGR с воздушным потоком.
Также представлена система двигателя транспортного средства, содержащая двигатель, имеющий впускной коллектор и выпускной коллектор, турбину, выполненную с возможностью принимать выхлопной газ из выпускного коллектора, компрессор, механически соединенный с турбиной и выполненный с возможностью подавать приточный воздух во впускной коллектор, и вышеописанный смеситель рециркуляции выхлопных газов, содержащий несколько расположенных по окружности прорезей, сформированных в нижней по потоку секции трубопровода для введения выхлопных газов в воздушный поток, выступ, который резко расширяет поток и который расположен между верхней по потоку и нижней по потоку секциями трубопровода ниже по потоку прорезей, и выхлопную камеру, расположенную по периферии вокруг верхней по потоку и (или) нижней по потоку секций трубопровода, гидравлически соединяющую канал рециркуляции выхлопных газов и указанные прорези.
Смеситель рециркуляции выхлопных газов и впускной коллектор объединены в одну конструкцию. Кроме того, смеситель рециркуляции выхлопных газов снаружи может быть соединен с впускным коллектором.
Верхняя по потоку секция трубопровода может быть установлена ниже по потоку компрессора в направлении потока впускного воздуха, а расположенная ниже по потоку секция трубопровода соединена с впускным коллектором. При этом выхлопная камера может быть установлена выше по потоку турбины в направлении потока выхлопных газов.
Верхняя по потоку секция трубопровода соединена с воздушным фильтром, а расположенная ниже по потоку секция трубопровода установлена выше по потоку компрессора (в направлении потока впускного воздуха), при этом выхлопная камера установлена ниже по потоку турбины (в направлении потока выхлопных газов). При этом компрессор может быть выполнен с возможностью поддержания высокой степени сжатия.
Система двигателя может содержать первый и второй смесители рециркуляции выхлопных газов, причем верхняя по потоку секция трубопровода первого смесителя может быть установлена ниже по потоку компрессора в направлении потока впускного воздуха. При этом нижняя по потоку секция трубопровода первого смесителя может быть соединена с впускным коллектором, а выхлопная камера первого смесителя может быть установлена выше по потоку турбины в направлении потока выхлопных газов. Кроме того, верхняя по потоку секция трубопровода второго смесителя может быть соединена с воздушным фильтром, а нижняя по потоку секция трубопровода второго смесителя может быть установлена выше по потоку компрессора в направлении потока впускного воздуха. При этом выхлопная камера второго смесителя может быть установлена ниже по потоку турбины в направлении потока выхлопных газов
В другом варианте система двигателя транспортного средства дополнительно содержит направляющий клапан контура рециркуляции выхлопных газов, который в первом состоянии пропускает выхлопной газ из точки, расположенной выше по потоку турбины, в выхлопную камеру, а во втором состоянии не пропускает в выхлопную камеру выхлопной газ из точки, расположенной выше по потоку турбины, и пропускает выхлопной газ из точки, расположенной ниже по потоку турбины, во входное отверстие компрессора.
Направляющий клапан контура рециркуляции выхлопных газов может быть установлен ниже по потоку высокотемпературного охладителя рециркуляции выхлопных газов, который установлен ниже по потоку клапана для выбора контура рециркуляции выхлопных газов в направлении потока рециркуляции выхлопных газов, проходящего через канал рециркуляции выхлопных газов. При этом высокотемпературный охладитель рециркуляции выхлопных газов в первом состоянии охлаждает выхлопной газ, поступивший из точки, расположенной выше по потоку турбины, а во втором состоянии охлаждает выхлопной газ, поступивший из точки, расположенной ниже по потоку турбины.
Следует отметить, что приведенная выше сущность предложенной системы позволяет представить в упрощенной форме выбор вариантов, которые более подробно описаны ниже. Она не предназначена для определения ключевых или существенных особенностей заявленного объекта, которые определены приложенной формулой, следующей за подробным описанием. Кроме того, заявленный объект не ограничен вариантами реализации, которые преодолевают отмеченные здесь недостатки. Краткое описание чертежей
На ФИГ.1 и 2 схематично показаны аспекты примеров систем двигателя в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.
На ФИГ.3 и 4 показаны аспекты примеров смесителей EGR в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.
Осуществление полезной модели
Настоящая полезная модель далее будет описана на примере и со ссылкой на проиллюстрированные варианты реализации, указанные выше. Компоненты, этапы процесса и другие элементы, которые могут быть по существу одинаковыми для одного или нескольких вариантов реализации, соответственно обозначены и описаны с минимальным повторением. Однако следует отметить, что указанные элементы, обозначенные как одинаковые, также могут в некоторой степени различаться.
На ФИГ.1 схематически показаны аспекты примеров системы 10 двигателя согласно одному из вариантов реализации. В системе 10 воздушный фильтр 12 соединен с входным отверстием компрессора 14. Воздушный фильтр принимает наружный воздух из окружающей атмосферы и подает отфильтрованный чистый воздух в компрессор. Компрессор может быть любым подходящим всасывающим воздух компрессором, например нагнетательным компрессором с приводом от двигателя или карданного вала. В варианте реализации, показанном на ФИГ.1, нагнетательный компрессор механически соединен с турбиной 16, которую приводит в действие расширяющийся выхлопной газ двигателя из выпускного коллектора 18. Спускной клапан 20 соединяет выходное и входное отверстия компрессора. Если спускной клапан открыт, то, по меньшей мере, часть сжатого воздуха ниже по потоку компрессора может быть выпущена в точке, расположенной выше по потоку компрессора. Указанное действие может быть выполнено, например, для исключения или уменьшения помпажа компрессора. В одном из вариантов реализации компрессор 14 и турбина 16 могут быть соединены внутри парного спирального турбонагнетателя. В другом варианте реализации компрессор и турбина могут быть соединены внутри турбонагнетателя с изменяемой геометрией (VGT), в котором геометрия турбины варьируется активным способом в зависимости от частоты вращения двигателя. Еще в одних вариантах реализации спускной клапан компрессора может быть установлен между различными местами системы двигателя, соединяясь с ней.
В системе 10 выход компрессора 14 соединен с охладителем 22А наддувочного воздуха (САС). В одном из вариантов реализации охладитель наддувочного воздуха представляет собой теплообменник типа «газ-жидкость», выполненный с возможностью охлаждения сжатого воздуха до температур, подходящих для доступа во впускной коллектор 24. С этой целью в охладителе наддувочного воздуха такого типа может быть использован жидкий хладагент двигателя, циркулирующий в замкнутом контуре, в который также включены рубашки цилиндров двигателя и радиатор. Избыточное тепло наддувочного сжатого воздуха может быть поглощено хладагентом двигателя. В другом варианте реализации указанный охладитель может быть теплообменником типа «воздух-воздух». Выход охладителя соединен с впускным коллектором через дроссельную заслонку 26 и смеситель 28 EGR (см. ниже).
Впускной коллектор 24 и выпускной коллектор 18 соединены с камерами 30 сгорания посредством впускных клапанов 32 и выпускных клапанов 34 соответственно. В одном из вариантов реализации каждый из впускных и выпускных клапанов может быть приведен в действие электронным способом. В другом варианте реализации каждый из впускных и выпускных клапанов может быть приведен в действие кулачком. Независимо от способа приведения в действие клапанов: электронного или посредством кулачков распределительного вала, синхронизация открывания и закрывания впускных и выпускных клапанов при необходимости может быть выбрана для наилучшего сгорания и рабочих характеристик управления выхлопным газом. В частности, момент открывания или закрывания клапана может быть отрегулирован таким образом, чтобы воспламенение инициировалось в тот момент времени, в который существенное количество выхлопного газа от предыдущего сгорания все еще присутствует по меньшей мере в одном камере сгорания. Указанная синхронизация открывания или закрывания клапана может обеспечить так называемый «внутренний» режим EGR, подходящий для использования с целью снижения пиковых температур сгорания для выбранных эксплуатационных режимов. В некоторых вариантах реализации регулируемая синхронизация открывания или закрывания клапана может быть использована дополнительно с «внешними» режимами EGR, описанными ниже.
На ФИГ.1 показана электронная управляющая система 36. В вариантах реализации, в которых впускной или выпускной клапаны системы 10 выполнены с возможностью открывания и закрывания согласно регулируемой синхронизации, указанной регулируемой синхронизацией может управлять электронная управляющая система, регулирующая количество выхлопного газа, присутствующего в камере сгорания во время воспламенения. Для оценки эксплуатационных режимов в соединении с различными функциями управления системой двигателя указанная электронная управляющая система может быть в рабочем положении соединена с несколькими датчиками, например датчиками расхода системы двигателя, датчиками температуры, датчиками положения педали, датчиками давления и т.п.
В камерах 30 сгорания сгорание может быть инициировано посредством искрового зажигания и (или) воспламенением от сжатия в любом из вариантов. Кроме того, камеры сгорания могут питаться топливом различных видов: бензином, спиртами, дизельным топливом, биодизельным топливом, сжатым природным газом, и т.п. Топливо может быть подано в камеры сгорания непосредственным впрыскиванием, впрыскиванием во впускные каналы, впрыскиванием топлива в корпусе дроссельных заслонок, или любой их комбинацией.
Как показано на ФИГ.1, охладитель 38А контура EGR высокого давления установлен ниже по потоку выпускного коллектора 18 и выше по потоку турбины 16. Охладитель контура EGR высокого давления представляет собой теплообменник типа «газ-жидкость», выполненный с возможностью охлаждения выхлопного газа до температур, подходящим для смешивания со сжатым наддувочным воздухом. С этой целью, охладитель контура EGR высокого давления может обеспечивать циркуляцию охлаждающей жидкости в замкнутом контуре, который также содержит радиатор. Избыточное тепло выхлопных газов может быть поглощено охлаждающей жидкостью. Из охладителя контура EGR высокого давления выхлопные газы высокого давления через дозирующий клапан 40 проходят в смеситель 28 EGR. В более общем случае дозирующий клапан для управления скоростью потока в контуре EGR высокого давления может быть расположен выше по потоку или ниже по потоку охладителя контура EGR высокого давления. Кроме того, в систему могут быть добавлены охлаждающая обводная линия и клапан, образующие параллельный контур EGR высокого давления, который не обменивается теплом с хладагентом. Обводная линия может быть использована для обеспечения возможности протекания по существу неохлажденного выхлопного газа высокого давления к впускному коллектору. Как описано ниже, смеситель EGR 28 смешивает измеренный выхлопной газ с наддувочным впускным воздухом. От выхода смесителя EGR разжиженный выхлопным газом наддувочный воздух протекает к впускному коллектору 24.
Система 10 содержит перепускной клапан 42, соединенный параллельно турбине 16 с ее входным и выходным отверстиями. Если необходим уменьшенный вращающий момент турбины, то часть выхлопа из выпускного коллектора 18 может быть направлена через перепускной клапан в обход турбины. Затем комбинированный поток от турбины и перепускного клапана протекает через устройства 44, 46 и 48 доочистки выхлопных газов. Принцип действия, количество и расположение устройств доочистки выхлопных газов могут отличаться в различных вариантах реализации. В общем случае, устройства доочистки выхлопных газов могут содержать по меньшей мере один катализатор, выполненный с возможностью каталитической обработки потока выхлопных газов и таким образом уменьшения количества по меньшей мере одного вещества в выхлопных газах. Например, один катализатор может быть выполнен с возможностью удаления окиси азота из потока выхлопных газов, если поток выхлопных газов является слабым, и уменьшения захваченной окиси азота, если поток выхлопных газов является сильным. В других примерах катализатор может быть выполнен с возможностью диспропорционирования окиси азота или выборочного уменьшения окиси азота с использованием уменьшающего реагента. В других примерах катализатор может быть выполнен с возможностью окисления остаточных углеводородов и (или) моноокиси углерода в потоке выхлопных газов. Далее, по меньшей мере одно из устройств доочистки выхлопных газов может содержать пусковой катализатор и (или) в трехкомпонентный катализатор. Различные катализаторы, содержащие любые такие функциональные средства, могут быть нанесены в форме покрытия, увеличивающего площадь их поверхности, или расположены в устройствах доочистки выхлопных газов, по отдельности или вместе. Устройства доочистки выхлопных газов также могут содержать регенерируемый сажевый фильтр, выполненный с возможностью улавливания и окисления частиц сажи, содержащихся в потоке выхлопных газов.
Как показано на ФИГ.1, глушитель 50 установлен ниже по потоку устройств доочистки выхлопных газов. Весь обработанный поток выхлопных газов или его часть из устройств доочистки выхлопа могут быть выпущены в атмосферу через глушитель. Однако вместо этого в зависимости от эксплуатационных режимов некоторая часть обработанного выхлопа может быть втянута через охладитель 38В контура EGR низкого давления. Охладитель контура EGR низкого давления представляет собой теплообменник типа «газ-жидкость», выполненный с возможностью охлаждения выхлопных газов до температур, подходящих для смешивания с потоком впускного воздуха. С этой целью охладитель контура EGR низкого давления может обеспечивать циркуляцию охлаждающей жидкости в замкнутом контуре, который также содержит радиатор. Избыточное тепло выхлопных газов может быть поглощено охлаждающей жидкостью. В другом варианте реализации охладитель контура EGR низкого давления может быть теплообменником типа «газ-воздух». Дозирующий клапан 52, расположенный ниже по потоку охладителя контура EGR низкого давления и выше по потоку компрессора 14, управляет расходом выхлопа низкого давления в контуре EGR низкого давления системы двигателя. Из дозирующего клапана 52 выхлопные газы низкого давления протекают к входному отверстию компрессора.
По меньшей мере один спускной клапан 20, дроссельная заслонка 26, дозирующие клапаны 40 и 52 и перепускной клапан 42 могут управляться посредством электроники, причем указанные устройства выполнены с возможностью закрывания и открывания по команде электронной управляющей системы 36. Кроме того, по меньшей мере один из указанных клапанов может регулироваться непрерывно. Электронная управляющая система в рабочем положении может быть соединена с любыми клапанами, которыми управляют посредством электроники, и выполнена с возможностью посылать команды для их открывания, закрывания и (или) регулирования, а также при необходимости осуществлять любую из функций управления, описанных здесь.
Путем соответствующего управления дозирующими клапанами 40 и 52 и регулирования выхлопа и момента открывания или закрывания впускного клапана (см. выше) электронная управляющая система 36 может обеспечивать в системе двигателя 10 доставку впускного воздуха в камеры 30 сгорания в изменяющихся эксплуатационных режимах. Указанные режимы содержат условия, при которых: EGR отключена от впускного воздуха или подключена внутренним образом к каждой камере сгорания, EGR питается из точки отбора, расположенной выше по потоку турбины 16, и доставляет выхлопной газ в точку смешивания, расположенную ниже по потоку компрессора 14 (контур EGR высокого давления), и EGR питается из точки отбора, расположенной ниже по потоку турбины, и доставляет выхлопной газ в точку смешивания, расположенную выше по потоку компрессора (контур EGR низкого давления).
Благодаря различным режимам EGR в системе двигателя обеспечиваются различные преимущества. Например, охлажденный контур EGR низкого давления может быть использован для работы двигателя на малых оборотах. В данном случае контур EGR проходит через компрессор и смещает рабочую точку от дыхательного трубопровода. При этом экономится мощность турбины, поскольку контур EGR питается из точки, расположенной ниже по потоку турбины. С другой стороны, охлажденный контур EGR высокого давления может быть использован при работе двигателя на средних и высоких оборотах. При этом перепускной клапан 34 может быть, по меньшей мере, частично открыт, и контур EGR питается из точки, расположенной выше по потоку турбины, в результате чего рабочие характеристики турбонагнетателя не ухудшаются, и поскольку контур EGR не проходит через компрессор, то эксплуатационный запас между линией снижения эффективности наддува и линией заброса оборотов двигателя (оборотов двигателя, превышающих допустимую величину) может быть сохранен.
Следует отметить, ни один аспект, показанный на ФИГ.1, не является ограничивающим. В частности точки отбора и смешивания для контуров EGR высокого давления и низкого давления могут отличаться в различных вариантах реализации. Например, в то время как на ФИГ.1 показан контур EGR низкого давления, питающийся из точки, расположенной ниже по потоку устройства 44 доочистки, в других вариантах реализации контур EGR низкого давления может питаться из точки, расположенной ниже по потоку устройства 48 доочистки, или из точки, расположенной выше по потоку устройства 44 доочистки. В других вариантах реализации могут отсутствовать охладитель EGR низкого давления или контур EGR низкого давления. В то же время в других вариантах реализации может отсутствовать контур EGR высокого давления. Еще в одном из вариантов реализации смеситель EGR может быть соединен с контуром EGR низкого давления.
На ФИГ.2 схематично показаны аспекты другой системы 54 двигателя согласно одному из вариантов реализации. Как и система 10, система 54 содержит контур EGR высокого давления и контур EGR низкого давления. Однако в системе 54 некоторые компоненты контуров EGR высокого давления и низкого давления используются совместно.
Система 54 двигателя содержит высокотемпературный (НТ) охладитель 38С контура EGR. Высокотемпературный охладитель контура EGR может быть любым подходящий теплообменником, выполненным с возможностью охлаждения потока выхлопных газов высокого давления или низкого давления для обеспечения желательных рабочих характеристик сгорания и управления выхлопным газом. Совместно использующийся контурами EGR высокого давления и низкого давления, указанный высокотемпературный охладитель контура EGR может иметь размер, обеспечивающий соответствующее охлаждение контура EGR низкого давления. Клапан 56 для выбора контура EGR установлен выше по потоку высокотемпературного охладителя EGR. В одном из вариантов реализации клапан для выбора контура EGR может быть клапаном с двумя устойчивыми состояниями; причем в первом состоянии указанный клапан обеспечивает возможность протекания послетурбинных выхлопных газов к высокотемпературному охладителю EGR, но блокирует протекание предтурбинных выхлопных газов к высокотемпературному охладителю EGR; во втором состоянии указанный клапан блокирует протекание послетурбинных выхлопных газов к высокотемпературному охладителю EGR, но обеспечивает возможность протекания предтурбинных выхлопных газов к высокотемпературному охладителю EGR. В одном из вариантов реализации клапан для выбора контура EGR может иметь конструкцию дроссельной заслонки с двойным отверстием.
Из высокотемпературного охладителя 38С EGR охлажденный поток выхлопных газов поступает в направляющий клапан 58 контура EGR. Указанный направляющий клапан контура EGR может обеспечивать как дозирование потока, так и выбор потока, причем охлажденный поток выхлопных газов измеряется и направляется либо в точку смешивания контура EGR высокого давления, либо в точку смешивания контура EGR низкого давления. В варианте реализации, показанном на ФИГ.2, направляющий клапан контура EGR дозирует и направляет охлажденный поток выхлопных газов в охладитель 22В CAC/EGR (в точку смешивания высокого давления) или назад к входному отверстию компрессора 14 (в точку смешивания низкого давления). В одном из вариантов реализации направляющий клапан контура EGR может быть поршневым клапаном плавающего типа или золотниковым клапаном вращающегося типа, которые приводятся в действие электродвигателем. В настоящем случае существенно то, что цилиндрический поршень может скользить внутри цилиндрического корпуса клапана, имеющего соответствующие уплотнения. Позиционная обратная связь в клапане или в связанном с ним приводе в некоторых вариантах реализации может обеспечивать управление потоками с ее использованием.
Охладитель 22В контура CAC/EGR может быть любой подходящий теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения сжатого наддувочного воздуха до температур, подходящих для допуска во впускной коллектор 24. В частности охладитель контура CAC/EGR может осуществлять второй этап охлаждения для контура EGR высокого давления. Охладитель CAC/EGR может быть выполнен с возможностью охлаждения выхлопных газов до температур, которые ниже температур, до которых охлаждает высокотемпературный охладитель 48 контура EGR, путем циркуляции низкотемпературного хладагента, например, путем конденсации водяного пара в контуре EGR высокого давления без риска повреждения компрессорной системы. Из охладителя CAC/EGR охлажденный, разжиженный выхлопом наддувочный воздух протекает к впускному коллектору.
В варианте конфигурации, показанном на ФИГ.2, в контурах EGR высокого давления и низкого давления совместно используется общий путь между клапаном 56 для выбора контура EGR и направляющим клапаном 58 контура EGR. Таким образом, общий датчик расхода, установленный внутри указанного контура потока, может обеспечивать дозирование потока EGR для обоих контуров. Соответственно, система 54 двигателя содержит датчик 60 расхода, установленный ниже по потоку высокотемпературного охладителя 38С контура EGR и выше по потоку направляющего клапана 58 контура EGR. Указанный датчик расхода может содержать проволочный термоанемометр, отверстие перепада давления или трубку Вентури, которая в рабочем положении, например, соединена с электронной управляющей системой 36. Совместное использование обеспечивает некоторые преимущества, т.е. общее использование, по меньшей мере, некоторых компонентов, установленных между контурами EGR высокого давления и низкого давления. В системе 54 двигателя к совместно использующимся компонентам EGR относятся: высокотемпературный охладитель 38С контура EGR, датчик 60 расхода EGR, клапаны выбора контура EGR и регулирующие клапаны, а также секция трубопровода, проходящего между ними. Совместное использование указанных компонентов может обеспечить существенную экономию стоимости и массы системы двигателя. Далее, конфигурация с совместным использованием указанных компонентов уменьшает количество возможных заторов в системе двигателя по сравнению с конфигурациями, в которых все компоненты EGR обеспечены с избыточностью. Кроме того, управление с обратной связью дозированием EGR может быть упрощено, если для измерения расхода EGR в обоих контурах высокого давления и низкого давления опрашивается только один датчик.
Для иллюстрации еще одного преимущества следует отметить, что система 54 двигателя и электронная управляющая система 36 дополнительно могут быть выполнены с возможностью реализации дополнительных рабочих режимов, причем EGR обеспечивается комбинацией или добавлением режимов, описанных выше. Например, соответствующим расположением направляющего клапана 58 контура EGR и клапана 56 для выбора контура EGR рециркулированный выхлопной газ может быть направлен из точки отбора высокого давления к точке смешивания низкого давления. Такой подход может быть желательным при некоторых эксплуатационных требованиях, а именно, например, для предотвращения помпажа в первом компрессоре 14 или для увеличения потока EGR.
На ФИГ.3 показаны сечения примеров смесителя 28 EGR согласно одному из вариантов реализации. Этот чертеж выполнен несколько схематически и без соблюдения масштаба. На ФИГ.4 показано сечение перспективного вида одного из вариантов реализации смесителя EGR. Указанный чертеж основан на модели смесителя EGR и выполнен с соблюдением масштаба. Смеситель 28 EGR содержит верхнюю по потоку трубчатую секцию 62, сечение которой уменьшается в направлении воздушного потока, проходящего через смеситель, и нижнюю по потоку трубчатую секцию 64, сечение которой увеличивается в направлении воздушного потока, проходящего через смеситель. Верхняя по потоку и нижняя по потоку трубчатые секции вместе образуют внутреннюю часть трубопровода.
Как показано на ФИГ.3, внутренняя часть трубопровода имеет переменное проходное сечение, перпендикулярное направлению воздушного потока, проходящего через смеситель. В показанном на чертеже варианте реализации проходное сечение смесителя постепенно уменьшается от верхнего по потоку конца верхней по потоку трубчатой секции до резкого расширяющего поток выступа. Например, проходное сечение в верхней по потоку секции в месте расположения резко расширяющего поток выступа может быть меньше на 55-65% по сравнению с проходным сечением в верхнем по потоку конце верхней по потоку трубчатой секции. Однако следует отметить, что числовые значения и пределы, указанные здесь, являются лишь примерами, и также могут быть использованы другие значения и пределы. Кроме того, проходное сечение смесителя постепенно увеличивается от места расположения резко расширяющего поток выступа до нижнего по потоку конца нижней по потоку трубчатой секции. Например, проходное сечение нижней по потоку секции в ее нижнем по потоку конце может быть больше на 50-60% по сравнению с проходным сечением в месте расположения резко расширяющего поток выступа. Таким образом, по меньшей мере одно проходное сечение нижней по потоку секции трубопровода может быть больше, чем проходное сечение верхней по потоку секции трубопровода. В месте расположения резко расширяющего поток выступа 66 проходное сечение нижней по потоку секции увеличивается до проходного сечения верхней по потоку секции трубопровода. В одном из вариантов реализации проходное сечение в месте расположения указанного выступа может увеличиваться на 1-10%. В одном из вариантов реализации резко расширяющий поток выступ может задавать плоскость, в которой проходное сечение смесителя является минимальным. Выполненная таким образом, внутренняя часть трубопровода содержит трубку Вентури, которая ускоряет поток впускного воздуха при нефорсированных условиях. Для допуска выхлопных газов в воздушный поток в нижней по потоку секции трубопровода сформированы прорези 68А и 68В. Доступный расход выхлопных газов EGR зависит от таких факторов, как, например, форма и размеры прорезей, а также от общих размеров смесителя. Указанные факторы в свою очередь зависят от размеров двигателя, в котором установлен смеситель EGR. Варианты реализации, соответствующие описываемой концепции, могут быть использованы в двигателях небольшого объема (например, 1,4 литра), большого объема (например, по меньшей мере 6,7 литра) или промежуточного объема, с различными расходом, размером и количеством прорезей, которые выбираются в соответствии с размером двигателя. Тем не менее следует отметить, что конкретный относительный размер смесителя может обеспечивать значительные преимущества в отношении ограничения потока, однородности смешивая, и т.п. На ФИГ.3 показаны две прорези, но в других вариантах реализации смеситель EGR может содержать только одну прорезь или по меньшей мере две прорези. Кроме того, указанные прорези могут быть расположены по окружности в верхней по потоку или нижней по потоку секциях трубопровода. Как показано на ФИГ.4, прорези могут иметь удлиненную форму для облегчения каскадного впуска (в противоположность струеподобному впуску) выхлопного газа во внутреннюю часть трубопровода.
Смеситель 28 EGR также содержит выхлопную камеру 70, сформированную по окружности вокруг верхней по потоку секции 62 трубопровода и нижней по потоку секции 64. Прорези 68А и 68В соединяют указанную выхлопную камеру с внутренней частью трубопровода. Как показано на ФИГ.3, выхлопная камера связана с входным выхлопным отверстием 72, через которое принимается выхлопной газ из канала EGR.
Как показано на ФИГ.3 и 4, резко расширяющий поток выступ 66 расположен между верхней по потоку и нижней по потоку секциями трубопровода. Указанный выступ облегчает турбулентное смешивание выхлопа с воздушным потоком для эффективной гомогенизации, особенно в условиях небольшой нагрузки.
Смеситель EGR 28 объединяет низкое сопротивление потоку впускного воздуха с эффективной гомогенизацией. Таким образом, указанная конструкция является подходящей для контура EGR высокого давления в двигателе с высокой степенью сжатия, например в турбированном двигателе, в котором компрессор поддерживает степень сжатия, равной по меньшей мере 3. Кроме того, смеситель EGR сконструирован с обеспечением минимального загрязнения двигателя, накапливающегося после большого пробега транспортного средства. В одном из вариантов реализации смеситель EGR может быть встроен непосредственно во впускной коллектор двигателя. В другом варианте реализации смеситель EGR может быть расположен во внешнем корпусе по отношению к впускному коллектору, и соединен с впускным коллектором. Как показано на ФИГ.4, смеситель EGR может быть соединен с корпусом дросселя четырьмя болтами для облегчения обслуживания.
Хотя описанный выше смеситель EGR подходит для использования в контуре EGR высокого давления, он также может быть использован в контуре EGR низкого давления. Таким образом, верхняя по потоку секция смесителя EGR может быть соединена с воздушным фильтром, нижняя по потоку секция трубопровода может быть установлена выше по потоку компрессора в направлении потока впускного воздуха, и выхлопная камера может быть установлена ниже по потоку турбины в направлении потока выхлопных газов. В системах двигателя, имеющих контур EGR высокого давления и контур EGR низкого давления (например, как показано на ФИГ.1) или гибридную конфигурацию EGR с контуром высокого/низкого давлений (например, как показано на ФИГ.2), могут быть использованы два имеющих соответствующие размеры смесителя EGR.
Наконец, следует отметить, что устройства, системы и способы, описанные выше, являются вариантами реализации указанных неограничивающих примеров, которые также охватывают различные изменения и модификации. Таким образом, настоящее описание охватывает все новые и неочевидные комбинации устройств, систем и способов, описанных здесь, а также любые их эквиваленты.
1. Смеситель рециркуляции выхлопных газов, содержащий:
верхнюю по потоку секцию трубопровода, имеющую проходное сечение, сужающееся в направлении воздушного потока через смеситель;
нижнюю по потоку секцию трубопровода, имеющую расширяющееся проходное сечение в направлении воздушного потока через смеситель;
по меньшей мере одну прорезь, сформированную в расположенной ниже по потоку секции трубопровода, для введения выхлопных газов в воздушный поток; и
выступ, резко расширяющий поток, расположенный между верхней по потоку и нижней по потоку секциями трубопровода.
2. Смеситель по п.1, дополнительно содержащий выхлопную камеру, сформированную по периферии вокруг верхней по потоку и/или нижней по потоку секций трубопровода, причем верхняя по потоку и нижняя по потоку секции трубопровода вместе образуют внутреннюю часть трубопровода, при этом указанная прорезь соединяет выхлопную камеру с внутренней частью трубопровода.
3. Смеситель по п.1, в котором прорезь имеет удлиненную форму.
4. Смеситель по п.1, в котором прорезь включает в себя ряд прорезей, расположенных по периферии вокруг нижней по потоку секции трубопровода.
5. Смеситель по п.1, в котором по меньшей мере одно проходное сечение нижней по потоку секции трубопровода больше проходного сечения верхней по потоку секции трубопровода.
6. Смеситель по п.5, в котором проходное сечение нижней по потоку секции трубопровода после указанного выступа расширяется до начального размера проходного сечения верхней по потоку секции трубопровода.
7. Смеситель по п.6, в котором проходное сечение нижней по потоку секции трубопровода расширяется на 1-10% в месте расположения указанного выступа.
8. Смеситель по п.1, в котором выступ, резко расширяющий поток, задает плоскость.
9. Смеситель по п.8, в котором проходное сечение смесителя в указанной плоскости является минимальным.
10. Смеситель по п.6, в котором проходное сечение смесителя в верхней по потоку секции трубопровода в месте расположения указанного выступа меньше на 55-65% по сравнению с верхним по потоку концом верхней по потоку секции трубопровода.
11. Смеситель по п.6, в котором проходное сечение смесителя в нижнем по потоку конце нижней по потоку секции трубопровода больше на 50-60%, чем в месте расположения указанного выступа.
12. Система двигателя транспортного средства, содержащая:
двигатель, имеющий впускной коллектор и выпускной коллектор;
турбину, выполненную с возможностью принимать выхлопной газ из выпускного коллектора;
компрессор, механически соединенный с турбиной и выполненный с возможностью подавать приточный воздух во впускной коллектор; и
смеситель рециркуляции выхлопных газов, содержащий верхнюю по потоку секцию трубопровода, имеющую проходное сечение, сужающееся в направлении воздушного потока через смеситель, нижнюю по потоку секцию трубопровода, имеющую расширяющееся проходное сечение в направлении воздушного потока через смеситель, несколько расположенных по окружности прорезей, сформированных в нижней по потоку секции трубопровода для введения выхлопных газов в воздушный поток, выступ, который резко расширяет поток и который расположен между верхней по потоку и нижней по потоку секциями трубопровода выше по потоку прорезей, и выхлопную камеру, расположенную по периферии вокруг верхней по потоку и/или нижней по потоку секций трубопровода, гидравлически соединяющую канал рециркуляции выхлопных газов и указанные прорези.
13. Система по п.12, в которой верхняя по потоку секция трубопровода установлена ниже по потоку компрессора в направлении потока впускного воздуха, причем расположенная ниже по потоку секция трубопровода соединена с впускным коллектором, при этом выхлопная камера установлена выше по потоку турбины в направлении потока выхлопных газов.
14. Система по п.13, в которой смеситель рециркуляции выхлопных газов и впускной коллектор объединены в одну конструкцию.
15. Система по п.13, в которой смеситель рециркуляции выхлопных газов снаружи соединен с впускным коллектором.
16. Система по п.12, в которой верхняя по потоку секция трубопровода соединена с воздушным фильтром, причем расположенная ниже по потоку секция трубопровода установлена выше по потоку компрессора в направлении потока впускного воздуха, при этом выхлопная камера установлена ниже по потоку турбины в направлении потока выхлопных газов.
17. Система по п.12, в которой компрессор выполнен с возможностью поддержания высокой степени сжатия.
18. Система по п.12, содержащая первый и второй смесители рециркуляции выхлопных газов согласно указанному пункту формулы,
причем верхняя по потоку секция трубопровода первого смесителя рециркуляции выхлопных газов установлена ниже по потоку компрессора в направлении потока впускного воздуха, при этом нижняя по потоку секция трубопровода первого смесителя рециркуляции выхлопных газов соединена с впускным коллектором, а выхлопная камера первого смесителя рециркуляции выхлопных газов установлена выше по потоку турбины в направлении потока выхлопных газов; и
причем верхняя по потоку секция трубопровода второго смесителя рециркуляции выхлопных газов соединена с воздушным фильтром, нижняя по потоку секция трубопровода второго смесителя рециркуляции выхлопных газов установлена выше по потоку компрессора в направлении потока впускного воздуха, а выхлопная камера второго смесителя рециркуляции выхлопных газов установлена ниже по потоку турбины в направлении потока выхлопных газов.
19. Система двигателя транспортного средства, содержащая:
двигатель, имеющий впускной коллектор и выпускной коллектор;
турбину, выполненную с возможностью принимать выхлопной газ из выпускного коллектора;
компрессор, механически соединенный с турбиной и выполненный с возможностью подавать приточный воздух во впускной коллектор;
смеситель рециркуляции выхлопных газов, содержащий верхнюю по потоку секцию трубопровода, имеющую проходное сечение, сужающееся в направлении воздушного потока через смеситель, нижнюю по потоку секцию трубопровода, имеющую расширяющееся проходное сечение в направлении воздушного потока через смеситель, расположенные по окружности прорези, сформированные в нижней по потоку секции трубопровода, для введения выхлопного газа в воздушный поток, выступ, резко расширяющий поток, расположенный между верхней по потоку и нижней по потоку секциями трубопровода выше по потоку указанных прорезей, и выхлопную камеру, расположенную по периферии вокруг верхней по потоку и/или нижней по потоку секции трубопровода, гидравлически соединяющую канал рециркуляции выхлопных газов и указанные прорези; и
направляющий клапан контура рециркуляции выхлопных газов, который в первом состоянии пропускает в выхлопную камеру выхлопной газ из точки, расположенной выше по потоку турбины, а во втором состоянии не пропускает в выхлопную камеру выхлопной газ из точки, расположенной выше по потоку турбины, и пропускает выхлопной газ из точки, расположенной ниже по потоку турбины, во входное отверстие компрессора.
20. Система по п.19, в которой направляющий клапан контура рециркуляции выхлопных газов установлен ниже по потоку высокотемпературного охладителя рециркуляции выхлопных газов, который установлен ниже по потоку клапана для выбора контура рециркуляции выхлопных газов в направлении потока рециркуляции выхлопных газов, проходящего через канал рециркуляции выхлопных газов, причем высокотемпературный охладитель рециркуляции выхлопных газов в первом состоянии охлаждает выхлопной газ, поступивший из точки, расположенной выше по потоку турбины, а во втором состоянии охлаждает выхлопной газ, поступивший из точки, расположенной ниже по потоку турбины.
