用于内燃发动机的废气再循环系统中的温控文氏管.pdf

本发明涉及内燃发动机，尤其涉及此类发动机中的废气再循环系统。一种在内燃发动机的EGR系统中使用的EGR文氏管，包括主体，其限定收缩入口部分、喉管和与喉管相邻的内部液体热交换室。本发明的设计通过典型的文氏管设计获得性能优势，因为内壁的温度控制防止冷凝液/烟尘积累，压力传感器的温度控制提高精度/重复性，以及传感器直接安装到文氏管。

1.  一种内燃(IC)发动机，包括：
一部件，其限定至少一个燃烧汽缸和一液体冷却剂系统；
一进气歧管，其与至少一个所述的燃烧汽缸流体连接；
一排气歧管，其与至少一个所述的燃烧汽缸流体连接；
一EGR文氏管，其流体连接在所述排气歧管与进气歧管之间，所述EGR文氏管包括一主体，该主体限定一与所述排气歧管流体连接的收缩入口部分、一喉管以及一与所述喉管相邻的内部液体热交换室，所述热交换室与所述液体冷却剂系统流体连接。

2.  如权利要求1所述的内燃发动机，其中：所述主体包括一与所述喉管连通的第一传感器端口。

3.  如权利要求2所述的内燃发动机，其中：所述第一传感器端口被所述热交换室大体上包围。

4.  如权利要求1所述的内燃发动机，其中：所述主体包括一与所述收缩入口部分连通的第二传感器端口。

5.  如权利要求4所述的内燃发动机，其中：所述第二传感器端口被所述热交换室大体上包围。

6.  如权利要求1所述的内燃发动机，包括至少一个可去除的盖板，每个所述盖板覆盖与所述热交换室连通的所述主体中的相应的开口。

7.  如权利要求6所述的内燃发动机，其中：所述至少一个可去除的盖板包括一对盖板，其分别覆盖所述主体的大体相对侧上的一对相应的所述开口。

8.  如权利要求7所述的内燃发动机，其中：所述的该对盖板被构造和布置以允许所述主体被铸造成一单个铸件。

9.  如权利要求1所述的内燃发动机，其中：所述热交换室与所述收缩入口部分的至少一部分相邻。

10.  如权利要求1所述的内燃发动机，其中：所述主体包括一扩散出口部分，以及其中所述热交换室与所述扩散出口部分的至少一部分相邻。

11.  如权利要求1所述的内燃发动机，其中：所述主体包括一入口端和一与所述热交换室连通的出口端。

12.  一种用于内燃(IC)发动机的废气再循环(EGR)系统，所述内燃发动机包括一进气歧管、一排气歧管以及一液体冷却剂系统，所述EGR系统包括一EGR文氏管，所述EGR文氏管包括一主体，其限定一与所述排气歧管流体连接的收缩入口部分、一喉管以及一与所述喉管相邻的内部液体热交换室，所述热交换室与所述液体冷却剂系统流体连接。

13.  如权利要求12所述的EGR系统，其中：所述主体包括一与所述喉管连通的第一传感器端口。

14.  如权利要求13所述的EGR系统，其中：所述第一传感器端口被所述热交换室大体上包围。

15.  如权利要求12所述的EGR系统，其中：所述主体包括一与所述收缩入口部分连通的第二传感器部分。

16.  如权利要求15所述的EGR系统，其中：所述第二传感器端口被所述热交换室大体上包围。

17.  如权利要求12所述的EGR系统，包括至少一个可去除的盖板，每个所述盖板覆盖与所述热交换室连通的所述主体中的相应的开口。

18.  如权利要求17所述的EGR系统，其中：所述至少一个可去除的盖板包括一对盖板，其分别覆盖所述主体的大体相对侧上的一对相应的所述开口。

19.  如权利要求18所述的EGR系统，其中：所述的该对盖板被构造和布置以允许所述主体被铸造成一单个铸件。

20.  如权利要求12所述的EGR系统，其中：所述热交换室与所述收缩入口部分的至少一部分相邻。

21.  如权利要求12所述的EGR系统，其中：所述主体包括一扩散出口部分，以及其中所述热交换室与所述扩散出口部分的至少一部分相邻。

22.  如权利要求12所述的EGR系统，其中：所述主体包括一入口端和一与所述热交换室连通的出口端。

23.  一种用于内燃(IC)发动机的EGR系统中的废气再循环(EGR)文氏管，所述EGR文氏管包括一主体，其限定一收缩入口部分、一喉管以及一与所述喉管相邻的内部液体热交换室。

24.  如权利要求23所述的EGR文氏管，其中：所述主体包括一与所述喉管连通的第一传感器端口。

25.  如权利要求24所述的EGR文氏管，其中：所述第一传感器端口被所述热交换室大体上包围。

26.  如权利要求23所述的EGR文氏管，其中：所述主体包括一与所述收缩入口部分连通的第二传感器部分。

27.  如权利要求26所述的EGR文氏管，其中：所述第二传感器端口被所述热交换室大体上包围。

28.  如权利要求23所述的EGR文氏管，包括至少一个可去除的盖板，每个所述盖板覆盖与所述热交换室连通的所述主体中的相应的开口。

29.  如权利要求28所述的EGR文氏管，其中：所述至少一个可去除的盖板包括一对盖板，其分别覆盖所述主体的大体相对侧上的一对相应的所述开口。

30.  如权利要求29所述的EGR文氏管，其中：所述的该对盖板被构造和布置以允许所述主体被铸造成一单个铸件。

31.  如权利要求23所述的EGR文氏管，其中：所述热交换室与所述收缩入口部分的至少一部分相邻。

32.  如权利要求23所述的EGR文氏管，其中：所述主体包括一扩散出口部分，以及其中所述热交换室与所述扩散出口部分的至少一部分相邻。

33.  如权利要求23所述的EGR文氏管，其中：所述主体包括一入口端和一与所述热交换室连通的出口端。

用于内燃发动机的废气再循环系统中的温控文氏管
技术领域
本发明涉及内燃发动机，尤其涉及此类发动机中的废气再循环系统。
背景技术
内燃(IC)发动机可包括用于控制IC发动机运行中不合需要的废气和颗粒物质的产生的废气再循环(EGR)系统。EGR系统主要再循环废气副产物进入内燃发动机供气入口。被再引入发动机汽缸内的废气减少其中氧气浓度，其相应降低汽缸内的最高燃烧温度和减慢燃烧过程化学反应，减少氧化氮(NOx)的形成。此外，废气通常含有未完全燃烧的碳氢化合物，其在被再引入发动机汽缸时燃烧，从而进一步减少作为内燃发动机的不合需要的污染物排出的废气副产物的排放。
内燃发动机也可包括用于压缩流体的一个或多个涡轮增压器，所述流体被提供给相应的燃烧汽缸内的一个或多个燃烧室。每个涡轮增压器通常包括由发动机的废气驱动的涡轮和由所述涡轮驱动的压缩机。所述压缩机接收要被压缩的流体并将所述流体供应至燃烧室。被压缩机压缩的流体可为助燃空气或燃料与空气混合物的形式。
当利用涡轮增压柴油发动机内的EGR时，要再循环的废气优选地在与涡轮增压器相关的涡轮驱动的废气上游被去除。在许多EGR应用中，废气通过提升式EGR阀直接从排气歧管转移。被转移再引入内燃发动机的进气歧管的总排气流量的百分比被称作发动机的EGR率。
利用如上所述使用EGR阀的废气再循环系统，再循环围绕目标EGR率的相对较小的容差范围内的废气量是符合要求的。文氏管被广泛用作有竞争力的柴油发动机上的流量计来测量再循环至进气歧管的废气流量。文氏管很有用，因为压力差存在于与大流量相关联的设备内。
关于在EGR系统中使用的常规文氏管的问题是柴油燃烧的产物在文氏管内积聚并影响文氏管的内部几何结构，从而影响横跨文氏管的压差测量。EGR的精确测量对于控制发动机的排放量是必要的。
关于在EGR系统中使用的常规文氏管的另一个问题是流量测量传感器对温度敏感，因为传感器的寿命(过热)和传感器的可重复性(温度变化)。在通常的做法中，传感器必须免遭燃烧产物的高温，通过远距离安装或隔离以防止损坏。另一方面，周围温度的变化降低了传感器的可重复性。
本领域所需要的是一种用于EGR系统的免遭过热并有更高可靠性的文氏管。
发明内容
本发明的一种形式是一种用于内燃发动机的EGR系统的EGR文氏管。所述EGR文氏管包括主体，该主体限定收缩入口部分、喉管、以及与所述喉管相邻的内部液体热交换室。
本发明的另一种形式是一种内燃发动机，包括限定至少一个燃烧汽缸和一液体冷却剂系统的部件、与至少一个燃烧汽缸流体连接的进气歧管、与至少一个燃烧汽缸流体连接的排气歧管、以及流体连接在排气歧管与进气歧管之间的EGR文氏管。所述EGR文氏管包括限定与排气歧管流体连接的收缩入口部分的主体、喉管、以及与所述喉管相邻的内部液体热交换室。所述热交换室与液体冷却剂系统流体连接。
附图说明
图1是包括具有本发明的文氏管的例子的EGR系统的内燃发动机的示意图；
图2是本发明的文氏管实施例如图1所示被EGR系统使用去除盖板的透视图；
图3是如图2所示的文氏管沿线3-3的剖视图；
图4是本发明的文氏管的另一个实施例去除盖板的透视图；
图5是本发明的文氏管的另一个实施例盖板安装后的透视图；
图6是如图5所示的文氏管沿线6-6的剖视图；
图7是本发明的文氏管的另一个实施例剖视图；
图8是本发明的文氏管的另一个实施例去除盖板的透视图；
图9是如图8所示的文氏管沿线9-9的剖视图；及
图10-12表示本发明的文氏管的另一个实施例。
具体实施方案
现参考上述附图，尤其图1，表示本发明的内燃发动机10的实施例，其通常包括具有多个燃烧汽缸14的部件12、进气歧管16、排气歧管18、进气冷却器20、涡轮增压器22、EGR阀24、EGR冷却器26和EGR文氏管56。在所示的实施例中，内燃发动机10是柴油发动机，其为作业机械的一部分，例如农用拖拉机或联合收割机，但可能配置不同，这取决于实际应用。
部件12是通常是铸造金属部件，其被成形以限定燃烧汽缸14。在所示实施例中，部件12包括六个燃烧汽缸14，但根据实际应用可包括不同的数目。进气歧管16和排气系统18通常也由铸造金属制成，并用常规方法与部件12连接，例如使用螺栓和垫圈。进气歧管16和排气歧管18各与燃烧汽缸14流体连接。进气歧管16在进气歧管入口28接收来自进气冷却器20的进气，并向燃烧汽缸14提供进气(其可以是空气或燃料/空气混合物)，例如通过使用燃料喷射器(未显示)。
同样地，排气歧管18与燃烧汽缸14流体连接，并包括出口30，来自燃烧汽缸14的废气从该出口30被排放到涡轮增压器22。
部件12通常还包括液体冷却剂系统，其具有用于以已知方式冷却内燃发动机10的多个内部液体冷却剂通道31。简单起见，在图1中仅显示了单个液体冷却剂通道31。液体冷却剂通道31与EGR文氏管56流体连接，这将在下面将详细说明。
涡轮增压器22包括可变几何涡轮(VGT)32和压缩机34。VGT 32被可调整地控制，如用线36所示，并包括使用控制器37电子控制的开动元件。例如，VGT32可通过改变涡轮叶片的位置、可变尺寸节流孔或其它开动元件开动。如箭头38所示，VGT 32内的涡轮通过来自排气歧管18的废气驱动，并且废气如箭头38所示排放到周围环境。
VGT 32通过可旋转的操纵杆40机械驱动压缩机34。压缩机34是实施例中所示的固定几何压缩机。如线42所示，压缩机34接收来自周围环境的助燃空气，并将压缩的助燃空气通过线44排放到进气冷却器20。作为通过助燃空气压缩的机械作业的结果，被加热的进气在被引入进气歧管16的入口28之前在进气冷却器20中冷却。
EGR阀24和EGR冷却器26是EGR系统45的部件，所述EGR系统45还包括第一流体管道46、第二流体管道48、第三流体管道50以及第四流体管道52。此处使用的术语流体管道是为了广泛地涵盖用于传输诸如废气和/或助燃空气的气体，这在下文中将被理解。
第一流体管道46在其一端与流体管道54连接，流体管道54使排气歧管出口30与VGT 32互连。第一流体管道46在其另一端与EGR冷却器26连接。第二流体管道48使EGR冷却器26与EGR阀24流体互连。第三流体管道50使EGR阀24与EGR文氏管56流体互连。第四流体管道52使EGR文氏管56与在进气冷却器20与进气歧管16的入口28之间延伸的流体管道58互连。
如图1所示的内燃发动机10的可控元件一般受控制器37的控制。例如，控制器37可控制VGT 32和EGR阀24的操作。控制器37还接收来自与EGR文氏管56相关联的压力传感器60的信号，如用线62、字母A表示。
现参考图2和图3，EGR文氏管56将被较详细地描述。EGR文氏管56包括主体64，其上安装压力传感器60(图1示意性示出，但未在图2和图3中显示)。主体64限定收缩入口部分66、喉管68和扩散出口部分70。主体64还包括在收缩入口部分66的入口侧的固定法兰72。收缩入口部分66流体连接排气歧管18(通过EGR冷却器26和EGR阀24)，以及扩散出口部分70流体连接进气歧管16。
主体64还包括与喉管68连通的第一传感器端口74，以及与收缩入口部分66连通的第二传感器端口76。每个传感器端口74和76在用于安装压力传感器60的安装表面78终止。通过检测收缩入口部分66与喉管68内的压差，EGR气体的质量流量可确定并与通过EGR阀24的目标EGR流量比较。
根据本发明的一方面，EGR文氏管56使用与内燃发动机10相关联的液体冷却剂温度控制。例如，液体冷却剂可来自与主液体冷却剂系统(图1)相关联的液体冷却剂通道31，或可以是与EGR冷却器26相关联的液体冷却剂。具体而言，EGR文氏管56包括与喉管68相邻的内部液体热交换室80。热交换室80通过入口端82和出口端84与内燃发动机10的液体冷却剂系统流体连接。热交换室80至少部分地包围第一传感器端口74和第二传感器端口76。换句话说，第一传感器端口74和第二传感器端口76基本上被构造成延伸穿过热交换室80的管道。如图2和图3所示，热交换室80还可以至少部分地包围收缩入口部分66和/或扩散出口部分70。
一对可去除的盖板86位于主体64大体相对的两侧并覆盖相应的开口88。每个开口与热交换室80连通。盖板86被构造和布置以允许主体64被铸造成单个铸件。
从上述说明，很明显本发明的温控EGR文氏管56使用文氏管的喉管68和压力端口74、76周围的发动机冷却液，以减轻燃烧产物的集结并调节传感器60的温度。文氏管中冷凝水(来自排出产物)是让烟尘积聚和集结在文氏管内部几何结构上的一个主导因素。通过保持文氏管壁温度高于水的冷凝点控制燃烧产物集结的减少。通过阻止水蒸汽在文氏管内冷凝成液体，燃烧产物的集结最小化。
EGR文氏管56中的冷却剂流量还利于第二个目的——那就是控制差压传感器60的温度在给定范围内以保持在各种环境条件下的测量精度和可重复性以及防止传感器60过热。
图4表示本发明的EGR文氏管90的另一个实施例。EGR文氏管90再包括一对管形传感器端口92、包围入口部分、喉管和出口部分的一部分的液体冷却剂室94、以及一对相对的开口96，可去除的盖板(未显示)连接至该开口96。
EGR文氏管100、102和104的三个其它实施例分别在图5-6，7和8-9示出。这些EGR文氏管实施例的特征从本发明的上述详细描述相信不证自明，因此这里不再更详细描述。
EGR文氏管106的进一步实施例如图10-12所示。EGR文氏管106具有含楔形主体部分108的多部分主体，其上安装传感器组件110。楔形主体部分108限定用于冷却EGR文氏管106的内部液体热交换室112。EGR文氏管106的特征在其他方面与上述实施例类似，因此这里不再更详细的描述。
总的来说，本发明的温控EGR文氏管包括具有在气体通道外部周围形成一体的冷却剂歧管和两个用来将冷却剂密封在所述歧管内的盖板。用于冷却剂流入和流出的两个端口允许液体流过所述歧管。冷却剂通过该歧管将热传递到文氏管。本发明的设计通过典型的文氏管设计获得性能优势，因为内壁的温度控制防止冷凝液/烟尘积累，压力传感器的温度控制提高精度/重复性，以及传感器直接安装到文氏管。产品的意向设计使用可去除盖板提供制造优势，因为铸件不需要中心部分并且使得贵重金属的量减少，但仍然允许压力端口和喉管周围用于冷却液到文氏管传热的良好的表面积。
已描述首选的实施例，很明显在不背离本发明所附权利要求限定的范围内可作各种修改。