Патент на изобретение №2371596

(54) СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СМЕСИ ВОЗДУХА И РЕЦИРКУЛИРУЮЩИХ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СМЕСИ ВОЗДУХА И РЕЦИРКУЛИРУЮЩИХ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

(57) Реферат:

Система регулирования смеси воздушного потока и потока выхлопных газов содержит два клапана, при этом первый клапан, по меньшей мере, частично расположен в канале для всасывания воздуха и регулирует поток текучей среды через воздушный канал, а второй клапан расположен в канале для рециркуляции выхлопных газов для регулирования потока выхлопных газов. Схема регулирования обеспечивает последовательное регулирование, при котором первый клапан приводится в действие в первом диапазоне давлений, а второй клапан приводится в действие во втором диапазоне давлений, так что клапаны действуют последовательным образом. Приведены диапазоны давлений и способ регулирования. Такое выполнение увеличивает полноту сгорания топлива и уменьшает количество NO_x, образующихся во время сгорания. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к системе для регулирования смеси потока поступающего воздуха и возвратного потока выхлопных газов в двигателе. В частности, изобретение относится к системе последовательного регулирования для регулирования количества каждого потока.

Выпуск NO_x двигателем внутреннего сгорания обычно контролируется в пределах, установленных постановлениями местных органов, органов штатов и федерального правительства США. Следовательно, образование компонентов NO_x должно поддерживаться, по меньшей мере, ниже некоторого порогового предела или уровня. В общем, понятно, что присутствие NO_x в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания определяется температурой сгорания и давлением, а также отношением количества воздуха к количеству топлива (лямбда). Повышение температуры сгорания вызывает увеличение количества NO_x, присутствующих в выхлопных газах двигателя. Следовательно, желательно регулировать температуру сгорания для того, чтобы ограничить количество NO_x, присутствующих в выхлопных газах.

Одним способом ограничения или регулирования температуры сгорания является рециркуляция части выхлопных газов обратно к воздухозаборнику двигателя. Очевидно, что поскольку выхлопные газы имеют сравнительно низкое содержание кислорода, то это приводит к образованию горючей смеси, которая будет сгорать при более низкой температуре. Более низкая температура сгорания, в свою очередь, уменьшает количество NO_x, образующихся во время сгорания.

Кроме того, желательно максимально увеличить степень полноты сгорания, что обычно осуществляется посредством работы двигателя при выбранной установке опережения зажигания или вблизи нее. Однако следует отметить, что недопустимо высокие концентрации NO_x обычно создаются при работе двигателя при таких режимах или вблизи них. Для того, чтобы препятствовать образованию и выделению NO_x, необходимо ограничить максимальное давление сгорания до порогового значения.

Один известный способ ограничения давления сгорания заключается в рециркуляции выхлопных газов через всасывающий канал камеры сгорания, так как увеличение рециркуляции выхлопных газов будет снижать максимальное давление сгорания и, следовательно, содержания NO_x. Таким образом, образование нежелательных окисей азота можно уменьшить рециркуляцией части выхлопных газов обратно к каналу для всасывания воздушно-топливной смеси в двигатель, чтобы разбавить воздушно-топливную смесь инертными H₂O и СО₂. Молярная удельная теплоемкость этих газов, особенно CO₂, обеспечивает значительное поглощение тепловой энергии, что снижает максимальные температуры и/или давления цикла до уровней, способствующих уменьшению образования NO_x.

Хотя образование NO_x уменьшается с увеличением потока рециркулирующих выхлопных газов, что обеспечивает пороговое содержание этих компонентов выхлопных газов, это сопровождается ухудшением рабочих характеристик двигателя, например усилением неспокойной работы двигателя с увеличением рециркуляции выхлопных газов. Следовательно, одним фактором, ограничивающим использование рециркуляции выхлопных газов, является степень вызванного ею ухудшения рабочих характеристик двигателя, которая может быть допущена до того, как рабочая характеристика двигателя станет неприемлемой.

Кроме того, известно применение системы для регулирования рециркуляции, в которой используется ниппель, имеющий выходной конец, расположенный в воздушном канале, при этом выходной конец ниппеля располагают вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания входа для выхлопных газов, причем он является подвижным вдоль части воздушного канала для изменения степени закрывания входа для выхлопных газов для того, чтобы регулировать поток выхлопных газов в воздушный канал. Как также предполагается, площадь поперечного сечения выходного конца ниппеля может быть успешно уменьшена, а выходной конец может быть или не быть установлен с возможностью полного закрывания входа для выхлопных газов, чтобы предотвратить поток выхлопных газов в воздушный канал. Кроме того, в воздушном канале может быть успешно расположен обтекаемый элемент. Таким образом, подобно трубке Вентури, в уменьшенной части происходит дросселирование поступающего воздуха, протекающего через ниппель.

Однако использование рециркуляции выхлопных газов создает дополнительные проблемы. Например, на дизельном двигателе при некоторых определенных обстоятельствах давление выхлопных газов впереди турбины турбонагнетателя иногда может быть больше, чем давление свежего воздуха во впускной трубе. Это может происходить при определенных режимах работы двигателя, например: 1) высокая частота вращения двигателя и большой массовый поток выхлопных газов. Турбина становится заглушенной, что приводит к низкой эффективности турбонагнетателя и высоким давлениям выхлопных газов перед (по ходу) турбиной (более высоким, чем давление наддува); и 2) во время переходных режимов и ускорения двигателя, когда импульсы выхлопных газов имеют высокую амплитуду, но инерция турбонагнетателя вызвана тем, что он еще не ускорился и не разогнался (запаздывание турбонаддува).

Во время таких режимов работы поток рециркулирующих выхлопных газов был бы значительным (превышающим желаемый поток) даже без эффекта всасывания подобно трубке Вентури во впускную трубу. Таким образом, следует ограничивать поток рециркулирующих выхлопных газов. Необходимо дополнительное дросселирование потока рециркулирующих выхлопных газов. Кроме того, во время переходных режимов необходимо полностью выключать подачу рециркулирующих выхлопных газов (т.е. ограничивать дымность выхлопа).

Следовательно, желательно иметь схему регулирования для использования с рециркулирующими выхлопными газами, которая позволяет осуществлять улучшенное регулирование системы рециркуляции выхлопных газов при различных рабочих условиях.

Следовательно, настоящее изобретение направлено на систему регулирования для переменного регулирования смешивания первого и второго газовых потоков, например потока воздуха, поступающего в двигатель внутреннего сгорания, и потока рециркулирующих выхлопных газов.

В соответствии с вышеперечисленными проблемами, связанными с существующими системами для регулирования рециркуляции выхлопных газов, имеется потребность в раздельном регулировании потока поступающего воздуха и потока рециркулирующих выхлопных газов, т.е. используя два отдельных «клапана».

Хотя дроссель для рециркулирующих выхлопных газов мог быть встроен в трубу Вентури, существует несколько причин, по которым предпочтительно осуществлять дросселирование в трубе для рециркуляции выхлопных газов, расположенной сравнительно близко к выпускному коллектору. Например: 1) одна причина заключается в необходимости сведения к минимуму объема, заключенного в системе для рециркуляции выхлопных газов (т.е. трубах, охладителе и т.п.), когда она выключена. Сравнительно большой объем действует как глушитель для импульсов выхлопных газов, что делает систему турбонагнетателя менее эффективной и вызывает большое запаздывание во времени. Кроме того, в зависимости от схемы расположения труб может быть «переходное затухание» импульса давления между разделенными выпускными коллекторами, которое снижает эффективность газового обмена в двигателе; 2) другая причина того, чтобы иметь регулирующий клапан для рециркулирующих выхлопных газов вблизи выпускного коллектора, заключается в необходимости сведения к минимуму риска конденсации выхлопных газов. Конденсат выхлопных газов является нежелательным и мог вызвать трение в дросселе или интенсивный износ. Капли могли изнашивать клапан или трубопровод при ударе о них с высокой скоростью или конденсат мог накапливаться в щелях и замерзать в них в случае, например, работы зимой. Если охладитель для выхлопных газов расположен выше по потоку дросселя для выхлопных газов, то охлаждающий эффект также мог вызывать конденсацию. Кроме того, утечка через частично или полностью закрытый дроссель для выхлопных газов могла вызвать конденсацию, если первоначальная температура является недостаточно высокой.

Таким образом, желательно использовать два отдельных регулирующих устройства для регулирования потока рециркулирующих выхлопных газов. Первое из них может быть установлено в воздухоподводящей трубе для всасывания рециркулирующих выхлопных газов (трубе Вентури), а второе из них может быть установлено в трубе для рециркулирующих выхлопных газов вблизи выпускного коллектора, чтобы ограничивать поток рециркулирующих выхлопных газов (дроссель для рециркулирующих выхлопных газов).

Согласно первому объекту настоящего изобретения создана система регулирования смеси воздуха и рециркулирующих выхлопных газов, содержащая: воздушный канал, ограниченный стенкой для пропуска воздуха через него; вход для выхлопных газов, проходящий через стенку воздушного канала для ввода выхлопных газов в воздушный канал; регулятор расхода воздуха, по меньшей мере, частично размещенный в воздушном канале и регулирующий количество воздуха, проходящего через воздушный канал; ограничительный клапан, размещенный в канале для рециркуляции выхлопных газов впереди входа для выхлопных газов и регулирующий количество выхлопных газов, вводимых в воздушный канал; при этом регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан образуют схему последовательного регулирования для приведения в действие регулятора расхода в первом диапазоне давлений и приведения в действие ограничительного клапана во втором диапазоне давлений.

Предпочтительно, первый диапазон давлений и второй диапазон давлений не перекрываются.

Предпочтительно, первый диапазон давлений составляет от около 0 фунт/кв. дюйм до около 50 фунт/кв. дюйм, а второй диапазон давлений составляет от около 50 фунт/кв. дюйм до около 100 фунт/кв. дюйм.

Предпочтительно, регулятор расхода воздуха представляет собой пропорциональный клапан.

Предпочтительно, регулятор расхода воздуха содержит ниппель, по меньшей мере, частично расположенный в воздушном канале и имеющий входной конец, через который воздух входит в ниппель, и выходной конец, через который воздух, протекающий через ниппель, выходит из ниппеля в воздушный канал, при этом выходной конец ниппеля расположен в воздушном канале.

Предпочтительно, выходной конец ниппеля является позиционируемым вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания входа для выхлопных газов и подвижным вдоль части воздушного канала для изменения степени закрывания входа для выхлопных газов для того, чтобы регулировать поток выхлопных газов в воздушный канал.

Предпочтительно, система дополнительно содержит обтекаемый элемент, расположенный в воздушном канале и позиционируемый вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

Предпочтительно, система дополнительно содержит приводное устройство для передвижения обтекаемого элемента вдоль воздушного канала для изменения степени закрывания выходного конца ниппеля для того, чтобы регулировать поток воздуха из ниппеля.

Предпочтительно, обтекаемый элемент имеет суживающийся конец, перемещаемый с помощью выходного конца ниппеля.

Предпочтительно, суживающийся конец обтекаемого элемента выполнен яйцевидным.

Предпочтительно, обтекаемый элемент по существу расположен снаружи ниппеля.

Предпочтительно, система дополнительно содержит обтекаемый элемент, расположенный в воздушном канале, при этом элемент является неподвижным относительно канала, а выходной конец ниппеля является надвигаемым на, по меньшей мере, часть элемента для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создана система регулирования смеси воздуха и рециркулирующих выхлопных газов, содержащая: воздушный канал, ограниченный стенкой для пропуска воздуха через него; вход для выхлопных газов, проходящий через стенку воздушного канала для ввода выхлопных газов в воздушный канал и соединенный с каналом для рециркуляции выхлопных газов; регулятор расхода воздуха, по меньшей мере, частично размещенный в воздушном канале и регулирующий количество воздуха, проходящего через воздушный канал; ограничительный клапан, размещенный в канале для рециркуляции выхлопных газов и регулирующий количество выхлопных газов, вводимых в воздушный канал; первый диапазон давлений, в котором приводится в действие регулятор расхода воздуха; второй диапазон давлений, в котором приводится в действие ограничительный клапан; при этом регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан выполнены с возможностью работы последовательным образом для приведения в действие ограничительного клапана после полного приведения в действие регулятора расхода воздуха.

Предпочтительно, первый диапазон давлений составляет от около 0 фунт/кв. дюйм до около 50 фунт/кв. дюйм, а второй диапазон давлений составляет от около 50 фунт/кв. дюйм до около 100 фунт/кв. дюйм.

Предпочтительно, регулятор расхода воздуха содержит ниппель, по меньшей мере, частично расположенный в воздушном канале и имеющий входной конец, через который воздух входит в ниппель, и выходной конец, через который воздух, протекающий через ниппель, выходит из ниппеля в воздушный канал, при этом выходной конец ниппеля расположен в воздушном канале.

Предпочтительно, выходной конец ниппеля является позиционируемым вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания входа для выхлопных газов и подвижным вдоль части воздушного канала для изменения степени закрывания входа для выхлопных газов для того, чтобы регулировать поток выхлопных газов в воздушный канал.

Предпочтительно, система дополнительно содержит обтекаемый элемент, расположенный в воздушном канале и позиционируемый вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

Предпочтительно, система дополнительно содержит приводное устройство для передвижения обтекаемого элемента вдоль воздушного канала для изменения степени закрывания выходного конца ниппеля для того, чтобы регулировать поток воздуха из ниппеля.

Предпочтительно, обтекаемый элемент имеет суживающийся конец, перемещаемый с помощью выходного конца ниппеля.

Предпочтительно, суживающийся конец обтекаемого элемента выполнен яйцевидным.

Предпочтительно, обтекаемый элемент по существу расположен снаружи ниппеля.

Предпочтительно, система дополнительно содержит обтекаемый элемент, расположенный в воздушном канале, при этом элемент является неподвижным относительно канала, а выходной конец ниппеля является надвигаемым на, по меньшей мере, часть элемента для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан способ регулирования смеси воздуха и рециркулирующих выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания, при котором всасывают воздух через воздушный канал; подсоединяют канал для выхлопных газов к воздушному каналу; впускают выхлопные газы в канал для выхлопных газов для рециркуляции в воздушный канал; регулируют в первом диапазоне давлений регулятор расхода воздуха, который регулирует количество воздуха, проходящего через воздушный канал; и регулируют во втором диапазоне давлений ограничительный клапан, который регулирует количество выхлопных газов, проходящих через канал для выхлопных газов; при этом регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан действуют последовательным образом для приведения в действие ограничительного клапана после полного приведения в действие регулятора расхода воздуха.

Предпочтительно, первый диапазон давлений составляет от около 0 фунт/кв. дюйм до около 50 фунт/кв. дюйм, а второй диапазон давлений составляет от около 50 фунт/кв. дюйм до около 100 фунт/кв. дюйм.

Предпочтительно, регулятор расхода воздуха содержит ниппель, по меньшей мере, частично расположенный в воздушном канале и имеющий входной конец, через который воздух входит в ниппель, и выходной конец, через который выходит воздух, протекающий через ниппель.

Предпочтительно, дополнительно изменяют позиционирование наружного конца ниппеля вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания входа для выхлопных газов для того, чтобы регулировать потоки выхлопных газов в воздушный канал.

Предпочтительно, дополнительно размещают обтекаемый элемент в воздушном канале и изменяют его позиционирование вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

Предпочтительно, дополнительно перемещают обтекаемый элемент вдоль воздушного канала для изменения степени закрывания выходного конца ниппеля для того, чтобы регулировать поток воздуха из ниппеля.

Предпочтительно, обтекаемый элемент имеет суживающийся конец, перемещаемый с помощью выходного конца ниппеля.

Таким образом, согласно одному аспекту изобретения во входной части трубы установлен обтекаемый перемещаемый элемент, выполненный как часть регулятора расхода. Регулятор расхода содержит отрезок трубы с радиальной подачей потока рециркулирующих выхлопных газов и по существу свободно подвешенный перемещаемый элемент в нем. Перемещаемый элемент может перемещаться в направлении потока и предпочтительно выполнен таким образом, чтобы мгновенное дросселирование свежего воздуха было всегда наибольшим в непосредственной близости к входу для подачи выхлопных газов независимо от положения перемещаемого элемента. Таким образом, это означает, что дросселирование оптимально изменяется во время регулирования как следствие изменения в отношении площади сечения потока свежего воздуха между этим элементом и стенкой трубы при подаче выхлопных газов. Таким образом, изменяющееся требование в отношении прокачивания удовлетворяется при минимуме потерь давления.

Хотя описанный ранее регулятор расхода обеспечивает значительные преимущества, использование многочисленных клапанов (т.е. пропорционального клапана, широтно-импульсного модулированного (ШИМ) клапана и т.д.), требовавшихся ранее в сложных схемах регулирования, является весьма дорогостоящим, увеличивает сложность системы регулирования и требует большего пространства.

Таким образом, в одном преимущественном варианте осуществления настоящего изобретения предлагается отдельный ограничительный клапан для системы рециркуляции выхлопных газов, который расположен в трубе для рециркуляции выхлопных газов выше по потоку перемещаемого элемента для того, чтобы обеспечивать способ ступенчатого регулирования. Ограничительный клапан может быть выполнен для срабатывания только в том случае, когда перемещаемый элемент, например, полностью передвинут против течения потока текучей среды. После того, как перемещаемый элемент передвинут на максимальное расстояние, может быть приведен в действие ограничительный клапан для системы рециркуляции выхлопных газов. Таким образом, используя как ограничительный клапан, так и перемещаемый элемент, можно добиться схемы ступенчатого или последовательного регулирования.

Эта схема регулирования обеспечивает значительные преимущества по сравнению с ранее известными системами рециркуляции выхлопных газов, так как эта схема регулирования позволяет использовать единственный регулирующий клапан. Даже если используется только один регулирующий клапан, система все еще обеспечивает точное регулирование потока. Например, при регулировании приводного устройства (т.е. пневматического, гидравлического, электрического и т.д.) в данной системе происходит передвижение перемещаемого элемента в трубе, что может быть использовано для избирательного регулирования приводного устройства от, например, 0 фунт/кв. дюйм до 50 фунт/кв. дюйм. После того, как перемещаемый элемент достигнет максимального перемещения, только тогда приводится в действие ограничительный клапан. После приведения в действие ограничительный клапан затем, в свою очередь, регулируется приводным устройством от, например, 50 фунт/кв. дюйм до верхнего предела. В этом конкретном примере система рециркуляции выхлопных газов может обеспечить ступенчатое регулирование посредством: 1) использования единственного регулирующего клапана и 2) выбора размеров цилиндров. Следовательно, благодаря использованию только одного регулирующего клапана достигается значительная экономия в стоимости изготовления в дополнение к получению упрощенной схемы регулирования.

Следует также отметить, что так как используется только один регулирующий клапан, то для регулирования требуются только один центральный управляющий процессор и электрическое приводное устройство. Это позволяет достигнуть повышенной экономии в стоимости и упрощенной конструкции системы.

Для этой заявки будут применяться следующие термины и определения. Используемые здесь термины «соединенный», «присоединенный к» или «соединенный с» обозначают зависимость между или среди двух или большего числа устройств, приспособлений, частей, сетей, систем, подсистем и/или средств, составляющую любое одно или несколько из а) соединения, непосредственного или через одно или большее число других устройств, приспособлений, частей, сетей, систем, подсистем или средств; б) коммуникационной зависимости, непосредственной или через одно или большее число других устройств, приспособлений, частей, сетей, систем, подсистем или средств, и/или в) функциональной зависимости, при которой работа любого одного или большего числа устройств, приспособлений, частей, сетей, систем, подсистем или средств в целом или отчасти зависит от работы любого одного или большего числа других устройств, приспособлений, частей, сетей, систем, подсистем или средств.

Термины «первый» и «второй» используются для отличия одного элемента, комплекта, предмета или вещи от другого и не используются для обозначения относительного расположения или нахождения во времени.

В одном полезном варианте осуществления изобретения система для регулирования смеси воздуха и рециркулирующих выхлопных газов содержит воздушный канал, ограниченный стенкой для пропуска воздуха через него, и вход для выхлопных газов, проходящий через стенку воздушного канала для ввода выхлопных газов в воздушный канал. Система дополнительно содержит регулятор расхода, по меньшей мере, частично размещенный в воздушном канале и регулирующий количество воздуха, проходящего через воздушный канал, и ограничительный клапан, размещенный в канале для рециркуляции выхлопных газов впереди входа для выхлопных газов и регулирующий количество выхлопных газов, вводимых в воздушный канал. Предлагается система, в которой регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан образуют схему последовательного регулирования для приведения в действие регулятора расхода в первом диапазоне давлений и приведения в действие ограничительного клапана во втором диапазоне давлений.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения система для регулирования смеси воздуха и рециркулирующих выхлопных газов содержит воздушный канал, ограниченный стенкой для пропуска воздуха через него, и вход для выхлопных газов, проходящий через стенку воздушного канала для ввода выхлопных газов в воздушный канал и соединенный с каналом для рециркуляции выхлопных газов. Система дополнительно содержит регулятор расхода воздуха, по меньшей мере, частично размещенный в воздушном канале и регулирующий количество воздуха, проходящего через воздушный канал, и ограничительный клапан, размещенный в канале для рециркуляции выхлопных газов и регулирующий количество выхлопных газов, вводимых в воздушный канал. Система дополнительно содержит первый диапазон давлений, в котором приводится в действие регулятор расхода воздуха, и второй диапазон давлений, в котором приводится в действие ограничительный клапан. Предлагается система, в которой регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан работают последовательным образом для приведения в действие ограничительного клапана после полного приведения в действие регулятора расхода воздуха.

В еще одном преимущественном варианте осуществления изобретения предлагается способ регулирования смеси воздуха и рециркулирующего выхлопного газа, при котором: всасывают воздух через воздушный канал и присоединяют канал для выхлопных газов к воздушному каналу. Согласно способу дополнительно: впускают выхлопные газы в канал для выхлопных газов для рециркуляции в воздушный канал; регулируют в первом диапазоне давлений регулятор расхода воздуха, который регулирует количество воздуха, проходящего через воздушный канал, и регулируют во втором диапазоне давлений ограничительный клапан, который регулирует количество выхлопных газов, проходящих через канал для выхлопных газов. Предлагается способ, при котором регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан действуют последовательным образом для приведения в действие ограничительного клапана после полного приведения в действие регулятора расхода воздуха.

Другие задачи изобретения и его конкретные отличительные признаки и преимущества станут очевиднее из последующего подробного описания изобретения, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 – блок-схема одного полезного варианта осуществления настоящего изобретения,

Фиг.2 – вид сбоку с частичным разрезом системы рециркуляции выхлопных газов согласно Фиг.1,

Фиг.3 – вид сбоку с частичным разрезом системы рециркуляции выхлопных газов согласно Фиг.1,

Фиг.4 – вид сбоку с частичным разрезом системы рециркуляции выхлопных газов согласно Фиг.3,

Фиг.5 – график, иллюстрирующий пример одной преимущественной схемы регулирования согласно Фиг.1.

На чертежах, на всех видах одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы.

На Фиг.1 показана система 10. Согласно Фиг.1 вход 2 для подачи воздуха показан соединенным с регулятором 3 расхода. Вход 4 для подачи выхлопных газов гидравлически соединен с ограничительным клапаном 5, который также гидравлически соединен с регулятором 3 расхода воздуха. В таком случае регулятор 3 расхода соединен как с входом 2 для подачи воздуха и входом 4 для подачи выхлопных газов, так и с выходом 7 для потока текучей среды. В этом преимущественном варианте осуществления изобретения регулятор 3 расхода действует в тандеме с ограничительным клапаном 5 для переменного регулирования потока как на входе 2 для подачи воздуха, так и на входе 4 для подачи выхлопных газов. Например, ограничительный клапан 5 может переменно приводиться в действие для открывания/закрывания, чтобы ограничивать поток выхлопных газов к регулятору 3 расхода.

В этом конкретном варианте осуществления изобретения ограничительный клапан 5 для системы рециркуляции выхлопных газов размещен на трубе для рециркуляции выхлопных газов выше по потоку регулятора 3 расхода для того, чтобы обеспечить способ ступенчатого регулирования. Например, ограничительный клапан 5 может быть выполнен для приведения в действие только после полного приведения в действие регулятора 3 расхода. После этого полного приведения в действие регулятора расхода затем может быть приведен в действие ограничительный клапан 5. Таким образом, используя как ограничительный клапан 5, так и регулятор 3 расхода, можно успешно получить схему ступенчатого или последовательного регулирования.

Главным преимуществом этого конкретного варианта выполнения схемы регулирования является возможность использования единственного регулятора 3 расхода (регулирующего клапана). Даже если используется только один регулятор 3 расхода (регулирующий клапан), эта система обеспечивает тонкое регулирование расхода. В одном полезном варианте осуществления изобретения регулятор 3 расхода может быть использован для избирательного управления приводным устройством от, например, 0 фунт/кв. дюйм до 50 фунт/кв. дюйм. Однако после того, как регулятор 3 расхода достигнет максимального приведения в действие, только тогда приводится в действие ограничительный клапан 5. При приведении в действие ограничительный клапан 5 затем, в свою очередь, управляется приводным устройством от, например, 50 фунт/кв. дюйм до верхнего предела (т.е. 100 фунт/кв. дюйм).

Как показано на Фиг.2, система 10 содержит воздушный канал 22, который ограничен стенкой 23 и через который поступающий воздух подается к двигателю (не показан). Через стенку 23 сделан вход 30 для подачи выхлопных газов, по которому рециркулирующие выхлопные газы вводятся из канала 24 для выхлопных газов в воздушный канал 22 (показан стрелками В).

Ниппель 70, через который течет поступающий воздух, имеет входной конец 66 и выходной конец 68, при этом, по меньшей мере, выходной конец 68 расположен в пределах стенки 23 канала. Таким образом, поступающий воздух входит в ниппель 70 через его входной конец 66, течет через ниппель 70 и выходит из ниппеля 70 через его выходной конец 68 (показано стрелками А). Ниппель 70 может быть расположен таким образом, чтобы выходной конец 68, по меньшей мере, частично закрывал вход 30, тем самым уменьшая поток выхлопных газов в воздушный канал 22. По меньшей мере, часть ниппеля 70 может перемещаться в продольном направлении вдоль воздушного канала 22, чтобы изменять степень закрывания входа 30 выходным концом 68 для возможности регулирования ввода выхлопных газов в воздушный канал 22.

На Фиг.2 также показан ограничительный клапан 5, который расположен в канале 24 для выхлопных газов. Как предполагается, ограничительным клапаном 5 фактически может быть регулируемый клапан любого типа, который может эффективно перекрывать поток выхлопных газов. Ограничительный клапан 5 следует располагать в канале 24 для выхлопных газов сравнительно вблизи входа 30 для ограничения потока рециркулирующих выхлопных газов (дроссель для рециркулирующих выхлопных газов).

Обращаемся теперь к принципу действия регулятора расхода 3. Как предполагается, часть ниппеля 70 имеет резьбовую наружную поверхность 71, а часть стенки 23 канала имеет соответствующую резьбовую внутреннюю поверхность 72 для вхождения в зацепление с резьбовой поверхностью 71 ниппеля. В результате этого можно перемещать выходной конец 68 вдоль воздушного канала 22 простым вращением ниппеля 70. Таким образом, можно точно регулировать поток выхлопных газов в канал 22. В определенных вариантах осуществления изобретения ниппель 70 и канал 22 могут быть соосными.

Для возвратно-поступательного перемещения ниппеля 70 через воздушный канал 22 могут быть применены различные приводные механизмы. Например, как показано на Фиг.2, система 10 может содержать ниппель 70 с резьбой и, таким образом, может включать в себя приводной механизм, предназначенный для приведения ниппеля 70 во вращательное движение. В этих вариантах осуществления изобретения приводной механизм может, например, содержать зубчатое колесо 32, ось вращения которого параллельна оси вращения ниппеля 70, а ниппель 70 может иметь зубчатую наружную поверхность 34 вблизи входного конца 66 для зацепления с зубчатым колесом, так что вращение зубчатого колеса 32 по часовой стрелке или против часовой стрелки может приводить к перемещению ниппеля 70 вперед и назад вдоль канала 22.

В определенных предпочтительных вариантах осуществления изобретения площадь поперечного сечения выходного конца 68 меньше площади поперечного сечения входного конца 66, так что в этой уменьшенной части происходит некоторое дросселирование поступающего воздуха, протекающего через ниппель 70. В определенных вариантах осуществления изобретения этой уменьшенной частью просто является суженная часть ниппеля 70, а в некоторых вариантах осуществления изобретения она представляет собой суживающуюся часть 74, которая, например, может иметь форму усеченного конуса. Аналогичным образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения площадь поперечного сечения части канала 22, в которой передвигается выходной конец 68 ниппеля 70, также является уменьшенной, что обеспечивает сходный дросселирующий эффект. В некоторых вариантах осуществления изобретения эта уменьшенная часть выполнена имеющей шейку или суживающейся, что приводит к образованию трубы Вентури 54.

Когда ниппель 70 вращают для его продольного перемещения в направлении к трубе Вентури, кольцевая, суживающаяся часть 74 ниппеля приближается к кольцевой, суживающейся стенке трубы Вентури 54. Таким образом, ниппель 70 вместе с трубой Вентури 54 действует как регулятор расхода для выхлопных газов, входящих в канал 22 и смешивающихся с поступающим воздухом. Суживающаяся часть 74 ниппеля 70 выполнена таким образом, что ее площадь поперечного сечения уменьшается в направлении к оконечности выходного конца 68. Аналогично этому, площадь поперечного сечения трубы Вентури уменьшается в направлении потока в канале 22. Кроме того, это уменьшение площади поперечного сечения трубы Вентури 54 превышает уменьшение площади поперечного сечения выходного конца 68. Благодаря такому выполнению при вращении ниппеля 70 и его перемещении в направлении потока через канал 22 вход 30 становится меньше, тем самым ограничивая количество выхлопных газов, которые поступают в воздушный канал 22.

Кроме того, при изменении размера входа 30 в соответствии с движением выходного конца 68 ниппеля 70 также изменяется точка входа выхлопных газов в поток поступающего воздуха. Таким образом, наибольшее дросселирование поступающего воздуха, протекающего через воздушный канал 22 (т.е. проходящего через выходной конец 68 ниппеля 70), всегда достигается в точке, в которой выхлопные газы входят в канал 22, независимо от положения ниппеля 70.

В других вариантах осуществления изобретения предусмотрено приводное устройство 92 для возвратно-поступательного перемещения обтекаемого элемента 90 вдоль канала 22, что тем самым приводит к движению суживающегося конца 91 назад и вперед через выходной конец 68. Таким образом, можно изменять поток поступающего воздуха через канал 22 независимо от изменения потока рециркулирующих выхлопных газов. Приводное устройство 92 может быть расположено снаружи канала 22 и соединено с элементом 90 или может быть расположено внутри самого обтекаемого элемента 90.

При этой конструкции в дополнение к обычному достижению желательных эффектов перемешивания и перекачивания можно использовать ниппель 70 для регулирования скорости рециркулирующих выхлопных газов, тогда как можно использовать элемент 90 для регулирования скорости поступающего воздуха, причем, координируя движение того и другого, можно регулировать относительную скорость между выхлопными газами и поступающим воздухом. Кроме того, в определенных вариантах осуществления изобретения ниппель 70 можно достаточно далеко продвинуть вдоль канала 22, так чтобы полностью перекрыть поток выхлопных газов в канал 22. Выходной конец 68 может быть продвинут через суженную часть трубы Вентури до тех пор, пока он не соприкоснется вгладь со стенкой канала 22 как раз выше по потоку максимального диаметра элемента 90.

В некоторых вариантах осуществления изобретения обтекаемый элемент 90 расположен в канале 22 таким образом, что максимальный диаметр элемента 90 находится ниже по потоку ниппеля 70, при этом элемент 90 расположен по существу снаружи ниппеля 70, как это показано на Фиг.2. Таким образом, в этих вариантах осуществления изобретения путь потока сужается до точки, где выхлопные газы вводятся в поток поступающего воздуха, и, таким образом, не становится расходящимся до тех пор, пока не произойдет смешивание выхлопных газов и воздуха. Однако в определенных вариантах осуществления изобретения обтекаемый элемент 90, кроме того, может быть расположен внутри ниппеля 70.

Следует отметить, что хотя различные функции и способы описаны и представлены в последовательности стадий, эта последовательность предложена лишь в качестве иллюстрации одного полезного варианта осуществления изобретения, и что необязательно осуществлять эти функции в конкретном описанном порядке. Кроме того, предполагается, что любая из этих стадий может быть сдвинута и/или объединена относительно любой из других стадий. Кроме того, предполагается, что в зависимости от случая применения может быть полезным использование всех описанных здесь функций или их любой части.

На Фиг.3-4 показан другой вариант выполнения системы 10. Следует отметить, что различные отличительные признаки, показанные в варианте с Фиг.2, могут быть воплощены в нижеописанном варианте, и наоборот.

В этом конкретном варианте осуществления изобретения система 10 содержит первую трубу 120, подающую часть 124 и вторую трубу 122, через которые течет поступающий воздух (показано стрелками С). Рециркулирующие выхлопные газы вводят в поток поступающего воздуха через подающую часть 124, которая образует вход 130 для этого потока (показано стрелками D).

В конкретных преимущественных вариантах осуществления изобретения подающая часть 124 содержит две части 140, 142, которые вставлены между фланцами 144, 146 двух труб соответственно 120, 122. Однако в других вариантах осуществления изобретения подающая часть 124 может быть в виде единственной цельной части, имеющей единственное радиальное отверстие или множество отверстий, расположенных по окружности. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления изобретения подающая часть 124 выполнена отдельно от труб 120, 122, хотя в других вариантах осуществления изобретения подающая часть 124 образована за одно целое с трубами 120, 122.

Эта конструкция имеет результатом образование радиального зазора 152, через который выхлопные газы проходят от подающей части 124 к трубе 122. В определенных вариантах осуществления изобретения система содержит сопло Вентури 154, так что часть внутренней кольцевой стенки трубы 122 вблизи зазора 152 выполнена суживающейся, тем самым продолжая по существу плоский зазор 152 в отверстие, имеющее по существу форму усеченного конуса. Вокруг зазора 152 существует непрерывная, цилиндрическая полость 156, а между двумя частями 140, 142 помещена прокладка 158. Таким образом, выбирая толщину прокладки 158, можно добиться желаемого расстояния для зазора 152. К входному отверстию 160 подающей части 124 может быть присоединена подающая труба (не показана) для подаваемого потока рециркулирующих выхлопных газов, чтобы подавать выхлопные газы двигателя к системе 10.

Как описано ранее, ниппель 170 подвижно расположен полностью внутри трубы 120. Ниппель 170 имеет резьбовую наружную поверхность 171 для зацепления с резьбовой внутренней поверхностью 172 трубы 120, что тем самым позволяет точно перемещать ниппель в продольном направлении вдоль этой трубы, при этом ниппель 170 имеет суживающийся конец для дросселирования поступающего воздуха, протекающего через ниппель 170.

Как отмечено выше и показано на Фиг.4, в некоторых вариантах осуществления изобретения применяется обтекаемый элемент 190, позволяющий осуществлять дополнительное, переменное дросселирование поступающего воздуха, вытекающего из ниппеля 170. Элемент 190 может быть расположен, в основном, снаружи или внутри ниппеля 170, при этом приводное устройство 192 для перемещения обтекаемого элемента 190 назад или вперед через ниппель 170 либо расположено внутри элемента 190, либо соединено с ним.

При работе системы поступающий воздух обычно традиционным образом охлаждают в промежуточном охладителе (не показан) ниже по потоку турбонагнетателя, а рециркулирующие выхлопные газы охлаждают аналогичным образом в отдельном охладителе для рециркулирующих выхлопных газов до их смешивания с потоком поступающего воздуха. Вышеописанная система для регулирования потока может быть помещена в любом месте ниже по потоку турбонагнетателя. Однако в определенных полезных вариантах осуществления изобретения регулятор расхода предпочтительно размещают ниже по потоку промежуточного охладителя для предотвращения загрязнения последнего сажей или корродирования кислыми выхлопными газами.

На Фиг.5 показан график, иллюстрирующий, как можно эффективно использовать схему регулирования с, например, пневматическим приводным устройством (не показано). В этом конкретном примере пневматическое приводное устройство не действует при 0 фунт/кв. дюйм. Однако в диапазоне от 0 фунт/кв. дюйм до 50 фунт/кв. дюйм действие регулятора 3 расхода управляется приводным устройством (диапазон регулирования регулятором 3 расхода). В этом конкретном примере при около 50 фунт/кв. дюйм регулятор 3 расхода достигает своего максимального действия, и с этого момента обеспечивается управление ограничительного клапана 5 приводным устройством (диапазон регулирования ограничительным клапаном 5). Хотя в этом примере суммарный диапазон регулирования составляет от 0 фунт/кв. дюйм до 100 фунт/кв. дюйм, можно использовать и выбирать по существу любой диапазон регулирования в соответствии со случаем применения и набором отличительных особенностей.

Таким образом, можно добиться схемы ступенчатого или последовательного регулирования, используя только один регулирующий клапан для регулирования количества выхлопных газов, рециркулирующих к двигателю внутреннего сгорания. Как обсуждалось ранее, можно эффективно использовать регулирующие клапаны многих разных типов, например пропорциональные клапаны, клапаны ШИМ и т.д.

Хотя изобретение описано со ссылкой на конкретные компоновку частей, отличительные признаки и т.д., ими, как предполагается, не исчерпываются все возможные компоновки или отличительные признаки, и фактически для специалистов в данной области техники будут очевидны многие другие модификации и изменения.

Формула изобретения

1. Система регулирования смеси воздуха и рециркулирующих выхлопных газов, содержащая:
воздушный канал, ограниченный стенкой для пропуска воздуха через него;
вход для выхлопных газов, проходящий через стенку воздушного канала для ввода выхлопных газов в воздушный канал;
регулятор расхода воздуха, по меньшей мере, частично размещенный в воздушном канале и регулирующий количество воздуха, проходящего через воздушный канал;
ограничительный клапан, размещенный в канале для рециркуляции выхлопных газов впереди входа для выхлопных газов и регулирующий количество выхлопных газов, вводимых в воздушный канал;
при этом регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан образуют схему последовательного регулирования для приведения в действие регулятора расхода в первом диапазоне давлений и приведения в действие ограничительного клапана во втором диапазоне давлений.

2. Система по п.1, в которой первый диапазон давлений и второй диапазон давлений не перекрываются.

3. Система по п.2, в которой первый диапазон давлений составляет от около 0 фунт/кв. дюйм до около 50 фунт/кв. дюйм, а второй диапазон давлений составляет от около 50 фунт/кв. дюйм до около 100 фунт/кв. дюйм.

4. Система по п.1, в которой регулятор расхода воздуха представляет собой пропорциональный клапан.

5. Система по п.1, в которой регулятор расхода воздуха содержит ниппель, по меньшей мере, частично расположенный в воздушном канале и имеющий входной конец, через который воздух входит в ниппель, и выходной конец, через который воздух, протекающий через ниппель, выходит из ниппеля в воздушный канал, при этом выходной конец ниппеля расположен в воздушном канале.

6. Система по п.5, в которой выходной конец ниппеля является позиционируемым вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания входа для выхлопных газов и подвижным вдоль части воздушного канала для изменения степени закрывания входа для выхлопных газов для того, чтобы регулировать поток выхлопных газов в воздушный канал.

7. Система по п.5, дополнительно содержащая обтекаемый элемент, расположенный в воздушном канале и позиционируемый вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

8. Система по п.7, дополнительно содержащая приводное устройство для передвижения обтекаемого элемента вдоль воздушного канала для изменения степени закрывания выходного конца ниппеля для того, чтобы регулировать поток воздуха из ниппеля.

9. Система по п.7, в которой обтекаемый элемент имеет суживающийся конец, перемещаемый с помощью выходного конца ниппеля.

10. Система по п.9, в которой суживающийся конец обтекаемого элемента выполнен яйцевидным.

11. Система по п.7, в которой обтекаемый элемент, по существу, расположен снаружи ниппеля.

12. Система по п.5, дополнительно содержащая обтекаемый элемент, расположенный в воздушном канале, при этом элемент является неподвижным относительно канала, а выходной конец ниппеля является надвигаемым на, по меньшей мере, часть элемента для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

13. Система регулирования смеси воздуха и рециркулирующих выхлопных газов, содержащая:
воздушный канал, ограниченный стенкой для пропуска воздуха через него; вход для выхлопных газов, проходящий через стенку воздушного канала для ввода выхлопных газов в воздушный канал и соединенный с каналом для рециркуляции выхлопных газов;
регулятор расхода воздуха, по меньшей мере, частично размещенный в воздушном канале и регулирующий количество воздуха, проходящего через воздушный канал;
ограничительный клапан, размещенный в канале для рециркуляции выхлопных газов и регулирующий количество выхлопных газов, вводимых в воздушный канал;
первый диапазон давлений, в котором приводится в действие регулятор расхода воздуха;
второй диапазон давлений, в котором приводится в действие ограничительный клапан;
при этом регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан выполнены с возможностью работы последовательным образом для приведения в действие ограничительного клапана после полного приведения в действие регулятора расхода воздуха.

14. Система по п.13, в которой первый диапазон давлений составляет от около 0 фунт/кв. дюйм до около 50 фунт/кв. дюйм, а второй диапазон давлений составляет от около 50 фунт/кв. дюйм до около 100 фунт/кв. дюйм.

15. Система по п.13, в которой регулятор расхода воздуха содержит ниппель, по меньшей мере, частично расположенный в воздушном канале и имеющий входной конец, через который воздух входит в ниппель, и выходной конец, через который воздух, протекающий через ниппель, выходит из ниппеля в воздушный канал, при этом выходной конец ниппеля расположен в воздушном канале.

16. Система по п.15, в которой выходной конец ниппеля является позиционируемым вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания входа для выхлопных газов и подвижным вдоль части воздушного канала для изменения степени закрывания входа для выхлопных газов для того, чтобы регулировать поток выхлопных газов в воздушный канал.

17. Система по п.15, дополнительно содержащая обтекаемый элемент, расположенный в воздушном канале и позиционируемый вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

18. Система по п.17, дополнительно содержащая приводное устройство для передвижения обтекаемого элемента вдоль воздушного канала для изменения степени закрывания выходного конца ниппеля для того, чтобы регулировать поток воздуха из ниппеля.

19. Система по п.17, в которой обтекаемый элемент имеет суживающийся конец, перемещаемый с помощью выходного конца ниппеля.

20. Система по п.19, в которой суживающийся конец обтекаемого элемента выполнен яйцевидным.

21. Система по п.17, в которой обтекаемый элемент, по существу, расположен снаружи ниппеля.

22. Система по п.15, дополнительно содержащая обтекаемый элемент, расположенный в воздушном канале, при этом элемент является неподвижным относительно канала, а выходной конец ниппеля является надвигаемым на, по меньшей мере, часть элемента для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

23. Способ регулирования смеси воздуха и рециркулирующих выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания, при котором всасывают воздух через воздушный канал;
подсоединяют канал для выхлопных газов к воздушному каналу;
впускают выхлопные газы в канал для выхлопных газов для рециркуляции в воздушный канал;
регулируют в первом диапазоне давлений регулятор расхода воздуха, который регулирует количество воздуха, проходящего через воздушный канал; и
регулируют во втором диапазоне давлений ограничительный клапан, который регулирует количество выхлопных газов, проходящих через канал для выхлопных газов;
при этом регулятор расхода воздуха и ограничительный клапан действуют последовательным образом для приведения в действие ограничительного клапана после полного приведения в действие регулятора расхода воздуха.

24. Способ по п.23, при котором первый диапазон давлений составляет от около 0 фунт/кв. дюйм до около 50 фунт/кв. дюйм, а второй диапазон давлений составляет от около 50 фунт/кв. дюйм до около 100 фунт/кв. дюйм.

25. Способ по п.23, при котором регулятор расхода воздуха содержит ниппель, по меньшей мере, частично расположенный в воздушном канале и имеющий входной конец, через который воздух входит в ниппель, и выходной конец, через который выходит воздух, протекающий через ниппель.

26. Способ по п.25, при котором дополнительно изменяют позиционирование наружного конца ниппеля вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания входа для выхлопных газов для того, чтобы регулировать потоки выхлопных газов в воздушный канал.

27. Способ по п.25, при котором дополнительно размещают обтекаемый элемент в воздушном канале и изменяют его позиционирование вдоль воздушного канала для, по меньшей мере, частичного закрывания выходного конца ниппеля.

28. Способ по п.27, при котором дополнительно перемещают обтекаемый элемент вдоль воздушного канала для изменения степени закрывания выходного конца ниппеля для того, чтобы регулировать поток воздуха из ниппеля.

29. Способ по п.27, при котором обтекаемый элемент имеет суживающийся конец, перемещаемый с помощью выходного конца ниппеля.

РИСУНКИ