气体燃料、排气再循环及空气混合装置和插入件的制作方法

本发明涉及用于将气体燃料（即，以气体状态而不是液体状态自然存在的燃料）和再循环的排气引导入（例如在乘用车辆或商用车辆中的）内燃发动机的进气通道中的气体混合器。气体燃料包括天然气（主要是甲烷）及其衍生物，例如丁烷和丙烷，但不包括汽油。

天然气可以用于给内燃发动机提供动力。与常规发动机相比，使用天然气运行的车辆是节省燃料和环境友好的。这些车辆也能够提供良好的扭矩和可靠的性能，同时输出与传统柴油动力发动机相比较少的发动机噪声。然而，为了满足具有变化的排量、性能等的多种不同发动机的需求，需要大量的专用零部件。

现代的天然气发动机利用排气再循环（EGR）来提供各种性能优势，包括与无EGR的发动机相比提高的效率、增加的扭矩、和减少的排放。燃料和再循环排气与进气的导入和混合需要单独的装置。

技术实现要素：

在一个方面，本发明提供一种发动机的空气进气的气体燃料混合装置。混合器主体具有：由在混合器主体内的内表面所限定的进气通道、和用于接收气体燃料的气体燃料进口。多个气体燃料扩散孔与气体燃料进口处于流体连通，以便使气体燃料扩散进入进气通道中。插入件位于进气通道的内部。该插入件包括主体，主体限定在前端与后端之间的纵向轴线和从前端延伸至后端的外表面。主体长度从前端延伸至后端。多个支撑体从主体的外表面径向地延伸，所述多个支撑体的每个支撑体在平行于纵向轴线的方向上延伸从而将在插入件主体的外表面与混合器主体的内表面之间的区域划分为多个单独的纵向延伸的进气通道。所述多个纵向进气通道的每个进气通道具有从插入件主体的外表面到限定进气通道的内表面所测量的径向高度，该径向高度沿纵向轴线而变化。插入件主体的外表面被成形为包括：鼻部段，其中径向高度从在前端的最大值变化到在鼻部段下游端的最小值；和混合段，其中插入件主体的外表面在纵向截面中是平直的。插入件主体的外表面在朝向后端的方向上朝向纵向轴线渐缩减小，使得插入件主体在后端的直径与在其中径向高度处于最小值的位置处的插入件主体的最大直径相比小至少15%。

在另一方面，本发明提供一种用于发动机的空气进气的气体燃料混合装置的插入件。插入件主体限定纵向轴线、前端、后端、和从前端延伸至后端的外表面轮廓。多个支撑体从主体径向地延伸，所述多个支撑体的每个支撑体在平行于纵向轴线的方向上延伸从而沿插入件主体将进气空气流划分入多个单独的纵向进气通道中。插入件主体的外表面轮廓包括鼻部段，其中外表面轮廓的直径从在前端的最小值增大到在鼻部段下游端的最大值，在朝向后端的方向上顺序地接续在该鼻部段之后的是平直段和弯曲的渐缩段，其中外表面轮廓在朝向后端的纵向轴线的方向上从平直段以增加的比率（rate）朝向纵向轴线缩聚。插入部主体在后端的直径与插入件主体的最大直径相比至少小15%。

基于详细说明和附图，本发明的其它方面将变得清楚。

附图说明

图1是包括根据本发明的混合装置的发动机系统的示意图。

图2是具有以影线图示出的可拆除插入件的混合装置的剖视图。

图3是插入件的前端视图。

图4是插入件的后端视图。

图5是沿图3的直线5-5所截取的插入件的剖视图。

图6是插入件的透视图。

在详细地说明本发明的任何实施例之前，应该理解的是本发明的应用并不局限于在以下描述中所陈述或者在以下附图中所示出的各部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其它实施例，并且以各种方式实施或执行。另外，应该理解的是本文中所使用的用语和术语是为了描述的目的而不应被看作是限制性的。

具体实施方式

图1示意性地示出了可使用气体燃料而运转的内燃发动机系统10。内燃发动机12（例如，构造成使用气体燃料而工作的涡轮增压柴油发动机）包括多个气缸，这些气缸限定用来自进气管的可燃进气料而进料的燃烧室。如图2中所示出和下面更详细地描述，气体燃料混合装置14（或“混合器”）位于沿进气通道18的位置，用于当气体燃料流动经过混合装置14时将计量的气体燃料（例如，压缩天然气）流从燃料供给装置16提供进入进气空气流。混合装置14包括具有大体上呈圆柱形的开口的混合器主体22，该开口沿中心轴线A延伸并且可构造成接纳多种可互换的部件。进气空气流经过进口38进入由内表面（例如，圆柱形或管状的表面）所限定的进气通道18。由燃料供给装置16所提供的来自一个或多个喷射器（未图示）的气体燃料喷射气体燃料，该气体燃料经过混合装置14的一个或多个进口70被引导至在该混合装置14中的环形通道54。从环形通道54中，气体燃料被径向地向内引导经过扩散器34的径向孔82，其中气体燃料与进气空气流混合并且被引导至混合装置14的出口46。扩散器34位于混合器主体22内部沿进气通道18的位置（参见图2）并且构造成促进进气空气流与气体燃料的混合（即，通过将气体燃料分散于进气中）。用至少一个O形密封圈将扩散器34密封抵接到混合器主体22。扩散器34被混合器主体22径向地围合。

如图中所示，扩散器34形成为与混合器主体22分离且被其上游端所接纳的进口接合器。扩散器34配合到上游进气管，该上游进气管可包括节气门主体。扩散器34形成该混合装置的进口38。然而，可想到其它变型，包括与混合器主体22分离且与限定混合装置14的进口的进口接合器分离的扩散器。

扩散器34确定了进口直径，该接口直径在共同地限定进气通道18的扩散器34下游的多个部件中得以维持。由扩散器34所提供的进口38的尺寸可被设计成对应于发动机12的节气门主体的直径，使得这些直径相互匹配。扩散器34还包括各种温度和压力传感器（未图示），这些传感器与在混合装置14外部的电子装置进行通信连接从而协助对混合装置14的控制。出口接合器42被布置在混合器主体22的下游位置并且提供混合装置14的圆形出口46，进气空气流在与气体燃料和/或再循环排气混合之后经过该出口46被引导至发动机12的燃烧室（例如，经由中间进气歧管）。扩散器34和出口接合器42可拆除地被固定到混合器主体22的第一端和第二端（即，利用安装螺钉），并且当被固定到混合器主体22时可至少部分地延伸进入混合器主体22中。出口接合器42在出口46处可拆除地被固定到发动机12的进口（例如，管道或歧管），该发动机进口通到一个或多个燃烧室中。当可拆除地被固定到混合器主体22时，出口接合器42的内表面可与混合器主体22、扩散器34、和/或位于混合器主体22内部的任何其它部件的内表面齐平。在另一结构中，出口接合器42的特征物是由混合器主体22直接地提供并且不使用单独的接合器。

扩散器34和出口接合器42与混合器主体22和EGR扩散器35（在下面进行描述）共同地限定经过混合装置14的进气通道18。进气通道18从进口38轴向地延伸至出口46并且构造成将进气空气流从进口38引导至出口46。进气通道18是由扩散器34、混合器主体22、EGR扩散器35、和出口接合器42的内表面径向地限定，并且以中心轴线A为中心。

扩散器34被布置在混合器主体22的内部，并且沿进气通道18至少部分地被混合器主体22所包围。扩散器34与混合器主体22共同地限定在混合器主体22的径向内表面58与扩散器34的径向外表面62之间的环形通道54。环形通道54是沿中心轴线A被布置在加燃料位置，在该位置气体燃料是用于在进气通道18中与进气空气流混合。环形通道54至少部分地包围进气通道18。通到环形通道54的一个或多个气体燃料进口70（例如，三个进口70）是由与环形通道54相邻的（例如，直接地径向外侧）混合器主体22所限定。通到环形通道54的进口70是圆形的孔，这些孔从混合器主体22的外表面相对于中心轴线A径向地延伸至环形通道54。扩散孔82被扩散器34限定为半圆形的扩散孔，这些扩散孔被布置为允许在大体上垂直于中心轴线A（即，径向地向内）方向上的流动。扩散孔82被限定为在与进口38相反的扩散器34的下游端的轴向端面处的开孔或凹穴，并且在下游端面的周边附近均匀地间隔。扩散孔82通过紧靠垂直于中心轴线A而布置的混合器主体22的内肩部表面而被限制在轴向下游端。利用该布置，扩散孔82限定位于环形通道54的下游端的加燃料位置。然而，在其它结构中，可以将加燃料位置限定在沿环形通道54的其它点，并且扩散孔82可位于扩散器34的内部远离下游端面的位置。也应注意的是，扩散孔82可具有除图示的半圆形状外的其它截面形状，例如圆形。下面更详细描述的加燃料位置可以被定义为沿扩散孔82的截面（无论它们的具体形状）的中心的中心轴线A的位置。

除了气体燃料进口70外，还设置用于排气再循环（EGR）的进口47，以便混合装置14构造成使从发动机12中排出的一部分的燃烧气体扩散进入进气空气流。更具体地，可为混合装置14提供来自发动机12经过在涡轮增压器20上游位置旁通管路的排气，其中涡轮增压器20构造成压缩在进气通道18中的进气，如图1中所示。涡轮增压器20和旁通管路的这种布置允许高压EGR经由EGR进口47进入混合装置14。高压EGR与低压EGR的不同之处在于高压EGR将再循环排气添加入具有通过强制进气而不是自然吸气所压缩的空气的进气中。EGR进口47联接到在混合器主体22中的EGR入口40，该入口40相应地给与提供气体燃料的环形通道54分离且在该通道下游位置的环形通道45进料。下游环形通道45包围至少一部分的进气通道18。被引导进入环形通道45中的再循环排气经过EGR扩散器35被扩散进入进气空气流中。

EGR扩散器35限定布置大体上垂直于中心轴线A而布置的径向扩散孔49（参见图2）。EGR扩散器35还限定下游环形通道45的径向内部62。混合器主体22限定下游环形通道45的径向外部58，并且径向地环绕或包围下游环形通道45。此外，EGR扩散器35位于与EGR入口40相同的轴向位置，以便直接地接收在径向向内方向上来自该入口的排气流。在未图示的其它实施例中，出口接合器42和EGR扩散器35是以单个整体部件的形式而提供。

尽管为了清楚地说明混合装置14的其它部分而仅在图2中的影线图中示出，但插入件24位于进气通道18内部在混合装置14上游端和下游端之间。在图3-图6中更详细地示出了插入件24。当把插入件24组装在混合装置14中时，插入件24的纵向轴线Z与进气通道18和混合器主体22的中心轴线A为同轴。例如，可以用多个紧固件43将插入件24固定到混合器主体22。插入件24可以包括主体26及多个肋片或支撑体32，这些肋片或支撑体32从插入件主体26的外表面朝向限定进气通道18的内壁径向地向外延伸。支撑体32可在平行于纵向轴线Z的方向上延伸。在一些结构中，插入件24是空气动力学为钝的后缘插入件，其中插入件主体26限定从钝的且发散的后缘翼型的吸入侧修改而来的表面轮廓。在图示的结构中，插入件24包括围绕纵向轴线Z以90度间隔而布置的四个支撑体32。一个或多个支撑体32具有径向外边缘，该外边缘包括用于接纳紧固件43（例如，安装螺钉）的螺纹孔33，该紧固件43从混合器主体22的外侧经过相应的主体22中的孔被径向地向内插入。插入件24与沿其纵向轴线Z的两个扩散位置（例如延伸到气体燃料扩散孔82的上游和EGR扩散孔49的下游的扩散位置）重叠。插入件24构造成通过使与中心轴线A垂直的沿插入件24长度的进气通道18的截面面积变窄而增加进气空气流在进气通道18中的流速。增加的进气空气流的流速形成局部压降从而有助于气体燃料和再循环排气的导入，因此使喷射器和排气系统中的背压最小化。此外，沿插入件24和在插入件24下游的进气的下游膨胀有助于在进入发动机12的进气歧管之前进气的混合，这随后提供经由带阀的进气口而进入发动机气缸的加注，以便燃烧。

插入件24（更具体地插入件主体26）限定前端66和后端68，在前端66和后端68之间所测量的是主体长度L（图5）。插入件主体26的外表面26A限定沿纵向轴线Z且经过纵向轴线Z的截面中的轮廓。外表面26A的轮廓在下面进行更详细地描述，并且被设计成提供用于扩散进入在混合装置14内部的进气通道中的气体燃料和再循环排气的有利混合效果。插入件主体26的外表面26A被成形为包括从前端66延伸出的鼻部段72、和从鼻部段72延伸出的混合段76。该混合段76可以是第一、前、或上游混合段，其中外表面26A的纵向截面是平直的。尽管是平直的，但外表面26A可具有相对于纵向轴线Z的微小角度（例如，3度或小于3度）。例如，外表面26A可限定直的锥度（例如，1度的），因而在朝向后端68的方向上变得更加接近纵向轴线Z。从混合段76朝向后端68，外表面26A朝向纵向轴线Z渐缩减小，使得插入件主体26在后端68的直径D3与插入件主体26的最大直径D2相比至少小15%。在混合段76下游的渐缩区域可形成第二、后、或下游混合段79，如下面更详细地说明。后混合段79可从前混合段76延伸至后端68。在后混合段79中的渐缩段可以是弯曲的渐缩段，并且锥度比率（rate of taper）在接近后端68的方向上可以增大。

在一些结构中，总插入件长度L与最大主体直径D2的比率可以是2.93+/-1。尽管可扩展到多种应用中，但总插入件长度L可以是158mm。在一些结构中，后混合段79具有比前混合段76的长度LM1更长的长度LM2，如沿纵向轴线Z所测量的。在长度方向上，从鼻部段72到前混合段76的过渡是出现在距离前端66为长度L1处。因此，长度L1是鼻部段72的长度。鼻部段72的长度L1可以是总插入件长度L的22%至32%（例如，27%）。从前混合段76到后混合段79的过渡是出现在距离前端66为长度L2处。因此，前混合段76的长度LM1等于L2减去L1。该过渡可以是外表面26A的轮廓从直变为弯曲的点。在一些结构中，前混合段76的长度LM1为总插入件长度L的5%至55%（例如，30%）。从前混合段76的前端66到下游端的长度L2可以是总插入件长度L的37%至77%（例如，57%）。

每个支撑体32限定长度L_F，该长度L_F是插入件24的长度L的全部或大部分。例如，支撑体32的长度L_F可以是超过总长度L的70%、或超过90%。如图中所示，支撑体32在超过总插入件长度L的90%的上方延伸并且在到后端68的全程上延伸。长度L_F被认为是平行于纵向轴线Z的距离，支撑体32沿该纵向轴线Z保持它们的最大直径D1，该支撑体32延伸至限定进气通道18的内表面。每个支撑体32限定垂直于纵向轴线Z的一致的厚度T。该厚度T可以是最大插入件主体直径D2的18%（+/-10%）。厚度T被设计成结合插入件主体26在后端68的轮廓而工作，以便控制单独空气流在每个进气通道18A-18D中返回进入单个空气流的再加入。在全部进气通道18A-18D中的流动在后端68之后将汇聚到朝向纵向轴线Z的中心，但进一步的汇聚是发生在被共同的支撑体32所隔开的两个相邻的进气通道18A-18D之间。通过使支撑体厚度T相对于后端直径D3平衡，可以将插入件24被设计成对气流分离漩涡和衰减进行控制从而使进入发动机12的气流变得平稳。

支撑体32的径向外端限定总插入件直径D1，该直径D1超过最大主体直径D2。总插入件直径D1通常与进气通道18的直径匹配，尽管可提供最小装配间隙。进气通道18和插入件24的直径D1与插入件主体26的最大直径D2相比至少大5%，并且与插入件主体26的最大直径D2相比大到不超过65%。支撑体32将在插入件主体26的外表面26A与混合装置14内部之间的区域划分为多个单独的纵向延伸的进气通道18A-18D，用于当进气空气流在朝向进气歧管的方向上前进并最终到达发动机12的燃烧室时引导进气空气流并使其变直。每个的这些平行纵向进气通道18A-18D具有从插入件主体26的外表面26A到限定进气通道18的内表面（即，到支撑体32的径向外端）所测量的径向高度RH，该径向高度RH沿纵向轴线Z而变化。径向高度RH通常从前端66到前混合段76增大，在前混合段76内部保持不变或者以恒定的比率增加，并且在整个后混合段79中增加例如以朝向后端68的增加的比率）。因此，每个的进气通道18A-18D朝向前混合段76缩聚并且在整个后混合段79从前混合段76发散。应当指出的是，径向高度RH在前端66处于最大值，并且在插入件主体26具有其最大直径D2处径向高度RH处于最大值。径向高度RH的最小值可在鼻部段72与前混合段76之间的过渡处，并且可任选地在整个前混合段76中得以保持。

插入件主体26的外表面26A在前混合段76内部的延伸的直轮廓允许在混合装置14内部的相对较低压力、较高流速（与插入件24正好上游的压力和流速相比）区域将气体燃料和再循环排气两者导入进气空气流中的可能性。如上所述，插入件24相对于混合器主体22被固定，这决定了气体燃料和再循环排气沿插入件24的导入位置。插入件24位于混合器主体22的内部，使得用于导入气体燃料的扩散孔82位于远离前端66及其下游的长度L_NG处，如图2中最佳地示出。长度L_NG可以是总插入件长度L的24%至34%（例如，29%）。EGR扩散孔49位于气体燃料扩散孔82的下游位置，但不超过远离插入件主体26的前端66的总插入件长度L的80%（例如，总插入件长度L的60%）。前端66与EGR扩散孔49之间的长度被定义为L_EGR，如图2中所示。在一些结构中，从前端66到EGR扩散孔49的长度L_EGR小到总插入件长度L的40%。在一些结构中，气体燃料扩散位置是在前混合段76的上游端（例如，在前混合段长度LM1的前20%内）并且EGR扩散位置是在后混合段79的上游端（例如，在后混合段长度LM2的前20%内）。然而，变化的范围允许替代的关系。例如，气体燃料扩散孔82可位于在前混合段76中更下游的位置、或者位于前混合段76的上游位置。此外，EGR扩散孔49可位于在后混合段79中更下游的位置、或者位于在前混合段76中后混合段79的上游位置。在一些结构中，可在EGR导入位置的下游位置提供用于进气进料的主要气体燃料。例如，可以将气体燃料扩散孔82的位置和EGR扩散孔49的位置反转，同时与以上的描述一致。在本文中所说明或者在上面所描述的任何实施例中，也可仅将一种扩散物质与空气混合。例如，甚至当混合装置具备用于气体燃料和EGR两者的扩散器时，可将一个或另一个扩散器关闭达给定的时间段（例如，利用来自控制器的信号而关闭阀）。在其它结构中，混合装置可只包括单个扩散器，并且仅将单个扩散物质与空气混合。

在操作中，进气经过进口38被提供至混合装置14中。与此同时，气体燃料从气体燃料供给装置16被提供至进口70。气体燃料被引导进入第一环形通道54并且经过扩散孔82而形成喷射，该喷射进入被引导的进气空气流并与之混合。如上所述，扩散孔82位于相对于插入件24的位置，以便当气体燃料被强制在鼻部段72周围流动进入前混合段76中时利用进气空气流的高流速和低压来促进气体燃料的导入。在更下游的位置，来自发动机12的排气经过EGR供给管道47被输送至EGR入口40以便再循环。用于再循环的排气被引导经过第二环形通道45并且经过EGR扩散器35中的孔49。由于EGR扩散器35与插入件24之间的相对取向，因而在孔49的位置的进气空气流仍然处于相对较高的流速和较低的压力。因此，在来自发动机排气侧的EGR管道中背压减小。从EGR扩散孔49到后端68的显著的间隔距离保证进入进气空气流与气体燃料的EGR的足够的混合时间，以便实现在发动机12内部的高质量的、可预知的燃烧。

如上所述，插入件主体26的外表面26A可在后混合段79中渐缩，使得后端直径D3与最大插入件主体直径D2相比至少小15%、与最大插入件主体直径D2相比小到多达75%。在一些结构中，后端直径D3与最大插入件主体直径D2相比至少小30%。在一些结构中，后端直径D3与最大插入件主体直径D2相比至少小45%。在图示的结构中，后端直径D3为最大插入件主体直径D2的55%。插入件主体直径朝向后端68的减小降低了在后缘68处分离漩涡的强度，但过大的减小将导致在后端68前的气流分离和相应的性能损失。

在上面所公开且在附图中所示出的实施例仅仅是通过举例而给出，并非意图是对本发明构思和原理的限制。因此，应当理解的是在不背离本发明精神和范围的前提下在各元件及它们的构造和布置中的各种变更是可行的。