用于排气再循环单元的热交换器、流量调节器和发动机的制作方法

用于排气再循环单元的热交换器、流量调节器和发动机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及排气再循环单元，并且更具体地涉及排气再循环单元的热交换器。
【背景技术】
[0002]排气再循环(EGR)热交换器也被称为EGR冷却器，它是与用于与发动机一起使用的EGR单元相关联的组件。通常安装EGR单元是为了减少排放量，特别是氮氧化物(NOx)的排放量，以便达到日益严格的排放水平要求。在一些应用中，EGR热交换器可能会受到高的热应力，具体地，EGR热交换器的排气入口面可能会承受更高的热应力。排气入口面一般与从发动机排气歧管接收的加热排气流接触。该高的热应力可导致EGR热交换器的过早损坏。
[0003]美国专利号7，565，800公开了一种内燃发动机排气组件。该组件包括诸如在涡轮增压器入口中的涡轮增压器的排气通路。排气通路包括分隔板组件。分隔板组件包括主体和分隔板，其中，主体和分隔板中的至少一者一般由耐受极端温度条件、极端热梯度条件和极端载荷中的至少一者的材料制成。分隔板组件可用于分配排气组件内的排气，并且一般能够延长排气歧管的使用寿命。

【发明内容】

[0004]本实用新型的目的在于提供一种用于排气再循环单元的热交换器，以减少热交换器所受到的热应力，避免较高的热应力所导致的热交换器过早损坏的问题出现。
[0005]一个方面，本实用新型提供了一种用于排气再循环单元的热交换器，所述热交换器包括管芯，所述管芯包括从热交换器上游面延伸到下游面的多个排气管，所述管芯还包括设置在多个排气管之间的至少一个冷却剂通道；所述热交换器还包括流体地连通到热交换器上游面的流量调节器，所述流量调节器包括沿着第一平面设置的入口孔，所述入口孔配置成接收排气流；所述流量调节器还包括沿着第二平面设置的出口孔，所述出口孔流体地连通到所述的多个排气管；所述流量调节器还包括在入口孔和出口孔之间延伸的通道，所述流量调节器还包括设置在所述通道内并且至少部分地在入口孔和出口孔之间延伸的板，所述板配置成控制从入口孔到出口孔的排气流。
[0006]优选的，所述板设置有多块，所述多块板以相等间距布置。
[0007]优选的，所述板可以是曲线形的，也可以是平面的。
[0008]其中，所述板邻近所述出口孔设置，并且至少部分地朝向所述入口孔延伸。
[0009]优选的，所述第一平面基本垂直于所述第二平面。
[0010]进一步的，所述热交换器还包括出口扩散器，所述出口扩散器流体地连通位于所述热交换器下游面处的所述多个排气管。
[0011]在本实用新型的另一方面，提供了一种用于排气再循环单元的热交换器的流量调节器，所述流量调节器包括沿着第一平面设置的入口孔，所述入口孔配置成接收排气流；所述流量调节器还包括沿着第二平面设置的出口孔，所述出口孔流体地连通到多个排气管；所述流量调节器还包括在入口孔和出口孔之间延伸的通道，所述流量调节器还包括设置在所述通道内并且至少部分地在入口孔和出口孔之间延伸的板，所述板配置成控制从入口孔到出口孔的排气流。
[0012]在本实用新型的又一方面，提供了一种发动机，所述发动机包括排气歧管、进气歧管和排气再循环单元，所述排气再循环单元包括流体地连通到排气歧管和进气歧管的热交换器，所述热交换器包括管芯，管芯包括从热交换器的上游面延伸到下游面的多个排气管，所述管芯还包括设置在多个排气管之间的至少一个冷却剂通道；所述热交换器还包括流体地连通到热交换器上游面的流量调节器，所述流量调节器包括沿着第一平面设置的入口孔，所述入口孔配置成从排气歧管接收排气流；所述流量调节器还包括沿着第二平面设置的出口孔，所述出口孔流体地连通到多个排气管；所述流量调节器还包括在入口孔和出口孔之间延伸的通道，所述流量调节器还包括设置在所述通道内并且至少部分地在入口孔和出口孔之间延伸的板，所述板配置成控制从入口孔到出口孔的排气流。
[0013]上述技术方案提供了一种布置，该布置导致热交换器的整体温度降低，并且因此导致热交换器上部区域中的热应力降低。较低的热应力可减少排气管、上游集管板(headerplate)、芯壳等发生结构性损坏，从而提高了热交换器的总体使用寿命。
[0014]本实用新型的其它特征和方面从以下描述和附图中将显而易见。
【附图说明】
[0015]图1是根据本实用新型实施例的示例性机器的图示；
[0016]图2是根据本实用新型实施例的沿着轴线X-X’的用于机器排气再循环单元的热交换器的横截面视图；
[0017]图3是根据本实用新型实施例的示例性流量调节器的透视图；
[0018]图4是根据本实用新型的示例性流量调节器的另一个实施例的透视图；
[0019]图5是根据本实用新型的示例性流量调节器的另一个实施例的透视图。
【具体实施方式】
[0020]只要可能，相同的参考数字将在整个附图中用以指代相同或相似的部分。图1示出根据本实用新型的一个实施例的示例性机器100。在该附图中示出的机器100是自卸卡车。应当指出的是，机器100可以是任何其它的机器，诸如在运输中使用的卡车。机器100还可以包含任何其它类型的机器，该机器执行与诸如采矿、建筑、农业、运输的工业或本领域中已知的任何其它工业有关的操作。例如，机器100可以是越野载重车、运土机(诸如轮式装载机、挖掘机、铰接式卡车、反铲挖土机、自动平地机、材料处理机)、轮船或小船等。在一个实施例中，如本文所使用的术语“机器”也可指的是固定设备，诸如由发动机驱动以产生电的发电机。
[0021]机器100由发动机102提供动力，该发动机102适于燃烧燃料以释放在其中的化学能量，并且将该能量转换为机械动力。发动机102可以是燃烧柴油燃料的压燃式发动机。或者，发动机102可包括火花点火式发动机，火花点火式发动机配置成燃烧汽油或其它燃料，诸如乙醇、生物燃料、天然气等。
[0022]进气歧管104设置在发动机102上方，并且与发动机102的燃烧室(未示出)流体地连通，以便将在燃烧过程中使用的进气引导到发动机102。进气歧管104可配置成从进气管线106接收进气。进气管线106进而可通过进气过滤器108吸入大气空气。涡轮增压器109也可存在于进气管线106中，以便增加供应到发动机102的进气量。
[0023]排气歧管110设置在发动机102上，并且与燃烧室流体地连通。应当指出的是，进气歧管104和排气歧管110的布置可基于应用而变化。此外，流过排气歧管110的排气可引导到排气管线112，并且经由排气口 114释放到大气中。
[0024]此外，冷却剂系统可流体地连通发动机102，用于去除由发动机102产生的热，并且因此有助于冷却发动机102。冷却剂系统可包括与发动机102流体地连通的散热器116，以便消散来自离开发动机102的冷却剂的热。此外，离开散热器116的相对冷却的冷却剂可返回到发动机102。本领域的普通技术人员将理解，可将任何已知的热交换器用作散热器116。应当理解的是，本文所述的各种组件之间形成的连接是示例性的。该系统可包括其它组件，而不背离本实用新型的保护范围。
[0025]发动机102包括排气再循环(EGR)回路118，EGR回路118配置成用于减少由燃烧过程产生的排放物。更具体地说，EGR回路118包括将EGR单元120流体地连接到发动机102的排气歧管110和进气歧管104的通路。EGR单元120配置成将从燃烧过程排放的排气流的至少一部分重新引导返回到进气歧管104中，用于与进气混合。本领域的普通技术人员将理解，在进气中的排气的存在可降低可用于在燃烧室中燃烧的氧气的相对比例或量，进而导致产生较低的火焰和/或燃烧温度。
[0026]参考图2，示出了与EGR单元120相关联的沿着纵向轴线X_X’的热交换 器202的横截面视图。热交换器202流体地连通排气歧管110和进气歧管104，如下面将更详细描述的。热交换器202配置成冷却排气流。本领域的普通技术人员将理解，本文公开的热交换器202是壳管式热交换器，在该壳管式热交换器中，中空管封闭在壳中，在所述中空管中传导一种介质，所述壳包含在管周围流动并且流过管的其它介质。
[0027]热交换器202包括在上游面206和下游面208之间延伸的细长芯壳204，细长芯壳204限定纵向轴线X-X’。热交换器202包括设置在芯壳204内的管芯210。管芯210包括从上游面206延伸到下游面208的排气管212。排气管212平行布置，其中，每个排气管212彼此间隔开。此外，排气管212平行于热交换器202的纵向轴线X-X’且彼此对齐。排气管212可由任何合适的材料制成，诸如金属或金属合金，如铝或铝合金、铜或铜合金等。
[0028]排气管212固定到在管芯210上游面206处的上游集管板214。排气管212还固定到位于管芯210下游面208处的相应下游集管板216。上游集管板214和/或下游集管板216配置成将排气管212的位置牢固地固定且保持在热交换器202内。在一个实施例中，排气管212可以通过例如焊接、硬钎焊或软钎焊等方式机械地连接到上游集管板214和/或下游集管板216。或者，排气管212可与上游集管板214和/或下游集管板216集成在一起。上游集管板214和/或下游集管板216可以是垂直于管芯210纵向轴线X_X’布置的耐热材料制成的平板，所述耐热材料为诸如钢、铝、铝合金、陶瓷等。
[0029]管芯210包括设置在排气管212之间的冷却剂通道218。在另一个实施例中，管芯210可包括设置在排气管212之间的单个冷却剂通道218。或者，冷却剂通道218可由在排气管212之间产生的空间形成。冷却剂通道218配置成在热交换器202内提供冷却剂流。冷却剂回路可由设置在热交换器202内的冷却剂通道218形成，以便冷却排气流，并且这将在稍后详细解释。因此，冷却剂通道218以这种方式设置，以使得在热交换器202内的冷却剂流的方向基本上平行于在管芯210内的排气流的方向。
[0030]热交换器202包括设置在芯壳204上的冷却剂入口 220。冷却剂入口 220流体地连通冷却剂通道218。冷却剂入口 220可与芯壳204集成在一起，或者，任何合适类型的可拆卸连接，诸如软管倒钩、螺纹软管配件、快速释放配件或永久连接(诸如例如通过焊接或硬钎焊完成的连接)，可用于将冷却剂入口 220连接到冷却剂通道218。冷却剂入口 220可以是冷却剂可流动通过的中空管。冷却剂入口 220可因此将冷却剂流引入到冷却剂通道218 中。
[0031]冷却剂入口 220邻近于热交换器202的上游面206定位。更具体地说，冷却剂入口 220沿着管芯210的上游面206的第一侧222设置。应当指出，在定位冷却剂入口 220上的邻近度可使得冷却剂流在管芯210的上游面206处引入。因此，在一个实施例中，冷却剂入口 220可定位在管芯210的第一四分之一部。管芯210的第一四分之一部可包括这样的管芯210长度，即从上游面206延伸到邻近上游面206的管芯210长度的四分之一处。在另一个实施例中，可沿着管芯210的长度设置若干附加冷却剂入口(未示出)。
[0032]热交换器202包括设置在芯壳204上的冷却剂出口 224。冷却剂出口 224流体地连通冷却剂通道218。冷却剂出口 224可与芯壳204集成在一起，或者，任何合适类型的可拆卸连接，诸如软管倒钩、螺纹软管配件、快速释放配件或永久连接(诸如例如通过焊接或硬钎焊完成的连接)，可用于将冷却剂出口 224连接到冷却剂通道218。冷却剂出口 224可以是冷却剂可流动通过的中空管。冷却剂出口 224配置成将冷却剂流从冷却剂通道218排出。
[0033]冷却剂出口 224邻近热交换器202的下游面208定位。更具体地说，冷却剂出口224沿着管芯210的下游面208的第二侧226设置。应当指出，在定位冷却剂出口 224上的邻近度可使得冷却剂流在管芯210的下游面208处离开。因此，在一个实施例中，冷却剂出口 224可以定位在管芯210的第四四分之一部。管芯210的第四四分之一部可包括这样的管芯210长度，即从下游面208延伸到邻近下游面208的管芯210长度的四分之一处。在另一个实施例中，可沿着管芯210的长度设置若干附加冷却剂出口(未示出)。
[0034]本领域的普通技术人员将理解，用于形成冷却剂入口 220和冷却剂出口 224的定位、取向、直径和材料可没有任何限制地改变。在一个实施例中，阀(未示出)可与冷却剂入口 220和/或冷却剂出口 224相关联。阀可配置成控制分别经由冷却剂入口 220和/或冷却剂出口 224引入和/或离开的冷却剂流的量。阀可包括本领域中已知的任何已知流量控制装置，并且可液压地、机械地或电子地致动。
[0035]热交换器202还包括设置在热交换器202的下游面208上的出口扩散器228。出口扩散器228流体地连通排气管212。此外，出口扩散器228流体地连通发动机102的进气歧管104。出口扩散器228配置成提供用于使排气离开排气管芯212以流动到进气歧管104的通道。
[0036]在热交换器202运行期间，通过冷却剂入口 220接收在冷却剂通道218中的冷却剂的流动基本上垂直于冷却剂通道218，如由箭头230所示。随后，冷却剂流可转向约90度，以流动通过冷却剂通道218流向冷却剂出口 224，如由箭头232所示。这可导致流通通过上部区域234的冷却剂的量相对于流通通过下部区域236的冷却剂的量相对较少，所述上部区域234定位于在第二侧226处的管芯210的上游面206上，所述下部区域236定位于在第一侧222处的管芯210的上游面206上。因此，上部区域234相对于下部区域236趋于经受更高的温度并且由此经受更高的热应力。除非采取特定的方法或结构来减轻它，否则更高的热应力会导致在上部区域234处的结构性损坏，结构性损坏导致裂纹在上部区域234处的管芯210中产生。
[0037]本领域的技术人员将理解，系统中还可包括本文没有描述的附加组件。例如，可在热交换器202的一个或多个位置处设置若干个孔(未示出)，用于在冷却剂填充期间排出空气。排气管212可具有增强热传递的特征(未示出)，诸如翅片、凹坑等。此外，本文描述的热交换器202的实施例具有单程设计，其中两种传导介质单程通过热交换器202。本实用新型也可适用于多程布置，在多程布置中，传导介质被引导多程通过热交换器202，而不脱离本实用新型的保护范围。
[0038]图2示出了流体地连通管芯210的上游面206的流量调节器238。流量调节器238包括沿着第一平面F-F’设置的入口孔240。入口孔240流体地连通发动机102的排气歧管110，并且配置成从排气歧管110接收排气流。流量调节器238包括沿着第二平面S-S’设置的出口孔242。第二平面S-S’基本上垂直于第一平面F-F’或相对于第一平面F-F’倾斜。出口孔242流体地连通排气管212。流量调节器238包括在入口孔240和出口孔242之间延伸的通道244。通道244配置成提供排气从入口孔240到出口孔242的流动路径。
[0039]参考图3，示出了根据本实用新型的实施例的流量调节器238的透视图。流量调节器238包括至少部分地在入口孔240和出口孔242之间延伸的通道244内设置的板302。更具体地说，板302邻近出口孔242设置并且在通道244内朝向入口孔240延伸。板302具有曲线形结构。此外，板302配置成控制从入口孔240到出口孔242的排气流。
[0040]例如，在发动机102运行期间，如箭头306所示，在流量调节器238的上部部分304中流动的排气的一部分可能由于在上部部 分304中的流量调节器238的小曲率半径而倾向于涡旋。相反，如箭头310所示，在流量调节器238的下部部分308中流动的排气的一部分可能由于在下部部分308中的流量调节器238的相对较大的曲率半径而倾向于均匀流动。板302可通过给排气提供均匀的流动路径来减少在上部部分304中的排气流的涡旋。此夕卜，板302设置在上部部分304中的通道244内。相对于在下部部分308中的排气流体积，这可使得流动通过上部部分304的排气量相对于下部部分308中的排气流量较小。板302的布置可使排气流偏流到下部部分308。因此，较大量的排气可流过更接近冷却剂入口 220的下部区域236 (在图2中示出)。随着较小量的排气可流过上部部分304，接收相对较小量冷却剂的管芯210的上部区域234 (在图2中示出)可经受与下部区域236的温度类似的温度。
[0041]在流量调节器238中设置的板302可具有不同的配置。例如，在如图4中所示的实施例中，板402可具有平面配置。板402的位置可与结合图3所描述的位置类似，或可按照系统设计和要求来改变。此外，在如图5所示的另一个实施例中，流量调节器238可设置有多块板502。板502中的每一块板都可相对于彼此间距相等。此外，板502中的每一块板可具有曲线形配置、平面配置或其组合。
[0042]应当指出的是，板302、板402、板502可通过诸如热加工、冷加工、剪切、冲压等的任何已知制造工艺来制成。板302、板402、板502可由按照系统要求的本领域中已知的任何金属或合金制成。板302、板402、板502可通过诸如焊接、硬钎焊等的任何已知紧固方法连接到流量调节器238的内表面312。或者，板302、板402、板502可与流量调节器238 —体铸造以形成单个组件。板302、板402、板502在流量调节器238内的位置、取向和/或定位，板302、板402、板502的数量、尺寸以及在每一块板502之间的间距可按照系统设计和要求来变化，并且可以不限制本实用新型的范围。
[0043]工业实用性
[0044]在发动机运行期间，排气流从上游面处进入到热交换器的排气管中。通过冷却剂入口接收的冷却剂流可转向约90度朝向冷却剂出口流动。因此，在位于上游面处的上部区域中接收的冷却剂流的速率和/或冷却剂的量显著小于在位于上游面处的下部区域中的冷却剂流的速率和/或冷却剂的量。这可导致相对于在下部区域中，在上部区域中受到更高的热应力。更高的热应力可导致热交换器的过早损坏，诸如在排气管、上游集管板、芯壳等中的裂纹发展。
[0045]本实用新型涉及流量调节器238，流量调节器238具有板302、板402、板502，这些板设置在通道244内。如箭头306所示，板302、板402、板502可通过提供穿过上部部分304的均匀流动路径来减少流过上部部分304的排气的涡旋。板302、板402、板502也可使排气流偏流，以使得更大量的排气流过下部部分308，如由箭头310所示，并且进一步流过下部区域236，该下部区域236接收用于冷却的大致更大量的冷却剂流。这种布置导致整体较低的温度，并且因此导致降低热交换器202上部区域234中的热应力。较低的热应力可减少排气管212、上游集管板214、芯壳204等的结构性损坏的发生，从而提高了热交换器202的总体使用寿命。
[0046]虽然已参考上述实施例具体示出并描述了本实用新型的各方面，但是本领域的技术人员将理解，可在不脱离所公开的精神和范围的情况下通过修改所公开的机器、系统和方法来考虑各种附加实施例。这些实施例应当被理解为落入权利要求书及其任何等同物所确定的本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1.一种用于排气再循环单元的热交换器，其特征在于，所述热交换器包括: 管芯，其包括: 从所述热交换器的上游面延伸到下游面的多个排气管；以及 设置在所述多个排气管之间的至少一个冷却剂通道；以及 流体地连通到所述热交换器的上游面的流量调节器，所述流量调节器包括: 沿着第一平面设置的入口孔，所述入口孔配置成接收排气流； 沿着第二平面设置的出口孔，所述出口孔流体地连通到所述多个排气管； 在所述入口孔和所述出口孔之间延伸的通道；以及 设置在所述通道内并且至少部分地在所述入口孔和所述出口孔之间延伸的板，所述板配置成控制从所述入口孔到所述出口孔的排气流。
2.根据权利要求1所述的用于排气再循环单元的热交换器，其特征在于，所述流量调节器还包括设置在所述通道内并且至少部分地在所述入口孔和所述出口孔之间延伸的多块板，所述多块板以相等间距布置。
3.根据权利要求1所述的用于排气再循环单元的热交换器，其特征在于，所述板是曲线形的。
4.根据权利要求1所述的用于排气再循环单元的热交换器，其特征在于，所述板是平面的。
5.根据权利要求1所述的用于排气再循环单元的热交换器，其特征在于，所述板邻近所述出口孔设置，并且至少部分地朝向所述入口孔延伸。
6.根据权利要求1所述的用于排气再循环单元的热交换器，其特征在于，所述第一平面垂直于所述第二平面。
7.根据权利要求1所述的用于排气再循环单元的热交换器，其特征在于，还包括出口扩散器，所述出口扩散器流体地连通位于所述热交换器下游面处的所述多个排气管。
8.—种用于排气再循环单元的热交换器的流量调节器，其特征在于，所述流量调节器包括: 沿着第一平面设置的入口孔，所述入口孔配置成接收排气流； 沿着第二平面设置的出口孔，所述出口孔流体地连通到所述热交换器的多个排气管； 在所述入口孔和所述出口孔之间延伸的通道；以及 设置在所述通道内并且至少部分地在所述入口孔和所述出口孔之间延伸的板，所述板配置成控制从所述入口孔到所述出口孔的排气流。
9.一种发动机，其特征在于，包括: 排气歧管； 进气歧管；以及 排气再循环单元，其包括: 流体地连通所述排气歧管和所述进气歧管的热交换器；所述热交换器包括: 管芯，其包括:从所述热交换器的上游面延伸到下游面的多个排气管；以及设置在所述多个排气管之间的至少一个冷却剂通道； 流体地连通到所述热交换器上游面的流量调节器，所述流量调节器包括: 沿着第一平面设置的入口孔，所述入口孔配置成从所述排气歧管接收排气流； 沿着第二平面设置的出口孔，所述出口孔流体地连通到所述多个排气管； 在所述入口孔和所述出口孔之间延伸的通道；以及 设置在所述通道内并且至少部分地在所述入口孔和所述出口孔之间延伸的板，所述板配置成控制从所述入口孔到所述出口孔的排气流。
10.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，所述流量调节器包括在所述通道内设置并且至少部分地在所述入口孔和所述出口孔之间延伸的多块板，所述多块板以相等间距布置； 其中，所述热交换器还包括出口扩散器，所述出口扩散器流体地连通到位于所述热交换器下游面处的所述多个排气管，并流体地连通到所述发动机的所述进气歧管。
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于排气再循环单元的热交换器、流量调节器和发动机。所述热交换器包括管芯，该管芯具有多个排气管和设置在多个排气管之间的至少一个冷却剂通道。所述热交换器还包括流体地连通热交换器的流量调节器，所述流量调节器包括入口孔和出口孔。出口孔流体地连通多个排气管。所述流量调节器还包括至少部分地在所述入口孔和出口孔之间延伸的板，该板配置成控制从入口孔到出口孔的排气流。本实用新型提供的这种结构布置，可以降低热交换器的整体温度，并且因此导致在热交换器上部区域中的热应力降低。
【IPC分类】F02M25-07
【公开号】CN204610077
【申请号】CN201520286759
【发明人】R·J·切斯尼
【申请人】卡特彼勒公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月6日