CN104653354B - 一种egr混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种EGR混合装置，包括用于混合空气和燃气的燃气混合器以及与燃气混合器的混合气出气口连通的EGR混合器，所述EGR混合器包括EGR混合器体和设于EGR混合器体内的EGR支管，EGR支管和EGR混合器体内壁上均设有将废气喷到EGR混合器体中的若干废气喷孔；本发明的EGR混合装置，废气、空气和天燃气的混合均匀度较高，在行业内达到了顶尖的水平。

Description

一种EGR混合装置

技术领域

本发明属于燃气发动机混合气体技术领域，具体涉及一种EGR混合装置。

背景技术

排气再循环(Exhaust Gas Recirculation)，是指内燃机在燃烧后将排出气体的一部分分离出、并导入进气侧使其再度燃烧的技术，主要目的为降低排出气体中的氮氧化物(NOx)与分担部分负荷时可提高燃料消费率。内燃机在燃烧后排出的气体中含氧量极低甚至是没有，此排出气体与吸气混合后会使吸气中氧气浓度降低，因此会产生下列现象:比大气更低的含氧量在燃烧时温度会降低，会抑制氮氧化物(NOx)的产生。燃烧温度降低时，汽缸与燃烧室壁面、活塞表面的热能发散会降低，另外因热解离造成的损失也会有些微降低。燃油引擎其部分负荷为汽缸内在非EGR时为了提供等量的氧气量，因此需要将油门开大，结果吸气时的吸油损失较低，燃料消费率会提高。

随着排放法规的日趋严格及燃油价格的攀升，EGR技术在发动机上的应用越来越广泛。以往再循环废气在进入气缸前有较长的管路与新鲜空气混合，且引入的循环废气量(EGR率)较低，因此没有专门设计EGR混合器。现在随着EGR技术的改进及成熟，循环废气量(EGR率)越来越大，同时发动机紧凑性的要求使进气管路更短，因此利用传统的方法所获得的再循环废气与新鲜空气的混合均匀性已经无法再满足发动机稳定工作的要求了。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种燃气、空气和废气混合均匀度更高的EGR混合装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种EGR混合装置，包括用于混合空气和燃气的燃气混合器以及与燃气混合器的混合气出气口连通的EGR混合器，所述EGR混合器包括EGR混合器体和设于EGR混合器体内的EGR支管，EGR支管和EGR混合器体内壁上均设有将废气喷到EGR混合器体中的若干废气喷孔。

优选地，所述EGR支管包括轴线垂直的第一EGR支管和第二EGR支管，第一EGR支管和第二EGR支管的轴线均与EGR混合器体的轴线垂直并相交。

优选地，所述废气喷孔均匀设置在第一EGR支管和第二EGR支管的两侧，且废气喷孔所处位置点的切线与空气流向平行。

优选地，所述EGR混合器体的内壁环状分布有两排废气喷孔，第一排废气喷孔与第一EGR支管上的废气喷孔位于同一水平面，第二排废气喷孔与第二EGR支管上的废气喷孔位于同一水平面。

优选地，所述EGR混合器体的侧面设有废气进气口，EGR支管和EGR混合器体内壁上的废气喷孔均与废气进气口相通。

优选地，所述燃气混合器包括燃气混合器体和设置在燃气混合器体空气进气口和混合气出气口间的导流体，导流体包括导流环和设置在导流环中的导流柱，导流环和导流柱上均设有将天然气喷到燃气混合器体中的若干天然气喷孔；导流环和导流柱均为中空且彼此相通；导流柱相交于导流环的圆心位置并将导流环分隔为均匀的三个部分。

优选地，所述燃气混合器体的混合气出气口处设有扰流体，扰流体包括扰流环和倾斜设置在扰流环和燃气混合器体内壁之间的扰流片；扰流片将扰流环和燃气混合器体之间的空间分隔为均匀的六个部分。

优选地，所述燃气混合器体的空气进气口处设有收缩环，收缩环的内径沿空气流向逐渐变大。

优选地，所述燃气混合器体的侧面设有天然气进气口，导流环与天然气进气口相通。

优选地，所述导流环和导流柱的横截面均为沿空气流向由大变小的水滴形，天然气喷孔均匀设置在导流环和导流柱的两侧，天然气喷孔所处位置点的切线与空气流向平行，且所有天然气喷孔位于同一水平面。

本发明的有益效果是：本发明所提供的EGR混合装置，在燃气混合器中，导流环、导流柱和燃气混合器体内壁形成多个类似于文丘里管的结构，使空气流过导流体的时候对天然气喷孔所喷出的天然气产生一定的吸力，增加天然气的动能，使天然气和空气混合更加均匀，燃气混合器体混合气出气口处设置的扰流体进一步提升混合均匀度；在EGR混合器中，EGR支管和EGR混合器体内壁形成多个类似于文丘里管的结构，当混合气流过EGR支管的时候对废气喷孔所喷出的废气产生一定的吸力，增加废气的动能，使废气和混合气混合更加均匀；从而经过该EGR混合装置的燃气、空气和废气具有较高的混合均匀度。

附图说明

图1是本发明EGR混合装置的结构示意图；

图2是本发明EGR混合装置的俯视图；

图3是图2的A-A的剖视图；

图4是图2的B-B的剖视图；

图5是本发明EGR混合器的结构示意图；

图6是本发明EGR混合器的俯视图；

图7是本发明EGR芯子的结构示意图；

图8是本发明出气体的结构示意图；

图9是本发明扰流体的结构示意图；

图10是本发明扰流体的俯视图；

图11是本发明收缩环的结构示意图。

附图标记说明：1、导流环；2、导流柱；3、天然气进气口；4、收缩环；5、进气体；6、出气体；7、扰流环；8、扰流片；9、扰流体外环；10、销钉；11、EGR外壳；12、第一EGR支管；13、第二EGR支管；14、废气进气口；15、EGR芯子；16、废气通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1～图11所示，本发明的EGR混合装置，包括燃气混合器和EGR混合器，燃气混合器用于混合空气和燃气，EGR混合器与燃气混合器的混合气出气口连通，EGR混合器用于混合废气和混合气。

EGR混合器包括EGR混合器体和设于EGR混合器体内的EGR支管，EGR支管和EGR混合器体内壁上均设有将废气喷到EGR混合器体中的若干废气喷孔，EGR混合器体的侧面设有废气进气口14，EGR支管和EGR混合器体内壁上的废气喷孔均与废气进气口14相通。

EGR支管包括轴线垂直的第一EGR支管12和第二EGR支管13，第一EGR支管12和第二EGR支管13的轴线均与EGR混合器体的轴线垂直并相交；废气喷孔均匀设置在第一EGR支管12和第二EGR支管13的两侧，且废气喷孔所处位置点的切线与空气流向平行；EGR混合器体的内壁环状分布有两排废气喷孔，第一排废气喷孔与第一EGR支管12上的废气喷孔位于同一水平面，第二排废气喷孔与第二EGR支管13上的废气喷孔位于同一水平面。由于文丘里效应的作用，废气喷孔所处的位置混合气流速增加，在该位置同时产生低压，对废气喷孔中的废气产生吸附作用，增加了废气的动能，使废气和混合气的混合更加均匀。

在该实施例中，EGR外壳11套设于EGR芯子15形成EGR混合器体，EGR外壳11与EGR芯子15外壁接触的地方设有用于废气通过的废气通道16，废气通道16与废气进气口14相通，第一EGR支管12和第二EGR支管13安装在EGR芯子15上并与废气通道16相通，从废气进气口14进入的废气进入废气通道16，一部分从EGR芯子15上的废气喷孔进入EGR混合器体内部，另一部分通过第一EGR支管12和第二EGR支管13上的废气喷孔进入EGR混合器体内部。

燃气混合器包括燃气混合器体、导流体和扰流体，燃气混合器体为具有空气进气口和混合气出气口的中空结构，导流体和扰流体均安装在燃气混合器体内部，导流体位于空气进气口和混合气出气口之间，用于喷射天然气，并对从空气进气口进入的空气起导向作用；扰流体位于燃气混合器体混合气出气口处，顺着空气流向位于导流体的下方，用于进一步扰乱混合气体，提升空气与燃气的混合均匀度。

导流体包括导流环1和设置在导流环1中的导流柱2，导流柱2相交于导流环1的圆心位置并将导流环1分隔为均匀的三个部分，导流环1和导流柱2上均设有将天然气喷到燃气混合器体中的若干天然气喷孔，导流环1和导流柱2均为中空且彼此相通。

燃气混合器体的侧面设有天然气进气口3，天然气进气口3与导流环1相通，由天然气进气口3进入的天然气首先进入导流环1，部分天然气通过导流环1上的天然气喷孔进入燃气混合器体，剩余的天然气再通过导流环1进入导流柱2，最后从导流柱2上的天然气喷孔进入燃气混合器体。

导流环1和导流柱2的横截面均为沿空气流向由大变小的水滴形，导流环1和导流柱2以及导流环1和燃气混合器体内壁组成多个类似于文丘里管的结构，当空气流过导流环1和导流柱2组成的导流体时，空气受到挤压，流速增快，更快的流速更利于天然气和空气的混合。

天然气喷孔均匀设置在导流环1和导流柱2的两侧，天然气喷孔所处位置点的切线与空气流向平行，即天然气喷孔设于导流环1和导流柱2横截面最宽的地方，且所有天然气喷孔位于同一水平面，由于文丘里效应的作用，天然气喷孔所处的位置空气流速增加，在该位置同时产生低压，对天然气喷孔中的天然气产生吸附作用，增加了天然气的动能，使空气和天然气的混合更加均匀。

扰流体包括扰流环7和倾斜设置在扰流环7和燃气混合器体内壁之间的扰流片8，扰流片8的一端与扰流环7的外壁相连，另一端与燃气混合器体内壁相连，扰流片8的数量为六，六片扰流片8将扰流环7和燃气混合器体之间的环形空间分隔为均匀的六个部分，混合气体流经扰流环7和扰流片8被进一步打乱混合。

燃气混合器体空气进气口处设有收缩环4，收缩环4的内径沿空气流向逐渐变大，燃气混合器体空气进气口进入的空气顺着收缩环4进入燃气混合器体；收缩环4可看作一段较短的变径管，燃气混合器通过更换不同大小的收缩环4可以非常容易地与不同大小的进口管道匹配。

在实际的生产中，为了方便加工，燃气混合器由浇铸工艺制得的各部件拼接组成，主要包括进气体5和出气体6，进气体5中包括部分的导流环1和导流柱2，出气体6中包括部分的导流环1和导流柱2，当进气体5和出气体6相连时，进气体5中部分的导流环1和导流柱2与出气体6中部分的导流环1和导流柱2组成完整的导流环1和导流柱2，收缩环4安装在进气体5的进气口处。

进气体5和出气体6通过四根螺钉相连，在连接的过程中为了方便定位，进气体5与出气体6相连的一端设有两个销孔，出气体6在相应部位也设有两个销孔，两个销钉10分别安装在销孔中对进气体5和出气体6进行定位；EGR混合器通过螺钉与出气体6相连。

扰流体为一体成型，包括扰流环7、扰流片8和扰流体外环9，扰流环7和扰流体外环9为同心圆环且扰流环7位于扰流体外环9内，扰流片8的一端与扰流环7外壁相连，另一端与扰流体外环9内壁相连，扰流体外环9外壁与出气体6的内壁贴合；部分空气沿着燃气混合器体内壁流动的过程中几乎很少和天然气发生混合，如果让这部分气体通过混合气出气口排除的话则会降低混合均匀度，扰流体外环9上部的内径沿混合气体的气体流向逐渐缩小，沿着燃气混合器体内壁流动的这部分气体流动到扰流体外环9时受阻，在斜面的作用下可使受阻的气体产生回流并进行二次混合，进一步提升混合均匀度。如果不考虑加工的原因，扰流体外环9可看作燃气混合器体内壁的一部分，扰流片8直接与燃气混合器体内壁相连。

进气体5设有销孔的一端还设有环形凹槽，该凹槽中设有密封圈用于保证进气体5与出气体6连接的气密性；为了保证燃气混合器与外部装置相连的气密性，在空气进气口和混合气出气口附近也分别设有密封圈，空气进气口附近的密封圈设于收缩环4与进气体5所形成的环形凹槽中，混合气出气口附近的密封圈设于扰流体与出气体6所形成的环形凹槽中。

对本发明的EGR混合装置的混合均匀性进行分析运算，评估天然气、空气和废气在EGR混合装置中的混合情况，分析计算使用SolidWorks、UG等三维制图软件生成三维模型，通过转换成*.igs或*.step格式的文件导入ANSYS中，使用Workbench划分出空气和天然气的流域，使用ICEM CFD生成网格，最终使用FLUENT进行计算，计算模型使用的湍流模型为k-ε两方程湍流模型，近壁面处采用壁面函数法。

计算采用稳态计算，空气入口、燃气入口、废气入口都给定恒定质量流量边界，出口设置为恒定压力边界，其中空气成份设定为由75％氮气和25％氧气组成，天然气成份设定为由100％的甲烷组成，废气成份设定为由6.8％氧气、13％二氧化碳、4.6％的水和75.6的氮气组成。

本次分析计算采用面积加权的燃气体积含量分布均匀度作为评价标准，如果空气和燃气完全混合均匀，这个值应为1，即均匀度b越接近1，说明天然气和空气混合得越均匀：

$b=1-0.5\×\frac{\Σ\[(\frac{a_i}{a}-1)\×s_i\]}{\Σs_i},$

其中，a为燃气体积含量平均值：

$a=\frac{\Σ(a_i\×s_i)}{\Σs_i},$

a_i为各点燃气体积含量；

s_i为测量面上各点。

采用7L发动机的外特性数据作为边界条件进行分析计算，如表1所示：

表1

计算所得的混合均匀度b为0.956，本发明的EGR混合装置废气、空气和天燃气的混合均匀度较高，在行业内达到了顶尖的水平。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种EGR混合装置，其特征在于:包括用于混合空气和燃气的燃气混合器以及与燃气混合器的混合气出气口连通的EGR混合器，所述EGR混合器包括EGR混合器体和设于EGR混合器体内的EGR支管，EGR支管和EGR混合器体内壁上均设有将废气喷到EGR混合器体中的若干废气喷孔。

2.根据权利要求1所述的EGR混合装置，其特征在于:所述EGR支管包括轴线垂直的第一EGR支管(12)和第二EGR支管(13)，第一EGR支管(12)和第二EGR支管(13)的轴线均与EGR混合器体的轴线垂直并相交。

3.根据权利要求2所述的EGR混合装置，其特征在于:所述废气喷孔均匀设置在第一EGR支管(12)和第二EGR支管(13)的两侧，且废气喷孔所处位置点的切线与空气流向平行。

4.根据权利要求3所述的EGR混合装置，其特征在于:所述EGR混合器体的内壁环状分布有两排废气喷孔，第一排废气喷孔与第一EGR支管(12)上的废气喷孔位于同一水平面，第二排废气喷孔与第二EGR支管(13)上的废气喷孔位于同一水平面。

5.根据权利要求1或2所述的EGR混合装置，其特征在于:所述EGR混合器体的侧面设有废气进气口(14)，EGR支管和EGR混合器体内壁上的废气喷孔均与废气进气口(14)相通。

6.根据权利要求1所述的EGR混合装置，其特征在于:所述燃气混合器包括燃气混合器体和设置在燃气混合器体空气进气口和混合气出气口间的导流体，导流体包括导流环(1)和设置在导流环(1)中的导流柱(2)，导流环(1)和导流柱(2)上均设有将天然气喷到燃气混合器体中的若干天然气喷孔；导流环(1)和导流柱(2)均为中空且彼此相通；导流柱(2)相交于导流环(1)的圆心位置并将导流环(1)分隔为均匀的三个部分。

7.根据权利要求6所述的EGR混合装置，其特征在于:所述燃气混合器体的混合气出气口处设有扰流体，扰流体包括扰流环(7)和倾斜设置在扰流环(7)和燃气混合器体内壁之间的扰流片(8)；扰流片(8)将扰流环(7)和燃气混合器体之间的空间分隔为均匀的六个部分。

8.根据权利要求6或7所述的EGR混合装置，其特征在于:所述燃气混合器体的空气进气口处设有收缩环(4)，收缩环(4)的内径沿空气流向逐渐变大。

9.根据权利要求6或7所述的EGR混合装置，其特征在于:所述燃气混合器体的侧面设有天然气进气口(3)，导流环(1)与天然气进气口(3)相通。

10.根据权利要求6或7所述的EGR混合装置，其特征在于:所述导流环(1)和导流柱(2)的横截面均为沿空气流向由大变小的水滴形，天然气喷孔均匀设置在导流环(1)和导流柱(2)的两侧，天然气喷孔所处位置点的切线与空气流向平行，且所有天然气喷孔位于同一水平面。