CN109695517A - 一种气体混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体混合器,包括混合器芯体和内侧的旋流片组合,混合器芯体包括周向开孔的EGR芯体,旋流片组合包括多个沿EGR芯体周向分布的旋流单元,每个旋流单元包括旋流片和沿EGR芯体径向延伸的固定的支撑柱,旋流片朝向混合器芯体进气口的一端绕支撑柱转动配合,旋流片与支撑柱之间的弹性件对旋流片施加的作用力驱使旋流片向缩小EGR芯体的流通面积的方向旋转,旋流单元还包括用于限制旋流片旋转角度的定位结构。本发明采用可变旋流强度的涡轮式旋流片组合结构,在降低混合器进出口压降的同时使混合气产生旋流,改善了混合效果;旋流强度随着空气侧流量变化自动可调,可以兼顾高低转速,显著提高发动机各个工况下的混合均匀性。

Description

一种气体混合器
技术领域
本发明涉及燃气发动机用气体混合器技术领域,尤其涉及一种气体混合器。
背景技术
天然气与空气、EGR(Exhaust Gas Recycle,废气再循环)的混合均匀性对天然气发动机的动力性、经济性、排放等有显著的影响。在发动机的进气过程中,如果混合气分布不均匀,经进气管分配到各缸的燃气量不一致,必然导致发动机各缸出现工作不均匀、爆震、失火等问题。因此,混合气的均匀性是评价混合器的重要指标之一。随着排放法规的升级,EGR率需求也越来越高。目前通常使用脉冲排气系统来提高EGR率。如果EGR混合不均匀,会进一步加剧天然气发动机的工作不稳定性,因此,对EGR部分的混合均匀性提出了更高要求。
压力损失作为进气系统的评价指标之一,主要是因为进气阻力大直接影响发动机的充气效率,进而影响发动机的进气量。在发动机进气过程中,如果混合器的压力损失过大,会导致发动机的油耗变差。因此在评价混合器的效果时,混合器的阻力也是关注的环节之一。
现有的混合器结构主要分为两类。一类是在混合器芯体内插入天然气和EGR喷射管,将天然气和EGR分别引入到混合器芯体内通道,与空气完成混合。此类方式的不足是天然气和EGR喷射管形式很简单,通常为单体式圆形直管或水滴型直管。混合芯在EGR混合区域位置处具有缩口特征,目的是使得气流经过此处产生加速,以提升空气、天然气和EGR的混合效果。虽然混合器进出口压损较低,但是混合效果差。同时,进入气缸盖之前的混合气分布特征对于混合器下游的进气管形态较为敏感。另一类是将混合器芯体分解为多个分离体,分别通过压铸方式铸造,随后将各个分离体组合到一起,能够形成更为复杂的天然气和EGR喷射管形式,混合效果较好,但是由于复杂的喷射管形式,导致迎风面积增大,混合器流通面积减小,使得混合器进出口压损较高。同时,生产工艺和加工成本高。
目前传统的混合器存在的主要问题是难以在各个转速范围内都实现良好的混合效果,同时兼具较低的流动压力损失。
专利CN201710093556.3将扰流器安装在混合器的空气进气侧,扰流器的轴向长度较短,旋流效果较差。燃气混合芯管与EGR混合芯管皆采用水滴型十字梁结构,导致在相同的混合器外形尺寸下,混合器进出口的压降更大,同时经扰流片产生旋流的空气在经过燃气混合芯管和EGR混合芯管之后旋流效果变差甚至消失。
上述混合器主要存在如下三个缺点:
(1)混合芯的迎风面积较大,混合器进出口压力损失大;
(2)旋流效果较差,混合器出口处混合气混合不充分、分布不均匀;
(3)旋流强度不可调,难以兼顾各个转速下都具备较好的混合效果以及较低的进出口压降。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种新型的气体混合器,其旋流强度随着空气侧流量变化自动可调,可以兼顾高低转速,确保混合器的进出口压损在合理范围内的前提下,实现最好的混合效果。
为了实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:
一种气体混合器,包括混合器芯体和旋流片组合,所述混合器芯体包括周向设有多个EGR喷射孔的EGR芯体,所述旋流片组合位于所述EGR芯体内侧,所述旋流片组合包括多个沿所述EGR芯体周向分布的旋流单元,每个所述旋流单元包括旋流片和沿所述EGR芯体径向延伸的支撑柱,所述旋流片朝向所述混合器芯体进气口的一端绕所述支撑柱的轴线相对所述支撑柱转动配合,所述支撑柱相对所述EGR芯体固定布置,所述旋流片与所述支撑柱之间设有弹性件,所述弹性件的一端作用于所述支撑柱且另一端作用于所述旋流片,所述弹性件对所述旋流片施加的作用力驱使所述旋流片向缩小所述EGR芯体的流通面积的方向旋转,所述旋流单元还包括用于限制所述旋流片旋转角度的定位结构。
优选地,在上述气体混合器中,所述支撑柱包括分离且同轴布置的内支撑柱和外支撑柱,所述内支撑柱与所述外支撑柱沿所述EGR芯体的径向向外依次布置,每个所述内支撑柱的第一端转动连接于相应的所述旋流片且第二端与其余各个所述内支撑柱的第二端固定连接,所述外支撑柱的第一端与所述旋流片连接且另一端连接于所述EGR芯体。
优选地,在上述气体混合器中,所述旋流单元还包括安装座,每个所述内支撑柱的第二端均固定于所述安装座。
优选地,在上述气体混合器中,所述安装座的周向设置有多个与所述内支撑柱一一对应过盈配合的安装孔。
优选地,在上述气体混合器中,所述外支撑柱的第一端与所述旋流片旋转连接且另一端固定连接于所述EGR芯体。
优选地,在上述气体混合器中,所述旋流片设有与所述支撑柱旋转配合的轴腔。
优选地,在上述气体混合器中,所述旋流片与所述支撑柱之间设置有轴承,所述轴承位于所述轴腔内。
优选地,在上述气体混合器中,所述弹性件为设置于所述轴腔内的扭簧。
优选地,在上述气体混合器中,所述定位结构为设置于所述EGR芯体内壁的挡销。
优选地,在上述气体混合器中,多个所述旋流单元沿所述EGR芯体周向均匀分布。
本发明方案提供的气体混合器,包括混合器芯体和旋流片组合,混合器芯体包括周向设有多个EGR喷射孔的EGR芯体,旋流片组合位于EGR芯体内侧,旋流片组合包括多个沿EGR芯体周向分布的旋流单元,每个旋流单元包括旋流片和沿EGR芯体径向延伸的支撑柱,旋流片朝向混合器芯体进气口的一端绕支撑柱的轴线相对支撑柱转动配合,支撑柱相对EGR芯体固定布置,旋流片与支撑柱之间设有弹性件,弹性件的一端作用于支撑柱且另一端作用于旋流片,弹性件对旋流片施加的作用力驱使旋流片向缩小EGR芯体的流通面积的方向旋转,旋流单元还包括用于限制旋流片旋转角度的定位结构。
本发明提供的气体混合器的工作过程如下:
新鲜空气从进气口进入混合器芯体内,燃气通过环向孔和燃气喷射管进入混合器芯体的燃气芯体内,首先与空气进行混合。EGR废气通过环向的EGR喷射孔沿可变涡轮式旋流片组合进入混合器芯体的EGR芯体内,与燃气和空气的混合气再次混合,从而完成整个混合过程,混合后的气体随后通过管道进入气缸完成燃烧过程。
当发动机在较低转速时,空气侧流量偏低,旋流片由于弹性件的弹力作用,开度较小,从而导致EGR芯体内混合区域的流通面积较小,气流流经旋流片后,受旋流片引导而产生旋转气流,能够有效改善混合效果。当发动机在较高转速时,空气侧流量变大,混合效果较低转速时有所改善,空气侧气流对旋流片的推力大于弹性件的作用力,从而使旋流片向最大开度位置转动,使得EGR芯体内混合区域的流通面积变大,流通阻力降低。
本方案采用可变旋流强度的涡轮式旋流片组合结构,其旋流强度随着空气侧流量变化自动可调。低转速时,旋流片迎风面积大,借助气流流经旋流片后形成的强旋流来改善混合效果,虽然气体混合器的进出口压损会稍有增加,但是低转速时混合器的进出口压损余量大,允许以较小的压损换取更好的混合效果。在高转速时,高流速气体可以确保较好的混合效果,不需要强旋流来进一步加强混合。此时,旋流片受空气侧推力作用产生转动,使得EGR芯体内混合区域的流通面积增大,有效降低了混合器的进出口压损。因此,采用可变旋流强度的涡轮式旋流片组合结构,可以兼顾高低转速,确保混合器的进出口压损在合理范围内的前提下,实现最好的混合效果。
本发明具有以下有益效果:
(1)采用可变旋流强度的涡轮式旋流片组合结构,替换了原有的EGR喷射管结构,在降低混合器进出口压降的同时,使混合气体产生旋流,改善了混合效果;
(2)旋流强度随着空气侧流量变化自动可调,可以兼顾高低转速,显著提高发动机各个工况下混合气混合的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例中的气体混合器的四分之一剖视图;
图2为本发明具体实施例中的气体混合器的正视图;
图3为本发明具体实施例中的气体混合器的半剖视图;
图4为本发明具体实施例中的旋流片组合的组装结构示意图;
图5为本发明具体实施例中的混合器芯体的外部结构示意图;
图6为本发明具体实施例中的旋流片最小开度位置示意图;
图7为本发明具体实施例中的旋流片最大开度位置示意图。
图1至图7中:
1-混合器外壳、2-混合器芯体、3-燃气喷射管、4-旋流片组合、5-挡销、6-安装座、7-旋流片、8-外支撑柱、9-内支撑柱、10-轴承、11-燃气入口、12-EGR入口、13-扭簧、21-燃气芯体、22-EGR芯体、23-EGR喷射孔、24-燃气进气孔、25-密封圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种带有可变旋流强度的涡轮式旋流片组合结构的燃气发动机用气体混合器,该混合器简化了EGR混合芯结构,去掉EGR混合芯管,并在EGR混合腔内安装了可变旋流强度的涡轮式旋流片。该混合器具备两个显著的优点:降低混合气的压力损失;使混合气产生旋流,且旋流强度随着空气侧流量变化自动可调,能够显著改善发动机各个工况下混合气混合的均匀性。
请参照图1至图7,图1为本发明具体实施例中的气体混合器的四分之一剖视图;图2为本发明具体实施例中的气体混合器的正视图;图3为本发明具体实施例中的气体混合器的半剖视图;图4为本发明具体实施例中的旋流片组合的组装结构示意图;图5为本发明具体实施例中的混合器芯体的外部结构示意图;图6为本发明具体实施例中的旋流片最小开度位置示意图;图7为本发明具体实施例中的旋流片最大开度位置示意图。
一种气体混合器,包括混合器外壳1、混合器芯体2和旋流片组合4,混合器芯体2包括燃气芯体21和周向设有多个EGR喷射孔23的EGR芯体22,燃气芯体21内布置有燃气喷射管3,旋流片组合4位于EGR芯体22内侧,旋流片组合4包括多个沿EGR芯体22周向分布的旋流单元,每个旋流单元包括旋流片7和沿EGR芯体22径向延伸的支撑柱,旋流片7朝向混合器芯体2进气口的一端绕支撑柱的轴线相对支撑柱转动配合,支撑柱相对EGR芯体22固定布置,旋流片7与支撑柱之间设有弹性件,弹性件的一端作用于支撑柱且另一端作用于旋流片7,弹性件对旋流片7施加的作用力驱使旋流片7向缩小EGR芯体22的流通面积的方向旋转,旋流单元还包括用于限制旋流片7旋转角度的定位结构。
本发明提供的气体混合器的工作过程如下:
新鲜空气从进气口进入混合器芯体2内,燃气通过环向孔和燃气喷射,3进入混合器芯体2的燃气芯体21内,首先与空气进行混合。EGR废气通过环向的EGR喷射孔23沿可变涡轮式旋流片组合4进入混合器芯体2的EGR芯体22内,与燃气和空气的混合气再次混合,从而完成整个混合过程,混合后的气体随后通过管道进入气缸完成燃烧过程。
当发动机在较低转速时,空气侧流量偏低,旋流片7由于弹性件的弹力作用,开度较小,如图6所示,从而导致EGR芯体22内混合区域的流通面积较小,气流流经旋流片7后,受旋流片7引导而产生旋转气流,能够有效改善混合效果。当发动机在较高转速时,空气侧流量变大,混合效果较低转速时有所改善,空气侧气流对旋流片7的推力大于弹性件的作用力,从而使旋流片7向最大开度位置(如图7所示位置)转动,使得EGR芯体22内混合区域的流通面积变大,流通阻力降低。
需要说明的是,本方案中的支撑柱用于支撑旋流片7,作为弹性件的施力基础,支撑柱的结构形式可以有多种,例如固定于EGR芯体22内壁的支撑柱,或者设置于EGR芯体22内侧的支撑柱,或者采用其他固定架等结构实现与EGR芯体22的相对固定布置等。优选地,在上述气体混合器中,支撑柱包括分离且同轴布置的内支撑柱9和外支撑柱8,内支撑柱9与外支撑柱8沿EGR芯体22的径向向外依次布置,每个内支撑柱9的第一端转动连接于相应的旋流片7且第二端与其余各个内支撑柱9的第二端固定连接,外支撑柱8的第一端与旋流片7连接且另一端连接于EGR芯体22。其中,各个内支撑柱9的第二端相互固定连接,从而使各个内支撑柱9形成一个整体的支架,内支撑柱9与外支撑柱8共同与旋流片7连接,且外支撑柱8的位置不变,因此,内支撑柱9也就无法发生转动且位置固定,这样就可以为旋流片7提供固定旋转轴的支撑,并且为弹性件提供施力基础。
优选地,在上述气体混合器中,旋流单元还包括安装座6,每个内支撑柱9的第二端均固定于安装座6,如图1、图4和图6所示,安装座6位于EGR芯体22的中心位置,各个内支撑柱9朝向EGR芯体22中心的第二端均固定连接于安装座6,从而实现了各个内支撑柱9之间的相对固定。
需要说明的是,内支撑柱9可以通过焊接、过盈配合、螺栓固定等多种方式实现与安装座6的固定连接,优选地,在上述气体混合器中,安装座6的周向设置有多个与内支撑柱9一一对应过盈配合的安装孔。内支撑柱9的端部通过过盈配合实现与安装座6的固连,可以节省使用螺栓等连接件时占用的空间,从而为EGR芯体22预留出足够的混合区域进行混合气的混合。
需要说明的是,上述外支撑柱8的作用是与内支撑柱9配合使用,以使整个旋流片组合4能够稳定保持在预设位置,外支撑柱8的第一端(即朝向EGR芯体22中心的一端)与旋流片7连接且第二端与EGR芯体22连接,并保证旋流片7能够相对EGR芯体22旋转,优选地,在上述气体混合器中,外支撑柱8的第一端与旋流片7旋转连接且另一端固定连接于EGR芯体22,如此设置可以保证旋流片7与EGR芯体22的相对转动,当然,本方案还可以将外支撑柱8的第一端固定在旋流片7上并且将第二端通过旋转方式连接于EGR芯体22的内壁,同样能够保证旋流片7与EGR芯体22的相对转动。
具体的,外支撑柱8可以通过轴承10实现与旋流片7之间的相对旋转连接。外支撑柱8的第二端(即朝向EGR芯体22外侧的一端)可以通过过盈配合的方式固定于EGR芯体22上周向开设的外支撑柱安装孔中。
需要说明的是,本方案中的旋流片7可以通过设置轴孔结构、轴腔结构或卡环结构实现与支撑柱的相对转动连接,优选地,在上述气体混合器中,旋流片7设有与支撑柱旋转配合的轴腔,如图4所示。
进一步优选地,在上述气体混合器中,旋流片7与支撑柱之间设置有轴承10,轴承10位于上述轴腔内,如图4所示。通过设置轴承10可以保证旋流片7能够更加平稳、灵活地相对支撑柱转动,同时还能降低噪音,延长使用寿命。
需要说明的是,本方案中的弹性件的作用是对旋流片7施加弹性预紧力,保证在初始位置时旋流片7的开度最小,具体的,该弹性件可以选用多种弹性结构,例如弹性拉簧、扭簧,或弹性拉条等结构。优选地,在上述气体混合器中,弹性件为设置于轴腔内的扭簧13。该扭簧13的一端作用于支撑柱且另一端作用于旋流片7,扭簧13可以通过设置在支撑柱表面以及旋流片7的轴腔内壁的卡槽来施加扭力作用,扭簧13在组装时套设在支撑柱外周,保证扭簧13可以顺利安全地工作。
需要说明的是,本方案中的定位结构用于限制旋流片7的旋转极限位置,其具体可以设计为多种结构形式,例如在EGR芯体22内壁设置定位销,或者在支撑柱的一侧固定设置挡板或挡销,或者在支撑柱和旋流片7的配合转轴中设置限位挡块等等,优选地,在上述气体混合器中,定位结构为设置于EGR芯体22内壁的挡销5,如图1至图4所示,挡销5优选通过过盈配合的方式固定在EGR芯体22的周向开设的挡销安装孔中。
优选地,在上述气体混合器中,多个旋流单元沿EGR芯体22周向均匀分布。旋流单元的个数可以设计为3个、4个、5个、6个或更多个,优选地,本方案中设置了6个均匀布置的旋流单元,如图6和图7所示,如此设置可以最大程度地提升混合效果。
本发明提供的气体混合器的组装过程如下:
首先,旋流片7的轴腔内首先装入轴承10(用于与内支撑柱9旋转连接),随后套入扭簧13,然后再装入轴承10(用于与外支撑柱8旋转连接),旋流片7的轴腔与轴承10的连接关系为过盈连接。扭簧12的一端固定于旋流片7,另一端固定于内支撑柱9。内支撑柱9与安装座6过盈连接,其余旋流片7的组装方式与上述组装方式相同。将带有6个旋流片7的安装底座6放置于混合器芯体2内相应位置处,将外支撑柱8分别穿过EGR芯体22的对应孔和轴承10,将旋流片7拨至最大开度位置处(如图7所示),然后插入挡销5,松开旋流片7,旋流片7会受扭簧13回弹力作用紧靠在挡销5,至此旋流片7固定完毕。依次固定其余旋流片7,至此EGR混合芯部分组装完毕。
需要注意的是,混合器芯体2的EGR芯体22周向开设的EGR喷射孔23共有三列。旋流片7在两个极限位置范围内来回摆动时,应该避免旋流片穿过周向孔。由于旋流片7具有一定的弧度,所以靠近出口侧的周向孔相对于另外两列周向孔旋转了一定角度,如图5所示。另外,燃气芯体21的周向开设有多个燃气进气孔24,如图5所示,用于使燃气从更多角度喷射至燃气芯体21内,提升混合效果。
另外,组装混合器芯体2时,将燃气喷射管3以过盈方式安装于混合器芯体2的燃气芯体21内。随后,将混合器芯体2通过止口定位的方式安装到混合器外壳1内,并通过螺栓固定。EGR入口12与混合器芯体2之间形成EGR进气腔,燃气入口11与混合器芯体2之间形成燃气进气腔,EGR进气腔与燃气进气腔之间通过密封圈25隔离,确保整个气体混合器的密封性。
本方案采用可变旋流强度的涡轮式旋流片组合结构,替换掉原有混合器芯体中的EGR喷射管等结构,其旋流强度随着空气侧流量变化自动可调。低转速时,旋流片7迎风面积大,借助气流流经旋流片7后形成的强旋流来改善混合效果,虽然气体混合器的进出口压损会稍有增加,但是低转速时混合器的进出口压损余量大,允许以较小的压损换取更好的混合效果。在高转速时,高流速气体可以确保较好的混合效果,不需要强旋流来进一步加强混合。此时,旋流片7受空气侧推力作用产生转动,使得EGR芯体22内混合区域的流通面积增大,有效降低了混合器的进出口压损。因此,采用可变旋流强度的涡轮式旋流片组合结构,可以兼顾高低转速,确保混合器的进出口压损在合理范围内的前提下,实现最好的混合效果。
需要指出的是,在弹簧劲度系数的选择方面。针对不同排量的燃气发动机,需要根据其最大空气侧流量确定扭簧12的劲度系数。
本发明具有以下有益效果:
(1)采用可变旋流强度的涡轮式旋流片组合结构,替换了原有的EGR喷射管结构,在降低混合器进出口压降的同时,使混合气体产生旋流,改善了混合效果;
(2)旋流强度随着空气侧流量变化自动可调,可以兼顾高低转速,显著提高发动机各个工况下混合气混合的均匀性。
本发明提供的气体混合器不仅可以应用于天然气发动机,还可以应用于采用其他燃气如液化石油气、氢气等的气体发动机,市场前景广阔,经济效益高。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种气体混合器,其特征在于,包括混合器芯体(2)和旋流片组合(4),所述混合器芯体(2)包括周向设有多个EGR喷射孔(23)的EGR芯体(22),所述旋流片组合(4)位于所述EGR芯体(22)内侧,所述旋流片组合(4)包括多个沿所述EGR芯体(22)周向分布的旋流单元,每个所述旋流单元包括旋流片(7)和沿所述EGR芯体(22)径向延伸的支撑柱,所述旋流片(7)朝向所述混合器芯体(2)进气口的一端绕所述支撑柱的轴线相对所述支撑柱转动配合,所述支撑柱相对所述EGR芯体(22)固定布置,所述旋流片(7)与所述支撑柱之间设有弹性件,所述弹性件的一端作用于所述支撑柱且另一端作用于所述旋流片(7),所述弹性件对所述旋流片(7)施加的作用力驱使所述旋流片(7)向缩小所述EGR芯体(22)的流通面积的方向旋转,所述旋流单元还包括用于限制所述旋流片(7)旋转角度的定位结构。
2.根据权利要求1所述的气体混合器,其特征在于,所述支撑柱包括分离且同轴布置的内支撑柱(9)和外支撑柱(8),所述内支撑柱(9)与所述外支撑柱(8)沿所述EGR芯体(22)的径向向外依次布置,每个所述内支撑柱(9)的第一端转动连接于相应的所述旋流片(7)且第二端与其余各个所述内支撑柱(9)的第二端固定连接,所述外支撑柱(8)的第一端与所述旋流片(7)连接且另一端连接于所述EGR芯体(22)。
3.根据权利要求2所述的气体混合器,其特征在于,所述旋流单元还包括安装座(6),每个所述内支撑柱(9)的第二端均固定于所述安装座(6)。
4.根据权利要求3所述的气体混合器,其特征在于,所述安装座(6)的周向设置有多个与所述内支撑柱(8)一一对应过盈配合的安装孔。
5.根据权利要求2所述的气体混合器,其特征在于,所述外支撑柱(8)的第一端与所述旋流片(7)旋转连接且另一端固定连接于所述EGR芯体(22)。
6.根据权利要求1所述的气体混合器,其特征在于,所述旋流片(7)设有与所述支撑柱旋转配合的轴腔。
7.根据权利要求6所述的气体混合器,其特征在于,所述旋流片(7)与所述支撑柱之间设置有轴承(10),所述轴承(10)位于所述轴腔内。
8.根据权利要求6所述的气体混合器,其特征在于,所述弹性件为设置于所述轴腔内的扭簧(13)。
9.根据权利要求1所述的气体混合器,其特征在于,所述定位结构为设置于所述EGR芯体(22)内壁的挡销(5)。
10.根据权利要求1所述的气体混合器,其特征在于,多个所述旋流单元沿所述EGR芯体(22)周向均匀分布。
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