CN112253340A - 天然气发动机用文丘里式集成混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气发动机用文丘里式集成混合器，包括混合器外壳及固定在混合器外壳内的EGR芯子、天然气横梁和天然气叶轮，混合器外壳沿纵轴向两端分别定义空气入口和混合气体出口，混合器外壳沿垂直于纵轴向的方向的一侧分别定义EGR废气入口、天然气入口；EGR芯子在纵轴向呈文丘里管，且在EGR芯子在与EGR废气入口对应处设有中心十字臂；天然气横梁及天然气叶轮设在EGR芯子的纵轴向后端，且对应于天然气入口，天然气叶轮上设有扰流叶片。本发明的天然气发动机用文丘里式集成混合器中，EGR芯子借助文丘里结构控制气体流速和压力，天然气叶轮实现扰流，借助流速与压力的关系，提升混合均匀性。

Description

天然气发动机用文丘里式集成混合器

技术领域

本发明涉及天然气发动机技术领域，具体涉及一种天然气发动机用文丘里式集成混合器。

背景技术

随着排放法规的日益严格，EGR废气再循环技术在发动机领域中有了较大的发展。而在天然气发动机中，EGR技术今年来也得到了越来越广泛的运用。

天然气发动机的可燃性混合气体分为三部分：空气、EGR废气及天然气。EGR天然气发动机的混合器分为燃气混合器与废气混合器，燃气混合器用于混合天然气与新鲜空气，废气混合器用于将燃气混合器中形成的混合燃气与排气管中取的EGR废气进行混合。

经过检索，中国发明专利第201710093556.3号“燃气发动机用混合器及EGR混合器”公开了一种天然气发动机的混合器，该呼混合器在入口处装有叶轮，先混合EGR废气，后混合器天然气，EGR 废气与天然气通过芯子上的方形气孔进入流道，与空气混合，同时利用芯子形成文丘里结构，利用流速与压力的关系，促进混合器。然而，该混合器中将叶轮设置在芯子上游，会导致芯子破坏叶轮形成的气旋，从而导致气体混合不均匀，影响发动机的工作效果。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种天然气发动机用文丘里式集成混合器，能够提高气体混合均匀性。

为实现上述目的，本发明所设计的天然气发动机用文丘里式集成混合器包括混合器外壳及固定在所述混合器外壳内的EGR芯子、天然气横梁和天然气叶轮，所述混合器外壳沿纵轴向两端分别定义空气入口和混合气体出口，所述混合器外壳沿垂直于所述纵轴向的方向的一侧分别定义EGR废气入口、天然气入口；所述EGR芯子在纵轴向呈文丘里管，且在所述EGR芯子在与所述EGR废气入口对应处设有中心十字臂；所述天然气横梁及天然气叶轮设在所述EGR芯子的纵轴向后端，且对应于所述天然气入口，所述天然气叶轮上设有扰流叶片。

作为优选方案，所述中心十字臂位于所述文丘里管的最小直径处，所述中心十字臂由两十字交叉的臂组成，两臂的长度方向均与纵轴向垂直。

作为优选方案，所述中心十字臂的两臂通过沿纵轴向设置的中心固定销在交叉处固定，所述中心固定销沿纵轴向的两端均为球形端头。

作为优选方案，所述中心十字臂的每一臂为中空结构，每一臂在垂直于长度方向的截面上具有大弧面端、小弧面端及分别从两侧过渡连接所述大弧面端和所述小弧面端的斜平面，所述大弧面端朝向所述空气入口，所述小弧面端朝向所述混合气体出口，所述斜平面上均布有连通所述中空结构内外的气孔。

作为优选方案，所述EGR芯子在所述EGR废气入口处的壁面上开设有EGR废气孔，所述EGR废气孔连通所述EGR废气入口与所述空气入口与所述混合气体出口之间沿纵轴向形成的混合器气体通道；所述天然气横梁在所述天然气入口处的壁面上开设有天然气孔，所述天然气孔连通所述天然气入口与所述混合器气体通道。

作为优选方案，所述天然气叶轮上的扰流叶片为流线型叶片，所述天然气叶轮朝向所述天然气入口一侧的气槽采用外窄内宽的结构。

作为优选方案，所述天然气横梁的壁面的天然气孔的流通面积与所述天然气叶轮的中心气槽的流通面积比为1：3.5。

作为优选方案，所述天然气横梁的纵轴向的后端面与所述天然气叶轮的纵轴向前端面对应开有截面为形成小气道的槽。

作为优选方案，所述EGR芯子通过摩擦焊固定在混合器外壳内，焊接位置位于所述EGR芯子与所述混合器外壳相接触的一圈环形端面上；所述中心十字臂的外侧通过点焊与所述EGR芯子固定；所述天然气横梁与所述天然气叶轮摩擦焊固定后通过摩擦焊与所述混合器外壳固定，焊接位置在所述天然气叶轮和所述混合器外壳相接触的一圈环形端面上。

作为优选方案，进一步包括设置在所述混合器壳体上所述天然气入口处的天然气直通接头，所述然气直通接头贯穿所述混合器壳体的侧壁，将天然气通入所述混合器壳体内。

本发明的有益效果是：本发明的天然气发动机用文丘里式集成混合器中，EGR芯子借助文丘里结构控制气体流速和压力，天然气叶轮实现扰流，借助流速与压力的关系，提升混合均匀性；EGR芯子中，十字臂的粗端在前、细端在后，气孔在粗端过渡到细端的斜平面上，借助所形成的负压区促进EGR废气与空气混合；EGR芯子借助流线型完成文丘里结构大直径到小直径再到大直径的过渡，降低气体阻力，使得气体流场更稳定，避免气体分布不均匀；中心固定销采用圆头结构，可降低工艺成本和压损；天然气横梁与天然气叶轮之间形成小气道，天然气在压力的作用力下，将一部分天然气导向混合器气道中心，可以使天然气与混合气体(空气+EGR废气)充分接触，促进混合；控制天然气横梁的壁面天然气孔的流通面积、天然气叶轮的中心气槽的流通面积的比例，保证新的混合气体在同一截面内分布均匀；然气叶轮采用流线型叶片，降低气体阻力，降低寒区结冰风险；天然气叶轮迎风侧的气槽采用外窄内宽结构，可以最大限度的将天然气导入到混合器气道中心处或接近中心处，促进均匀混合。

附图说明

图1为本发明优选实施例的天然气发动机用文丘里式集成混合器沿气体流通方向的截面结构示意图；

图2为图1中的中心十字臂的一个臂的立体结构示意图。

图中各元件标号如下：混合器外壳1、EGR芯子2、中心十字臂3 (其中，大弧面端31、小弧面端32、斜平面33、气孔34)、中心固定销4、天然气横梁5、天然气叶轮6、天然气直通接头7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

针对现有的混合器混合均匀性差的问题，本发明设计了一种天然气发动机用文丘里式集成混合器，EGR废气通过壁面圆孔、中心十字臂气孔进入气体通道，借助文丘里结构提升气体流速，依靠流速与压力的关系提升混合均匀性；天然气通过横梁的壁面圆孔、叶轮中心气槽进入混合器气体通道与空气混合，然后混合气体通过叶轮扰流形成气旋，在后续管路进一步提升混合均匀性。

请结合参阅图1，本发明优选实施例的天然气发动机用文丘里式集成混合器包括混合器外壳1、EGR芯子2、中心十字臂3、天然气横梁5、天然气叶轮6及天然气直通接头7，所有零件以混合器外壳1 作为主体进行安装排布，EGR芯子2、天然气横梁5、天然气叶轮6 沿纵轴线方向顺次安装在混合器外壳1内，十字中心臂3与EGR芯子 2固定，天然气直通接头7固定在混合器外壳1的一侧并贯穿混合器壳体1的侧壁。

混合器外壳1沿纵轴向两端分别定义空气入口和混合气体出口，分别如图2中左右两侧的箭头所示，形成沿纵轴向的混合器气体通道。混合器外壳1垂直于纵轴线的一侧分别定义EGR废气入口和天然气入口，如图1中上方箭头所示。即，空气沿纵轴向从一侧的空气入口进入，与从垂直于纵轴向一侧的EGR废气入口进入的EGR废气混合后，再与从天然气入口进入的天然气混合后，从纵轴向另一侧的混合气体出口流出。

EGR芯子2具有文丘里结构，具体地，EGR芯子2沿纵轴向呈文丘里管，其直径在纵轴向上先收缩而后逐渐扩大。EGR芯子2借助流线型形成文丘里结构大直径到小直径再到大直径的过渡，降低气体的流通阻力。图示实施例中，EGR芯子2通过摩擦焊固定在混合器外壳1内，焊接位置在EGR芯子2和混合器外壳1相接触的一圈环形端面上。

中心十字臂3设置在EGR芯子2中，并位于文丘里管的直径最小 (流通面积最小)处，与EGR废气入口的位置对应。中心十字臂3 由两十字交叉的臂组成，两臂的长度方向均与纵轴向垂直。中心十字臂3通过沿纵轴向设置的中心固定销4定向，中心十字臂3的两十字交叉臂之间相互定位，中心十字臂3的外侧通过点焊与EGR芯子2 固定。

请结合参阅图2，中心十字臂3的每一臂为中空结构，每一臂在垂直于长度方向的截面上具有大弧面端31、小弧面端32及分别从两侧连接大弧面端31和小弧面端的斜平面33。其中，大弧面端31(粗端)在混合器气体通道前端朝向空气入口、小弧面端32(细端)在混合器气体通道后端朝向混合气体出口，气孔34均布从大弧面端31过渡到小弧面端32的斜平面33上，将每一臂的中空部分内外连通，如此可在混合器气体通道的后端形成负压区，借助所形成的负压区，可提升混合均匀性。

中心固定销4沿纵轴向在交叉处将中心十字臂3的两臂定位。其中，中心固定销4采用圆头结构，即，中心固定销4沿纵轴向的两端均为球形端头，以降低气体阻力和工艺成本。

天然气横梁5的壁面上开设有天然气孔，以供从天然气直通接头 7进入混合器外壳1内的天然气由此进入混合器气体通道中。天然气横梁5的纵轴向的后端面、天然气叶轮6的纵轴向前端面对应开有截面为方形的槽，二者贴合形成小气道。从天然气入口进入的天然气在压力的作用力下，一部分被小气道导向混合器气体通道中心，另一部分通过天然气孔直接进入混合器气体通道，这样可以使天然气与空气和EGR废气的混合气体充分接触，促进混合。同时为了避免新的混合气在同一截面内分布不均匀，可通过控制天然气横梁5的壁面天然气孔的流通面积、天然气叶轮6的中心气槽的流通面积比来调节。在优选实施例中，天然气横梁5的壁面天然气孔的流通面积、天然气叶轮6的中心气槽的流通面积比为1：3.5。

天然气叶轮6上设有扰流的流线型叶片，迎风侧(朝向天然气入口一侧)气槽采用梯形结构(外窄内宽)的结构，可以最大限度的将天然气导入到混合器气道中心处或接近中心处。

EGR芯子2通过摩擦焊与混合器外壳1固定，焊接位置在EGR 芯子2和混合器外壳1相接触的一圈环形面；天然气横梁5与天然气叶轮6依靠摩擦焊固定，作为一个整体通过摩擦焊与混合器外壳1固定，焊接位置在天然气叶轮6和混合器外壳1相接触的一圈环形面。EGR芯子2、天然气叶轮6与混合器外壳1利用摩擦焊连接，既可以起到固定的效果，又可以起到密封的效果。

上述天然气发动机用文丘里式集成混合器的工作原理如下：空气从EGR芯子2一侧的空气入口沿纵轴向进入混合器气体通道，如图1 中左侧箭头所示；EGR废气从混合器外壳1垂直于空气入口的EGR 废气入口一侧进入，如图1中上方左侧的箭头所示，通过EGR芯子2壁面的EGR废气孔、中心十字臂3的气孔34进入混合器气体通道与空气混合，借助EGR芯子2的文丘里结构提升气体流速，依靠流速与压力的关系提升混合均匀性。天然气通过天然气横梁5壁面的天然气孔、天然气叶轮6中心气槽进入气体通道与空气和EGR废气混合气体混合，然后新的混合气体通过天然气叶轮6的叶片扰流形成气旋，在后续管路进一步提升混合均匀性。本发明的天然气发动机用文丘里式集成混合器基于文丘里结构和叶轮对混合器内流速和压力进行控制，实现三种气体混合均匀的效果。

与现有技术相比，本发明的天然气发动机用文丘里式集成混合器至少具有以下益效果为：

(1)EGR芯子借助文丘里结构控制气体流速和压力，天然气叶轮部分将中心气槽放置在流通面积最小的位置，二者均是借助流速与压力的关系，提升混合均匀性；

(2)EGR芯子中，十字臂的粗端在前、细端在后，气孔在粗端过渡到细端的斜平面上，借助所形成的负压区促进EGR废气与空气混合；

(3)EGR芯子借助流线型完成文丘里结构大直径到小直径再到大直径的过渡，降低气体阻力，使得气体流场更稳定，避免气体分布不均匀；

(4)中心固定销采用圆头结构，可降低工艺成本和压损；

(5)天然气横梁与天然气叶轮之间形成小气道，天然气在压力的作用力下，将一部分天然气导向混合器气道中心，可以使天然气与混合气体(空气+EGR废气)充分接触，促进混合；

(6)控制天然气横梁的壁面天然气孔的流通面积、天然气叶轮的中心气槽的流通面积的比例，保证新的混合气体在同一截面内分布均匀；

(7)天然气叶轮采用流线型叶片，降低气体阻力，降低寒区结冰风险；

(8)天然气叶轮迎风侧的气槽采用外窄内宽结构，可以最大限度的将天然气导入到混合器气道中心处或接近中心处，促进均匀混合。

本发明的以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：包括混合器外壳(1)及固定在所述混合器外壳(1)内的EGR芯子(2)、天然气横梁(5)和天然气叶轮(6)，所述混合器外壳(1)沿纵轴向两端分别定义空气入口和混合气体出口，所述混合器外壳(1)沿垂直于所述纵轴向的方向的一侧分别定义EGR废气入口、天然气入口；所述EGR芯子(2)在纵轴向呈文丘里管，且在所述EGR芯子(2)在与所述EGR废气入口对应处设有中心十字臂(3)；所述天然气横梁(5)及天然气叶轮(6)设在所述EGR芯子(2)的纵轴向后端，且对应于所述天然气入口，所述天然气叶轮(6)上设有扰流叶片。

2.根据权利要求1所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：所述中心十字臂(3)位于所述文丘里管的最小直径处，所述中心十字臂(3)由两十字交叉的臂组成，两臂的长度方向均与纵轴向垂直。

3.根据权利要求2所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：所述中心十字臂(3)的两臂通过沿纵轴向设置的中心固定销(4)在交叉处固定，所述中心固定销(4)沿纵轴向的两端均为球形端头。

4.根据权利要求2所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：所述中心十字臂(3)的每一臂为中空结构，每一臂在垂直于长度方向的截面上具有大弧面端(31)、小弧面端(32)及分别从两侧过渡连接所述大弧面端(31)和所述小弧面端的斜平面(33)，所述大弧面端(31)朝向所述空气入口，所述小弧面端(32)朝向所述混合气体出口，所述斜平面(33)上均布有连通所述中空结构内外的气孔(34)。

5.根据权利要求1所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：所述EGR芯子(2)在所述EGR废气入口处的壁面上开设有EGR废气孔，所述EGR废气孔连通所述EGR废气入口与所述空气入口与所述混合气体出口之间沿纵轴向形成的混合器气体通道；所述天然气横梁(5)在所述天然气入口处的壁面上开设有天然气孔，所述天然气孔连通所述天然气入口与所述混合器气体通道。

6.根据权利要求5所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：所述天然气叶轮(6)上的扰流叶片为流线型叶片，所述天然气叶轮(6)朝向所述天然气入口一侧的气槽采用外窄内宽的结构。

7.根据权利要求6所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：所述天然气横梁(5)的壁面的天然气孔的流通面积与所述天然气叶轮(6)的中心气槽的流通面积比为1：3.5。

8.根据权利要求5所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：所述天然气横梁(5)的纵轴向的后端面与所述天然气叶轮(6)的纵轴向前端面对应开有截面为形成小气道的槽。

9.根据权利要求1所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：所述EGR芯子(2)通过摩擦焊固定在混合器外壳(1)内，焊接位置位于所述EGR芯子(2)与所述混合器外壳(1)相接触的一圈环形端面上；所述中心十字臂(3)的外侧通过点焊与所述EGR芯子(2)固定；所述天然气横梁(5)与所述天然气叶轮(6)摩擦焊固定后通过摩擦焊与所述混合器外壳(1)固定，焊接位置在所述天然气叶轮(5)和所述混合器外壳(1)相接触的一圈环形端面上。

10.根据权利要求1所述的天然气发动机用文丘里式集成混合器，其特征在于：进一步包括设置在所述混合器壳体(1)上所述天然气入口处的天然气直通接头(7)，所述然气直通接头(7)贯穿所述混合器壳体(1)的侧壁，将天然气通入所述混合器壳体(1)内。

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