CN112282983B - 天然气发动机用扰流式集成混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气发动机用扰流式集成混合器，包括混合器外壳及固定在混合器外壳内的第一横梁、第一叶轮、第二横梁及第二叶轮，混合器外壳沿纵轴向分为顺次连通的第一混合器腔体和第二混合器腔体，第一横梁与第一叶轮设置在第一混合器腔体内并对应于空气入口和EGR废气入口设置；第二横梁与第二叶轮设置在第二混合器腔体内并对应于以天然气入口设置；第一叶轮、第二叶轮分别设有扰流叶片。本发明的天然气发动机用扰流式集成混合器中，本发明的天然气发动机用扰流式集成混合器中，第一混合器腔体、第二混合器腔体上分别设计有横梁和带叶片的叶轮，起分散混合、强化流动作用，提高混合均匀性和混合效率。

Description

天然气发动机用扰流式集成混合器

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扰流式集成混合器。

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扰流式集成混合器，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扰流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第一横梁、第一叶轮、第二横梁及第二叶轮，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；所述混合器外壳沿纵轴向分为顺次连通的第一混合器腔体和第二混合器腔体，所述第一横梁与所述第一叶轮设置在所述第一混合器腔体内并对应于所述空气入口和所述EGR废气入口设置，以将从所述空气入口进入的空气和从所述EGR废气入口进入的EGR废气在所述第一混合器腔体内混合，并从所述第一混合器腔体中与所述空气入口在纵轴向相对的第二混合器腔体入口输出；所述第二横梁与所述第二叶轮设置在所述第二混合器腔体内并对应于所述以天然气入口设置，以将从所述第二混合器腔体入口进入的气体与从所述天然气入口进入的天然气混合；所述第一叶轮、所述第二叶轮分别设有扰流叶片。

作为优选方案，所述第一横梁、所述第二横梁呈沿纵轴向的管状，所述第一横梁、所述第二横梁的壁面上分别开设有EGR废气孔、天然气孔，以供EGR废气孔、天然气孔分别进入所述第一混合器腔体的气体通道、所述第二混合器腔体的气体通道中。

作为优选方案，所述第一横梁的纵轴向的后端面与所述第一叶轮的纵轴向前端面对应开有截面为形成第一小气道的槽，所述第二横梁的纵轴向的后端面与所述第二叶轮的纵轴向前端面对应开有截面为形成第二小气道的槽。

作为优选方案，所述第一叶轮、所述第二叶轮迎风面的中心气槽采用外窄内宽的结构。

作为优选方案，所述第一横梁、第二横梁的壁面的天然气孔的流通面积与对应的所述第一叶轮、第二叶轮的中心气槽的流通面积比为 1：(3～4)。

作为优选方案，所述第一横梁(2)、第二横梁(4)的壁面的天然气孔的流通面积与对应的所述第一叶轮(3)、第二叶轮(5)的中心气槽的流通面积比为1：3.5。

作为优选方案，所述第一叶轮、所述第二叶轮上的扰流叶片为流线型叶片，所述第一叶轮、所述第二叶轮之间的纵轴向距离为所述第一横梁、所述第二横梁的垂直于纵轴向的管径的1～3倍。

作为优选方案，所述第一混合器腔体、所述第二混合器腔体的内腔体壁面与所述第一横梁、第二横梁设置出气通道，所述第一混合器腔体的内腔体壁面出气通道面积与所述第一横梁出气通道面积比、所述第二混合器腔体的内腔体壁面出气通道面积与所述第二横梁出气通道面积比混合器腔体小于1大于0.1。

作为优选方案，所述第一横梁与所述第一叶轮摩擦焊固定后通过摩擦焊与所述混合器外壳固定，焊接位置在所述第一横梁和所述混合器外壳相接触的一圈环形端面上；所述第二横梁与所述第二叶轮摩擦焊固定后通过摩擦焊与所述混合器外壳固定，焊接位置在所述第二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的第二混合器腔体内。

本发明的有益效果是：本发明的天然气发动机用扰流式集成混合器中，第一混合器腔体、第二混合器腔体上分别设计有横梁和带叶片的叶轮，起分散混合、强化流动作用，提高混合均匀性和混合效率；横梁与气叶轮之间形成小气道，EGR废气和天然气在压力的作用力下，将一部分导向混合器气道中心，可以使气体充分接触，促进混合；控制横梁的壁面的孔的流通面积、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；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扰流式集成混合器的侧视图；

图2为图1中的天然气发动机用扰流式集成混合器沿气体流通方向的截面结构示意图。

图中各元件标号如下：混合器外壳1、第一横梁2、第一叶轮3,、第二横梁4、第二叶轮5、天然气直通接头6。

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扰流式集成混合器，EGR废气、天然气分别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，提升混合均匀性。

请结合参阅图1和图2，本发明优选实施例的天然气发动机用扰流式集成混合器包括混合器外壳1及沿纵轴向顺次设置在混合器外壳 1内的第一横梁2、第一叶轮3、第二横梁4、第二叶轮5。混合器外壳1内沿纵轴向定义两个相连通的第一混合器腔体、第二混合器腔体，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，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，空气入口、EGR废气入口连通至第一混合器腔体，天然气入口、混合气体出口连通至第二混合器腔体。第一横梁2、第一叶轮3设置在第一混合器腔体内，第二横梁4、第二叶轮5设置在第二混合器腔体内。

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、第一横梁2、第一叶轮3、第二横梁4、第二叶轮5沿纵轴线方向顺次安装在混合器外壳1内，天然气直通接头6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2中上方箭头所示。即，空气沿纵轴向从一侧的空气入口进入气体通道，与从垂直于纵轴向一侧的EGR废气入口进入的EGR废气在第一混合器腔体内混合后，再进入第二混合器腔体与从天然气入口进入的天然气在第二混合器腔体内混合后，从纵轴向另一侧的混合气体出口流出。

第一横梁2呈沿纵轴向的管状，第一横梁2的壁面上开设有EGR 废气孔，以供从EGR废气入口进入的EGR废气由此进入第一混合器腔体内的混合器气体通道中。第一横梁2的纵轴向的后端面、第一叶轮3的纵轴向前端面对应开有截面为方形的槽，二者贴合形成第一小气道。从EGR废气入口进入的EGR废气在压力的作用力下，一部分被第一小气道导向混合器气体通道中心，另一部分通过EGR废气孔直接进入混合器气体通道，这样可以使EGR废气与空气充分接触，促进混合。同时为了避混合气体在同一截面内分布不均匀，可通过控制第一横梁2的壁面EGR废气孔的流通面积、第一叶轮3的中心气槽的流通面积比来调节。在优选实施例中，第一横梁2的壁面天然气孔的流通面积、第一叶轮3的中心气槽的流通面积比为1：(3～4)，较佳为 1:3.5。

同样地，第二横梁4呈沿纵轴向的管状，第二横梁4的壁面上开设有天然气孔，以供从天然气入口进入的天然气由此进入第二混合器腔体内的混合器气体通道中。第二横梁4的纵轴向的后端面、第二叶轮5的纵轴向前端面对应开有截面为方形的槽，二者贴合形成第二小气道。从天然气入口进入的天然气在压力的作用力下，一部分被第二小气道导向混合器气体通道中心，另一部分通过天然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。同时为了避混合气体在同一截面内分布不均匀，可通过控制第二横梁4的壁面天然气孔的流通面积、第二叶轮5的中心气槽的流通面积比来调节。在优选实施例中，第二横梁4的壁面天然气孔的流通面积、第二叶轮5的中心气槽的流通面积比为1：(3～4)，较佳为1:3.5。

第一混合器腔体、第二混合器腔体的内腔体壁面与横梁设置出气通道，内腔体壁面出气通道面积与对应的横梁出气通道面积比小于1，最佳面积比在0.1～1。第一叶轮3、第二叶轮5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。第一横梁2与第一叶轮3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固定在第一混合器腔体内，焊接位置在第一横梁2和混合器外壳1相接触的一圈环形面。第二横梁4与第二叶轮5 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固定在第二混合器腔体内，焊接位置在第二叶轮5和混合器外壳1相接触的一圈环形面；第一横梁2、第二叶轮5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扰流式集成混合器的工作原理如下：空气从第一混合器腔体一侧的空气入口沿纵轴向进入第一横梁2混合器气体通道，如图2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废气入口一侧进入第一横梁2，如图2中上方左侧的箭头所示，通过第一横梁2壁面的EGR废气孔、第一叶轮3的中心气槽进入混合器气体通道与空气混合，第一叶轮3的叶片扰流形成气旋，在后续管路进一步提升混合均匀性，空气和EGR废气的混合气体进入第二混合器腔体与天然气混合，天然气通过第二横梁4壁面的天然气孔、第二叶轮5中心气槽进入气体通道，然后新的混合气体通过第二叶轮 3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扰流式集成混合器基于叶片扰流结构形成气旋，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扰流式集成混合器至少具有以下益效果为：

(1)第一混合器腔体、第二混合器腔体上分别设计有横梁和带叶片的叶轮，起分散混合、强化流动作用，提高混合均匀性和混合效率；

(2)横梁与气叶轮之间形成小气道，EGR废气和天然气在压力的作用力下，将一部分导向混合器气道中心，可以使气体充分接触，促进混合；

(3)控制横梁的壁面的孔的流通面积、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；

(4)叶轮采用流线型叶片，降低气体阻力，降低寒区结冰风险；

(5)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 (6)

1.一种天然气发动机用扰流式集成混合器，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）内的第一横梁（2）、第一叶轮（3）、第二横梁（4）及第二叶轮（5），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；所述混合器外壳（1）沿纵轴向分为顺次连通的第一混合器腔体和第二混合器腔体，所述第一横梁（2）与所述第一叶轮（3）设置在所述第一混合器腔体内并对应于所述空气入口和所述EGR废气入口设置，以将从所述空气入口进入的空气和从所述EGR废气入口进入的EGR废气在所述第一混合器腔体内混合，并从所述第一混合器腔体中与所述空气入口在纵轴向相对的第二混合器腔体入口输出；所述第二横梁（4）与所述第二叶轮（5）设置在所述第二混合器腔体内并对应于所述天然气入口设置，以将从所述第二混合器腔体入口进入的气体与从所述天然气入口进入的天然气混合；所述第一叶轮（3）、所述第二叶轮（5）分别设有扰流叶片；

所述第一横梁（2）、所述第二横梁（4）呈沿纵轴向的管状，所述第一横梁（2）、所述第二横梁（4）的壁面上分别开设有EGR废气孔、天然气孔，以供EGR废气孔、天然气孔分别进入所述第一混合器腔体的气体通道、所述第二混合器腔体的气体通道中；

所述第一横梁（2）的纵轴向的后端面与所述第一叶轮（3）的纵轴向前端面对应开有截面为形成第一小气道的槽，所述第二横梁（4）的纵轴向的后端面与所述第二叶轮（5）的纵轴向前端面对应开有截面为形成第二小气道的槽；

所述第一叶轮（3）、所述第二叶轮（5）迎风面的中心气槽采用外窄内宽的结构，所述第一叶轮（3）、所述第二叶轮（5）上的扰流叶片为流线型叶片，所述第一叶轮（3）、所述第二叶轮（5）之间的纵轴向距离为所述第一横梁（2）、所述第二横梁（4）的垂直于纵轴向的管径的1~3倍。

2.根据权利要求1所述的天然气发动机用扰流式集成混合器，其特征在于：所述第一横梁（2）、第二横梁（4）的壁面的天然气孔的流通面积与对应的所述第一叶轮（3）、第二叶轮（5）的中心气槽的流通面积比为1：（3~4）。

3.根据权利要求2所述的天然气发动机用扰流式集成混合器，其特征在于：所述第一横梁（2）、第二横梁（4）的壁面的天然气孔的流通面积与对应的所述第一叶轮（3）、第二叶轮（5）的中心气槽的流通面积比为1：3.5。

4.根据权利要求1所述的天然气发动机用扰流式集成混合器，其特征在于：所述第一混合器腔体、所述第二混合器腔体的内腔体壁面与所述第一横梁（2）、第二横梁（4）设置出气通道，所述第一混合器腔体的内腔体壁面出气通道面积与所述第一横梁（2）出气通道面积比、所述第二混合器腔体的内腔体壁面出气通道面积与所述第二横梁（4）出气通道面积比混合器腔体小于1大于0.1。

5.根据权利要求1所述的天然气发动机用扰流式集成混合器，其特征在于：所述第一横梁（2）与所述第一叶轮（3）摩擦焊固定后通过摩擦焊与所述混合器外壳（1）固定，焊接位置在所述第一横梁（2）和所述混合器外壳（1）相接触的一圈环形端面上；所述第二横梁（4）与所述第二叶轮（5）摩擦焊固定后通过摩擦焊与所述混合器外壳（1）固定，焊接位置在所述第二叶轮（5）和所述混合器外壳（1）相接触的一圈环形端面上。

6.根据权利要求1所述的天然气发动机用扰流式集成混合器，其特征在于：进一步包括设置在所述混合器外壳（1）上所述天然气入口处的天然气直通接头（6），所述然气直通接头（6）贯穿所述混合器外壳（1）的侧壁，将天然气通入所述混合器外壳（1）的第二混合器腔体内。

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