CN113006977B - 气体预混装置及其流量控制方法 - Google Patents

Abstract

气体预混装置及其流量控制方法，包括基座，基座的第一端连接第一气体入口管接头；基座的第二端连接第二气体入口管接头；基座的第三端连接预混气出口管接头，基座内部设置回转腔，回转腔内轴向设置中心体，中心体的内部设置气体流通通道，中心体与基座之间形成第一气体的集气腔和产生喷注压降的轴向环形通道，第一气体入口管接头与集气腔联通；位于轴向环形通道末端的中心体第二端上呈圆周均匀分布若干个径向喷孔用于形成喷注压降，第二气体经第二气体入口管接头进入气体流通通道，经径向喷孔喷出后与第一气体混合后经预混气出口输出。本发明基于节流面积和喷注压降实现预混气混合均匀，并保证流量和混合比的准确调节和稳定供应。

Description

气体预混装置及其流量控制方法

技术领域

本发明涉及气体预混装置技术领域，特指一种气体预混装置及其流量控制方法。

背景技术

目前，针对发动机所需的预混气，气体预混装置一般都是预先将两种气体直接混合在一起，大多数混合装置都是在一个容器中同时通入两种气体，然后通过气体之间的扩散运动进行混合。还有一类常用的气体预混装置是利用文丘里管的基本原理，压缩气体通过文丘里管产生负压从而实现两种气体的快速充分混合。

常规的气体扩散混合方式所需时间比较长，不能适应发动机不同工况下的多种需求，无法在短距离内实现均匀混合；而利用文丘里管原理的气体混合法则无法精确控制所需预混气流量及混合比。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种气体预混装置及其流量控制方法。本发明通过节流面积和节及喷注压降实现预混气流量和混合比的准确调控和稳定供应。同时本发明提供的预混装置结构简单，模块化设计法有利于部件更换和重复使用。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

气体预混装置，包括基座，所述基座的第一端连接有第一气体入口管接头，同时设有用于测量第一气体入口压力的第一测压元件；所述基座的第二端连接有第二气体入口管接头，同时设有用于测量第二气体入口压力的第二测压元件；所述基座的第三端连接有预混气出口管接头，其中基座、第二气体入口管接头和预混气出口管接头同轴设置；

所述基座内部设置有回转腔，回转腔内轴向设置有回转体结构的中心体，中心体的内部设置有气体流通通道，位于中心体第一端的气体流通通道入口端与第二气体入口管接头联通，中心体与基座之间形成第一气体的集气腔和产生喷注压降的轴向环形通道，第一气体入口管接头与集气腔联通，第一气体经第一气体入口管接头进入集气腔；位于轴向环形通道末端的中心体第二端上呈圆周均匀分布若干个径向喷孔用于形成喷注压降，第二气体经第二气体入口管接头进入到中心体内的气体流通通道，经径向喷孔喷出的第二气体与从轴向环形通道输出的第一气体混合后经预混气出口管接头输出。

作为本发明的进一步改进，第二气体入口管接头与中心体以及中心体与基座之间可拆卸连接，且第二气体入口管接头与中心体以及中心体与基座之间均设置有密封件，密封结构包括但不限于密封垫圈。

作为本发明的进一步限定，第一气体和第二气体的喷注压降维持在0.5MPa～2.0MPa之间。

作为本发明的进一步限定，集气腔和中心体中气体流通通道的横截面积选取均须保证此处气体流速小于50m/s。中心体内的轴向环形通道的横截面积要远小于集气腔的横截面积，所有径向喷孔的喷口面积总和要远小于轴向环形通道的横截面积。

作为本发明的进一步限定，所述中心体第二端上分布有一排或一排以上的呈圆周均匀分布的径向喷孔。径向喷孔的形状可以是圆形、矩形或斜槽形。更具体地，每一排的径向喷孔数量不少于6个，每一排的径向喷孔在周向的长度之和不大于中心体第二端外表面圆周长的50％，相邻两排径向喷孔的轴向距离不小于2mm且不大于4mm。

作为本发明的进一步限定，所述中心体与基座之间设置有多根肋条，各肋条均沿中心体轴向延伸，任意相邻的两个肋条之间形成第一气体的流通通道。具体地，各肋条设置在中心体的外周壁上，且各肋条向外凸出至与位于轴向环形通道上游的基座内周壁接触。或者，各肋条设置在位于轴向环形通道上游的基座内周壁上，且各肋条向外凸出至与中心体外周壁接触。更具体地，肋条数量为3或4根，均匀分布在圆周上，肋条在中心体轴线方向的投影面积不超过轴向环形通道横截面积的15％，且肋条与基座内周壁的接触长度不超过基座内周壁等直段轴向长度的50％。其中，肋条在中心体轴线方向的投影面积不超过轴向环形通道横截面积的15％，以保证肋条所在区域的横截面积和流速均大于最小轴向环形通道处的横截面积和流速；肋条与基座内周壁的接触长度不超过基座内周壁等直段轴向长度的50％，以保证第一气体离开肋条后有足够的空间实现自身充分混合，从而有利于增强进入轴向环形通道后与第二气体的混合。

作为本发明的进一步限定，第一气体的流量大于第二气体的流量。

作为本发明的进一步限定，基座的外形可根据需要进行调整，如为圆柱形。

基于上述气体预混装置的流量控制方法，包括以下步骤：

对于第一气体和第二气体，先分别建立两种气体的气体常数R、流量系数μ_G、比热比k和临界压比σ_cr＝(2/(k+1))^k/(k-1)随压力和温度变化的数据库，并提供两种气体的节流面积A_G，其中第一气体的流量大于第二气体的流量，即第一气体为大流量气体，第二气体为小流量气体，第一气体的节流面积为轴向环形通道的横截面积，第二气体的节流面积为所有径向喷孔的喷口面积总和。

使用时根据气体预混装置的预混气出口的目标压力P_out和两种气体来流的温度T_G和目标流量m_G，根据下式分别计算得到两种气体的入口压力P_in(即供应压力)：

通过控制输入到气体预混装置中的两种气体的流量，进而控制两种气体的入口压力P_in使得第一测压元件和第二测压元件所测压力值与计算得到的两种气体的入口压力P_in一致。

进一步地，还可通过更换具有不同结构参数的中心体，以同时改变两种气体的节流面积，并重新计算对应的两种气体的入口压力，控制输入到气体预混装置中的两种气体的流量，进而控制两种气体的入口压力P_in使得第一测压元件和第二测压元件所测压力值与计算得到的两种气体的入口压力P_in一致，使得两种气体来流的入口压力满足要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明能准确快速地根据需求调整预混气的供应压力、混合比与流量。

本发明能在短距离内实现两种气体均匀混合，且通过节流面积处的压降控制流量可抑制目标压力波动对入口压力的影响，能按需求稳定供应预混气。

本发明结构简单，部件均采用模块化设计，有利于关键部件的更换和重复使用。

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示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中提供的气体预混装置的俯视图(安装有测压嘴)；

图2是图1的E-E剖面图；

图3是本发明一实施例中的中心体的结构示意图；

图4是图3的M-M剖面图；

图5是图4的N-N剖面图；

图6是本发明一实施例中提供的气体预混装置的立体图(未安装测压嘴)；

图7是图6的剖面图。

图标：

1-第一气体入口管接头；2-第二气体入口管接头；3-顶盖；4-螺栓组；5-第一密封件；6-第二密封件；7-中心体；8-测压嘴；9-基座；10-预混气出口管接头；11-气体流通通道；12-径向喷孔；13-第一测压安装孔；14-第二测压安装孔；15-肋条；16-集气腔；17-轴向环形通道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1至图7，本发明一实施例中提供一种气体预混装置，,该装置包括基座9、第一密封件5、第二密封件6、中心体7和顶盖3。

所述基座9的第一端连接有第一气体入口管接头1。所述基座9的第二端连接有第二气体入口管接头2。第二气体入口管接头2焊接在顶盖3外端面通孔处，顶盖3与基座9的第二端可拆卸连接。本实施例中顶盖3通过螺栓组4与基座9可拆卸连接。所述基座9的第三端连接有预混气出口管接头10，其中基座9、第二气体入口管接头2和预混气出口管接头10同轴设置。基座9、中心体7和顶盖3之间的相对位置固定。其中第一气体的流量大于第二气体的流量，即第一气体为大流量气体，第二气体为小流量气体。

基座9内部设有回转腔，回转腔内轴向设置有回转体结构的中心体7，中心体7的内部设置有气体流通通道11，位于中心体7第一端的气体流通通道入口端与第二气体入口管接头2联通。中心体7与基座9之间可拆卸连接，这样便于拆开顶盖后对中心体7进行更换调整。为了保证气密性，第一密封件5设置在中心体7与顶盖3的之间，第二密封件6设置在基座9与中心体7之间。

中心体7与基座9之间形成第一气体的集气腔16和产生喷注压降的轴向环形通道17，第一气体入口管接头1与集气腔16联通，第一气体经第一气体入口管接头1进入集气腔16。位于轴向环形通道17末端的中心体7第二端上呈圆周均匀分布若干个径向喷孔12用于形成喷注压降，第二气体经第二气体入口管接头2进入到中心体7内的气体流通通道11，经径向喷孔12喷出的第二气体与从轴向环形通道17输出的第一气体混合后经预混气出口管接头10输出。

第一气体和第二气体的喷注压降维持在0.5MPa～2.0MPa之间，集气腔和中心体中气体流通通道的横截面积选取均须保证此处气体流速小于50m/s。中心体内的轴向环形通道的横截面积要远小于集气腔的横截面积，所有径向喷孔的喷口面积总和要远小于轴向环形通道的横截面积。

顶盖3中心位置设有与中心体7内轴向环形通道等直径的通孔，该通孔同时联通第二气体入口管接头2，作为小流量的第二气体的气体入口，在顶盖3上开设有第二测压安装孔14，用于安装测量第二气体入口压力的第二测压元件。参照图1、图2、图6和图7，基座9的侧壁处设有与集气腔相连通的通孔，该通孔同时联通第一气体入口管接头1，作为大流量的第一气体的气体入口，在基座9的侧壁上开设有第一测压安装孔13，用于安装测量第一气体入口压力的第一测压元件。第一测压元件和第二测压元件均采用测压嘴8。

基座9的回转腔远离顶盖3的一端连接预混气出口管接头10，作为为预混气出口。

中心体7的径向喷孔可以是单排或多排，径向喷孔12的形状可以是圆形、矩形或斜槽形。本实施例采用双排圆孔，两排圆形的径向喷孔12之间的间距为3mm，每一排喷孔数量为6，每一排的径向喷孔在周向的长度之和为中心体末端外表面圆周长的30％。

本实施例中，参照图5，中心体7外周壁设有3根肋条15，以防中心体7在大流量的第一气体作用下发生晃动，肋条15沿中心体7轴向延伸，并与位于轴向环形通道上游的基座9内周壁接触，任意相邻的两个肋条15之间均形成大流量的第一气体的流通通道。在其他实施例中，肋条也可以设置在位于轴向环形通道上游的基座9内周壁上，沿中心体7轴向延伸，并与中心体7外周壁接触，任意相邻的两个肋条之间均形成大流量的第一气体的流通通道。肋条均匀分布在圆周上，肋条在中心体轴线方向的投影面积为轴向环形通道横截面积的9％，且肋条与基座内周壁的接触长度为基座内周壁等直段轴向长度的40％，从而保证大流量的第一气体能以均匀状态进入轴向环形通道进而改善两种气体的混合效果。

在本发明的另一实施例中，基座9侧壁处作为大流量的第一气体入口的通孔可以为1个或多个。

基座1的外形可根据需要进行调整，本实施例中基座9的外形为圆柱形。

基于上述实施例中提供的气体预混装置，实现流量控制的方法，包括以下步骤：

对于第一气体和第二气体，先分别建立两种气体的气体常数R、流量系数μ_G、比热比k和临界压比σ_cr＝(2/(k+1))^k/(k-1)随压力和温度变化的数据库，并分别提供两种气体的节流面积A_G，其中第一气体的流量大于第二气体的流量，第一气体为大流量气体，第二气体为小流量气体，第一气体的节流面积为轴向环形通道的横截面积，第二气体的节流面积为所有径向喷孔的喷口面积总和。

根据预先设置的预混气出口的目标压力P_out和两种气体来流的温度T_G和目标流量m_G，根据下式分别计算得到两种气体的入口压力P_in：

式中，m_G为目标流量，R为气体常数，μ_G为流量系数，k为比热比，σ_cr为临界压比(σ_cr＝(2/(k+1))^k/(k-1))，A_G为节流面积，P_out为目标压力，P_in为入口压力(即供应压力)，T_G为温度。

通过控制输入到气体预混装置中的两种气体的流量，进而调整两种气体的入口压力P_in，使得第一测压元件和第二测压元件所测压力值与计算得到的两种气体的入口压力P_in一致。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种改动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.气体预混装置的流量控制方法，其特征在于：所述气体预混装置包括基座，所述基座的第一端连接有第一气体入口管接头，同时设有用于测量第一气体入口压力的第一测压元件；所述基座的第二端连接有第二气体入口管接头，同时设有用于测量第二气体入口压力的第二测压元件；所述基座的第三端连接有预混气出口管接头，其中基座、第二气体入口管接头和预混气出口管接头同轴设置；

所述基座内部设置有回转腔，回转腔内轴向设置有回转体结构的中心体，中心体的内部设置有气体流通通道，位于中心体第一端的气体流通通道入口端与第二气体入口管接头联通，中心体与基座之间形成第一气体的集气腔和产生喷注压降的轴向环形通道，第一气体入口管接头与集气腔联通，第一气体经第一气体入口管接头进入集气腔；位于轴向环形通道末端的中心体第二端上呈圆周均匀分布若干个径向喷孔用于形成喷注压降，第二气体经第二气体入口管接头进入到中心体内的气体流通通道，经径向喷孔喷出的第二气体与从轴向环形通道输出的第一气体混合后经预混气出口管接头输出，其中所述中心体与基座之间设置有多根肋条，各肋条均沿中心体轴向延伸，任意相邻的两个肋条之间形成第一气体的流通通道，其中第一气体的流量大于第二气体的流量，即第一气体为大流量气体，第二气体为小流量气体；所述轴向环形通道的横截面积远小于集气腔的横截面积，所有径向喷孔的喷口面积总和远小于轴向环形通道的横截面积；

所述方法的步骤包括：

对于第一气体和第二气体，先分别建立两种气体的气体常数R、流量系数μ_G、比热比k和临界压比σ_cr＝(2/(k+1))^k/(k-1)随压力和温度变化的数据库，并分别提供两种气体的节流面积A_G，其中第一气体的流量大于第二气体的流量，第一气体为大流量气体，第二气体为小流量气体，第一气体的节流面积为轴向环形通道的横截面积，第二气体的节流面积为所有径向喷孔的喷口面积总和；

根据预先设置的预混气出口的目标压力P_out和两种气体来流的温度T_G和目标流量m_G，根据下式分别计算得到两种气体的入口压力P_in：

通过控制输入到气体预混装置中的两种气体的流量，进而控制两种气体的入口压力P_in使得第一测压元件和第二测压元件所测压力值与计算得到的两种气体的入口压力P_in一致。

2.根据权利要求1所述的气体预混装置的流量控制方法，其特征在于：第二气体入口管接头与中心体以及中心体与基座之间可拆卸连接，且第二气体入口管接头与中心体以及中心体与基座之间均设置有密封件。

3.根据权利要求1所述的气体预混装置的流量控制方法，其特征在于：第一气体和第二气体的喷注压降维持在0.5MPa～2.0MPa之间，集气腔和中心体中气体流通通道的横截面积选取均须保证此处气体流速小于50m/s。

4.根据权利要求1或2或3所述的气体预混装置的流量控制方法，其特征在于：所述中心体第二端上分布有一排或一排以上的呈圆周均匀分布的径向喷孔。

5.根据权利要求4所述的气体预混装置的流量控制方法，其特征在于：径向喷孔的形状是圆形、矩形或斜槽形。

6.根据权利要求4所述的气体预混装置的流量控制方法，其特征在于：每一排的径向喷孔数量不少于6个，每一排的径向喷孔在周向的长度之和不大于中心体第二端外表面圆周长的50％，相邻两排径向喷孔的轴向距离不小于2mm且不大于4mm。

7.根据权利要求4所述的气体预混装置的流量控制方法，其特征在于：各肋条设置在中心体的外周壁上，且各肋条向外凸出至与位于轴向环形通道上游的基座内周壁接触；或者，各肋条设置在位于轴向环形通道上游的基底内周壁上，且各肋条向外凸出至与中心体外周壁接触。

8.根据权利要求4所述的气体预混装置的流量控制方法，其特征在于：肋条数量为3或4根，均匀分布在圆周上，肋条在中心体轴线方向的投影面积不超过轴向环形通道横截面积的15％，且肋条与基座内周壁的接触长度不超过基座内周壁等直段轴向长度的50％。

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