CN220979703U - 一种气体混合器、废气再循环系统和发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气体混合器、废气再循环系统和发动机，气体混合器包括壳体、喷管和扩压管，其中，壳体包括相对布置的空气进口和混合气出口，以及废气进口和燃气进口；喷管设置于空气进口，喷管包括至少三条第一通道，第一通道自喷入口至吼口截面逐渐变小；喷管上设置有连通第一通道与燃气进口的燃气进气孔；喷管的内部设置引流间隙，引流间隙的一端与废气进口连通，引流间隙的另一端延伸至喷管的吼口处。由于空气、燃气和废气的混合经两次混合，从而提高了气体混合器的混合均匀性。另外，由于废气通过引流间隙引射至喷管与扩压管的结合处从而减少了气体缓和期混合时的阻力损失。

Description

一种气体混合器、废气再循环系统和发动机

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，特别涉及一种气体混合器、废气再循环系统和发动机。

背景技术

废气再循环系统(Exhaust Gas Return，简称EGR)是降低发动机原排的有效措施。随着排放法规的升级，对EGR率的需求也越来越高。EGR率对缸内燃烧温度影响较大，随着EGR率的增加，缸内瞬态最高温度和平均温度均相应降低，由于高温环境是NO_X生成的必要条件，因此EGR率升高有利于降低NO_X的排放。

另外，对天然气发动机而言，天然气与空气、废气的混合均匀性也至关重要，其对发动机的动力性、经济性、排放性以及循环变动等均有显著的影响。在天然气发动机中，承担这一功能的部件是气体混合器。气体混合器，不仅要满足三种气体混合均匀性的要求，还要求流动阻力损失尽可能小。

因此，如何提高气体混合均匀性的同时减小流动阻力损失，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提出了一种气体混合器、废气再循环系统和发动机，以提高气体混合均匀性的同时减小流动阻力损失。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

第一方面，本实用新型提供了一种气体混合器，包括壳体、喷管和扩压管，其中，壳体包括相对布置的空气进口和混合气出口，以及废气进口和燃气进口；

喷管设置于空气进口，喷管包括至少三条第一通道，第一通道自喷入口至吼口截面逐渐变小；喷管上设置有连通第一通道与燃气进口的燃气进气孔；喷管的内部设置引流间隙，引流间隙的一端与废气进口连通，引流间隙的另一端延伸至喷管的吼口处；

扩压管设置于混合气出口，扩压管包括与第一通道数量相当的第二通道，第二通道自起始口至末端口截面逐渐变大，且第二通道的起始口的口径与第一通道的吼口的口径一致；一条第二通道与一条第一通道组成一条微混通道。

可选的，上述气体混合器中，燃气进口和废气进口均布置在壳体的周面，燃气进口和废气进口可相对布置。

可选的，上述气体混合器中，引流间隙形成于第一通道的吼口与第二通道的起始口之间，每条微通道对应一条引流间隙。

可选的，上述气体混合器中，相邻微通道的引流间隙相互连通。

可选的，上述气体混合器中，第一通道的具有吼口一端的端面设置有环形槽，第二通道具有起始口的一端伸入至环形槽内，且环形槽与第二通道的起始口共同形成了引流间隙。

可选的，上述气体混合器中，壳体与喷管之间还设置有废气环腔，废气进口通过废气环腔与引流间隙连通。

可选的，上述气体混合器中，一条第二通道与一条第一通道共轴。

可选的，上述气体混合器中，第一通道和第二通道沿周向均匀布置。

可选的，上述气体混合器中，壳体与喷管之间还设置有燃气环腔，燃气进口通过燃气环腔与燃气进气孔连通。

可选的，上述气体混合器中，喷管与每个第一通道对应的管壁上周向均匀布置有多个燃气进气孔。

可选的，上述气体混合器中，壳体与喷管之间还设置有吼口环腔，吼口环腔包围吼口处。

可选的，上述气体混合器中，喷管还设置有连通孔，连通孔沿径向连通吼口环腔相对的部位。

可选的，上述气体混合器中，扩压管的末端口，每两个第二通道相交处，均通过弧面逐步融合在一起。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种废气再循环系统，包括涡轮增压器、中间冷却器、气体混合器、进气歧管、发动机本体、排气歧管和排气冷却器，其中，涡轮增压器的压缩机、中间冷却器、气体混合器、进气歧管、发动机本体、排气歧管和涡轮增压器的涡轮机依次连通；发动机本体、排气歧管、排气冷却器和气体混合器的废气进口连通；气体混合器为如上述任一项的气体混合器。

可选的，上述废气再循环系统中，还包括节气门，节气门位于气体混合器与中间冷却器之间。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种发动机，包括如上述的废气再循环系统。

由上述技术方案可以看出，对每条微混通道，沿着流动方向，由空气进口进入的空气与第一通道周向进入的第一通道内的燃气在第一通道内先混合；由于微混通道的流通截面积逐渐缩小，在伯努利原理下(横截面积越大，压强越大，即压力势能越大，则动能越小，即气体流动的速度越小)，在喷管与扩压管的结合处形成负压，从而将混合后的空气与燃气以及引流间隙进入的废气引射至喷管与扩压管的结合处，并在第二通道混合均匀，由于空气、燃气和废气的混合经两次混合，从而提高了气体混合器的混合均匀性。另外，由于废气通过引流间隙引射至喷管与扩压管的结合处从而减少了气体缓和期混合时的阻力损失。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些示例或实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图，而且还可以根据提供的附图将本实用新型应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

图1为本实用新型所提供的一种废气再循环系统的示意图；

图2为本实用新型所提供的另一种废气再循环系统的示意图；

图3为本实用新型所提供的一种气体混合器的爆炸示意图；

图4为本实用新型所提供的一种气体混合器的一个截面的剖视示意图；

图5为本实用新型所提供的一种气体混合器的另一个截面的剖视示意图；

图6为图5中A-A截面的剖视图；

图7为图5中B-B截面的剖视图；

图8为本实用新型所提供的一种扩压管的立体示意图；

图示中，100为涡轮增压器、200为中间冷却器、300为气体混合器、400为进气歧管、500为气缸、600为排气歧管、700为排气冷却器、800为节气门、900为废气节流阀；

310为壳体、320为喷管、330为扩压管、300a为空气进口、300b为混合气出口、300c为废气进口、300d为燃气进口；

311为废气环腔、312为燃气环腔、313为吼口环腔；

321为第一通道、323为燃气进气孔、324为连通孔、321a为第一进口、321b为第一出口；

331为第二通道、331a为第二进口、331b为第二出口、332为引流间隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

发动机(Engine)是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，包括如内燃机(往复活塞式发动机)、外燃机(斯特林发动机、蒸汽机等)、喷气发动机、电动机等。

废气再循环系统(Exhaust Gas Return，简称EGR)是降低发动机原排的有效措施。随着排放法规的升级，对EGR率的需求也越来越高。EGR率对缸内燃烧温度影响较大，随着EGR率的增加，缸内瞬态最高温度和平均温度均相应降低，由于高温环境是NO_X生成的必要条件，因此EGR率升高有利于降低NO_X的排放。另外，对天然气发动机而言，天然气与空气、废气的混合均匀性也至关重要，其对发动机的动力性、经济性、排放性以及循环变动等均有显著的影响。在天然气发动机中，承担这一功能的部件是气体混合器。气体混合器，不仅要满足三种气体混合均匀性的要求，还要求流动阻力损失尽可能小。因此，如何提高气体混合均匀性的同时减小流动阻力损失，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

为了解决上述技术问题，下面结合附图对本实用新型技术方案进行介绍：

参见图1，图1公开了一种废气再循环系统的结构示意图。

本实用新型实施例的废气再循环系统可应用于上述发动机中，可包括涡轮增压器100、中间冷却器200、气体混合器300、进气歧管400、发动机本体500、排气歧管600和排气冷却器700，其中，涡轮增压器100的压缩机、中间冷却器200、气体混合器300、进气歧管400、发动机本体500、排气歧管600和涡轮增压器100的涡轮机依次连通；发动机本体500、排气歧管600、排气冷却器700和气体混合器300的废气进口300c连通。

发动机增压系统换气过程具体为：一方面，在发动机的泵吸作用下，空气进入压缩机，压缩机压缩后通过中间冷却器200对压缩后的高温气体进行冷却，空气进入气体混合器300内；另一方面，做功完成后的排气通过排气歧管600一部分排气通过排气冷却器700进入气体混合器300内；另一部分排气导入涡轮机，涡轮机做功后的能量通过涡轮机与压缩机之间的连接轴传递给压缩机，用于对进气进行压缩以提高进气压力。进入气体混合器300的天然气、空气和废气，在气体混合器300内混合均匀后，再由气体混合器300和进气歧管400进入发动机本体500内。

涡轮增压器100的压缩机与中间冷却器200连通；涡轮增压器100的涡轮机与排气歧管600连通。压缩机可包括离心压缩机、正排量压缩机或另一类型的压缩机，用于在发动机运行期间增加空气EGR流动通道内的压力。涡轮机位于排气歧管600的下游，并且随着排气气体膨胀通过涡轮机而旋转。涡轮机例如经由轴联接到压缩机，并且使压缩机旋转。尽管所示的实施方式利用涡轮机增压器100来增加进气歧管400压力，但是也可以使用其他压缩方法、例如电动或发动机驱动的压缩机(例如，增压器100)。在一些实施方式中，使用单独的控制器或发动机控制单元(ECU)来控制系统运行的各个方面。例如，控制器可以基于当前的运行条件来调整空气-燃料比、火花正时和EGR流动速率。

中间冷却器200构造成在空气进入进气歧管400之前对压缩空气进行冷却。中间冷却器200是热交换器、比如空气-空气交换器或空气-水交换器。

进气歧管400构造成接收要在发动机本体500内燃烧的可燃混合物。也就是说，进气歧管400与氧气源和燃料源连通。可燃混合物可以包括空气和任何可燃流体、比如天然气、雾化汽油或柴油。尽管所示的实施方式包括四缸发动机，但是也可以使用任意数量的缸。

本实用新型实施例的发动机本体500可为活塞式发动机本体500，还可为其他类型的内燃机、诸如旋转发动机本体500或燃气涡轮发动机本体500。

排气歧管600构造成从发动机本体500接收燃烧产物(废气)。也就是说，排气歧管600与发动机本体500的出口连通。气体混合器300的废气进口300c与排气歧管600连通。

排气气体冷却器位于排气歧管600与气体混合器300之间。排气气体冷却器可以运行成在气体混合器300之前降低废气温度。排气气体冷却器是热交换器、比如空气-空气交换器或空气-水交换器。

参见图2，图2公开了另一种废气再循环系统的结构示意图。

本实用新型实施例的废气再循环系统在图1所示的结构基础之上，还可包括节气门800，节气门800位于中冷器与进气歧管400之间。节气门800位于压缩机的下游，节气门800位于进气歧管400的上游。节气门800构造成例如通过改变经过节气门800的流动通道的横截面积来调节从周围环境进入进气歧管400中的空气流量。在一些实施方式中，节气门800可以包括蝶形阀或碟形阀。减小通过节气门800的流动通道的横截面积可以减小通过节气门800朝向进气歧管400流动的空气的流动速率。

本实用新型一些实施例中，废气再循环系统还可包括位于排气歧管600与气体混合器300之间的废气节流阀900，以调节废气的流量。废气节流阀900通过调整经过废气节流阀900的横截面积来调节废气的流量。在一些实施方式中，废气节流阀900可包括蝶形阀、碟形阀、针阀或另一型式的阀。

在所示的实施方式中，气体混合器300位于节气门800的下游和进气歧管400的上游的气体混合器300。气体混合器300位于发动机进气系统中，并且与节气门800、进气歧管400和排气歧管600连接。流体连接可以由包含允许流体流动的流动通道的导管制成。在一些实施方式中，气体混合器300可以被包括在连接进气歧管400和节气门800的导管内、进气歧管400内、排气歧管600内、集成在节气门800内或集成在EGR节流阀900内。有关示例性气体混合器300的细节将在本公开的下文中描述。

参见图3至图5，图3为本实用新型所提供的一种气体混合器300的爆炸示意图；图4为本实用新型所提供的一种气体混合器300的一个截面的剖视示意图；图5为本实用新型所提供的一种气体混合器300的另一个截面的剖视示意图。

本实用新型实施例公开的气体混合器300包括壳体310、喷管320和扩压管330，其中，壳体310包括相对布置的空气进口300a和混合气出口300b，以及废气进口300c和燃气进口300d，废气进口300c的末端延伸至扩压管330的起始口331a处；

喷管320设置于空气进口300a，喷管320包括至少三条第一通道321，第一通道321自喷入口321a至吼口321b截面逐渐变小；喷管320上设置有连通第一通道321与燃气进口300d的燃气进气孔322；

扩压管330设置于混合气出口300b，扩压管330包括与第一通道321数量相当的第二通道331，第二通道331自起始口331a至末端口331b截面逐渐变大，第二通道331的起始口331a的口径与第一通道321的吼口321b的口径一致，且喷管320与扩压管330的结合处具有引流间隙332，引流间隙332连通废气进口300c和第二通道331；一条第二通道331与一条第一通道321组成一条微混通道。

对每条微混通道，沿着流动方向，由空气进口300a进入的空气与第一通道321周向进入的第一通道321内的燃气在第一通道321内先混合；由于微混通道的流通截面积逐渐缩小，在伯努利原理下(横截面积越大，压强越大，即压力势能越大，则动能越小，即气体流动的速度越小)，在喷管320与扩压管330的结合处形成负压，从而将混合后的空气与燃气以及引流间隙332进入的废气引射至喷管320与扩压管330的结合处，并在第二通道331混合均匀，由于空气、燃气和废气的混合经两次混合，从而提高了气体混合器300的混合均匀性。另外，由于废气通过引流间隙332引射至喷管320与扩压管330的结合处从而减少了气体缓和期混合时的阻力损失。

需要说明的是，上述燃气进口300d和废气进口300c可布置于壳体310的周面，也可布置于壳体310设置空气进口300a的一端。较优的，燃气进口300d和废气进口300c均布置在壳体310的周面。进一步的，燃气进口300d和废气进口300c可相对布置，也可同侧布置。

废气进口300c凸出壳体310形成，且与壳体310的轴线呈一定夹角布置，以减小废气进入至壳体310内的气体阻力。

为了提高进一步混合均匀性，壳体310与扩压管330之间还设置有废气环腔311，废气进口300c通过废气环腔311与引流间隙332连通。废气由废气进口300c进入废气环腔311后，再由废气环腔311从周向进入引流间隙332，最终进入至第二通道331的起始口331a处。由于存在废气环腔311，使得燃气先填充至废气环腔311后，引流间隙332压力相当，从而提高了燃气与空气的混合均匀性。需要说明的是，上述废气环腔311成型于壳体310的内壁和/或扩压管330的外壁。

引流间隙332形成于第一通道321的吼口321b与第二通道331的起始口331a之间，每条微通道对应一个引流间隙332。本实用新型一些实施例中，第一通道的321具有吼口321b一端的端面设置有环形槽，第二通道331具有起始口331a的一端伸入至环形槽内，且环形槽与第二通道331的起始口331a共同形成了引流间隙。

或者本实用新型又一些实施例中，第二通道331具有起始口331a的一端的端面设置有环形槽，第一通道的321具有吼口321b的端面伸入至环形槽内，且环形槽与第一通道的321具有吼口321b共同形成了引流间隙332。

每条微混通道对应的引流间隙332可相互连通，还可不连通。

为了进一步减小阻力损失，本实用新型一些实施例中，一条第二通道331与一条第一通道321共轴，使得由空气进口300a进入气体混合器300的空气大体与微混合通道平行，从而达到减小阻力的目的。

为了提高进一步的混合均匀性，本实用新型一些实施例中，第一通道321和第二通道331沿周向均匀布置，以使得由混合气出口300b排出的气体混合更加均匀。

为了提高进一步混合均匀性，壳体310与喷管320之间还设置有燃气环腔312，燃气进口300d通过燃气环腔312与燃气进气孔322连通。燃气有燃气口进入燃气环腔312后，在由燃气进气孔322从周向进入第一通道321内。由于存在燃气环腔312，使得燃气先填充至燃气环腔312后，使得所有燃气进气孔322处的压力相当，从而提高了燃气与空气的混合均匀性。本实用新型实施例中，喷管320与每个第一通道321对应的管壁上周向均匀布置有多个燃气进气孔322，从而更进一步的提高了混合均匀性。需要说明的是，上述燃气环腔312成型于壳体310的内壁和/或喷管320的外壁。

为使得燃气进气孔322处的压力相当，本实用新型实施例中，喷管320上还设置有连通孔323，以使得相距较远的燃气进气孔322能够连通，从而保证所有的进气孔处的压力相当，如图6所示。

为了保证喷管320中，壳体310与喷管320之间还设置有吼口环腔313，吼口环腔313包围吼口321b处，使得吼口321b处的压力相同，从而提高此处混合均匀性。需要说明的是，上述吼口环腔313成型于壳体310的内壁和/或喷管320的外壁。

进一步的，为了减小压力突变对于混合均匀性的影响，喷管320此处还设置有连通孔323，连通孔323沿径向连通吼口环腔313相对的部位，从而使得，吼口环腔313除了在自身结构进行连通外，还可通过连通孔323进一步连通，因此，当吼口321b处压力产生突变时，从上述两个方面进行连通，以保证喉口处压力相同，如图7所示。

对扩压管330的每个第二通道331，沿着流动轴向方向，流通截面积逐渐变大，以利用伯努利原理，将通过喷管320获得的速度能逐渐转换为压能，同时空气、燃气和废气在该通道内进一步混合。在扩压管330的末端口331b，每两个第二通道331相交处，均通过弧面逐步融合在一起，以减少多通道汇聚成单通道出口的局部阻力损失，如图8所示。

其中，在本实用新型实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

以上，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关实用新型相关的部分。在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以上描述仅为本实用新型的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。本实用新型中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本实用新型中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (15)

1.一种气体混合器，其特征在于，包括壳体、喷管和扩压管，其中，所述壳体包括相对布置的空气进口和混合气出口，以及废气进口和燃气进口，所述废气进口的末端延伸至所述扩压管的起始口处；

所述喷管设置于所述空气进口，所述喷管包括至少三条第一通道，所述第一通道自喷入口至吼口截面逐渐变小；所述喷管上设置有连通所述第一通道与所述燃气进口的燃气进气孔；

所述扩压管设置于所述混合气出口，所述扩压管包括与所述第一通道数量相当的第二通道，所述第二通道自起始口至末端口截面逐渐变大，且所述第二通道的起始口的口径与所述第一通道的吼口的口径一致，且所述扩压管起始口处设置有引流间隙，所述引流间隙连通所述废气进口和所述第二通道；一条所述第二通道与一条所述第一通道组成一条微混通道。

2.如权利要求1所述的气体混合器，其特征在于，所述燃气进口和所述废气进口均布置在所述壳体的周面，所述燃气进口和所述废气进口可相对布置。

3.如权利要求1所述的气体混合器，其特征在于，所述引流间隙形成于第一通道的吼口与第二通道的起始口之间，每条所述微通道对应一条所述引流间隙。

4.如权利要求3所述的气体混合器，其特征在于，相邻所述微通道的所述引流间隙相互连通。

5.如权利要求3所述的气体混合器，其特征在于，所述第一通道的具有吼口一端的端面设置有环形槽，所述第二通道具有起始口的一端伸入至所述环形槽内，且环形槽与所述第二通道的起始口共同形成了所述引流间隙。

6.如权利要求1所述的气体混合器，其特征在于，所述壳体与所述扩压管之间还设置有废气环腔，所述废气进口通过所述废气环腔与所述引流间隙连通。

7.如权利要求1所述的气体混合器，其特征在于，一条所述第二通道与一条所述第一通道共轴；或者所述第一通道和所述第二通道沿周向均匀布置。

8.如权利要求1所述的气体混合器，其特征在于，所述壳体与所述喷管之间还设置有燃气环腔，所述燃气进口通过所述燃气环腔与所述燃气进气孔连通。

9.如权利要求1所述的气体混合器，其特征在于，所述喷管与每个第一通道对应的管壁上周向均匀布置有多个所述燃气进气孔。

10.如权利要求1所述的气体混合器，其特征在于，所述壳体与所述喷管之间还设置有吼口环腔，所述吼口环腔包围吼口处。

11.如权利要求6所述的气体混合器，其特征在于，所述喷管还设置有连通孔，所述连通孔沿径向连通所述吼口环腔相对的部位。

12.如权利要求1所述的气体混合器，其特征在于，所述扩压管的末端口，每两个所述第二通道相交处，均通过弧面逐步融合在一起。

13.一种废气再循环系统，其特征在于，包括涡轮增压器、中间冷却器、气体混合器、进气歧管、发动机本体、排气歧管和排气冷却器，其中，涡轮增压器的压缩机、中间冷却器、气体混合器、进气歧管、发动机本体、排气歧管和涡轮增压器的涡轮机依次连通；发动机本体、排气歧管、排气冷却器和气体混合器的废气进口连通；所述气体混合器为如权利要求1至12任一项所述的气体混合器。

14.如权利要求13所述的废气再循环系统，其特征在于，还包括节气门，所述节气门位于所述气体混合器与所述中间冷却器之间。

15.一种发动机，其特征在于，包括如权利要求13或14所述的废气再循环系统。