CN107061060A - 一种集成式气体混合器 - Google Patents

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马立
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Abstract

本发明属于商用车天然气发动机技术领域，具体的说是一种集成式气体混合器。该混合器包括壳体、内芯、天然气导管、EGR废气导管、天然气进气接头和排污螺塞；内芯与壳体过盈配合；壳体的最低处开有排污孔；排污螺塞可拆卸的安装在排污孔；两根天然气导管和两根EGR废气导管安装在内芯上，两根天然气导管呈90度分布，两根EGR废气导管呈90度分布，并且天然气导管和EGR废气导管呈45度交叉分布；壳体的下端固定有天然气进气接头。本发明是一种用于国VI天然气发动机的集成式气体混合器，该集成式混合器实现了新鲜空气、天然气及EGR废气三种气体的充分混合，它具有结构紧凑布置灵活、气体流通面积大不节流、全截面喷射混合均匀度高、重量轻、成本低等特点。

Description

一种集成式气体混合器
技术领域
本发明属于商用车天然气发动机技术领域，具体的说是一种集成式气体混合器。
背景技术
天然气发动机燃烧效果的好坏主要取决于新鲜空气与天然气形成的混合气均匀度效果，两种气体的混合均匀度越高，发动机燃烧越稳定，其动力性、经济性及污染物排放效果越好。经CAE计算及发动机燃烧试验摸索，当混合气均匀度到达0.9以上时，发动机燃烧效果好，满足燃烧设计要求，理论上混合气均匀度达到1时为绝对均匀。
传统的天然气发动机采用在进气管内直接喷射天然气，在进气管路进行流动混合，无专用混合部件，混合气均匀度较差，导致发动机燃烧效果不好，不能达到更优的动力性、经济性及排放性能。为解决上述问题，需要开发一种专用的气体混合器，实现混合气均匀度达到0.9及以上，以获得发动机最佳的燃烧效果及最优的性能，因此，气体混合器是天然气发动机的核心性能部件。
随着大气环境污染问题日益严重，促使发动机排放法规不断升级加严，因此需要先进复杂的燃烧技术实现。天然气发动机国VI排放阶段采用主流的EGR当量燃烧技术，即将一定量的发动机废气引入进气管内，与新鲜空气、天然气共同参与燃烧。引入EGR废气的作用是降低缸内燃烧温度及抑制氮氧化物的产生，以降低发动机热负荷及获得更低的污染物排放，因此，燃烧设计要求进入各缸的EGR废气量保持一致，即要求EGR废气与新鲜空气、天然气进行充分扰动混合，使三种气体的混合均匀度达到0.9及以上。
专利号为CN200971815Y的中国专利文献1《一种用于内燃机燃气进气口处的文丘里式混合器》公开了一种用于内燃机的文丘里式气体混合器,该混合器将天然气和新鲜空气进行混合，包括有壳体和环圈，设置在壳体内的环圈与壳体一起密封围成一个环腔，环圈内是混合气道，在壳体上设置有环腔的进气孔，在环圈上设置有环腔的出气孔。
专利号为CN102926896A中国专利文献2《一种用于内燃机的气体混合器》公开了一种用于内燃机的气体混合器，该混合器将EGR废气和新鲜空气进行混合，包括混合器输气管，混合器输气管内的腔体为中央腔体，混合器输气管的一端为新鲜空气输入端，另一端为混合气输出端；混合器输气管的外部套装有EGR混合器壳体，且EGR混合器壳体的两端与混合器输气管的外部壳体密封；EGR混合器壳体内的腔体为圆周腔体，EGR混合器壳体的侧壁向外延伸有一段管路，管路的端部设有再循环废气入口；且混合器输气管的侧壁上设有若干个再循环废气喷孔，再循环废气喷孔保证圆周腔体和中央腔体连通。
专利号为WO/2014/035587的PCT专利文献3《NATURAL GAS AND INTAKE AIR MIXERFOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE》公开了一种用于内燃机的气体混合器，包括混合器体和在混合器体中形成的混合器通道中的混合器元件。天然气混合器在第一端部连接到进气歧管，并在第二端接收进气。混合器元件的远端接受从位于进气歧管中的端口延伸的歧管通道中的天然气。通过该混合器元件的天然气，在混合器元件的暴露的近端形成的多个开口处与吸入空气混合，进气和天然气的混合物从混合器主体的第二端到混合器主体的第一端，然后再到进气歧管。
对于专利文献1、专利文献2和专利文献3公开的混合器，均只能进行两种气体的混合，混合气均匀度不高；此外，所述的混合器均没有专用排污孔结构；专利文献1、2所述的混合器无气体喷射导管。
综上，现有气体混合器只能实现两种气体的混合，无法实现三种气体的混合，无法形成高均匀度的混合气(0.9以上)，同时现有气体混合器结构设计简单有缺陷。
发明内容
本发明提供了一种用于国VI天然气发动机EGR当量燃烧路线的集成式混合器，该混合器实现了新鲜空气、天然气及EGR废气三种气体的充分混合，它具有结构紧凑布置灵活、气体流通面积大不节流、全截面喷射混合均匀度高、特设排污孔清除内部残留污染物、重量轻、成本低等特点，节约了发动机布置空间，满足420马力及更高的发动机功率需求，获得了最佳的燃烧稳定性和最高的燃烧效率，实现了更低的燃料消耗和污染物排放，同时降低了发动机的重量及成本，提升了产品竞争力，解决了现有气体混合器的上述不足。
本发明技术方案结合附图说明如下：
一种集成式气体混合器，该混合器包括壳体1、内芯2、两根天然气导管3、两根EGR废气导管4、天然气进气接头5和排污螺塞6；所述的内芯2设置在壳体1内并且与壳体1过盈配合；所述的壳体1的最低处开有排污孔12；所述的排污螺塞6可拆卸的安装在排污孔12；两根所述的天然气导管3和两根所述的EGR废气导管4安装在内芯2上，其中两根天然气导管3呈90度分布，两根EGR废气导管4呈90度分布，并且所述的天然气导管3和EGR废气导管4呈45度交叉分布；所述的壳体1的下端固定有天然气进气接头5。
所述的壳体1采用铸铝材料铸造而成，其内部铸EGR废气流通通道7及内芯安装孔8，并且并列设置有第一环形凹槽9和第二环形凹槽10；所述的壳体1的下端开有用于安装天然气进气接头5的天然气进气孔11。
所述的内芯2采用不锈钢材料制成，其外圆上设置有与第一环形凹槽9和第二环形凹槽10相对应的第三环形凹槽13和第四环形凹槽14；所述的内芯2的内孔按气体进气方向分为三段即第一段内芯15、第二段内芯16和第三段内芯17；所述的第一段内芯15为直径由大到小的锥形喇叭口；所述的第二段内芯16为同一直径的圆柱孔道；所述的第三段内芯17为直径由小到大的锥形喇叭口；所述的第二段内芯16的内孔圆周方向上开有第一天然气喷孔18和第一EGR废气喷孔19；所述的第二段内芯16还设置有4个等距的天然气导管安装孔20和4个等距的EGR废气导管安装孔21；相邻的天然气导管安装孔20和EGR废气导管安装孔21呈45度。
所述的天然气导管3由不锈钢材料制成，其外圆上开有多个等距的天然气喷孔22。
所述的EGR废气导管4由不锈钢材料制成，其外圆上开有多个等距的EGR废气喷孔23。
所述的第二天然气喷孔22和第二EGR废气喷孔23的轴线与内芯2的内孔轴线相垂直。
本发明的有益效果为：本发明实现了三种气体的均匀混合；总成结构紧凑、布置灵活，节约了发动机布置空间；气体流通面积大不节流，满足420马力及更高的发动机功率需求；全截面喷射混合均匀度高，获得最佳的燃烧稳定性和最高的燃烧效率，实现更低的燃料消耗和污染物排放；特设排污孔，定期清除内部残留污染物，保证内部流通气体干净，降低了零件被腐蚀的风险；壳体采用铸铝材料，重量轻、成本低。
附图说明
图1是本发明所述的集成式气体混合器总成剖视图；
图2是本发明所述的集成式气体混合器壳体剖视图；
图3是本发明所述的集成式气体混合器内芯剖视图；
图4是本发明所述的集成式气体混合器天然气导管剖视图；
图5是本发明所述的集成式气体混合器EGR废气导管剖视图；
图6是本发明所述的集成式气体混合器内芯总成图；
图7是本发明所述的集成式气体混合器天然气导管与EGR废气导管安装相对位置图；
图8是本发明所述的集成式气体混合器气体混合过程原理图；
图9是本发明所述的集成式气体混合器气体流向示意图。
图中：1、壳体；2、内芯；3、天然气导管；4、EGR废气导管；5、天然气进气接头；6、排污螺塞；7、EGR废气流通通道；8、内芯安装孔；9、第一环形凹槽；10、第二环形凹槽；11、天然气进气孔；12、排污孔；13、第三环形凹槽；14、第四环形凹槽；15、第一段内芯；16、第二段内芯；17、第三段内芯；18、第一天然气喷孔；19、第一EGR废气喷孔；20、天然气导管安装孔；21、EGR废气导管安装孔；22、第二天然气喷孔；23、第二EGR废气喷孔；24、内芯总成；25、第一安装标识；26、第二安装标识；27、天然气流通空腔；28、废气流通空腔；29、进气管；30、发动机。
具体实施方式
参阅图1，一种将新鲜空气、天然气和EGR废气进行混合的集成式混合器，包括壳体1、内芯2、两根天然气导管3、两根EGR废气导管4、天然气进气接头5和排污螺塞6。
参阅图2，所述的壳体1采用铸铝材料铸造而成，其内部铸EGR废气流通通道7及内芯安装孔8，精密加工内芯安装孔8、EGR废气进气口端面及壳体1两端端面，确保密封可靠不漏气。在内芯2基础上机加工出天然气流通的第一环形凹槽9和EGR废气流通的第二环形凹槽10，确保该区域流量充足。在壳体底部机加工天然气进气孔11，用于安装天然气进气接头5。在壳体1底部最低处机加工排污孔12，用于安装排污螺塞6，通过拆卸排污螺塞6进行定期保养。
参阅图3，内芯2采用不锈钢材料机加工而成，在内芯2的外圆机加工出与壳体1对应的天然气流通的第三环形凹槽13和EGR废气流通的第四环形凹槽14，确保该区域流量充足。内芯2的内孔采用三段式结构设计，按气体进气方向划分，第一段内芯15为直径由大到小的锥形喇叭口，第二段内芯16为同一直径的圆柱孔道，第三段内芯17为直径由小到大的锥形喇叭口，该结构设计实现了文丘里效应，加强了气体混合扰动效果。在内芯2的第二段内芯16内孔圆周方向上机加工出两路气体喷孔，一路是第一天然气喷孔18，另一路是第一EGR废气喷孔19，每路气体喷孔以一定的数量均布在圆周方向上，喷孔数量和孔径大小的设计取决于发动机耗气量需求。在内芯2的第二段内孔圆周方向上机加工出两路孔，一路为天然气导管安装孔20，另一路为EGR废气导管安装孔21，每路各有4个孔以90度分布，两路各孔以45度分布。
参阅图4，天然气导管3由不锈钢材料机加工而成，在其外圆上以相同的孔间距加工出一定数量的第二天然气喷孔22，喷孔数量和孔径大小的设计取决于发动机耗气量需求。
参阅图5，EGR废气导管4由不锈钢材料机加工而成，在其外圆上以相同的孔间距加工出一定数量的第二EGR废气喷孔23，喷孔数量和孔径大小的设计取决于发动机耗气量需求。
该混合器总成的装配顺序是这样实现的：
参阅图6，先将两根天然气导管3和两根EGR废气导管4安装到内芯2上，安装时要保证天然气导管3和EGR废气导管4上的喷孔轴线与内芯2内孔轴线垂直，安装完毕后两根天然气导管3呈90度分布，两根EGR废气导管4呈90度分布，天然气导管3与EGR废气导管4呈45度交叉分布，实现了天然气及EGR废气的喷射方向与新鲜空气气流方向垂直，保证天然气及EGR废气均匀喷射到整个新鲜空气流道横截面上，加强了三种气体的扰动混合效果。导管装配后，通过专用工具对每个导管的两端进行扩口固定，保证导管在内芯2上无轴线方向的窜动及圆周方向上的转动。
参阅图7，再将带导管的内芯总成24装配到壳体1上，装配时需将内芯2上的第一安装标记25与壳体上的第二安装标记26对齐。由于内芯2与壳体1采用过盈配合，所以两者需要采用变温控制式的快速装配方式，即内芯2在低温下冷却一定时间，壳体1在高温下加热一定时间，然后通过专用工具将两者快速装配到一起，待零件温度恢复到常温后实现过盈装配，确保内芯2与壳体1安装牢靠且接触部位无气体泄漏。
最后将天然气进气接头5及排污螺塞6装配到壳体1上。
本发明的工作原理如下：
参阅图1，新鲜空气从混合器入口进入，流经整个混合器内芯；天然气从天然气进气口进入，与流经的新鲜空气混合，形成天然气与新鲜空气的混合气；EGR废气从EGR废气进气口进入，与流经的天然气与新鲜空气的混合气混合，形成天然气、EGR废气及新鲜空气三种气体组成的均匀混合气。
参阅图1、图8，天然气从天然气进口进入混合器后，充满天然气流通空腔27，然后分成两路进行喷射，一路从内芯上均布的天然气喷孔向内芯中心方向喷出，另一路从两根十字交叉的天然气导管上的喷孔向内芯圆周方向喷出，上述两路天然气均匀充满了新鲜空气流通截面，形成了天然气与新鲜空气两种气体的混合气。
参阅图1、图8，EGR废气从EGR废气进口进入混合器后，充满EGR废气流通空腔28，然后分成两路进行喷射，一路从内芯上均布的EGR废气喷孔向内芯中心方向喷出，另一路从两根十字交叉的EGR废气导管上的喷孔向内芯圆周方向喷出，上述两路EGR废气均匀充满了天然气与新鲜空气混合气的流通截面，形成了天然气、EGR废气与新鲜空气三种气体的混合气。
参阅图9，天然气、EGR废气及新鲜空气三种气体在混合器内进行了充分的扰动混合，形成均匀的混合气，然后通过进气管29输送到发动机30进行燃烧。

Claims (6)

1.一种集成式气体混合器，其特征在于，该混合器包括壳体(1)、内芯(2)、两根天然气导管(3)、两根EGR废气导管(4)、天然气进气接头(5)和排污螺塞(6)；所述的内芯(2)设置在壳体(1)内并且与壳体(1)过盈配合；所述的壳体(1)的最低处开有排污孔(12)；所述的排污螺塞(6)可拆卸的安装在排污孔(12)；两根所述的天然气导管(3)和两根所述的EGR废气导管(4)安装在内芯(2)上，其中两根天然气导管(3)呈90度分布，两根EGR废气导管(4)呈90度分布，并且所述的天然气导管(3)和EGR废气导管(4)呈45度交叉分布；所述的壳体(1)的下端固定有天然气进气接头(5)。
2.根据权利要求1所述的一种集成式气体混合器，其特征在于，所述的壳体(1)采用铸铝材料铸造而成，其内部铸EGR废气流通通道(7)及内芯安装孔(8)，并且并列设置有第一环形凹槽(9)和第二环形凹槽(10)；所述的壳体(1)的下端开有用于安装天然气进气接头(5)的天然气进气孔(11)。
3.根据权利要求1所述的一种集成式气体混合器，其特征在于，所述的内芯(2)采用不锈钢材料制成，其外圆上设置有与第一环形凹槽(9)和第二环形凹槽(10)相对应的第三环形凹槽(13)和第四环形凹槽(14)；所述的内芯(2)的内孔按气体进气方向分为三段即第一段内芯(15)、第二段内芯(16)和第三段内芯(17)；所述的第一段内芯(15)为直径由大到小的锥形喇叭口；所述的第二段内芯(16)为同一直径的圆柱孔道；所述的第三段内芯(17)为直径由小到大的锥形喇叭口；所述的第二段内芯(16)的内孔圆周方向上开有第一天然气喷孔(18)和第一EGR废气喷孔(19)；所述的第二段内芯(16)还设置有4个等距的天然气导管安装孔(20)和4个等距的EGR废气导管安装孔(21)；相邻的天然气导管安装孔(20)和EGR废气导管安装孔(21)呈45度。
4.根据权利要求1所述的一种集成式气体混合器，其特征在于，所述的天然气导管(3)由不锈钢材料制成，其外圆上开有多个等距的第二天然气喷孔(22)。
5.根据权利要求4所述的一种集成式气体混合器，其特征在于，所述的EGR废气导管(4)由不锈钢材料制成，其外圆上开有多个等距的第二EGR废气喷孔(23)。
6.根据权利要求5所述的一种集成式气体混合器，其特征在于，所述的天然气喷孔(22)和EGR废气喷孔(23)的轴线与内芯(2)的内孔轴线相垂直。
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