动态涡轮式集成EGR混合器的制作方法

动态涡轮式集成egr混合器
技术领域
1.本发明涉及天然气发动机技术领域，具体涉及一种动态涡轮式集成egr混合器。


背景技术：

2.排气再循环(exhaust gas recirculation，缩写egr)，是指内燃机在燃烧后将排出气体的一部分分离出、并导入进气侧使其再度燃烧的技术，主要目的为降低排出气体中的氮氧化物(no
x
)与分担部分负荷时可提高燃料消费率。内燃机在燃烧后排出的气体中含氧量极低甚至是没有，此排出气体与吸气混合后会使吸气中氧气浓度降低，因此会产生下列现象：比大气更低的含氧量在燃烧时温度会降低，会抑制氮氧化物的产生。燃烧温度降低时，汽缸与燃烧室壁面、活塞表面的热能发散会降低，另外因热解离造成的损失也会有些微降低。
3.随着排放法规的日趋严格及燃油价格的攀升，egr技术在发动机上的应用越来越广泛。以往再循环废气在进入气缸前有较长的管路与新鲜空气混合，且引入的循环废气量(egr率)较低，因此没有专门设计egr混合器。现在随着egr技术的改进及成熟，循环废气量(egr率)越来越大，同时发动机紧凑性的要求使进气管路更短，因此利用传统的方法所获得的再循环废气与新鲜空气的混合均匀性已经无法再满足发动机稳定工作的要求了。
4.随着全球石油能源消耗，由于天然气储量高、价格便宜、排放污染小，越来越受到重视。天然气发动机如果进气不均匀，会造成局部过浓、燃烧效率下降、热效率降低，egr废气与空气、天然气混合的均匀性对整个燃烧也会有影响。
5.中国发明专利申请第为201710093556.3号“燃气发动机用混合器及egr混合器”，介绍了一种天然气发动机的混合器，在入口处装有叶轮，然后先混合egr废气，后混合天然气，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。此方案中，通过芯子结构将egr废气、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。然而，该方案中叶轮设置在芯子上游，会导致芯子破坏叶轮形成的气旋，造成额外的压损。而且，叶轮的流线型比较差、压损比较高，会导致发动机进气量不足、发动机输出功率低，同时，方形气孔会导致加成成本高、有效的流通面积小。
6.基于此，亟需设计一种天然气、egr和空气的混合器，来降低混合器的进气阻力、提高进气效率。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，提供一种动态涡轮式集成egr混合器，能够降低进气阻力、提高进气效率。
8.为实现上述目的，本发明所设计的动态涡轮式集成egr混合器包括混合器外壳(10)、混合器芯子(20)，所述混合器外壳(10)上设有内腔(11)及与所述内腔(11)连通的egr废气入口(12)和天然气入口(13)，所述混合器芯子(20)沿所述内腔(11)的轴线方向安装在
所述内腔(11)中，所述集成式egr混合器还包括设置在所述混合器芯子(20)内的进气风扇(30)、传动杆(40)及出气涡轮(50)，所述进气风扇(30)、所述传动杆(40)及所述出气涡轮(50)沿所述轴线方向顺次连接，所述进气风扇(30)设置在所述混合器芯子(20)沿所述轴线方向的一端的空气入口(21)处，所述出气涡轮(50)设置在所述混合器芯子(20)沿所述轴线方向的另一端的混合气体出口(22)处。
9.在其中一实施例中，所述进气风扇(30)包括风扇叶片(31)及风扇轴(32)，所述风扇叶片(31)绕所述风扇轴(32)均匀布置，所述风扇轴(32)沿所述轴线方向设置且可转动地安装在所述混合器芯子(20)内；所述出气涡轮(50)包括涡轮叶片(51)和涡轮轴(52)，所述涡轮叶片(51)绕所述涡轮轴(52)均匀布置，所述涡轮轴(52)沿轴线方向设置且可转动地安装在所述混合器芯子(20)内；所述传动杆(40)沿所述轴线方向设置且连接所述风扇轴(32)与所述涡轮轴(52)。
10.在其中一实施例中，所述风扇叶片(31)为扭转型叶片，每一所述风扇叶片(31)上风扇叶根(311)、风扇叶尖(312)之间相对扭转以对空气的进气夹角进行调整以平衡每一所述风扇叶片(31)上不同位置的线速度差；所述出气涡轮(50)为冲击式涡轮。
11.在其中一实施例中，所述混合器芯子(20)内在所述空气入口(21)、所述混合气体出口(22)之间沿所述轴线方向分为第一腔体(23)、第二腔体(24)和第三腔体(25)，所述空气入口(21)设置在所述第一腔体(23)的入口侧，所述第一腔体(23)的出口侧与所述第二腔体(24)的入口侧相连通，所述混合气体出口(22)设置在所述第三腔体(25)的出口侧；所述egr废气入口(12)与所述第一腔体(23)连通，所述天然气入口(13)与所述第二腔体(24)连通。
12.在其中一实施例中，所述混合器芯子(20)内设有整流板，所述整流板对气体进行整流使得气体流向平行于所述出气涡轮的入口点的切线方向。
13.在其中一实施例中，所述混合器芯子(20)内沿所述轴线方向分别设有第一整流板(241)和第二整流板(251)，所述第一整流板(241)设置在所述第二腔体(24)的入口处，所述第二整流板(251)设置在所述第三腔体(25)的入口处，所述第一整流板(241)、所述第二整流板(251)的形状一致。
14.在其中一实施例中，所述混合器芯子(20)的侧壁外围分别设有egr废气凹槽(26)、天然气凹槽(27)，所述egr废气凹槽(26)、所述天然气凹槽(27)分别与所述egr废气入口(12)、所述天然气入口(13)连通。
15.在其中一实施例中，所述egr废气凹槽(26)与所述第一腔体(23)之间的侧壁上开设有egr废气入孔(28)，以使得egr废气凹槽(26)与所述第一腔体(23)连通；所述天然气凹槽(27)与所述第二腔体(24)之间的侧壁上开设有天然气入孔(29)，以使得所述天然气凹槽(27)与所述第二腔体(24)连通。
16.在其中一实施例中，所述egr废气入孔(28)、所述天然气入孔(29)为绕壁面在周向均布的圆孔；所述天然气入口(13)内设有天然气直通接头(60)。
17.在其中一实施例中，所述传动杆(40)包括第一连接端(41)、第二连接端(42)及设置在所述第一连接端(41)与所述第二连接端(42)之间的杆部(43)，所述第一连接端(41)设有接口与所述进气风扇(20)的风扇轴(32)末端的接头连接，所述第二连接端(42)与所述出气涡轮(50)的涡轮轴(52)末端的接头连接，所述风扇轴(32)、所述传动杆(40)、所述涡轮轴
(52)沿所述轴线方向连接成一体。
18.本发明的有益效果是：本发明的动态涡轮式集成egr混合器采用由进气风扇、传动杆及出气涡轮组成的涡轮风扇装置来减少空气的进气阻力，由于混合气体出口处的混合气是由空气、egr废气和高压天然气混合而成，其压力远远大于混合器进气口处的空气压力，混合气在整流板的作用下，让其流向与出气涡轮的入口方向相同，进入涡轮后会带动涡轮旋转，涡轮会通过传动杆驱动进气风扇，使得混合气的一部分动能反馈到进气风扇，带动风扇旋转，从而降低空气的进气阻力。同时，在整流与驱动涡轮的过程中，混合气流向改变，可以两次提升混合气的均匀性，最终可达到降低进气阻力、提高进气效率、降低结冰风险的效果。
附图说明
19.现在将参考附图在下文中具体描述本发明的具体实施例。需要理解的是，各附图不一定按比例绘制，并且附图只用于说明本公开的示例性实施例，而不应该认为是对本发明公开范围的限制。在附图中：
20.图1为采用本发明优选实施例的动态涡轮式集成egr混合器的左视图；
21.图2为图1中的动态涡轮式集成egr混合器的右视结构示意图；
22.图3为图1中的动态涡轮式集成egr混合器的轴向剖视结构示意图；
23.图4为图3的立体结构示意图；
24.图5为图3中的进气风扇、传动杆及出气涡轮的立体结构示意图；
25.图6为图5中的进气风扇的风扇叶片的放大结构示意图；
26.图7为图5中的风扇叶片的风扇叶根的放大结构示意图；
27.图8为图5中的风扇叶片的风扇叶根另一角度的放大结构示意图；
28.图9为图5中的风扇叶片的风扇叶尖的放大结构示意图；
29.图10为图5中的出气涡轮的涡轮叶片的涡轮叶根放大结构示意图；
30.图11为图5中的出气涡轮的涡轮叶片的涡轮叶尖放大结构示意图。
31.图中各元件标号如下：混合器100；混合器外壳10(其中，内腔11、egr废气入口12、天然气入口13)、混合器芯子20(其中，空气入口21、混合气体出口22、第一腔体23、第二腔体24、第三腔体25、egr废气凹槽26、天然气凹槽27、egr废气入孔28、天然气入孔29；第一整流板241、第二整流板251)、进气风扇30(其中，风扇叶片31、风扇轴32；风扇叶根311、风扇叶尖312)、传动杆40(其中，第一连接端41、第二连接端42、杆部43)、出气涡轮50(其中，涡轮叶片51、涡轮轴52；涡轮叶根511、涡轮叶尖512)、天然气直通接头60。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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，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。
34.考虑到天然气发动机的进气系统中egr混合器均为静态混合器，即混合器中各部件为静态部件，针对混合器混合均匀性差、空气阻力大等问题，本发明提供一种动态涡轮式集成egr混合器，在混合器中采用风扇、涡轮等动态部件，使得进入混合器中的空气与egr废气、天然气能够充分混合，可提高缸内混合气的均匀性，提升总体的燃烧效率。
35.请结合参阅图1至图4，本发明的动态涡轮式集成egr混合器100设置在天然气发动机的进气系统中，用于将空气与egr废气、天然气混合后输出混合气体。混合器100包括混合器外壳10、混合器芯子20、进气风扇30、传动杆40及出气涡轮50，混合器芯子20安装在混合器外壳10内，进气风扇30、传动杆40及出气涡轮50沿轴向顺次连接后安装在混合器芯子20中。具体地，混合器外壳10分别提供空气、egr废气及天然气的入口，使得气体进入混合器芯子20内并进行混合；进气风扇30、传动杆40及出气涡轮50连接在混合器芯子20内，增加混合器芯子20的进气、加速混合器芯子20内的气体混合。
36.混合器外壳10上设有内腔11及与内腔11连通的egr废气入口12和天然气入口13。内腔11定义一轴线方向，可供egr芯子20沿轴线方向置入内腔11中。egr废气入口12和天然气入口13设置在内腔11的一侧。egr废气入口12连通至内腔11，通过egr废气入口12将发动机的egr废气通入内腔11内；天然气入口13内设有天然气直通接头60，通过天然气直通接头60、天然气入口13可向内腔11内通入天然气。
37.混合器芯子20沿轴线方向安装在混合器外壳10的内腔11中，混合器芯子20沿轴线方向的一端为空气入口21、另一端为混合气体出口22。混合器芯子20内在空气入口21、混合气体出口22之间沿轴线方向可分为第一腔体23、第二腔体24和第三腔体25。空气入口21设置在第一腔体23的入口侧，将空气从空气入口21引入第一腔体23内。第一腔体23的出口侧与第二腔体24的入口侧相连通，将气体从第一腔体23通入第二腔体23内。第二腔体24的出口侧与第三腔体25的入口侧相连通，将气体从第二腔体24通向第三腔体25内。
38.混合器芯子20的侧壁外围分别设有egr废气凹槽26、天然气凹槽27，egr废气凹槽26、天然气凹槽27分别与egr废气入口12和天然气入口13连通，即，egr废气可从egr废气入口12进入egr废气凹槽26中，天然气可通过天然气直通接头60、天然气入口13进入天然气凹槽27中。egr废气凹槽26与第一腔体23之间的侧壁上开设有egr废气入孔28，使得egr废气凹槽26与第一腔体23连通，从而从egr废气入口12进入egr废气凹槽26的egr废气，经由egr废气入孔28进入第一腔体23内与从空气入口21进入第一腔体23内的空气混合。天然气凹槽27与第二腔体24之间的侧壁上开设有天然气入孔29，使得天然气凹槽27与第二腔体24连通，从而从天然气直通接头60、天然气入口13进入天然气凹槽27的天然气，经由天然气入孔29进入第二腔体24内与从第一腔体23进入的空气与egr废气的混合气体再混合。在图示实施例中，egr废气入孔28、天然气入孔29绕壁面在周向均布的圆孔。
39.第二腔体24的入口侧设有第一整流板241，对从第一腔体23进入第二腔体24的气体进行整流。第三腔体25的入口侧设有第二整流板251，对从第二腔体24进入第三腔体25的气体进行整流。在图示实施例中，第一整流板241、第二整流板251的形状一致，在气体流向上分别对气体进行整流。第一整流板241、第二整流板251作用是将气体进行整流，让其流向和出气涡轮50的入口方向保持一致，第一整流板241、第二整流板251的流线型可降低流阻，提高进气效率。
40.请结合参阅图5至图9，进气风扇30设置在混合器芯子30的空气入口21处，引导和
加速由空气入口21进入第一腔体23内的空气。进气风扇30包括风扇叶片31及风扇轴32，风扇叶片31绕风扇轴32均匀布置，风扇轴32沿轴线方向设置且可转动地安装在混合器芯子20内，风扇叶片31及风扇轴32可绕线轴方向转动。
41.同一个叶片在旋转的时候，任意一位置的角速度ω都是一致的，但是不同位置线速度v(v＝ωr，r为半径)不一致，由于线速度v是随着半径r的增加而增加的，气体在经过进气风扇30之后的速度是一个矢量，由原空气速度和风扇叶片31的线速度合成得到，因此为了保证流场稳定，必须调整风扇叶片31与空气方向的夹角来平衡风扇叶片31的当前位置的线速度。在图示实施例中，风扇叶片31为扭转型叶片，每一风扇叶片31上风扇叶根311、风扇叶尖312之间相对扭转以对空气的进气夹角进行调整以平衡风扇叶片31上不同位置的线速度差，从而可保证风扇叶片31的径向压力平衡、防止高转速下同一截面气体质量分布不均而导致混合均匀性降低，故而保证经由进气风扇进入空气的均匀性。
42.传动杆40沿轴线方向设置且连接风扇轴32与出气涡轮50，起到将进气风扇30与出气涡轮50的作用。具体地，传动杆40包括第一连接端41、第二连接端42及杆部43，杆部43设置在第一连接端41与第二连接端42之间。第一连接端41设有接口与风扇轴32末端的接头连接，使得风扇轴32与传动杆40沿轴线方向连接成一体，可一同绕轴线方向转动。
43.请结合参阅图5，出气涡轮50设置在混合器芯子30的混合气体出口22处，引导和加速第三腔体25内的混合气体向外流出。出气涡轮50包括涡轮叶片51和涡轮轴52，涡轮叶片51绕涡轮轴52均匀布置，涡轮轴52沿轴线方向设置且可转动地安装在混合器芯子20内，涡轮叶片51及涡轮轴52可绕线轴方向转动。传动杆40的第二连接端42设有接口与涡轮轴52末端的接头连接，使得涡轮轴52与传动杆40沿轴线方向连接成一体，可一同绕轴线方向转动。
44.请结合参阅图10和图11，出气涡轮50为冲击式涡轮。出气涡轮50的涡轮叶根511、涡轮叶尖512如图10和图11中所示。由于出气涡轮50的入口是有空气流向要求的，如图中所示，其入口点的切线方向不与轴线平行，因此需要通过整流板(第一整流板241、第二整流板251)对气体进行整流使得气体流向与出气涡轮50的入口点的切线方向平行，第一整流板241、第二整流板251两块整流板可以增加整流效果。
45.上述动态涡轮式集成egr混合器100的工作原理如下：空气从轴线一侧的空气入口21处进入混合器芯子20的第一腔体23内；egr废气通过egr废气入口12、egr废气凹槽26经由egr芯子20侧壁上的egr废气入孔28(上游段壁面圆孔)进入第一腔体23与空气混合；天然气通过天然气直通接头60、天然气入口13、天然气凹槽27经由天然气入孔29(下游段壁面圆孔)进入第二腔体24与空气、egr废气的混合气体混合后；最终，空气、egr废气、天然气的混合气体通过第三腔体25从混合气体出口22流出。
46.在上述动态涡轮式集成egr混合器100中，混合气在流过出气涡轮50以后，会带动出气涡轮50绕轴线方向旋转，由于有传动杆40连接涡轮轴52与风扇轴32，所以进气风扇30和出气涡轮50以一致的角速度同步运动。由于混合气体出口22所在位置的混合气体是由空气、egr废气、天然气三种气体混合而成，那么此处的动能是大于空气入口21所在位置的空气动能的，如此，混合气体出口22的混合气体的一部分动能会通过涡轮轴51、传动杆40、风扇轴32回馈给空气入口21处的空气，如此提高了空气入口21的进气效率，增强了进气。
47.与现有技术相比，本发明的动态涡轮式集成egr混合器至少具有以下益效果为：
48.(1)本发明的动态涡轮式集成egr混合器中，混合器芯子在空气入口处设有进气风
扇，进气风扇的扭转型叶片可保证径向压力平衡。
49.(2)本发明的动态涡轮式集成egr混合器中，混合器芯子在气体流通方向上设有两处整流板将气体进行整流，让其流向和出气涡轮的入口方向保持一致，流线型的整流板可降低流阻，两块整流板可以增加整流效果，提高进气效率。
50.(3)本发明的动态涡轮式集成egr混合器中，在混合器芯子的混合气体出口处出气涡轮采用冲击式涡轮，回收并利用混合气体的部分动能，通过涡轮轴、传动杆、风扇轴传递给进气风扇，冲击式涡轮与整流板配合，可以利用冲击促进混合，提高混合均匀性，同时可以止回。
51.综上所述，本发明的动态涡轮式集成egr混合器采用一套涡轮风扇装置(进气风扇、传动杆及出气涡轮)来减少空气的进气阻力，其主要原理如下：由于混合气体出口处的混合气是由空气、egr废气和高压天然气混合而成，其压力远远大于混合器进气口处的空气压力，混合气在整流板的作用下，让其流向与出气涡轮的入口方向相同，进入涡轮后(冲击式涡轮)会带动涡轮旋转，涡轮会通过传动杆驱动进气风扇，使得混合气的一部分动能反馈到进气风扇，带动风扇旋转，从而降低空气的进气阻力。同时，在整流与驱动涡轮的过程中，混合气流向改变，可以两次提升混合气的均匀性，最终可达到降低进气阻力、提高进气效率、降低结冰风险的效果。
52.在此，需要说明的是，上述技术方案的描述是示例性的，本说明书可以以不同形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的技术方案。相反，提供这些说明将使得本发明公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本说明书所公开的范围。此外，本发明的技术方案仅由权利要求的范围限定。
53.用于描述本说明书和权利要求的各方面公开的形状、尺寸、比率、角度和数字仅仅是示例，因此，本说明书和权利要求的不限于所示出的细节。在以下描述中，当相关的已知功能或配置的详细描述被确定为不必要地模糊本说明书和权利要求的重点时，将省略详细描述。
54.在使用本说明书中描述的“包括”、“具有”和“包含”的情况下，除非使用否则还可以具有另一部分或其他部分，所用的术语通常可以是单数但也可以表示复数形式。
55.应该指出，尽管在本说明书可能出现并使用术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”等来描述各种不同的组件，但是这些成分和部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个成分和部分和另一个成分和部分。例如，在不脱离本说明书的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件可以被称为第一部件，顶部和底部的部件在一定情况下，也可以彼此对调或转换；一端和另一端的部件可以彼此性能相同或者不同。
56.此外，在构成部件时，尽管没有其明确的描述，但可以理解必然包括一定的误差区域。
57.在描述位置关系时，例如，当位置顺序被描述为“在...上”、“在...上方”、“在...下方”和“下一个”时，除非使用“恰好”或“直接”这样的词汇或术语，此外则可以包括它们之间不接触或者接触的情形。如果提到第一元件位于第二元件“上”，则并不意味着在图中第一元件必须位于第二元件的上方。所述部件的上部和下部会根据观察的角度和定向的改变而改变。因此，在附图中或在实际构造中，如果涉及了第一元件位于第二元件“上”的情况可
以包括第一元件位于第二元件“下方”的情况以及第一元件位于第二元件“上方”的情况。在描述时间关系时，除非使用“恰好”或“直接”，否则在描述“之后”、“后续”、“随后”和“之前”时，可以包括步骤之间并不连续的情况。
58.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。