阅读说明：本技术 气体混合装置及天然气发动机 (Gas mixing device and natural gas engine ) 是由 谭旭光 佟德辉 刘振 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于发动机技术领域,具体涉及一种气体混合装置及天然气发动机,该气体混合装置包括壳体、第一混合芯、第一测量组件、第二混合芯和第二测量组件,空气进气口和燃气进气口分别与第一混合芯连通以在第一混合芯内形成混合气体,第一测量组件连接在第一混合芯上,第二混合芯连接在壳体内,且EGR废气进气口和第一混合芯分别与第二混合芯连通,第二测量组件连接在EGR废气进气口上,根据发明实施例的气体混合装置,通过第一测量组件和第二测量组件分别为获取空气、燃气和EGR废气的流量提供测量数据,相较于速度密度法和节气门模型,结果更加趋向于准确,便于对空燃比进行控制,以提高三元催化器的转化效率。(The invention belongs to the technical field of engines, and particularly relates to a gas mixing device and a natural gas engine, wherein the gas mixing device comprises a shell, a first mixing core, a first measuring component, a second mixing core and a second measuring component, an air inlet and a gas inlet are respectively communicated with the first mixing core to form mixed gas in the first mixing core, the first measuring component is connected with the first mixing core, the second mixing core is connected in the shell, an EGR waste gas inlet and the first mixing core are respectively communicated with the second mixing core, and the second measuring component is connected with the EGR waste gas inlet. To improve the conversion efficiency of the three-way catalyst.)

气体混合装置及天然气发动机

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种气体混合装置及天然气发动机。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。

国六天然气发动机，采用当量燃烧、EGR（Exhaust Gas Re-circulation 废气再循环）和三元催化器的技术路线，三元催化器是指安装在汽车排气系统中机外净化装置，可将汽车尾气排出的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。

由于需要同时处理三种有害排放物，因此在汽车燃烧后排出的尾气中三种气体的含量为某一范围时催化效率才会比较高，因此需要控制汽车的空燃比，如果空燃比控制不准确，三元催化器的转化效率会降低，排放恶化，而空燃比控制准确需要准确测量空气流量，传统空气流量测量方法主要为速度密度法和节气门模型，速度密度法是基于发动机转速、汽缸排量、进气歧管压力温度和发动机充气效率测量发动机的进气流量，充气效率是稳态工况下标定得到的，对于瞬态工况下的流量测量不准确，节气门模型利用节气门对空气的节流特性，根据节气门自身的流量特性曲线与节气门前温度、压力和节气门后压力测量空气流量，节气门作为对空气的节流作用，当节气门后、前压比在95%以上，即在非节流区工况下，流过节气门的流体与节气门后前压比呈现非线性关系，此时对于流量的测量同样不准确。

发明内容

本发明的目的是至少解决现有技术中对于瞬态工况下的气体流量测量不准确导致三元催化器转化效率低的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种气体混合装置，该气体混合装置包括壳体、第一混合芯、第一测量组件、第二混合芯和第二测量组件，所述壳体上设置有空气进气口、燃气进气口和EGR废气进气口，所述第一混合芯连接在所述壳体内，且所述空气进气口和所述燃气进气口分别与所述第一混合芯连通以在所述第一混合芯内形成混合气体，所述第一测量组件连接在所述第一混合芯上，所述第一测量组件连接在所述第一混合芯上，所述第一测量组件设置成为获取所述混合气体的第一流量提供测量数据，所述第二混合芯连接在所述壳体内，且所述EGR废气进气口和所述第一混合芯分别与所述第二混合芯连通，所述第二测量组件连接在所述EGR废气进气口上，所述第二测量组件设置成为获取所述EGR废气的第二流量提供测量数据。

根据本发明实施例的气体混合装置，发动机在运行时，除了空气和燃气参与燃烧，还采用了EGR技术，使EGR废气继续参与燃烧过程，以降低NOx的产生，空气和燃气分别通过空气进气口和燃气进气口进入第一混合芯中，并在第一混合芯中充分混合，第一测量组件对混合后的空气和燃气的混合气体进行相关数据的测量以获取第一流量，同时，EGR废气通过EGR废气进气口进入第二混合芯中，第二测量组件对EGR废气进行相关数据的测量以获取第二流量，EGR废气与混合后的空气和燃气再次进行混合，三种气体混合完成后进入发动机歧管进行燃烧，燃烧结束后进入三元催化器中进行转化，通过第一测量组件和第二测量组件可实现对第一流量和第二流量的相关数据的准确瞬态测量，通过对相关数据进行调节以实现对第一流量和第二流量进行调节，能够实现准确的空燃比的控制，提高三元催化器的转化效率，可减少三元催化器中的贵金属的含量同样能够完成相同的转化，降低了成本。

另外，根据本发明实施例的气体混合装置，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述气体混合装置还包括连接在所述壳体内的喉口体；

所述喉口体设置在所述第一混合芯和所述第二混合芯之间，且所述喉口体的直径沿气体的流动方向逐渐减小以改变所述混合气体和所述EGR废气的气体压力。

在本发明的一些实施例中，所述喉口体包括：

减压段，所述减压段连接在所述壳体内，且所述减压段的直径沿气体的流动方向逐渐减小；

第一平缓段，所述第一平缓段连接在所述减压段上，且所述第一平缓段处处直径相等。

在本发明的一些实施例中，所述第一测量组件包括：

第一温度测量件，所述第一温度测量件连接在所述壳体上，所述第一温度测量件设置成测量所述混合气体的第一温度；

第一压力测量件，所述第一压力测量件连接在所述壳体上，所述第一压力测量件设置成测量所述混合气体的第一压力；

所述气体混合装置还包括第二压力测量件，所述第二压力测量件连接在所述第一平缓段上，所述第二压力测量件设置成测量所述混合气体经过所述减压段后的第二压力。

在本发明的一些实施例中，所述第二混合芯包括导向段，所述导向段与所述第一平缓段之间形成第一通道；

其中，所述导向段的直径大于所述第一平缓段的直径，且所述导向段的直径沿气体的流动方向逐渐减小。

在本发明的一些实施例中，所述第二测量组件包括：

第二温度测量件，所述第二温度测量件连接在所述EGR废气进气口处，所述第二温度测量件设置成测量所述EGR废气的第二温度；

第三压力测量件，所述第三压力测量件连接在所述EGR废气进气口处，所述第三压力测量件设置成测量所述EGR废气的第三压力；

所述第二压力测量件还设置成测量所述EGR废气进入所述第一平缓段后的第四压力。

在本发明的一些实施例中，所述第二混合芯还包括：

第二平缓段，所述第二平缓段连接在所述导向段上，且所述第二平缓段的直径处处相等；

扩压段，所述扩压段连接在所述第二平缓段上，且所述扩压段的直径沿气体的流动方向逐渐增大。

在本发明的一些实施例中，所述第一混合芯与所述壳体之间形成第二通道，所述第二通道与所述燃气进气口相连通，所述第一混合芯上设置有第一喷射口。

在本发明的一些实施例中，所述气体混合装置还包括喷射管；

所述喷射管连接在所述第一混合芯内，且所述喷射管上设置有第二喷射口。

本发明的第二方面还提供了一种天然气发动机，包括上述任一技术方案中的气体混合装置。

本发明实施例的发动机与上述任一技术方案中的气体混合装置具有相同的优势，在此不再赘述。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的气体混合装置的立体结构示意图；

图2为图1所示的气体混合装置的内部结构示意图；

图3为图1所示的气体混合装置的主视图；

图4为图3所示的A-A方向的剖面示意图；

图5为图1所示的气体混合装置的俯视图；

图6为图5所示的B-B方向的剖面示意图。

附图标记：

1、壳体；11、燃气进气口；12、EGR废气进气口；

2、第一混合芯；21、第一通道；22、第一喷射口；23、喷射管；231、第二喷射口。

3、第一测量组件；

4、第二测量组件；41、第二温度测量件；42、第三压力测量件；

5、第二压力测量件；

6、第二混合芯；61、导向段；62、第二平缓段；63、扩压段；

7、喉口体；71、减压段；72、第一平缓段；73、第二通道；

8、EGR废气控制阀。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向（旋转90度或者在其它方向）并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至图6所示，本发明的实施例提供了一种气体混合装置，该气体混合装置包括壳体1、第一混合芯2、第一测量组件3、第二混合芯6和第二测量组件4，壳体1上设置有空气进气口、燃气进气口11和EGR废气进气口12，第一混合芯2连接在壳体1内，且空气进气口和燃气进气口11分别与第一混合芯2连通以在第一混合芯2内形成混合气体，第一测量组件3连接在第一混合芯2上，第一测量组件3设置成为获取混合气体的第一流量提供测量数据，第二混合芯6连接在壳体1内，且EGR废气进气口12和第一混合芯2分别与第二混合芯6连通，第二测量组件4连接在EGR废气进气口12上，第二测量组件4设置成为获取EGR废气的第二流量提供测量数据。

根据本发明实施例的气体混合装置，壳体1作为燃气进气口11、EGR废气进气口12、第一混合芯2、第二混合芯6、第一测量组件3和第二测量组件4的安装基础，发动机在运行时，除了空气和燃气参与燃烧，还采用了EGR技术，使EGR废气继续参与燃烧过程，以降低NOx的产生，空气和燃气分别通过空气进气口和燃气进气口11进入第一混合芯2中，并在第一混合芯2中充分混合，第一测量组件3对混合后的空气和燃气的混合气体进行相关数据的测量以获取第一流量，同时，EGR废气通过EGR废气进气口12进入第二混合芯6中，第二测量组件4对EGR废气进行相关数据的测量以获取第二流量，EGR废气与混合后的空气和燃气再次进行混合，三种气体混合完成后进入进气歧管进行燃烧，燃烧结束后进入三元催化器中进行转化，通过第一测量组件3和第二测量组件4可实现对第一流量和第二流量的相关数据的准确瞬态测量和稳态测量，替代了压差式流量计，另外，通过对相关数据进行调节以实现对第一流量和第二流量进行调节，能够实现准确的空燃比的控制，提高三元催化器的转化效率，可减少三元催化器中的贵金属的含量同样能够完成相同的转化，降低了成本。

其中，第一混合芯2与壳体1之间为过盈连接且两者之间设置有密封圈，第二混合芯6与壳体1之间为过盈连接且两者之间设置有密封圈，第一测量组件3与壳体1之间和第二测量组件4与壳体1之间均设置有密封圈，避免气体外泄，燃气进气口11与壳体1之间为螺纹连接且两者之间设置有密封圈。

在本发明的一些实施例中，气体混合装置还包括EGR废气控制阀8和控制器，EGR废气控制阀8连接在EGR废气进气口12内，控制器可获取第一流量和第二流量的相关数据并通过相关数据进行第一流量和第二流量的计算，根据三元催化器的转化效率，第一流量和第二流量需要控制在一定范围内以实现精确的空燃比，控制器通过EGR废气控制阀8可调节第二流量，使第二流量跟随第一流量变化以匹配三元催化器的转化效率需求，即通过改变相关数据来提高三元催化器的转化效率，可减少三元催化器中贵金属的含量，大大降低成本。

其中，控制器为ECU（Electronic Control Unit 电子控制单元），控制器与EGR废气控制阀8电连接，EGR废气控制阀8可为蝶阀或提升阀，在此不做限定。

在本发明的一些实施例中，现有技术中对于瞬态工况下的空气和燃气形成的混合气体的第一流量的测量并不准确，实际中的第一流量与混合气体所处的环境有关，进一步的，与所处环境的温度和压差有关，相关数据为混合气体所处环境的温度和压力，因此在壳体1内设置一个喉口体7，通过喉口体7改变混合气体和EGR废气的压力，使测量结果更加准确，喉口体7设置在第一混合芯2和第二混合芯6之间，且喉口体7的直径沿着气体的流动方向逐渐减小，当气体经过直径减小的位置时，气体的流速增快，压力降低，与未经过直径减小处的气体形成压差，通过该压差即可对气体的第一流量进行计算。

在本发明的一些实施例中，喉口体7包括减压段71和第一平缓段72，减压段71用于改变经过此处的气体的流速即改变经过此处的气体的压力，以获得瞬态工况下计算第一流量的压差，当气体压力改变时，为了减少气体紊流的产生，喉口体7还包括第一平缓段72，使经过减压段71的气体在此处平缓流动，稳定压力，降低气体的不稳定性。

其中，喉口体7与壳体1之间为过盈连接且两者之间设置有密封圈，避免气体外泄，同时保证测量压力的准确性。

在本发明的一些实施例中，第一测量组件3包括第一温度测量件和第一压力测量件，第一温度测量件和第一压力测量件均连接在第一混合芯2上，第一温度测量件用于测量未进入喉口体7的混合气体的第一温度，第一压力测量件用于测量未进入喉口体7的混合气体的第一压力，还需要测量进入喉口体7的减压段71后的混合气体的第二压力，在第一平缓段72上设置有第二压力测量件5，将第二压力测量件5设置在第一平缓段72是由于此处的压力已发生变化且趋于稳定，进一步提高测量的准确性，通过第一压力和第二压力进行作差得到压差，根据测量出的第一温度和压差可通过公式

，其中，qf是流量，c为流出系数，β为直径比，ε为膨胀系数，Δp为压差，ρ为流体密度，流出系数和流体密度等均与气体的温度有关，混合气体的第一流量的计算，根据实时测得的第一温度、第一压力和第二压力计算第一流量，实现了瞬态工况下的第一流量的测量，相较于速度密度法和节气门模型，结果更加趋向于准确，便于对空燃比进行控制，以提高三元催化器的转化效率。

在本发明的一些实施例中，为了进一步提高第二压力测量件5的测量的准确性，在第一平缓段72靠近末端的位置设置有测量口，该测量口与喉口体7相连通。

其中，第一温度测量件和第一压力测量件分别为温度传感器和压力传感器，还可采用一体结构的温度压力传感器，在一个实施例中，采用温度压力传感器。

在本发明的一些实施例中，第二混合芯6包括导向段61，导向段61与第一平缓段72之间形成第一通道21，EGR废气经由EGR废气进气口12进入到第一通道21中，导向段61的直径大于第一平缓段72的直径，即第一平缓段72处的压力小于导向段61的压力，在喉口体7处形成负压区，压力差迫使EGR废气再进入到第一平缓段72中，当排气背压不变时，可以实现较高的EGR率，从而降低排气温度和爆震倾向，降低氮氧化物生成量，可以帮助减少三元催化器中贵金属的含量，排温降低后零部件的热负荷减小，提升可靠性，当保持EGR率不变时，可以降低排气背压，降低泵气损失，从提高发动机效率，降低燃气消耗率，提升经济性。

其中，第一通道21为环形通道，EGR废气经由EGR废气进气口12和EGR废气控制阀8进入到第一通道21中，从不同方向上同时进入到第一通道21中。

在本发明的一些实施例中，导向段61的直径沿气体的流动方向逐渐减小，在第一通道21处，空气、燃气所形成的混合气体与EGR再次进行混合，随着直径的减小，流速降低，气体压力增大，使三者在此处均匀混合。

在本发明的一些实施例中，要计算瞬间工况下的EGR废气的第二流量，同样需要测得EGR废气所处环境的温度和压差，相关数据为EGR废气所处环境的温度和压力，第二测量组件4包括第二温度测量件41和第三压力测量件42，第二温度测量件41和第三压力测量件42均连接在EGR废气进气口12处，第二温度测量件41用于检测未经过EGR废气控制阀8的EGR废气的第二温度，第三压力测量件42用于检测未经过EGR废气控制阀8的EGR废气的第三压力，还需要测量进入第一通道21的EGR废气的第四压力，第四压力的测量通过第二压力测量件5测量，通过第四压力和第三压力进行作差得到压差，根据测量出的第二温度和压差可通过公式

，其中，qf是流量，c为流出系数，β为直径比，ε为膨胀系数，Δp为压差，ρ为流体密度，流出系数和流体密度等均与气体的温度有关，进行EGR废气的第二流量的计算，根据实时测得的第二温度、第三压力和第四压力计算第二流量，实现了瞬态工况下的第二流量的测量，相较于速度密度法和节气门模型，结果更加趋向于准确，便于对空燃比进行控制，以提高三元催化器的转化效率，取消了现有技术中的压差式流量器，并将EGR控制阀和测量件集成到混合器上，减小了发动机的EGR系统和进气系统的体积，使发动机结构更加紧凑。

其中，对于混合气体经过喉口体7后的压力的测量和对EGR废气进入第一通道21后的压力的测量共用一个压力测量件，以降低成本。

在本发明的一些实施例中，第二混合芯6除了导向段61，还包括第二平缓段62和扩压段63，当气体压力改变时，为了减少气体紊流的产生，第二平缓段62使经过第一通道21和导向段61的气体在此处平缓流动，稳定压力，减少气体的不稳定性，导向段61、第二平缓段62和扩压段63依次连接，扩压段63的最小直径、第二平缓段62的直径和导向段61的最小直径相等，扩压段63沿气体的流动方向直径逐渐增大，但扩压段63的最大直径大于导向段61的最大直径，经过第二平缓段62后的气体在进入扩压段63时，流速降低，压力增加，现有技术中采用当量燃烧发动机排温高，需要高EGR率来降低排温和氮氧化物排放，利用增压器实现排气侧与进气侧的压差来获取EGR，高压差对增压器的匹配要求高，实现困难，而EGR废气流量的控制和测量则使用EGR阀和差压式流量计，压力损失大，本申请通过第二温度测量件41和第三压力测量件42替代了压差式流量计，减少EGR管路的压力损失，并通过扩压段63对气体压力进行补偿。

在本发明的一些实施例中，为了使燃气与空气进行充分混合，燃气进气口11设置在壳体1上，在第一混合芯2上沿周向方向设置有多个第一喷射口22，多个第一喷射口22之间彼此间隔均匀，第一混合芯2与壳体1之间形成第二通道73，第二通道73为环形，当燃气进入到第二通道73内，通过第一喷射口22进入到第一混合芯2中与从空气进气口进入的空气均匀混合。

在本发明的一些实施例中，在第一混合芯2内还设置有喷射管23，喷射管23的轴线方向与第一混合芯2的径向方向相同，在喷射管23上均匀设置有第二喷射口231，部分燃气从第一喷射口22进入到第一混合芯2中，另外一部分燃气从第二喷射口231进入到第一混合芯2中，提高燃气的进气速度。

其中，喷射管23与第一混合芯2之间为过盈连接，且喷射管23的数量不仅限于一个。

本发明的另一实施例还提出了一种天然气发动机，包括上述任一实施例中的气体混合装置。

本发明实施例的发动机与上述任一技术方案中的气体混合装置和具有相同的优势，在此不再赘述。

下面简述一下气体混合装置的工作原理：

空气从空气进气口进入到第一混合芯2中，燃气从燃气进气口11经由第一喷射口22和第二喷射口231进入到第一混合芯2中并与空气形成混合气体，第一温度测量件和第一压力测量件分别测得混合气体的第一温度和第一压力，混合气体流动至喉口体7，因喉口体7的减压段71的设置，混合气体的流速增加，压力降低，在第一平缓段72降至最低，第二压力测量件5测得此处的混合气体的第二压力，通过测得的温度和前后压力的改变可计算出混合气体的第一流量，燃气的流量可通过发动机的需求或流量计直接获取，通过第一流量与燃气的流量作差可得到空气的流量，EGR废气从EGR废气进气口12进入到第一通道21中，第二温度测量件41和第三压力测量件42分别测得EGR废气的第二温度和第三压力，由于喉口体7处形成负压区，迫使EGR废气进入喉口体7中，与混合气体进行混合，之后进入进气歧管和缸盖，燃烧做功，第二压力测量件5测得此处的EGR废气的第四压力，通过测得的温度和前后压力的改变可计算出EGR废气的第二流量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。