用于气体发动机的进气混合装置和气体发动机的制作方法

1.本实用新型涉及一种用于气体发动机的进气混合装置。本实用新型还涉及一种相应的气体发动机。


背景技术：

2.近年来，随着石油资源的减少以及环境污染的加剧，依靠气体燃料的燃烧来提供能量的气体发动机受到越来越多的关注。在此，气体燃料例如是天然气或氢气并且具有资源丰富、排放污染小等优点。
3.为了优化气体燃料在气体发动机的气缸中的燃烧过程并且提高燃烧效率，通常设置有进气混合装置，所述进气混合装置将空气和气体燃料以预定比例混合成具有确定空燃比的混合气体并且将该混合气体供应给气体发动机的气缸。此外，为了降低气体发动机的气缸中的燃烧温度并且提升排放水平，通过排气再循环装置将发动机的部分排气送回到进气混合装置中，这些排气与空气和气体燃料充分混合并且供应给气体发动机的气缸。
4.然而，在现有的进气混合装置中，气体燃料仅通过伸入到混合腔中的进气管的孔不受引导地自由流入到混合腔中，这不仅浪费了气体燃料的喷射压力或者说进气压力，由此降低由气体燃料和空气组成的混合气体在混合腔中的流动速度，还导致气体燃料在混合腔中分布不均匀，使得气体燃料和空气的混合不充分。此外，由于混合气体在混合腔中的流动速度低，在再循环排气进口处的文丘里效应不明显，对于再循环排气的抽吸作用小，使得进入到混合腔中的再循环排气量不足，从而降低了再循环排气对于燃烧温度的抑制作用和排放水平。


技术实现要素：

5.因此，本实用新型的目的在于提出一种改进的用于气体发动机的进气混合装置，该进气混合装置不仅能够充分利用气体燃料的喷射压力，由此增大混合气体的流动速度并且显著提升对于再循环排气的抽吸作用，还能够使气体燃料均匀地进入到进气混合装置的混合腔中，这有利于气体燃料与空气的充分混合。本实用新型的目的还在于提出一种相应的气体发动机。
6.根据本实用新型的第一方面，提供一种用于气体发动机的进气混合装置，所述进气混合装置至少包括：
[0007]-用于导入空气的空气进口，所述空气的流动方向为主流动方向；
[0008]-用于导入气体燃料的气体燃料进口，所述气体燃料进口沿所述主流动方向布置在所述空气进口下游；
[0009]-用于导入再循环排气的排气进口，所述排气进口沿所述主流动方向布置在所述气体燃料进口下游；
[0010]-混合腔，所述混合腔分别与所述空气进口、所述气体燃料进口和所述排气进口流体连通，
[0011]
其中，所述进气混合装置还包括导流件，所述导流件被配置成适于在沿所述主流动方向面向所述排气进口的端部处形成环形开口，所述气体燃料通过所述环形开口进入到所述混合腔中。
[0012]
根据本实用新型，通过在进气混合装置中设置导流件并且形成环形开口，能够使气体燃料以被导流件导向的方式通过所述环形开口流入到混合腔中，由此使气体燃料沿确定方向喷射并且将气体燃料的高喷射压力转化成气体燃料的高流动速度，这引起由气体燃料和空气混合成的混合气体的高流动速度，从而通过气体粘滞带动更多的再循环排气进入到混合腔中。此外，气体燃料通过环形开口均匀地进入到混合腔中，这能够实现气体燃料和空气的均匀和充分的混合。由此能够明显优化混合气体在气体发动机的气缸中的燃烧过程，降低燃烧温度，使气体发动机燃烧更充分并且降低尾气中的有害物质，从而满足较高的排放标准。
[0013]
根据本实用新型的第二方面，提供一种气体发动机，其特征在于，所述气体发动机至少包括：
[0014]-气缸；
[0015]-根据本实用新型的进气混合装置，所述进气混合装置被配置成适于将由空气、气体燃料和所述气体发动机的部分排气组成的混合气体供应给所述气缸。
附图说明
[0016]
下面，通过参看附图更详细地描述本实用新型，可以更好地理解本实用新型的原理、特点和优点。附图包括：
[0017]
图1示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的气体发动机的简化框图；
[0018]
图2示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的进气混合装置的详细视图；
[0019]
图3示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的进气混合装置的局部视图；
[0020]
图4示出了根据本实用新型的另一个示例性实施例的进气混合装置的局部视图。
具体实施方式
[0021]
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而不用于限定本实用新型的保护范围。
[0022]
在附图中，有时为了明确起见，夸大表示了每个构成要素的大小、层的厚度或区域。因此，附图中每个部件的形状和大小不反映真实比例。
[0023]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，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至少一个该特征。
[0024]
在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是材料锁合的连接，也可以是形状锁合或力锁合的连接；可以是直接相连，也可以通过中间件间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对
于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0025]
图1示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的气体发动机100的简化框图。在此，气体发动机100示例性地构造为天然气发动机，在该天然气发动机的气缸中天然气作为气体燃料与空气中的氧气进行燃烧以提供能量。当然也可以考虑本领域技术人员认为有意义的其它类型的发动机，例如氢气发动机或丙烷发动机等。示例性地，气体发动机100使用在车辆领域中。
[0026]
如图1所示，气体发动机100具有进气混合装置10，该进气混合装置构造成用于将由空气、气体燃料和气体发动机100的部分排气组成的混合气体供应给气体发动机100的气缸20，在所述气缸中发生气体燃料与空气中的氧气的燃烧过程并且产生能量和排气，所述排气从气缸20中排出。在此，各个实线箭头分别代表相应气体的流动方向。
[0027]
如图1所示，气体发动机100具有构造用于将空气供应至进气混合装置10的空气供给装置30，所述空气供给装置例如具有用于给空气增压的压缩机、用于控制空气的供应量的控制阀以及连接至进气混合装置10的空气进气管道，出于概要性原因未示出这些部件。在此，所供应的压缩空气例如具有3.5bar的压力。
[0028]
如图1所示，气体发动机100具有构造用于将气体燃料供应至进气混合装置10的气体燃料供给装置40，所述气体燃料供给装置例如具有用于存储气体燃料的高压储气罐、用于调节气体燃料的压力的压力调节器、用于控制气体燃料的供应量的控制阀以及连接至进气混合装置10的气体燃料进气管道，出于概要性原因同样未示出这些部件。在此，所供应的气体燃料例如具有7bar的压力。为了实现优化的燃烧过程并且满足排放标准，需要保证最佳空燃比，使供应的空气和气体燃料以适当的比例组成混合气体，由此使燃烧完全、燃料耗费低并且污染小。在此，所采用的空燃比例如处于17:1至25:1之间的范围内，由此所供应的空气量远超过所供应的气体燃料量。
[0029]
如图1所示，气体发动机100还具有排气再循环装置50，所述排气再循环装置将气缸20的部分排气作为再循环排气重新导回到进气混合装置10中并且将另外的部分排气作为废气从气体发动机100排出。再循环排气在进气混合装置10中与空气和气体燃料充分混合成混合气体并且共同进入到气缸20中，由此降低气缸20中的燃烧温度并且抑制有害物质、如氮氧化物的形成。在此，所供应的再循环排气例如具有0.5bar的压力。当然，针对所供应的空气、气体燃料和再循环排气也可以考虑本领域技术人员认为有意义的其它压力值。
[0030]
图2示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的进气混合装置10的详细视图。
[0031]
如图2所示，进气混合装置10具有用于导入空气的空气进口11、用于导入气体燃料的气体燃料进口12以及用于导入再循环排气的排气进口13，其中，空气进口11、气体燃料进口12和排气进口13分别与进气混合装置10的混合腔14流体连通并且在混合腔14中形成混合气体，所述混合腔14由壳体15包围和限界。
[0032]
如图2所示，空气在混合腔14中以主流动方向f流动。在此，气体燃料进口12沿主流动方向f布置在空气进口11的下游，并且排气进口13沿主流动方向f布置在气体燃料进口12的下游。示例性地，经由空气进口11导入的空气与经由气体燃料进口12导入的气体燃料首先在混合腔14的第一腔14.1中形成预混合气体并且经由第一喷射口18.1进入到混合腔14的第二腔14.2中，在所述第二腔中由空气和气体燃料形成的预混合气体和经由排气进口13
导入的再循环排气充分混合成混合气体，所述混合气体通过第二喷射口18.2喷入到气缸20中。
[0033]
如图2所示，进气混合装置10还包括导流件16，所述导流件布置在气体燃料进口12处并且在沿主流动方向f面向排气进口13的端部处形成环形开口17，经由气体燃料进口12导入的气体燃料以被导流件16引导的方式通过环形开口17进入到混合腔14的第一腔14.1中。在此，环形开口17在周向方向上环绕导流件16。由此具有较高压力、例如7bar的气体燃料能够在环形开口17处沿确定方向以相对较高的流速均匀地喷入到混合腔14中，从而借助气体粘滞作用带动第一腔14.1中的空气以更高的速度流动，由此使得预混合气体经由第一喷射口18.1以更高的速度喷入到第二腔14.2中。由伯努利定律可知，流体速度的增大伴随着压力的降低，在高速流动的流体附近会产生低压，从而造成抽吸效应。因此，在第一喷射口18.1处在第一腔14.1和第二腔14.2之间的缝隙处产生低压，该低压促使再循环排气从排气进口13更快地进入到混合腔14中，由此增大再循环排气的流动速度和在混合气体中的占比。
[0034]
示例性地，进气混合装置10的壳体15多件式地构造，其中，壳体15尤其构造有分别用于限界第一腔14.1和第二腔14.2的内嵌件和用于包围所述内嵌件的外罩件，所述内嵌件和外罩件共同装配成壳体15，由此能够简化壳体15的制造过程。但也可以考虑，壳体15一件式地构造，以便减少零件数量并且省去装配过程。
[0035]
示例性地，混合腔14在第二腔14.2中至少在相应于排气进口13的区段处以文丘里管的形式构型，即混合腔14在该区段处由收缩管、直管和扩散管组成，从而进一步加快混合气体的流动速度并且增强对于再循环排气的抽吸作用。
[0036]
图3示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的进气混合装置10的局部视图。
[0037]
如图3所示，导流件16单层地构造并且与壳体15以形状配合的方式共同形成环形开口17。在本实用新型的框架下，“形状配合”应理解为，两个构件通过相对应的几何构型共同起作用。在此，导流件16例如旋转对称地构造并且在轴向延伸尺寸上与壳体15隔开一定距离，由此在导流件16和壳体15之间形成用于气体燃料的第一流动通道19.1并且在沿主流动方向f面向排气进口13的端部处形成环形开口17，由气体燃料进口12导入的气体燃料通过第一流动通道19.1和环形开口17均匀地喷入到混合腔14中。
[0038]
示例性地，导流件16与壳体15集成地构造。但也可以考虑，导流件16单独地构造并且与壳体15组装在一起。
[0039]
示例性地，壳体15至少基本上在导流件16的轴向延伸尺寸上沿主流动方向f逐渐缩窄地构造，由此实现空气流的加速。在这种情况下，为了形成第一流动通道19.1和环形开口17，导流件16的外周面同样沿主流动方向f逐渐缩窄地构造。此外还可以考虑，壳体15在整个第一腔14.1的轴向延伸尺寸上沿主流动方向f逐渐缩窄地构造。
[0040]
示例性地，第一流动通道19.1在导流件16的轴向延伸尺寸上沿主流动方向f逐渐缩窄地构造。由此使气体燃料在第一流动通道19.1中的流动进一步加速并且增大气体燃料在环形开口17处的喷射速度。当然也可以考虑，导流件16的外周面平行于壳体15的内侧面并且第一流动通道19.1的尺寸在导流件16的轴向延伸尺寸上保持不变。
[0041]
示例性地，导流件16基本上空心截锥形地构造。在导流件16内部设置有用于空气的第二流动通道19.2，所述第二流动通道的直径小于空气进口11的直径并且所述第二流动
通道在导流件16的轴向延伸尺寸上沿主流动方向f逐渐缩窄地构造。由此在空气流经导流件16时使空气进一步加速，从而使混合气体的流动速度达到期望水平。但也可以考虑，第二流动通道19.2的直径在导流件16的轴向延伸尺寸上沿主流动方向f保持不变。
[0042]
示例性地，导流件16由金属制造，以便获得足够的强度。但也可以考虑，导流件16由本领域技术人员认为有意义的其它材料、例如塑料制造。
[0043]
图4示出了根据本实用新型的另一个示例性实施例的进气混合装置10的局部视图。
[0044]
如图4所示，导流件16双层地构造并且在导流件16的两个层之间形成用于气体燃料的第一流动通道19.1和环形开口17。由此导流件16本身负责气体燃料从气体燃料进口12至环形开口17的引导，而与壳体15的具体构型无关。在这种情况下，导流件16能够更灵活地构型。
[0045]
示例性地，由空气进口11导入的空气可以流经导流件16中间的第二流动通道19.2以及在导流件16和壳体15之间的间隔，并且与从环形开口17喷射出的气体燃料混合成预混合气体。由此实现空气与气体燃料的更加充分的混合。
[0046]
如图4所示，第一流动通道19.1和第二流动通道19.2基本上在导流件16的轴向延伸尺寸上沿所述主流动方向f逐渐缩窄地构造，如根据图3描述的那样。但也可以考虑，第一流动通道19.1和第二流动通道19.2的尺寸沿所述主流动方向f保持不变。
[0047]
前面对于实施方式的阐释仅在所述示例的框架下描述本实用新型。当然，只要在技术上有意义，实施方式的各个特征能够自由地相互组合，而不偏离本实用新型的框架。
[0048]
对于本领域的技术人员而言，本实用新型的其它优点和替代性实施方式是显而易见的。因此，本实用新型就其更宽泛的意义而言并不局限于所示和所述的具体细节、代表性结构和示例性实施例。相反，本领域的技术人员可以在不脱离本实用新型的基本精神和范围的情况下进行各种修改和替代。