一种可变截面燃气高效混合器装置的控制方法

摘要

本发明涉及一种可变截面燃气高效混合器装置控制方法，高转速工况下：控制渐缩圆通道电磁阀(8)开启，等截面圆通道电磁阀(9)和渐扩圆通道电磁阀(10)关闭，中转速工况下：控制等截面圆通道电磁阀(9)开启，渐缩圆通道电磁阀(8)和渐扩圆通道电磁阀(10)关闭，从而打开等截面圆通道(6)，关闭渐缩圆通道(5)和渐扩圆通道(7)通断；低转速工况下：控制渐扩圆通道电磁阀(10)开启，渐缩圆通道电磁阀(8)和等截面圆通道电磁阀(9)关闭，该装置可以满足转子发动机、天然气发动机和氢气发动机等气体机和燃气轮机等预混燃烧应用场景；而且可以根据具体工况控制混合气混合速率，匹配目标工况下燃气混合速率与效率需求。

权利要求

1.一种可变截面燃气混合器装置控制方法，其特征在于：可变截面燃气混合器装置包括渐缩圆通道(5)，等截面圆通道(6)，渐扩圆通道(7)，渐缩圆通道电磁阀(8)，等截面圆通道电磁阀(9)、渐扩圆通道电磁阀(10)、燃气混合器渐缩圆通道(17)，燃气混合器等截面圆通道(18)，燃气混合器渐扩圆通道(19)；渐缩圆通道(5)、等截面圆通道(6)和渐扩圆通道(7)与燃气混合器外壳(1)的燃气混合器渐缩圆通道(17)、燃气混合器等截面圆通道(18)和燃气混合器渐扩圆通道(19)一一相配合；

高转速工况下：控制渐缩圆通道电磁阀(8)开启，等截面圆通道电磁阀(9)和渐扩圆通道电磁阀(10)关闭，从而打开渐缩圆通道(5)，关闭等截面圆通道(6)和渐扩圆通道(7)通断；进而使燃气通过渐缩圆通道(5)和燃气混合器渐缩圆通道(17)进入可变截面燃气混合器内；

中转速工况下：控制等截面圆通道电磁阀(9)开启，渐缩圆通道电磁阀(8)和渐扩圆通道电磁阀(10)关闭，从而打开等截面圆通道(6)，关闭渐缩圆通道(5)和渐扩圆通道(7)通断；进而使燃气通过等截面圆通道(6)和燃气混合器等截面圆通道(18)进入可变截面燃气混合器内；

低转速工况下：控制渐扩圆通道电磁阀(10)开启，渐缩圆通道电磁阀(8)和等截面圆通道电磁阀(9)关闭，从而打开渐扩圆通道(7)通断，关闭渐缩圆通道(5)和等截面圆通道(6)；

进而使燃气通过渐扩圆通道(7)和燃气混合器渐扩圆通道(19)进入可变截面燃气混合器内。

2.根据权利要求1所述的可变截面燃气混合器装置控制方法，其特征在于：可变截面燃气混合器装置还包括第一喷嘴(11)、第二喷嘴(15)、第三喷嘴(20)和第四喷嘴(23)；

其中第一喷嘴(11)、第二喷嘴(15)、第三喷嘴(20)和第四喷嘴(23)用来喷射单一气体，即四个喷嘴同时喷射单一气体；

或者第一喷嘴(11)、第二喷嘴(15)、第三喷嘴(20)和第四喷嘴(23)用来喷射两种气体，即第一喷嘴(11)和第三喷嘴(20)喷射一种气体，第二喷嘴(15)和第四喷嘴(23)喷射另外一种气体，形成两种气体间隔喷射。

3.根据权利要求1所述的可变截面燃气混合器装置控制方法，其特征在于：燃料选择天然气或氢气。

说明书

一种可变截面燃气高效混合器装置的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种燃烧器控制技术，尤其涉及一种可变截面燃气高效混合器装置控制方法。

背景技术

[0002] 众所周知，可燃混合气的组织与混合气的均匀性对燃烧过程影响非常大，特别是稀薄燃烧的情况下，混合气混合不均匀，不仅影响燃烧稳定性，而且会导致燃烧效率低、污
染排放物生成较高。而且在高速运转的发动机上，如转子发动机、天然气发动机和氢气发动
机等气体机，燃气燃烧时间尺度短，燃气燃烧过程往往在毫秒级别内完成，这对可燃混合气
的组织与混合气的均匀性提出严苛的要求。因此，这就需要提前准备好可燃混合气，提高燃
气混合气速率，提高燃气混合均匀程度，即形成预混混合气，实现预混燃烧。然而，目前，很
大部分转子发动机、天然气发动机和氢气发动机等气体机采用气道喷射，将燃气直接以低
压喷射喷入到进气道内，从而与新鲜空气混合。然而，气道喷射的燃气与气道内新鲜空气混
合效率低、燃气混合效率低，导致吸入发动机缸内后，燃气与空气混合质量低，可燃混合气
分布不均，导致火焰传播容易淬熄，特别是靠近燃烧室壁面的分布不均的混合气，最终导致
发动机缸内燃烧不充分、燃烧效率低、污染排放物生成较多，如碳氢和一氧化碳排放。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了解决上述问题，本发明专利提出了能够灵活调节燃料供给的混合器装置，从而能够根据具体转速工况需求、单一燃气与空气高效混合需求、多种燃气与
空气高效混合需求、以及多种燃气间相互高效混合需求，控制燃气与空气混合速率以及混
合均匀性各种工况燃烧需求，从而使得燃烧充分，燃烧效率高、降低污染排放物生成。

[0004] 本发明的技术方案是一种可变截面燃气混合器装置控制方法，其特征在于：可变截面燃气混合器装置包括渐缩圆通道，等截面圆通道，渐扩圆通道，渐缩圆通道电磁阀，等
截面圆通道电磁阀、渐扩圆通道电磁阀、燃气混合器渐缩圆通道，燃气混合器等截面圆通
道，燃气混合器渐扩圆通道；渐缩圆通道、等截面圆通道和渐扩圆通道与燃气混合器外壳的
燃气混合器渐缩圆通道、燃气混合器等截面圆通道和燃气混合器渐扩圆通道一一相配合；

[0005] 高转速工况下：控制渐缩圆通道电磁阀开启，等截面圆通道电磁阀和渐扩圆通道电磁阀关闭，从而打开渐缩圆通道，关闭等截面圆通道和渐扩圆通道通断；进而使燃气通过
渐缩圆通道和燃气混合器渐缩圆通道进入可变截面燃气混合器内；

[0006] 中转速工况下：控制等截面圆通道电磁阀开启，渐缩圆通道电磁阀和渐扩圆通道电磁阀关闭，从而打开等截面圆通道，关闭渐缩圆通道和渐扩圆通道通断；进而使燃气通过
等截面圆通道和燃气混合器等截面圆通道进入可变截面燃气混合器内；

[0007] 低转速工况下：控制渐扩圆通道电磁阀开启，渐缩圆通道电磁阀和等截面圆通道电磁阀关闭，从而打开渐扩圆通道通断，关闭渐缩圆通道和等截面圆通道；进而使燃气通过
渐扩圆通道和燃气混合器渐扩圆通道进入可变截面燃气混合器内。

[0008] 进一步地，可变截面燃气混合器装置还包括第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴和第四喷嘴；

[0009] 其中第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴和第四喷嘴用来喷射单一气体，即四个喷嘴同时喷射单一气体；

[0010] 或者第一喷嘴、第二喷嘴、第三喷嘴和第四喷嘴用来喷射两种气体，即第一喷嘴和第三喷嘴喷射一种气体，第二喷嘴和第四喷嘴喷射另外一种气体，形成两种气体间隔喷射。

[0011] 进一步地，燃料选择天然气、氢气或氧气。

[0012] 本发明的有益效果是：

[0013] (1)燃气气流能够顺畅进入可变截面燃气混合器内，降低燃气进入可变截面燃气混合器的流动阻力，从而推动叶片3以不同旋转速度运动，促进燃气与新鲜空气的混合速
率，提高混合均匀性。

[0014] (2)该燃烧器可以喷射三种甚至四种气体，满足不同场景下的需求。

[0015] (3)该混合器根据具体转速工况需求、单一燃气与空气高效混合需求、多种燃气与空气高效混合需求、以及多种燃气间相互高效混合需求，控制燃气与空气混合速率以及混
合均匀性，从而加快燃气混合速率和提高燃气混合效率，促进燃气燃烧充分，有利于提高燃
气燃烧效率，减少污染排放物的生成，该发明专利可以满足转子发动机、天然气发动机和氢
气发动机等气体机和燃气轮机等预混燃烧应用场景；而且可以根据具体工况控制混合气混
合速率，匹配目标工况下燃气混合速率与效率需求。

附图说明

[0016] 图1是一种可变截面燃气高效混合器装置及控制方法总体示意图；

[0017] 图2是一种可变截面燃气高效混合器喷嘴安装座截面示意图；

[0018] 图3是一种可变截面燃气高效混合器侧面示意图；

[0019] 图4是混合体截面示意图；

[0020] 图5是喷嘴安装座侧面截面示意图；

[0021] 图6是喷嘴安装座正面截面示意图；

[0022] 图7是叶片示意图；

[0023] 图8是叶片截面示意图。

[0024] 其中：1‑燃气混合器外壳，2‑叶片空心圆柱，3‑叶片，4‑喷嘴安装座，5‑渐缩圆通道，6‑等截面圆通道，7‑渐扩圆通道，8‑渐缩圆通道电磁阀，9‑等截面圆通道电磁阀，10‑渐
扩圆通道电磁阀，13‑燃气混合器中心轴，14‑燃气混合器支撑架，15‑第二喷嘴，16‑第二喷
嘴进气口，17‑燃气混合器渐缩圆通道，18‑燃气混合器等截面圆通道，19‑燃气混合器渐扩
圆通道，20‑第三喷嘴，21‑第三喷嘴进气口，23‑第四喷嘴，24‑第四喷嘴进气口。

具体实施方式

[0025] 以下将结合附图1‑8对本发明的技术方案进行详细说明。

[0026] 如图1‑8所示，该实施例提供一种可变截面燃气混合器装置，包括燃气混合器外壳1，燃气混合器外壳2，叶片3，喷嘴安装座4，渐缩圆通道5，等截面圆通道6，渐扩圆通道7，渐
缩圆通道电磁阀8，等截面圆通道电磁阀9，渐扩圆通道电磁阀10，第一喷嘴11，第一喷嘴进
气口12，燃气混合器中心轴13，燃气混合器支撑架14，第二喷嘴15，第二喷嘴进气口16，燃气
混合器渐缩圆通道17，燃气混合器等截面圆通道18，燃气混合器渐扩圆通道19，第三喷嘴
20，第三喷嘴进气口21，电控单元22，第四喷嘴23，第四喷嘴进气口24。

[0027] 叶片3通过燃气混合器外壳2安装在燃气混合器支撑架14上。

[0028] 喷嘴安装座4通过焊接安装在燃气混合器外壳1，且使得喷嘴安装座4上的渐缩圆通道5、等截面圆通道6和渐扩圆通道7与燃气混合器外壳1的燃气混合器渐缩圆通道17、燃
气混合器等截面圆通道18和燃气混合器渐扩圆通道19一一相配合，使得燃气气流能够顺畅
进入可变截面燃气混合器内，降低燃气进入可变截面燃气混合器的流动阻力，从而推动叶
片3以不同旋转速度运动，促进燃气与新鲜空气的混合速率，提高混合均匀性。

[0029] 此外，渐缩圆通道电磁阀8安装在喷嘴安装座4中的渐缩圆通道5内，靠近燃气通道渐变端，渐缩圆通道电磁阀8的开闭，可以控制渐缩圆通道5的通断，从而控制燃气通过燃气
混合器渐缩圆通道17进入可变截面燃气混合器内的速度，进而控制叶片3的旋转速度，最后
实现燃气与新鲜空气混合速率，实现目标工况下燃气与新鲜空气混合速率要求；而此通道
为渐缩圆通道5，燃气气流通过渐缩通道会导致气流加速，提高燃气气流的速度，从而会大
大提高叶片3的旋转速度，从而能够满足高转速情况下燃气与新鲜空气混合时间尺度相对
较小的需求。

[0030] 等截面圆通道电磁阀9安装在喷嘴安装座4中的等截面圆通道6内，靠近燃气通道等截面端，并且与渐缩圆通道电磁阀8错开，等截面圆通道电磁阀9的开闭，可以控制等截面
圆通道6的通断，从而控制燃气通过燃气混合器等截面圆通道18进入可变截面燃气混合器
内的速度；进而控制叶片3的旋转速度，最后实现燃气与新鲜空气混合速率，实现目标工况
下燃气与新鲜空气混合速率要求；而此通道为等截面圆通道6，燃气气流通过等截面通道时
会保持流速，维持叶片3的旋转速度，从而能够满足中转速情况下燃气与新鲜空气混合时间
尺度适中的需求。

[0031] 渐扩圆通道电磁阀10安装在喷嘴安装座4中的渐扩圆通道7内，远离燃气通道渐扩端，并且与渐缩圆通道电磁阀8和等截面圆通道电磁阀9错开，渐扩圆通道电磁阀10的开闭，
可以控制渐扩圆通道7的通断，从而控制燃气通过燃气混合器渐扩圆通道19进入可变截面
燃气混合器内的速度；进而控制叶片3的旋转速度，最后实现燃气与新鲜空气混合速率，实
现目标工况下燃气与新鲜空气混合速率要求；而此通道为渐扩圆通道7，燃气气流通过渐缩
通道会导致气流减速，降低燃气气流的速度，从而会大大减少叶片3的旋转速度，从而能够
满足低转速情况下燃气与新鲜空气混合时间尺度相对较长的需求。

[0032] 第一喷嘴11安装在喷嘴安装座4中，而第一喷嘴进气口12用来外接燃气；

[0033] 第二喷嘴15安装在喷嘴安装座4中，而第二喷嘴进气口16用来外接燃气；

[0034] 第三喷嘴20安装在喷嘴安装座4中，而第三喷嘴进气口21用来外接燃气；

[0035] 第四喷嘴23安装在喷嘴安装座4中，而第四喷嘴进气口24用来外接燃气。

[0036] 第一喷嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23可以用来喷射单一气体，如天然气、氢气、氧气以及其他气体，即四个喷嘴同时喷射单一气体；也可以喷射两种气体(比如
天然气+氢气)，即第一喷嘴11和第三喷嘴20喷射一种气体，第二喷嘴15和第四喷嘴23喷射
另外一种气体，形成两种气体间隔喷射，提高燃气混合速率与混合均匀性；也可以喷射三种
甚至四种气体，满足不同场景下的需求。

[0037] 电控单元22实时采集转速、渐缩圆通道电磁阀8，等截面圆通道电磁阀9，渐扩圆通道电磁阀10，第一喷嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23的信号，根据转速的大小，
控制第一喷嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23喷射脉宽，即燃气喷射量；同时控
制渐缩圆通道电磁阀8，等截面圆通道电磁阀9和渐扩圆通道电磁阀10开闭，从而控制渐缩
圆通道5，等截面圆通道6和渐扩圆通道7的通断，进而实现控制燃气进入可变截面燃气混合
器内的速度；控制叶片3的旋转速度，最后实现燃气与新鲜空气混合速率，实现目标工况下
燃气与新鲜空气混合速率要求。

[0038] 在另外一个实施例中提供了一种可变截面燃气混合器装置的控制方法，具体通过一下方式实现：

[0039] 高转速工况下：需要燃气与空气快速混合，且混合气形成均匀；此时，电控单元22实时采集转速、渐缩圆通道电磁阀8，等截面圆通道电磁阀9，渐扩圆通道电磁阀10，第一喷
嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23的信号，根据高转速工况下对燃气与空气快速
混合需求，控制第一喷嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23喷射脉宽，即燃气喷射
量；同时控制渐缩圆通道电磁阀8开启，等截面圆通道电磁阀9和渐扩圆通道电磁阀10关闭，
从而打开渐缩圆通道5，关闭等截面圆通道6和渐扩圆通道7通断；进而使燃气通过渐缩圆通
道5和燃气混合器渐缩圆通道17进入可变截面燃气混合器内；而此通道为渐缩圆通道5，燃
气气流通过渐缩通道会导致气流加速，提高燃气气流的速度，从而会大大提高叶片3的旋转
速度，从而能够满足高转速情况下燃气与新鲜空气混合时间尺度相对较小的需求。

[0040] 中转速工况下：需要燃气与空气以适中速度混合，且混合气形成均匀；此时，电控单元22实时采集转速、渐缩圆通道电磁阀8，等截面圆通道电磁阀9，渐扩圆通道电磁阀10，
第一喷嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23的信号，根据高转速工况下对燃气与空
气快速混合需求，控制第一喷嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23喷射脉宽，即燃
气喷射量；同时控制等截面圆通道电磁阀9开启，渐缩圆通道电磁阀8和渐扩圆通道电磁阀
10关闭，从而打开等截面圆通道6，关闭渐缩圆通道5和渐扩圆通道7通断；进而使燃气通过
等截面圆通道6和燃气混合器等截面圆通道18进入可变截面燃气混合器内；而此通道为等
截面圆通道6，燃气气流通过等截面通道时会保持流速，维持叶片3的旋转速度，从而能够满
足中转速情况下燃气与新鲜空气混合时间尺度适中的需求。

[0041] 低转速工况下：燃气与空气混合时间尺度相对较长，容易形成混合气均匀；此时，电控单元22实时采集转速、渐缩圆通道电磁阀8，等截面圆通道电磁阀9，渐扩圆通道电磁阀
10，第一喷嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23的信号，根据高转速工况下对燃气
与空气快速混合需求，控制第一喷嘴11、第二喷嘴15、第三喷嘴20和第四喷嘴23喷射脉宽，
即燃气喷射量；同时控制渐扩圆通道电磁阀10开启，渐缩圆通道电磁阀8和等截面圆通道电
磁阀9关闭，从而打开渐扩圆通道7通断，关闭渐缩圆通道5和等截面圆通道6；进而使燃气通
过渐扩圆通道7和燃气混合器渐扩圆通道19进入可变截面燃气混合器内；而此通道为渐扩
圆通道7，燃气气流通过渐缩通道会导致气流减速，降低燃气气流的速度，从而会大大减少
叶片3的旋转速度，从而能够满足低转速情况下燃气与新鲜空气混合时间尺度相对较长的
需求。

[0042] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相
一致的最宽的范围。