CN103573398A

CN103573398A - 一种天然气发动机

Info

Publication number: CN103573398A
Application number: CN201210261033.2A
Authority: CN
Inventors: 沈捷; 冯静; 覃文; 覃壮革
Original assignee: Guangxi Yuchai Machinery Co Ltd
Current assignee: Guangxi Yuchai Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明公开了一种天然气发动机，包括气缸和气缸盖，还包括：火焰喷射器组件，设于气缸盖中的进、排气门之间，包括喷射器本体和喷射器头部，所述喷射器本体中安装有火花塞，喷射器本体侧壁设有进燃气口，喷射器头部为中空腔体结构，腔体为喷射器的燃烧间，燃烧间与进燃气口相连通，喷射器头部设有火焰喷射口并伸入气缸的燃烧室；天然气主路，其将天然气与新鲜空气混合形成稀混合气，天然气主路与气缸燃烧室对接并由进气门控制稀混合气的进气；天然气分路，其与喷射器的燃烧间对接并将纯天然气输送至燃烧间内；火花塞适时点燃喷射器燃烧间内的纯天然气，燃烧间内的火焰从火焰喷射口喷出并点燃气缸燃烧室中的稀混合气进而推动气缸内活塞做功。本发明可通过以较低的点火能量实现快速、稳定的稀混合气燃烧。

Description

一种天然气发动机

技术领域

本发明涉及发动机领域，特别涉及一种天然气发动机的结构和构造。

背景技术

传统的天然气发动机通常采用开式燃烧室，即火花塞直接点燃燃烧室里的燃气和空气的混合气。且只有一路进气，即新鲜空气和燃气通过混合器混合后进入进气管，再通过气缸盖气道分别进入各个气缸。

上述天然气发动机的结构和工作原理存在诸多缺点：所能达到的混合气稀混合燃烧程度有限，由于气缸内的混合气直接由火花塞点燃，需要很高的点火能量，对火花塞可靠性和耐久性要求苛刻，且燃烧和火焰传播不稳定，易发生失火。另外，结构上，为了保证压缩比，相对于柴油机而言，需要增大燃烧室的容积，因此，要么设计结构复杂的带部分燃烧室的天然气发动机专用气缸盖，要么在柴油机结构基础上尽量加大活塞容积，从而影响活塞可靠性。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术中缺陷，可通过以较低的点火能量实现快速、稳定的稀混合气燃烧，且结构简单、可靠性高，可实现气体发动机的复合分级燃烧。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种天然气发动机，包括气缸和气缸盖，还包括：火焰喷射器组件，与气缸数量相对应且设于气缸盖中的进、排气门之间，包括喷射器本体和喷射器头部，所述喷射器本体中安装有火花塞，喷射器本体侧壁设有进燃气口，喷射器头部为中空腔体结构，腔体为喷射器的燃烧间，燃烧间与进燃气口相连通，喷射器头部设有火焰喷射口并伸入气缸的燃烧室；天然气主路，其将天然气与新鲜空气混合形成稀混合气，天然气主路与气缸燃烧室对接并由进气门控制稀混合气的进气；天然气分路，其与喷射器的燃烧间对接并将纯天然气输送至燃烧间内；火花塞适时点燃喷射器燃烧间内的纯天然气，燃烧间内的火焰从火焰喷射口喷出并点燃气缸燃烧室中的稀混合气进而推动气缸内活塞做功。

上述技术方案中，天然气发动机通过控制器采集曲轴、凸轮轴的相位关系，配合凸轮轴对进、排气门的控制，进而控制天然气的喷射时刻、喷射量以及火花塞的点火时刻。

上述技术方案中，天然气分路上设有副喷嘴组件和用于控制天然气单向流动的止回阀，纯天然气经副喷嘴组件以及止回阀进入火焰喷射器的燃烧间。

上述技术方案中，天然气分路通过燃气连接管与喷射器本体的进燃气口密封连接，该密封可采用锥面密封。

上述技术方案中，天然气主路上设有用于将纯天然气和新鲜空气进行混合的混合器。

上述技术方案中，天然气主路的新鲜空气进口处设有节气门。

上述技术方案中，气缸中的活塞顶面设有碗状燃烧室，气缸盖底面设有倒扣的浅盘状燃烧室，碗状燃烧室和倒扣的浅盘状燃烧室共同构成完整的天然气发动机的苹果型燃烧室。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在经过简单、独特的结构设计改造，结合火焰喷射器（FIS），通过分路进气，相继燃烧模式可有效优化发动机的缸内点火燃烧；

2、通过小的点火能量即可点燃小燃烧间里的浓混合气（分路的纯天然气进入喷射器燃烧间后，与从气缸通过火焰喷射孔进入燃烧间的少量稀混合气中和，形成比气缸燃烧室混合气浓度大得多，比纯天然气稍稀薄的浓混合气。），再由燃烧火焰点燃气缸内的稀混合气，拓宽发动机的稀燃极限，加快初始燃烧速度，降低热负荷，减少尾气排放量，特别是对环境危害较大的NOx排放量；

3、同时可降低点火能量需求，提升火花塞耐久性，延长火花塞使用寿命，降低发动机成本和用户的使用维护成本。

附图说明

图1是本发明天然气发动机的系统结构示意图。

结合附图在其上标记以下附图标记：

1-火焰喷射器组件；2-气缸盖；3-火花塞；4-螺套；5-燃气连接管；6-止回阀；7-副喷嘴组件；8-控制器；9-主喷嘴组件；10-节气门；11-混合器；12-进气管；13-进气门，13A-排气门；14-活塞；15-碗形燃烧室；16-倒扣浅盘状燃烧室。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明的天然气发动机在现有柴油机技术的基础上，采用火焰喷射技术（FIS），在经过简单、独特的结构设计、改造的情况下，通过分路进气，采用独创的火焰喷射器结构，实现火花点燃浓混合气，再由火焰点燃气缸中稀混合气的相继燃烧模式。应用于天然气发动机上，可提高天然气发动机气缸内混合气的过量空气系数，拓宽混合气的浓度范围；可优化发动机的缸内燃烧，达到在解决失火及爆震前提下，实现天然气发动机的稀混合稳定燃烧；可提高发动机的压缩比，提高发动机的热效率，提高功率，而且降低了尾气NO_X排放。

如图1所示，本发明的天然气发动机包括气缸和设置在气缸上部的气缸盖2。气缸中活塞上部的碗形燃烧室15和气缸盖2底面上的倒扣浅盘形燃烧室16共同组成了本发明天然气发动机的苹果型燃烧室。气缸盖2中的进、排气道的相应位置处设有进气门13和排气门13A，用于发动机的进、排气控制。进气门13、排气门13A之间设有火焰喷射器组件1，火焰喷射器组件1包括喷射器本体和喷射器头部，喷射器头部为一中空的腔体，该腔体作为火焰喷射器组件1内部的燃烧间，该燃烧间设有与前述苹果型燃烧室的贯通的火焰喷射孔。火焰喷射器组件1的本体内设有火花塞3，火花塞3的电极伸入前述火焰喷射器组件1内部的燃烧间内。火焰喷射器组件1的尾部设有螺套4，螺套4的作用是把火焰喷射器组件1紧紧压在气缸盖2的安装孔内。安装火焰喷射器组件1时，其穿过气缸盖2的冷却水套（属现有技术，图中未示出），头部伸出气缸盖2的底面（即伸入气缸、气缸盖的燃烧室中），由于火焰喷射器组件1安装后浸入在冷却水套的冷却水中，因此需要用铜垫和O形圈（图中未示出）将燃气和水隔离密封。

本发明的燃气通路为两路，如图1所示，其中一路（即主路）进入主喷嘴组件9（主喷嘴组件不一定要与气缸数量相对应，只依据进气流量定喷嘴数量即可），进一步通过混合器11与新鲜空气混合并进入进气管12，进气管中混合后的稀混合气通过进气门13的控制可进入由碗形燃烧室和倒扣浅盘状燃烧室组合成的苹果型燃烧室，该路新鲜空气的进入量和进入速度由节气门10控制；另一路（即分路）依次经过副喷嘴组件7和止回阀6通过燃气连接管5（该燃气连接管5安装在气缸盖2上）进入火焰喷射器组件1中的前述燃烧间。进入该燃烧间的第二路天然气为纯天然气，因此点火效率非常高，在燃烧间形成火焰，火焰从火焰喷射器组件1头部的喷射孔喷出，进而点燃从进气门13进入苹果型燃烧室的稀混合气。止回阀6安装在燃气连接管5入口处，可防止燃气回流，燃气连接管5的出口对正火焰喷射器组件1的燃气入口，并利用锥面密封（即球面与锥面形成的线密封）。

发动机的工作过程如下：主路的主喷嘴组件9在控制器8的控制下喷出大量天然气，天然气进入混合器11，与从节气门10进来的新鲜空气混合后通过进气管12，由凸轮控制的进气门13打开，混合气进入燃烧室；分路的副喷嘴组件7由控制器8控制其喷射少量的天然气，通过燃气连接管5进入火焰喷射器组件1的燃烧间内；在控制器8的控制下，火花塞3适时的点燃燃烧间内的浓混合气（纯天然气与来自气缸燃烧室的少量稀混合气混合），产生的火焰从火焰喷射器组件1的头部喷射到燃烧室内，进一步点燃燃烧室内的稀混合气体，产生压力，从而推动活塞14做功。

控制器8采集曲轴、凸轮轴（图中未示出）的相位关系，配合凸轮轴对气门（即进气门13、排气门13A）的控制，控制天然气的喷射时刻及喷射量，控制火花塞的点火时刻。具体控制过程如下：与柴油机一样，发动机为四冲程：进气、压缩、做功、排气。曲轴转动两圈完成一个循环，每冲程持续180°曲轴转角（记为180°CA，后同）。两路进气基本上是同时打开与关闭的（根据具体标定可能稍有差别），进气开始时刻在进气冲程上止点后2°CA附近，进气关闭时刻在进气冲程下止点25°CA附近。进气冲程结束后，就开始压缩冲程，燃烧室的混合气或天然气在活塞压缩下，压力温度升高，在压缩冲程下止点前约10°CA，火花塞3点燃天然气，随之进入做功冲程，燃气压力推动活塞运动做功，在做功冲程下止点前约50°CA，排气门打开，开始排气，然后又开始进气冲程，周而复始。需要说明的是具体的角度是根据标定而定的。而控制器对曲轴转角度数的判定是通过传感器分别对曲轴信号盘和凸轮轴信号盘作信号采集，曲轴与凸轮轴的转速比例关系为2:1（曲轴转动两周完成一个循环，驱动气门的凸轮轴只转动一周），控制器采集两信号盘的信号（信号盘的信号齿与曲轴、凸轮轴的角度关系是确定的），根据速比关系就可以判断出发动机的上止点。

本发明涉及天然气发动机领域，该项技术在现有柴油机技术的基础上，在经过简单、独特的结构设计改造，结合本申请的火焰喷射器（FIS），通过分路进气，相继燃烧模式有效优化发动机的缸内点火燃烧；用小的点火能量点燃小燃烧间里的浓混合气，再由燃烧火焰点燃气缸内的稀混合气，拓宽发动机的稀燃极限，加快初始燃烧速度，降低热负荷，减少尾气排放量，特别是对环境危害较大的NOx排放量；同时降低点火能量需求，提升火花塞耐久性，延长火花塞使用寿命，降低发动机成本和用户的使用维护成本。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种天然气发动机，包括气缸和气缸盖，其特征在于，还包括：

火焰喷射器组件，与气缸数量相对应且设于所述气缸盖中的进、排气门之间；包括喷射器本体和喷射器头部，所述喷射器本体中安装有火花塞，喷射器本体侧壁设有进燃气口，喷射器头部为中空腔体结构，所述腔体为喷射器的燃烧间，所述燃烧间与进燃气口相连通，喷射器头部设有火焰喷射口并伸入所述气缸的燃烧室；

天然气主路，其将天然气与新鲜空气混合形成稀混合气，天然气主路与所述气缸燃烧室对接并由进气门控制所述稀混合气的进气；

天然气分路，其与所述喷射器的燃烧间对接并将纯天然气输送至所述燃烧间内；

所述火花塞适时点燃所述喷射器燃烧间内的纯天然气，燃烧间内的火焰从所述火焰喷射口喷出并点燃所述气缸燃烧室中的稀混合气进而推动气缸内活塞做功。

2.根据权利要求1所述的天然气发动机，其特征在于，所述天然气发动机通过控制器采集曲轴、凸轮轴的相位关系，配合所述凸轮轴对进、排气门的控制，进而控制天然气的喷射时刻、喷射量以及所述火花塞的点火时刻。

3.根据权利要求1或2所述的天然气发动机，其特征在于，所述天然气分路上设有副喷嘴组件和用于控制天然气单向流动的止回阀，纯天然气经所述副喷嘴组件以及止回阀进入所述火焰喷射器的燃烧间。

4.根据权利要求3所述的天然气发动机，其特征在于，所述天然气分路通过燃气连接管与所述喷射器本体的进燃气口密封连接，所述密封采用锥面密封。

5.根据权利要求1或2所述的天然气发动机，其特征在于，所述天然气主路上设有用于将纯天然气和新鲜空气进行混合的混合器。

6.根据权利要求5所述的天然气发动机，其特征在于，所述天然气主路的新鲜空气进口处设有节气门。

7.根据权利要求1或2所述的天然气发动机，其特征在于，所述气缸中的活塞顶面设有碗状燃烧室，所述气缸盖底面设有倒扣的浅盘状燃烧室，所述碗状燃烧室和倒扣的浅盘状燃烧室共同构成完整的、天然气发动机的苹果型燃烧室。