CN103696851A - 低热质缸内直喷燃气发动机及做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明为低热质缸内直喷燃气发动机及做功方法，设置有燃气控制系统，燃气控制系统包括配气装置、燃气阀控制机构、燃气控制阀、空气控制阀。燃气控制系统根据尾气检测装置检测到的尾气排气情况，分别控制燃气进气控制阀及空气进气控制阀的开启大小。本发明的做功方法采取延长进、排气门开启时间，分别提前打开和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，达到进气充足，排气彻底，克服了低热值气体燃料在进气混合时就占有一定体积的缺陷，提高进气率，增大发动机的输出功率，从而提高低热质燃气发动机的动力性。

Description

低热质缸内直喷燃气发动机及做功方法

技术领域

本发明涉及低热质缸内直喷气体的往复式活塞发动机及做功方法。 

背景技术

1、低热质燃气主要为含有可燃性气体，但可燃性气体成份偏少，含量不稳定，可燃性气体在其中的含量低至20％-70％的混合气体，包括沼气、桔杆气、高炉尾气、磺磷尾气、煤层气等。这些气体一般作为生活使用，或者经过复杂处理，提升其可燃气体含量后再使用，甚至有的还因为无法利用而直接排放。因可燃性成份低且不稳定，所以极少用作发动机的做功。德国西门子公司专门设计有低热质气体发动机，但该低热质气体发动机的使用条件要求高，所使用的低热质气体必须经过预处理，让可燃性气体在达到一定的含量并保持稳定，这就不可避免地增加了气体处理的成本和过程，也就直接地增加了低热质气体发动机工作的成本。 

2、现有的燃气机是将空气与燃气按一定的比例在缸外混合成良好的混合气，在吸气冲程中被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程燃气机在进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。 

(1)吸气冲程：活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。曲轴从0°旋转28°用混合好的可燃气体将残余废气扫出进入排气系统，此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°，造成8％-20％可燃气体损失，因为低热值气体燃料是气体，在进入气缸前可燃气体合空气按一定比列混合，因可燃气体占有一定体积的缺陷，进气率低。 

(2)压缩冲程：压缩冲程时进气门、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力pc可达800～2000kPa，温度达600～750K。 

(3)做功冲程：当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温迅速提高。燃烧最高压力pZ达3000～6000kPa，温度TZ达2200～2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，到达一定位置时，其压力降至300～500kPa，温度降至1200～1500K。在做功冲程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。 

(4)排气冲程：排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用，排气终点r点的压力稍高于大气压力，即pr=(1.05～1.20)p0。排气终点温度Tr=900～1100K。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。 

现有燃气发动机工作时曲轴的转速很高，活塞在每一冲程所经历的时间很短，转速为1500r/min的燃气发动机，活塞一个冲程所经历的时间仅为60/1500÷2=0.15s，转速再高的燃气发动机，其活塞一个冲程所经历的时间则更短。进气门和排气门这样短的开启时间，会使燃气发动机(汽缸)充气不足、排气不净，导致燃气发动机的功率得不到应有的发挥。 

现在缸外预混合发动机技术无法做到最大容量空气进气量、因为低热值气体燃料是气体，在进入气缸前可燃气体合空气按一定比列混合，因可燃气体占有一定体积的缺陷，进气率低，发动机的输出功率也低。 

现在缸外预喷发动机扫气采用含有可燃性气体的混合气体扫除残余废气，这就需要浪费一部分可燃性气体，降低了燃气利用率。 

综合以上所述，我们需要重新设计调整发动机的结构及配气方法，以达到能够直接使用低热质可燃气体。 

发明内容

为了克服以上缺陷，提高燃气经济性，提高低热质可燃气体做功效率，减少低热质可燃气体用作发动机做功的使用成本，本发明提出了一种低热质缸内直喷燃气发动机及做功方法。 

低热质缸内直喷燃气发动机，包括曲轴、气缸、缸盖、排气系统、点火系统，它还设置有燃气控制系统，燃气控制系统包括配气装置、燃气阀控制机构、燃气控制阀、空气控制阀。燃气控制系统用于控制空气控制阀及燃气控制阀的开启大小；燃气阀控制机构与燃气阀连接，控制燃气阀的精准开启与关闭。 

燃气控制阀设置在燃气总管处，经燃气控制阀调整后的燃气输送系统与燃气阀连接，燃气阀设置在气缸的缸盖上。 

空气进气控制阀设置在空气滤清器与空气进气管之间，空气经进气管与气缸盖的进气阀门连接。 

燃气控制系统与尾气检测装置连接，尾气检测装置设置在排气系统中。 

燃气控制系统根据尾气检测装置检测到的尾气排气情况，分别控制燃气进气控制阀及 空气进气控制阀的开启大小，得到设定的空燃比。 

低热质缸内直喷燃气发动机的做功方法，包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。 

1、进气冲程：活塞到达上止点前，空气进气门开启，汽缸内吸入纯空气；活塞开始由上止点向下运动，曲轴由0°转至35°的过程中，关闭排气门，完成用纯空气将上一次做功留下的残余废气扫除气缸；活塞继续运动，越过下止点，曲轴旋转至200°至260°区间时，进气门关闭，完成进气冲程； 

2、压缩冲程：活塞从下止点向上运动，曲轴转动至200°-360°区间，燃气控制系统工作，通过缸盖上的燃气进气阀向缸内喷射设定的低热质可燃气体，缸内压力升高至设定值时，燃气控制系统停止向缸内喷射低热质可燃气体； 

3、做功冲程：当压缩冲程趋近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高；冲击活塞向上止点运动，带动曲轴旋转； 

4、排气冲程：做功冲程中，曲轴由0°旋转至100°至130°区间时，排气门开启，开始排气，活塞越过下止点，到达上止点，再越过上止点，直至曲轴由0°转至35°的过程中，关闭排气门，完成用纯空气将上一次做功留下的残余废气扫除气缸； 

5、燃气控制系统：设定发动机正常工作时，排气中所含氧气含量的值；通过尾气检测装置，检测排气系统排出的气体中氧含量，当排出气体中氧含量偏离设定值0.05％后，调节空气进行阀与燃气进气阀开启量的大小，达到调节空气与燃气进气的比值。 

有益效果： 

本发明在扫气过程中，吸入纯空气，利用纯空气进行扫气，避免燃气浪费，提高燃料经济性，做功效率，并减少尾气排放。 

由于缸内直喷燃气机吸入的是纯空气，所以其进气系统阻力较小，进气终点压力pa=(0.85～0.95)p0。 

低热质缸内直喷燃气发动机采取延长进、排气门开启时间的方法，即进气门的开启和关闭时刻并不恰好是在活塞位于进气冲程上止点和下止点的时刻；排气门的开启和关闭也不恰好是在活塞位于排气冲程下止点和上止点的时刻，而是分别提前打开和延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，达到进气充足，排气彻底，克服了低热值气体燃料在进气混合时就占有一定体积的缺陷，提高进气率，增大发动机的输出功率，从而提高低热质燃气发动机的动力性。 

燃气控制系统实时检测尾气排放的物质含量，以分析低热质燃气的热质大小，并控制燃气控制阀的开启大小，控制空气控制阀的开启大小，得道空气与可燃气体的比值，以实 时调节发功机做功过程的稳定。达到低热质气体的热质变化下，不影响发动机正常做功。 

具体实施方式：

图1是本发明结构示意图。 

本发明的低热质气体发动机的尾气检测装置主要检测所排放的尾气中氧的含量，以判定当前低热质气体的热质条件下，空气与可燃气体的配比是否合理。尾气检测装置可以为任意能够在极短时间内或者瞬间分析出尾气中可燃气体是否充分燃烧的装置。 

本发明的进气系统为纯空气进气。 

燃气控制系统通过电路系统与燃气控制阀连接。 

燃气阀设置在气缸的缸盖上，通过独立燃气通道，与高压燃气系统相连。 

尾气检测装置与燃气控制系统相连接，燃气控制系统分别与燃气控制阀、空气控制阀连接，尾气检测装置设置在排气系统中，空气控制阀与气缸上的空气气门连接。 

在实际生产使用中，燃气阀控制机构为机械控制机构，设置有驱动齿轮系统、专用驱动机构，以精准控制燃气阀的开启与关闭。 

燃气控制系统为ECU电子控制系统，通过专用尾气传感器检测的氧含量，配气装置内的预设氧含量值进行对比，当检测到的氧含量与预设值偏差达到0.05％后，调整燃气控制阀与空气控制阀的开启大小。当排放氧含量增加时，表明进入缸内参加燃烧的可燃气体偏低，即可燃性气体含量比值下降。根据能量守恒原则，需保持气缸内可燃性气体的含量，这就需要调节燃气控制阀，增加低热质气体进气量，以保证发动机做功能力。同时调节空气控制阀，减小空气进气量，以保持气缸内压力。 

燃气控制系统内设置有配气装置，燃气控制系统是通过配气装置控制空气控制阀及燃气控制阀的开启大小的。 

燃气阀是将高压低热质燃气向缸内进行喷射，受凸轮机构控制。凸轮机构随着曲轴的转动角度大小驱动燃气阀的开启及关闭。 

点火系统用于在准确的时机向缸内的压缩冲程中形成高温高压可燃气体点火。 

本发明的缸内直喷低热质燃气发动机的做功方法，包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。 

本具体实施方式的描述中，设活塞处于上止点时，曲轴处于0°度位置；随着活塞向下止点运动，到达下止点再向上止点运动的过程中，曲轴顺时针从零度旋转至180°，再从180°度旋转至360°，或者为旋转一周(360°)后，归于0°。 

1、进气冲程：活塞到达上止点前，曲轴由345至0°这一区间，空气进气门提前开启，汽缸内吸入纯空气；活塞开始由上止点向下运动，曲轴由0°转至35°的过程中，关闭排气门，完成用纯空气将上一次做功留下的残余废气扫除气缸；活塞继续运动，越过下止点， 曲轴旋转至200°至260°区间时，进气门关闭，完成进气冲程。 

由于缸内直喷燃气机进气系统阻力较小，进气终点压力pa=(0.85～0.95)p0。 

2、压缩冲程：活塞从下止点向上运动，曲轴转动至200°-360°区间，燃气控制系统工作，通过燃气进气阀向缸内喷射低热质可燃气体，缸内压力升高至设定值时，高压燃气控制系统停止向缸内喷射低热质可燃气体。 

3、做功冲程：当压缩冲程趋近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高；冲击活塞向上止点运动，带动曲轴旋转。 

4、排气冲程：做功冲程中，曲轴由0°旋转至100°至130°区间时，排气门开启，开始排气，活塞越过下止点，到达上止点，再越过上止点，直至曲轴由0°转至35°的过程中，关闭排气门，完成用纯空气将上一次做功留下的残余废气扫除气缸。低热质缸内直喷燃气发动机的排气冲程与现有燃气机排气冲程基本相同，没有可燃气体进入排气系统，只是排气温度比燃气机低。 

Claims (2)

1.低热质缸内直喷燃气发动机，包括曲轴、气缸、缸盖、排气系统、点火系统，其特征在于，

它还设置有燃气控制系统，燃气控制系统包括配气装置、燃气阀控制机构、燃气控制阀、空气控制阀。燃气控制系统用于控制空气控制阀及燃气控制阀的开启大小；燃气阀控制机构与燃气阀连接，控制燃气阀的精准开启与关闭；

燃气控制阀设置在燃气总管处，经燃气控制阀调整后的燃气输送系统与燃气阀连接，燃气阀设置在气缸的缸盖上；

空气进气控制阀设置在空气滤清器与空气进气管之间，空气经进气管与气缸盖的进气阀门连接；

燃气控制系统与尾气检测装置连接，尾气检测装置设置在排气系统中；

燃气控制系统根据尾气检测装置检测到的尾气排气情况，分别控制燃气进气控制阀及空气进气控制阀的开启大小，得到设定的空燃比。

2.低热质缸内直喷燃气发动机的做功方法，包括进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，其特征在于，

(1)、进气冲程：活塞到达上止点前，空气进气门开启，汽缸内吸入纯空气；活塞开始由上止点向下运动，曲轴由0°转至35°的过程中，关闭排气门，完成用纯空气将上一次做功留下的残余废气扫除气缸；活塞继续运动，越过下止点，曲轴旋转至200°至260°区间时，进气门关闭，完成进气冲程；

(2)、压缩冲程：活塞从下止点向上运动，曲轴转动至200°-360°区间，燃气控制系统工作，通过缸盖上的燃气进气阀向缸内喷射设定的低热质可燃气体，缸内压力升高至设定值时，燃气控制系统停止向缸内喷射低热质可燃气体；

(3)、做功冲程：当压缩冲程趋近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高；冲击活塞向上止点运动，带动曲轴旋转；

(4)、排气冲程：做功冲程中，曲轴由0°旋转至100°至130°区间时，排气门开启，开始排气，活塞越过下止点，到达上止点，再越过上止点，直至曲轴由0°转至35°的过程中，关闭排气门，完成用纯空气将上一次做功留下的残余废气扫除气缸；

(5)燃气控制系统：设定发动机正常工作时，排气中所含氧气含量的值；通过尾气检测装置，检测排气系统排出的气体中氧含量，当排出气体中氧含量偏离设定值0.05％后，调节空气进行阀与燃气进气阀开启量的大小，达到调节空气与燃气进气的比值。