CN110905655A - 一种点燃式甲醇发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种点燃式甲醇发动机，属于发动机技术领域，包括与水冷柴油发动机设置一致的曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、冷却系统、润滑系统、启动和电器系统以及包括曲轴箱的固定件，还包括甲醇供给系统、进气系统、排气系统和控制系统，甲醇供给系统包括甲醇喷嘴和甲醇轨管，进气系统包括进气管、进气连通管和进气歧管垫块，进气管的一端设置在进气连通管的中部，进气管的另一端设有节气门，进气歧管垫块一端连接进气连通管，另一端连接缸盖，甲醇轨管的一端连接进气连通管，甲醇轨管的下侧设有甲醇喷嘴，甲醇喷嘴的另一端通过进气歧管垫块接入缸盖内部的进气道。本发明以水冷发动机为基础进行改进，整机结构设置合理。

Description

一种点燃式甲醇发动机
技术领域
本发明涉及一种点燃式甲醇发动机，属于发动机技术领域。
背景技术
现有的水冷柴油发动机以柴油为燃料，随着大气污染越来越严重，排放法规越来越严，水冷柴油发动机相对较差的排放对其发展也提出了新的挑战，而甲醇燃料具有热效率高、比功率高、排放较低等优点。由于其辛烷值高，因而能够在高压缩比下运行而不会产生过早点火引起爆震；它的高汽化潜热能使充气密度提高；以及由于燃烧速度较高而允许较稀或非常稀的混合气下运行，燃烧噪音降低。
为适应市场需求，满足国内外日益严苛的排放法规要求，节能环保型的甲醇发动机将成为今后发动机发展的必然趋势。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种水冷柴油发动机改装成的点燃式甲醇发动机。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种点燃式甲醇发动机，包括与水冷柴油发动机设置一致的曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、冷却系统、润滑系统、启动和电器系统以及包括曲轴箱的固定件，还包括甲醇供给系统、进气系统、排气系统和控制系统，甲醇供给系统包括甲醇喷嘴和甲醇轨管，进气系统包括进气管、进气连通管和进气歧管垫块，进气管的一端设置在进气连通管的中部，进气管的另一端设有节气门，进气歧管垫块一端连接进气连通管，另一端连接缸盖，甲醇轨管的一端连接进气连通管，甲醇轨管的下侧设有甲醇喷嘴，甲醇喷嘴的另一端通过进气歧管垫块接入缸盖内部的进气道，排气系统包括设置在缸盖下端的排气管，排气管连接缸盖内部的排气道。
本发明技术方案的进一步改进在于：进气歧管垫块与进气连通管的连接处设有截面积垫片，截面积垫片的中部设有两个方形的通气孔，截面积垫片材质为铝，厚度为1.5mm-2.5mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：甲醇喷嘴到进气歧管垫块与缸盖接合面距离为20mm-30mm，甲醇喷嘴与缸盖进气道的夹角为40°-50°，进气道为竖直结构。
本发明技术方案的进一步改进在于：甲醇供给系统还包括用于将甲醇燃料由供料箱运送至甲醇轨管的甲醇供给泵、用于过滤甲醇中的颗粒杂质的粗过滤器和精过滤器、压力传感器和甲醇流量控制阀，压力传感器和甲醇流量控制阀连接控制系统。
本发明技术方案的进一步改进在于：排气系统还包括带有中间体以及放气阀的增压器，增压器设置于排气管另一端的连接处，发动机的缸盖上安装火花塞，增压器连接控制系统。
本发明技术方案的进一步改进在于：进气歧管垫块为两端开口的中空结构。
本发明技术方案的进一步改进在于：甲醇轨管为304不锈钢材质。
本发明技术方案的进一步改进在于：进气连通管为U形结构，开口端对应增压器。
本发明技术方案的进一步改进在于：曲柄连杆机构包括活塞，活塞的燃烧室为浅盆型，活塞在燃烧室工作时的压缩比为11.5:1。
本发明技术方案的进一步改进在于：缸盖上设有呼吸器，呼吸器为对称设置的两个。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明甲醇发动机燃料供给方式为进气歧管预混合，甲醇喷嘴安装于各缸进气歧管垫块上，在原水冷柴油发动机的基础上进气系统增加进气歧管垫块，进气歧管垫块的使用相比原水冷柴油发动机的进气歧管长度和容积均有增加，减小了因气流作用引起的甲醇燃料流串，同时为甲醇与空气的混合提供了空间，而截面积垫块的使用，可以调节不同气缸的进气量，因截面积垫片上设有两个方形的通气孔，通过改变通气孔的截面积，来改变各个气缸的进气量，使各缸空燃比基本保持一致。
甲醇喷嘴到进气歧管垫块与缸盖接合面距离为20mm-30mm，甲醇喷嘴与缸盖进气道的夹角为40°-50°，能够使甲醇喷束离进气门的距离最近，最大限度避免缸盖进气道壁湿，而通过设置甲醇轨管，用于储存分配具有一定压力的甲醇，轨管使用304不锈钢材质能防止甲醇对甲醇轨管的腐蚀。
进气连通管的中间设有进气管，空气从进气连通管的中间进气，使进气连通管两侧的进气更加均匀，保证了整个发动机的稳定性，而发动机采用双呼吸器结构，更便于排除曲轴箱内的废气。
附图说明
图1是本发明正视图；
图2是本发明结构示意图；
图3是本发明左侧视图；
图4是本发明上视图；
其中，1、呼吸器，2、进气歧管垫块，3、截面积垫片，4、甲醇喷嘴，5、甲醇轨管，6、进气连通管，7、进气管，8、节气门，9、增压器，10、缸盖，11、排气管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明一种点燃式甲醇发动机，该发动机是对现有的水冷柴油发动机进行了改进，使其能够以甲醇为燃料进行能量的转化。下面结合具体的实施例做进一步的说明：
现有的水冷柴油发动机是以柴油为燃料的，水冷柴油发动机的固定件主要包括曲轴箱、油底壳、飞轮壳、附件托架、缸套、缸盖、曲轴箱通气装置、支腿等；曲柄连杆机构主要包括活塞组、连杆组、曲轴、飞轮、减震器、皮带轮等；配气机构主要包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门等；传动机构包括曲轴前端传动和曲轴后端传动两部分，曲轴前端传动由曲轴齿轮、中间齿轮、水泵齿轮、压回油泵齿轮组成，曲轴后端传动包括正时齿轮；冷却系统采用水作为冷却介质，冷却水从附件托架上的水泵压出，一路经过机油散热器进入曲轴箱右侧，一路经水道直接进入曲轴箱左侧，在曲轴箱上两路相通，冷却水先冷却曲轴箱，然后冷却缸盖，最后回到水泵处，整个过程为一个内循环系统，主要包括冷却水泵、节温器、散热器、冷却风扇等；润滑系统采用内油道，主要润滑方式有三种为飞溅、压力、复合式润滑，主要包括吸油管、压油泵、机油滤清器、机油散热器、调压阀等；启动和电器系统，起动为电启动，电器部分包括发电机、转速传感器、机油压力传感器、机油温度传感器、水温传感器等。
本发明是将水冷柴油发动机改进为甲醇发动机，为了使其能够变为以甲醇为燃料的甲醇发动机，对其进行了改进，主要是将燃油供给系统改成了甲醇供给系统，并配合控制系统、进气系统和排气系统的改进，其他的主要功能部件与水冷柴油发动机的结构相同。
如图1至图4所示，本发明一种点燃式甲醇发动机，包括与水冷柴油发动机设置一致的曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、冷却系统、润滑系统、启动和电器系统以及包括曲轴箱的固定件，还包括甲醇供给系统、进气系统、排气系统和控制系统，甲醇供给系统主要用于提供甲醇来作为发动机的燃料，进气系统、排气系统指空气的进气和排气，空气与甲醇混合后进行燃烧。
进气系统包括进气管7、进气连通管6和进气歧管垫块2，进气歧管垫块2一端连接进气连通管6，另一端连接缸盖10，进气歧管垫块2为两端开口的中空结构，进气管7的一端设置在进气连通管6的中部，进气管7的另一端设有节气门8，进气连通管6为U形结构，开口端对应增压器9，进气连通管6的中间设有进气管7，空气从进气管7进入进气连通管6的中间，空气从进气连通管6的中间进入进气连通管6的两侧，相对于空气从进气连通道6的一侧进气更加均匀，保证了整个发动机的稳定性，排气系统包括设置在缸盖10下端的排气管11，排气管11连接缸盖10内部的排气道，排气系统还包括带有中间体以及放气阀的增压器9，增压器9设置于排气管11另一端的连接处，增压器9利用甲醇燃烧后的废气进行增压，从而提供更为充足的空气，保证甲醇的充分燃烧，发动机的缸盖上安装火花塞，火花塞将燃气点燃，增压器9连接控制系统。
甲醇供给系统包括甲醇喷嘴4和甲醇轨管5，甲醇轨管5为相对甲醇发动机对称设置的两个，甲醇轨管5的一端连接进气连通管6，而甲醇轨管5的另一端连接另一个甲醇轨管5，甲醇轨管5的下侧设有甲醇喷嘴4，甲醇喷嘴4的另一端通过进气歧管垫块2接入缸盖10内部的进气道，甲醇轨管5为304不锈钢材质。本发明甲醇发动机燃料供给方式为进气歧管预混合，甲醇喷嘴4安装于各缸进气歧管垫块2上，在原水冷柴油发动机的基础上进气系统增加进气歧管垫块2，进气歧管垫块的使用相比原水冷柴油发动机的进气歧管长度和容积均有增加，减小了因气流作用引起的甲醇燃料流串，同时为甲醇喷嘴4中喷出的甲醇与进气连通管6中流入空气的混合提供了空间。
甲醇一般以液态形式存在于常温环境，其气化点温度在60度，甲醇供给系统中甲醇轨管5内的压力一般设定为5bar，才能保证由甲醇喷嘴4喷出高度雾化的甲醇燃料喷束，而甲醇燃料喷束通过甲醇喷嘴4喷出后会碰到缸盖内部进气道的内壁上，这样就会有一部分甲醇液化成小液滴，这种现象成为壁湿，为了避免湿壁造成的燃料浪费以及燃烧不充分，甲醇喷嘴4到进气歧管垫块2与缸盖10接合面距离为20mm-30mm，最优距离为25mm，甲醇喷嘴4与缸盖10进气道的夹角为40°-50°，其中最优夹角为45°，进气道为竖直结构。
本发明其中一个主要的改进之处在于甲醇供给系统代替燃油供应系统，甲醇供给系统还包括用于将甲醇燃料由供料箱运送至甲醇轨管5的甲醇供给泵、用于过滤甲醇中的颗粒杂质的粗过滤器和精过滤器、压力传感器和甲醇流量控制阀，压力传感器和甲醇流量控制阀连接控制系统，压力传感器的设置能够监控进入甲醇轨管5中的甲醇的压力，而甲醇流量控制阀的设置，能够控制进入甲醇轨管5中的甲醇流量，使发动机运转更加平稳。
甲醇发动机设置6个或12个气缸，所有的气缸分两排成为90°V型结构排列，为了调整调节各气缸的空气进气流量，保证各气缸空燃比基本保持一致，进气歧管垫块2与进气连通管6的连接处设有截面积垫片3，截面积垫片3的中部设有两个方形的通气孔，截面积垫块3的使用，可以调节不同气缸的进气量，因截面积垫片上设有两个方形的通气孔，通过改变通气孔的截面积，来改变各个气缸的进气量，使各缸空燃比基本保持一致，截面积垫片安装前，首先需根据甲醇燃料热值及发动机目标功率，结合相应温度下的气态甲醇密度，计算出所需进气歧管垫块容积，将仿真气流旋向，之后搭载发动机试验，试验过程中检测各气缸空燃比λ值，根据λ值，模拟仿真计算截面积垫片方形通气孔的截面积，截面积垫片3材质为铝，厚度为1.5mm-2.5mm，其中最优厚度为2mm。
本发明甲醇发动机控制系统包括电控管理系统和随车故障诊断系统，电控管理系统由传感器、执行器、电控单元（ECU）、线束组成。在发动机电控管理系统中，传感器作为输入部分，用于测量发动机上各种状态参数，如温度、压力、转速信号等；ECU通过接收到的传感器信号，按照预先设定好的控制策略和算法，输出相应的控制信号到功率驱动电路，功率驱动电路通过驱动各个执行器，使发动机按照既定的控制目标进行运转；此外，通过随车故障诊断系统对系统中各个零部件和发动机运行情况进行实时监控，当出现电控系统故障时，保存故障代码，启用相关工况程序，保证发动机安全运转。同时，控制系统还包括控制甲醇发动机燃料供给的燃料控制系统，燃料控制系统主要功能包括燃料温度和压力调节、燃料喷射量控制，进气流量控制、增压压力控制、空燃比控制等。
本发明对曲柄连接结构的活塞和活塞的燃烧室进行了改进，活塞的燃烧室为浅盆型，活塞在燃烧室工作时的压缩比为11.5:1；同时本发明还采用双呼吸器结构，缸盖10上设有呼吸器1，呼吸器1为对称设置的两个，原箱体呼吸器口修改为堵盖。
本发明还对配气结构进行了改进，具体的是设置了四个气门，包括两个进气门和两个排气门，该设置能够保证进气排气的顺畅，本发明还对进气系统和排气系统的排气门进行了结构的改进，将排气门的锥面角度设置为30°，该设置不仅提高了排气效果，还能够减轻排气门头部弹性变形与气门座相对滑移引起的磨损。
甲醇本身对金属有一定的腐蚀性，其不完全燃烧产生的甲酸等物质腐蚀性更甚，本发动机对缸套进行内壁设置防腐涂层、对活塞进行全面阳极氧化、气门油封材料优化选用耐甲醇腐蚀的氟橡胶，来提高整个发动机耐酸腐性能，保证发动机的可靠性。
本发明的一种点燃式甲醇发动机，以水冷柴油发动机为基础进行改进，整机结构设置合理，燃料供给方式为进气歧管预混，与国内外排量和功率相同范围的发动机相比具有结构紧凑、重量轻、噪声低、燃气消耗率低、经济性好等特点。

Claims (10)

1.一种点燃式甲醇发动机，包括与水冷柴油发动机设置一致的曲柄连杆机构、配气机构、传动机构、冷却系统、润滑系统、启动和电器系统以及包括曲轴箱的固定件，其特征在于：还包括甲醇供给系统、进气系统、排气系统和控制系统，甲醇供给系统包括甲醇喷嘴（4）和甲醇轨管（5），进气系统包括进气管（7）、进气连通管（6）和进气歧管垫块（2），进气管（7）的一端设置在进气连通管（6）的中部，进气管（7）的另一端设有节气门（8），进气歧管垫块（2）一端连接进气连通管（6），另一端连接缸盖（10），甲醇轨管（5）的一端连接进气连通管（6），甲醇轨管（5）的下侧设有甲醇喷嘴（4），甲醇喷嘴（4）的另一端通过进气歧管垫块（2）接入缸盖（10）内部的进气道，排气系统包括设置在缸盖（10）下端的排气管（11），排气管（11）连接缸盖（10）内部的排气道。
2.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：进气歧管垫块（2）与进气连通管（6）的连接处设有截面积垫片（3），截面积垫片（3）的中部设有两个方形的通气孔，截面积垫片（3）材质为铝，厚度为1.5mm-2.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：甲醇喷嘴（4）到进气歧管垫块（2）与缸盖（10）接合面距离为20mm-30mm，甲醇喷嘴（4）与缸盖（10）进气道的夹角为40°-50°，进气道为竖直结构。
4.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：甲醇供给系统还包括用于将甲醇燃料由供料箱运送至甲醇轨管（5）的甲醇供给泵、用于过滤甲醇中的颗粒杂质的粗过滤器和精过滤器、压力传感器和甲醇流量控制阀，压力传感器和甲醇流量控制阀连接控制系统。
5.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：排气系统还包括带有中间体以及放气阀的增压器（9），增压器（9）设置于排气管（11）另一端的连接处，发动机的缸盖上安装火花塞，增压器（9）连接控制系统。
6.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：进气歧管垫块（2）为两端开口的中空结构。
7.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：甲醇轨管（5）为304不锈钢材质。
8.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：进气连通管（6）为U形结构，开口端对应增压器（9）。
9.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：曲柄连杆机构包括活塞，活塞的燃烧室为浅盆型，活塞在燃烧室工作时的压缩比为11.5:1。
10.根据权利要求1所述的一种点燃式甲醇发动机，其特征在于：缸盖（10）上设有呼吸器（1），呼吸器（1）为对称设置的两个。
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