CN1699730A - 一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法 - Google Patents

Abstract

一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法，属燃气内燃机的空气与燃气混合形成和燃烧技术领域。燃气经燃气总管、燃气支管、各缸的燃气定时定量控制装置和燃气喷射管送至各缸的进气门口与空气一起进入缸内混合经火花塞点火燃烧，燃气总管和燃气支管相联，燃气支管分别和各缸的燃气定时定量控制装置的进气口相联，燃气定时定量控制装置的出气口和燃气喷射管相联，在燃气总管上装一只蝶阀或球阀，该蝶阀或球阀经双摇臂机构和调速器相联，与现有的燃气内燃机的空气与燃气混合燃烧的方法相比，具有安全性能好、不会发生回火放炮、爆炸；热效率高，排气温度低残余废气少，有利于环境保护；燃气适应性强，可应用各种可燃气体，可靠性好等优点。

Description

一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法

所属技术领域

本发明涉及一种燃气内燃机的空气与燃气混合形成和燃烧技术领域。

背景技术

目前燃气内燃机的空气与燃气的混合和燃烧采用以下几种方法：

1.燃气与空气在气缸外混合后送入气缸内燃烧。燃气和空气在内燃机气缸盖外经混合器以最佳空燃比混合后，再进入气缸内燃烧，该技术的优点是能精确控制空燃比，实现均匀燃烧，其不足之处是整个进气系统都是空气与燃气的混合气，一旦遇到火花，就会发生爆炸；混合气在内燃机的进排气门重叠角时，易进入排气管燃烧，浪费燃气，甚至引起回火和放炮，使其热效率降低。

2.燃气与空气在进气道内混合后进入气缸内燃烧。燃气直接喷入内燃机气缸盖的进气道内，和空气混合后从进气门进入气缸内燃烧。该技术的优点是避免了混合气进入排气管燃烧的弊病，其不足之处是燃气和空气混合不充分，混合气在气缸内的燃烧速度慢，存在爆燃等不正常燃烧，导致排气温度高，排气污染大等不足之处，影响了内燃机功率的正常发挥。该技术只适合柴油压燃式内燃机燃用气体燃料，由于需要另外增加一套柴油系统，且柴油的油价不断上涨，使内燃机的制造和运行成本都大幅提高，经济性不好。

3.燃气在气缸内高压喷射。在压缩冲程上止点前燃气从气缸盖上的喷射器高压直接喷入内燃机气缸内，与从进气门进入的空气混合后燃烧。该技术的优点是，因燃料的高压定时喷射，能提高混合气的燃烧速度，避免混合气进入排气管燃烧，提高了热效率。其不足之处是因燃气需要加压至很高的压力(5～8Mpa)，使内燃机的辅助消耗功率很大，输送燃气的密封性要求严格，气缸盖上另布置燃气喷射器的技术难度大，所以难于在市场推广。

上述三种方法说明：其不足之处是安全性差、热效率低、排气温度高，总体上反映出运行不可靠、动力性和经济性欠佳的通病。

发明内容

本发明的目的是克服燃气内燃机目前使用的三种燃气与空气混合燃烧方法的不足之处，提供一种安全性能好、排气温度低、不爆燃、不放炮、热效率高、各种燃气都适用的一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。燃气经燃气总管、燃气支管、各缸的燃气定时定量控制装置和燃气喷射管送至各气缸的进气门口与空气一起进入气缸内混合经火花塞点火燃烧，燃气总管和燃气支管相联，燃气支管分别和各缸的燃气定时定量控制装置的进气口相联，燃气定时定量控制装置的出气口和燃气喷射管相联，在燃气总管上装一只蝶阀或球阀，该蝶阀或球阀经双摇臂机构和调速器相联。燃气定时定量控制装置由控制机体、燃气气门阀体、燃气气门、凸轮、滚轮、调节螺钉、摇臂、左弹簧座、右弹簧座和弹簧组成，凸轮装在凸轮轴上，滚轮装在摇臂的一端并和凸轮相接触，调节螺钉装在摇臂的另一端，燃气气门阀体装在控制机体上，燃气气门穿过燃气气门阀体和左右弹簧座，其一端和调节螺钉相接触，另一端和燃气气门阀体相接触，弹簧装在左弹簧座右弹簧座间，喷射管指向气缸的中央附近，喷射管末端的喷射口截面面向气缸盖上的火花塞；燃气由喷射管经进气门喷入气缸内的，燃气在管道内的输送压力在0.05-0.35Mpa之间，属低压燃气，根据燃气热值的高低来决定燃气管道内的压力，燃气热值高的压力低些，燃气热值低的压力高些；燃气向气缸内喷射是定时的，在吸气冲程进气门打开后排气门关闭前10°～40°开始喷射燃气，在吸气冲程进气门关闭前停止喷射燃气，在进气门刚打开时只进空气，不进燃气；利用空气在进排气门重叠角时扫气，清除气缸内的残余废气，降低气缸内燃烧室的起始温度；燃气向气缸内喷射量是一致的。

本发明与目前使用的燃气内燃机的空气与燃气的混合和燃烧技术相比，具有如下的有益效果：

1、安全性能好。空气与燃气的混合气是在气缸内形成的，气缸盖以外的整个进气系统都没有混合气，即使在燃气内燃机长时间运行后，气缸盖的气门座圈磨损的情况下，也不发生回火放炮、爆炸等不安全现象。

2、排气温度降低。进排气门重叠角时空气的扫气，使气缸内的低温新鲜空气增加，高温残余废气减少，降低了混合气的燃烧初始温度，使排气温度下降。

3.消除爆燃。进排气门重叠角时空气的扫气使燃烧室的热点温度下降，与热点接触的混合气的温度也下降，从而降低了混合气爆燃的概率。火花塞附近的浓混合气的快速燃烧和火焰的快速传播使混合气在爆燃之前得以燃烧，所以爆燃的可能性很小。

4.热效率高，排放污染小。未燃混合气到排气管还在燃烧现象的避免、气缸内混合气浓度的不均匀分布和燃烧速度的提高使燃烧中的热损失明显下降，燃烧中实际传给活塞的机械功增加，使燃气内燃机的热效率大大提高，运行结果体现在燃气内燃机的冷却水温度和排气温度同时下降，单位燃气的内燃机功率大幅提高，氮氧化合物排放降低，使排放污染减少。

5.燃气适应性强。能适应各种可燃气体：天然气、焦炉煤气、瓦斯气、沼气、生物质气和发生炉煤气等；同时由于空燃比的范围很广，能适应热值在一定范围内变化的燃料气，而不影响本发明的正常使用。

6.可靠性好，操作、调整简单，可与柴油机相媲美。

附图说明

附图1为本发明一个实施例的结构示意图；图2为本发明应用于四气门燃气内燃机的燃气喷射管方向的俯视图；图3为本发明应用于二气门燃气内燃机的燃气喷射管方向的俯视图；图4为燃气内燃机燃气系统的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。附图中：1-气缸盖；2-燃气喷射管；3-进气门；4-喷射口；5-火花塞；6-排气门；7-活塞；8-气缸；9-燃烧室；10-进气道；11-燃气气门阀体；12-凸轮；13-滚轮；14-摇臂；15-调节螺钉；16-燃气气门锁夹；17-左弹簧座；18-弹簧；19-盖板；20-燃气支管；21-右弹簧座；22-导向套；23-燃气气门；24-控制机体；25-燃气总管；26-蝶阀(或球阀)；27-阀门摇臂；28-连杆；29-调速器摇臂；30-调速器；

在图1所示的实施例中，包括气缸盖1、燃气喷射管2、进气门3、喷射口4、火花塞5、排气门6、、活塞7、气缸8、燃烧室9和进气道10组成燃气内燃机的混合气形成和燃烧系统及包括控制机体24、燃气气门阀体11、燃气气门23、凸轮12、滚轮13、调节螺钉15、摇臂14、左弹簧座17、右弹簧座21和弹簧18组成的燃气定时定量控制装置。气缸盖1上安装有进气门3、排气门6和火花塞5；燃气喷射管2由进气道10内伸入至进气门3的入口处，位置在进气门3靠近火花塞5的一侧，燃气喷射管2的末端方向向下指向气缸的燃烧室9中间，喷射口4的截面面向气缸盖1上的火花塞5方向。满足需要的适量空气从进气道10处进入燃烧室9。燃烧室9选用碗形燃烧室。凸轮12装在凸轮轴上，滚轮13装在摇臂14的一端并和凸轮12相接触，调节螺钉15装在摇臂14的另一端，燃气气门阀体11装在控制机体24上、燃气气门23穿过燃气气门阀体11、导向套22和右弹簧座21、弹簧18和左弹簧座17，其一端和调节螺钉15相接触，另一端与燃气气门阀体11相接触(在弹簧18弹力的作用该端与燃气气门阀体11紧密接触。)。燃气进气量的定量调节通过拧动调节螺钉15在摇臂14上左右移动来实现，调节螺钉15向右移动后，凸轮12的转动，使燃气门23往右移动的距离长，即燃气气门23打开的行程和时间长，燃气进气量就多，反之当调节螺钉15在摇臂14上向左移动时，燃气气门23打开的行程和时间短，燃气进气量就少，调整好后在调节螺钉15上再拧上一螺母锁紧。其进气量的多少以各种燃气在缸内实现稀薄燃烧为准。燃气向各气缸内的喷射量的一致是通过调节各气缸的燃气定时定量控制装置上的燃气气门23打开的行程和时间一样长来实现的。燃气进气的定时调节是通过调节凸轮12在凸轮轴的安装角度实现的，调节到吸气冲程进行至进气门打开后排气门关闭前10°～40°时开始打开燃气气门23，在吸气冲程进气门关闭前关闭燃气气门23。

图2所示的为应用于四气门燃气内燃机的燃气喷射管方向的俯视图，燃气喷射管2的方向从最靠近的一个进气门3处的一侧指向气缸8的中央，喷射口4的截面面向火花塞5的方向。

图3所示的为应用于二气门燃气内燃机的燃气喷射管方向的俯视图，燃气喷射管2从进气门3处靠近火花塞5的一侧进入，喷射口4的截面面向火花塞5的方向。

图4所示的为本发明在12缸V形燃气内燃机实施的燃气系统的结构示意图，燃气总管25上的燃气阀26(蝶阀或球阀)的开度由调速器30来控制，调速器30上联有调速器摇臂29，调速器摇臂29与连杆28的一端相联，连杆28的另一端与燃气阀26上的阀门摇臂27相联，当内燃机转速高时通过调速器摇臂29、连杆28阀门摇臂27使燃气阀26的开度增大，反之使燃气阀的开度变小；调速器30只控制一个燃气阀门26，采用质调节。在这个实施例中，两边各六个气缸上的燃气定时定量控制装置A上的凸轮12是各自装在同一根凸轮轴上的，凸轮12在凸轮轴上的安装角度调节到凸轮12的转动使燃气气门23的打开与关闭实现在吸气冲程进气门打开后排气门关闭前10°～40°时打开燃气气门23，在吸气冲程进气门关闭前关闭燃气气门23，即调节到燃气气门23的开与闭与各缸的需要燃气的时间同步。

本发明在燃气内燃机上的工作过程如下：燃气经燃气总管25、燃气支管20、各缸的燃气定时定量控制装置A和燃气喷射管2送至气缸的进气门3的门口30～80mm处。当吸气冲程的进气门打开时只进空气，不进燃气，当吸气冲程进行至进气门打开后排气门关闭前10°～40°时(曲轴的旋转角)，燃气喷射管2末端的喷射口4开始喷射燃气，在吸气冲程进气门关闭前停止喷射燃气；在喷射燃气时进气门3处既有空气进入，也有燃气进入，当停止喷射燃气时进气门3还未关闭，这时进气门3处只有空气进入；燃气和空气进入气缸内后随喷射进的快速燃气和吸气时吸入的空气自然混合。

在整个进气过程中，带有压力的燃气向燃烧室9的低压定向喷射，既冷却了火花塞5的高温，又集中喷向燃烧室9的中间，使进气过程及后面的压缩过程中，混合气大部分集中在火花塞5附近，形成浓混合气，而在燃烧室9的外围都是稀混合气；由于燃气相对于空气有压力差，并有一定的喷射方向，在内燃机的吸气冲程活塞7往下运动的过程中，形成一定的涡流；在内燃机的压缩冲程上止点前30°左右，火花塞5点火，点燃了附近的浓混合气，燃烧火焰迅速向稀混合气扩散，并由于涡流的作用加快了稀混合气的燃烧速度，使整个燃烧室燃烧完全充分，而总的空燃比很高，实现了稀薄燃烧。

在内燃机的作功冲程，充分燃烧的燃气推动活塞7向下作功，输出功率；在内燃机的排气冲程，排气门6打开，排出废气，在接近排气冲程上止点前，进气门3打开，又开始了另一个内燃机工作循环，周而复始。

本发明可应用于火花点火式燃气内燃机，适合高中低热值的燃气：天然气、液化气、垃圾填埋沼气、污水处理沼气、禽畜粪便处理沼气、煤矿抽放的高中低浓度瓦斯、焦炉煤气、水煤气和化工尾气等。各种热值的燃气在使用中的燃气量是不同的，可用加大或减少燃气定时定量控制量中的燃气气门上出气口B处(见图1)的直径大小调节，燃气用量大时B处直径加大，反之减小。也可以用燃气定时定量控制装置的一个或多个来实现。

Claims (5)

1.一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法，其特征在于：燃气经燃气总管、燃气支管、各缸的燃气定时定量控制装置和燃气喷射管送至各气缸的进气门口与空气一起进入气缸内混合经火花塞点火燃烧，燃气总管和燃气支管相联，燃气支管分别和各缸的燃气定时定量控制装置的进气口相联，燃气定时定量控制装置的出气口和燃气喷射管相联，在燃气总管上装一只蝶阀或球阀，该球阀或蝶阀经双摇臂机构和调速器相联。

2.按权利要求1所述的一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法，其特征在于：燃气定时定量控制装置由控制机体、燃气气门阀体、燃气气门、凸轮、滚轮、调节螺钉、摇臂、左弹簧座、右弹簧座和弹簧组成，凸轮装在凸轮轴上，滚轮装在摇臂的一端并和凸轮相接触，调节螺钉装在摇臂的另一端，燃气气门阀体装在控制机体上，燃气气门穿过燃气气门阀体和左右弹簧座，其一端和调节螺钉相接触，另一端和燃气气门阀体相接触，弹簧装在左弹簧座和右弹簧座间。

3.按权利要求1所述的一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法，其特征在于：喷射管指向气缸的中央附近，喷射管末端的喷射口截面面向气缸盖上的火花塞，燃气是由喷射管经进气门喷入气缸的。

4.按权利要求1所述的一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法，其特征在于：燃气向气缸内喷射是定时的，在吸气冲程进气门打开后排气门关闭前10°～40°开始喷射燃气，在吸气冲程进气门关闭前停止喷射燃气。

5.按权利要求1或2所述的一种燃气内燃机空气与燃气在缸内混合燃烧的方法，其特征在于：燃气向各气缸内喷射量是一致的。