CN1743656A

CN1743656A - 气体发动机的进气及燃料供给系统

Info

Publication number: CN1743656A
Application number: CNA2005100447317A
Authority: CN
Inventors: 张嗣钊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: CN100538056C

Abstract

一种气体发动机的进气及燃料供给系统，主要包括空燃比控制器和燃气分配器；空燃比控制器的空气通道与燃气通道具有相同的几何尺寸和加工精度，其数量成比例；燃气分配器主要由配气盘盖与配气盘组成，配气盘盖上设有与发动机气缸数相同数量的燃气出口，配气盘上开有环形燃气槽，配气盘与发动机配气凸轮轴同步转动；使用该系统既控制了气体燃料空燃比，又控制了燃气的配气定时，使发动机具有容易起动、运转平稳、热效率高、排温低、适应性强的特点。

Description

气体发动机的进气及燃料供给系统

一、技术领域

本发明涉及内燃机的燃料供给系统，具体地说是一种气体发动机的进气及燃料供给系统。

二、背景技术

气体发动机的进气及燃料供给系统是气体发动机的核心，其工作特点从根本上影响着气体发动机的整体性能。

目前，在市场上使用的气体发动机主要采用以下几种进气及燃料供给系统：

1、混合器预混合式，这种进气及燃料供给系统已在国内外使用了多年，是一种公认的成熟且可靠的技术，如：12V190型气体发动机，其特点是燃气和空气都进入混合器内混合，得到保持基本稳定的空燃比的混合气体，再经过发动机总进气管及进气歧管进入各气缸。其所配置的混合器的性能，直接影响发动机的性能指标。目前国内普遍使用的是膜片式混合器。这种进气及燃料供给系统的优点是简便可靠，保持空燃比的稳定性好；缺点主要有两点：一是不能适用于燃烧速度快、着火范围大的燃气，因为其为进气管前预混合，发动机工作时整个进气管内都充满可燃混合气，所以对于着火范围大、燃烧速度快的含H₂或CO的燃气，其回火的倾向及危险性严重，所以这种进气方式不适用于含H₂或CO量较高的可燃气体。二是不适合采用增压的方案或即使采用增压效果也不明显，不能充分发挥增压机型的优点。因为整个进气管内全部充满可燃混合气，所以发动机的气门重叠角不能大，不能采用增压机型的气门重叠角，仍采用的是非增压机型气门重叠角，如12V190的增压柴油机气门重叠角为128°，而12V190气体发动机增压与非增压都是±11°(22°)的重叠角，若预混合气体发动机也采用大重叠角，就会有可燃气在扫气时直接从排气管逸出，这是应避免的。所以增压的气体发动机仍不得不采用非增压的气门重叠角，导致排温高，功率小，热效率低。

2、分缸定时进气式，这种进气方式的结构是每缸附近有一个燃气阀，一般为菌阀，燃气阀的开闭由燃气凸轮轴直接控制(如美国COOPER12SGT型气体发动机)或由燃气凸轮轴驱动的液压油缸控制(专利：燃用气体燃料的内燃机，ZL90200483.2)。其特点是燃气阀的开闭时刻比进气门的开闭时刻晚开早关，可以防止可燃气体在扫气时直接逃逸到排气管，以及进气管回火。这种进气方式能较好发挥增压机型的优势，主要适合含H₂或CO量较高的燃气，如焦化气。其缺点是缺少有效的控制空燃比的措施，在燃用着火范围大、燃烧速度快的焦化气时尚可，而在燃用不含H₂或CO的燃气如天然气、沼气等时，要么起动困难，要么只能定负荷使用；若负荷一变，空燃比变化较大，易出现失火、回火、放炮等运转异常。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种新的气体发动机的进气及燃料供给系统，克服上述已有技术的缺陷。该系统是通过以下技术方案来实现的：

如图1为该系统总体布置在气体发动机上的结构示意图。该系统安装在一台气体发动机主体上，为增压机型，包括增压器、中冷器、燃气调压阀、空燃比控制器、燃气分配器、平衡管、空燃比控制器前后燃气总管、燃气支管、发动机调速器。空燃比控制器安装于发动机的进气总管之前，增压器之后，其节流阀与发动机调速器连接，受发动机调速器的驱动；空燃比控制器空气入口接中冷器，空气出口接进气总管；空燃比控制器燃气入口接燃气调压器，燃气出口接燃气分配器。空燃比控制器燃气通道与空气通道根据流体力学的原理设计成流通截面的几何尺寸及加工精度都相同的通道，可以是圆、矩形、椭圆形、菱形等各种形状，无论哪种形状，都要保证燃气通道与空气通道的形状、尺寸、精度都相同，这样可以消除流量系数的不利影响。空气通道与燃气通道的数量之比值表示所用燃气的空燃比。各节流阀的形式可以采用蝶阀、闸阀、锥阀、旋阀等多种形式。

对于每种燃气可以根据其理论空燃比的数值，相应确定空燃比控制器的空气通道与燃气通道的数量之比，一般还需要用密度系数和过量空气系数来修正。例如：对于天然气，其理论空燃比约为10∶1，考虑其密度系数以及过量空气系数，可以把空气通道数定为16个，燃气通道数定为1个，比例为16∶1；对于液化石油气，其理论空燃比约为26∶1，考虑其密度系数以及过量空气系数，把空气通道数定为29个，燃气通道数定为1个，比例为29∶1；对于生物质气，其理论空燃比约为1.1∶1，考虑其密度系数以及过量空气系数，把空气通道数定为11个，燃气通道数定为8个，比例为11∶8。这些比值还只是初定，更确切的比值要通过试验来确定。

从空燃比控制器出来的是具有基本确定了空燃比的空气和燃气，只不过先不允许二者混合，空气进入发动机进气总管、进气歧管、直至缸盖吸气道，燃气则要先进入燃气分配器进行燃气的定时分配后再分别进入每缸吸气道，使空气与燃气在经过发动机进气门的过程中才混合。

空燃比控制器可以采用空气出口处配一个总路空气节流阀的形式，如图8；也可以采用每个空气通道配一个小空气节流阀的形式，即分路空气节流阀的形式，如图7。根据经验可知第二种形式控制空燃比的精度比第一种高，但结构较第一种复杂，成本较高。不管哪种形式都应当使空气通道与燃气通道几何尺寸、加工精度相同，数量都成比例。对于理论空燃比很小或接近1的燃气，如生物质气，燃气通道数也为多个，燃气阀也可采用总节流阀或分节流阀的形式。

空燃比控制器可以采用各种形式的节流阀，例如可以采用蝶阀，如图9，在每个空气通道内和燃气通道内都有一个小蝶阀，图中的通道截面形状是圆形，则小蝶阀的形状是近乎圆形的椭圆。所有的小蝶阀都同步或同轴转动。还可以采用旋阀，如图10，旋阀分外筒和内筒，外筒圆周上开有设计需要数量的空气通道和燃气通道，通道的圆周展开形状是矩形或长圆形，内筒在外筒内部旋转，随着转动角度的不同，使内筒打开或关闭的空气通道和燃气通道的面积变化，从而控制空气和燃气流量的变化。还可以采用锥阀，如图11，空气通道与燃气通道都为圆形，在其入口或出口处设有圆锥形的节流阀芯，随着圆锥阀芯在轴线方向来回移动同时控制空气通道与燃气通道流通面积的大小。还可以采用闸阀，如图12，空气通道与燃气通道都为矩形或长圆形，设有一平面闸板上下移动来同时控制空气通道与燃气通道的流通面积的大小。各种阀的结构形式属公知技术，不管是哪种阀，都应做到对空气和燃气同时开闭，使每一空气通道和燃气通道都始终保持几何尺寸，形状、精度相同，且不允许空气通道与燃气通道相通。

空燃比控制器不同于混合器，它只适用于燃气分缸进气的气体发动机，不针对进气管预混合的气体发动机。如果将空燃比控制器与背景技术中所述的几种现有的分缸定时进气的方式相结合，即机械或液压驱动燃气阀定时开闭分缸进气的方式只设空燃比控制器，可以达到与本发明同样的技术效果。另外，把空燃比控制器与机械式燃气阀缸内喷气的公知技术结合，也同样具有精确控制空燃比的技术效果。

有时，为了使气体发动机在柴油机基础上改动量小，以及对燃气进气时刻的精确控制要求不高，只需要精确控制空燃比时，就可以省去燃气分配器，保留空燃比控制器，即公知技术燃气分缸负压进气的分配方式只设空燃比控制器，这是一个简单易行的方案，也有一定的实用性和经济性。

燃气分配器的结构类似于发动机的压缩空气起动盘，所不同的是使用特点不同。燃气分配器是一种燃料供给装置，是分配的燃气，空气起动盘是一种起动装置，分配的是空气；燃气分配器的每缸供气过程在发动机每缸的吸气冲程，空气起动盘的每缸压缩空气接通过程在发动机的每缸膨胀冲程；燃气分配器在气体发动机工作时也始终在定时供给燃料，保证发动机正常工作，而空气起动盘只是使发动机起动，起动后其必须停止工作。

燃气分配器主要由配气盘和配气盘盖两部分组成，如图2；燃气配气盘盖固定在发动机主体上，其上设有与发动机的气缸数相同数量的燃气出口，燃气出口的间隔角度依据发动机的气缸发火间隔角度而定。例如：对于直列六缸机，燃气配气盘盖的燃气出口为6个，间隔角度为60°均布，如图3；对于V型夹角的12缸机，还要看该机型的V型夹角是多少度，例如对于12V190型发动机，机体V型夹角为60°，则燃气配气盘盖的燃气出口为12个，间隔角度为均布30°，如图4；而如果对于12V135型发动机，机体V型夹角为75°，则燃气配气盘盖的燃气出气口为12个，间隔角度为37.5°、22.5°、37.5°、22.5°……，如图5；对于V型夹角为45°、90°、120°的发动机，同理类推。

配气盘与发动机的传动机构或凸轮轴连接且同步转动，配气盘上设有环形燃气配气槽(长圆孔)与燃气总管常通，配气槽的回转角度为设计需要的燃气配气定时对应曲轴转角的一半。例如：对于12V190型增压发动机，若需要的燃气配气定时角度为进气冲程的上止点后60°，下止点后40°，曲轴转角为160°，则燃气配气槽的回转角度就定为80°。当燃气配气槽转动到与配气盘盖上的燃气出口相接通时，燃气即可进入相应气缸的燃气支管，向各气缸送气。

有时为了设计的燃气分配器的体积小些，对于V型夹角的多缸发动机常采用中间装有一个两面都开有燃气配气槽的配气盘，左右各有一个配气盘盖的设计，每个配气盘盖上的燃气出口数量等于发动机单排气缸数，其工作原理与上述是相同的。例如：对于12V135型发动机，可以设计成左右各有一个燃气配气盘盖，每个配气盘盖上有6个均布60°燃气出口；燃气配气盘两面都开有配气槽，两个配气槽的回转角度相同，都是需要的发动机燃气配气定时的曲转转角的一半，两个配气槽位置前后相差37.5°(如图6)。

本发明与已有技术相比有以下有益效果：

本发明做到了既有效的控制空燃比，又使燃气分缸定时进气控制了燃气的进气时刻及持续时间，这是所有气体发动机工作者的追求目标。通过空燃比控制器可以使空气与燃气的空燃比得到有效的控制，使空燃比不至于在发动机工况变化时，有较大波动；可以给发动机始终提供合适的空燃比，使发动机保持较好的技术性能指标。

通过燃气分配器实现燃气的定时分配，可以使增压气体发动机采用较大的气门重叠角，用空气扫气，避免扫气时排出燃气，降低排气温度，提高充气效率。可以燃用含H₂或CO的燃气。另外燃气分配器这种燃气的分配方式与现有的凸轮轴燃气阀式，凸轮轴液压油缸燃气阀式，电控阀式等分配方式相比，具有结构简便、可靠性好、对发动机改动量小的优点。

通过使用本发明的这种进气及燃料供给系统，可以使气体发动机能较好的适应各种燃气气源，包括热值高的，热值低的，着火范围大的，着火范围小的，燃烧速度快的，燃烧速度慢的等等，如天然气、沼气、焦化气、煤层气、生物质气、高炉尾气等；可以使增压机型容易起动、运转平稳、热效率高、排温低，综合性能好。

四、附图说明

图1为本发明安装在发动机上的总体布置结构示意图

图2为燃气分配器装配示意图

图3为直列6缸机燃气分配器示意图或12V机单排气缸燃气分配器示意图

图4为12V机(机体夹角60°)燃气分配器示意图

图5为12V机(机体夹角75°)燃气分配器示意图

图6为12V机(机体夹角75°)双面燃气分配器示意图

图7为带分路空气节流阀的空燃比控制器示意图

图8为带总路空气节流阀的空燃比控制器示意图

图9节流阀为蝶阀的空燃比控制器示意图

图10节流阀为旋阀的空燃比控制器示意图

图11节流阀为锥阀的空燃比控制器示意图

图12节流阀为闸阀的空燃比控制器示意图

图13空气通道和燃气通道为矩形，节流阀也为矩形蝶阀的空燃比控制器装配示意图

图1中：A-增加器(原有) B-平衡管(原有) C-中冷器(原有) D-燃气调压器(原有) E、H-燃气总管 F-空燃比控制器 G-发动机调速器(原有) I-进气歧管(原有) J-发动机进气总管(原有)K-燃气进气支管 L-燃气分配器 M-气缸盖(原有)

图2中：1-配气盘盖 2-燃气出口接头 3-油封 4-轴承 5-轴6-润滑油口 7-燃气进口接头 8-垫片 9-挡环 10-配气盘11-键 12-连接体

图5、6中：III-燃气出口 IV-燃气配气槽

图7、8、9、10、11、12、13中：I-空气通道 II-燃气通道 20-空气节流阀 21-燃气节流阀

图10中：31-外筒 32-内筒

图13中：41-半圆键 42-轴隔套 43-油封 44-阀柄 45-轴46-轴承盖 47-阀体 48-长键 49-挡圈 50-轴承 51-衬套52-燃气盖 53-空气盖 54-内隔套 55-防护圈

五、具体实施方式

本发明针对12V135增压中冷机型的具体实施方式如下：

该机型原型柴油机为12V型双排气缸，V型夹角75°，两排进气管布置在V型夹角内，原柴油机高压油泵为单排12个直列式，通过柴油机齿轮端的传动机构布置在V型夹角内。

本发明针对该机型的总体布置如图1所示，其各部分连接关系为：空燃比控制器F为对称的二个，对称安装在两个进气总管上，中间由调速器G驱动；空燃比控制器F的空气进气口与增压器A的中冷器C连接；空气出气口与进气总管J的端面连接；燃气进气口通过控制器前燃气总管E与燃气调压器D连接；燃气出气口通过控制器后燃气总管H与燃气分配器L连接。增压器A、中冷器C、燃气调压器D、及平衡管B的连接及使用特点属公知技术。

燃气分配器L布置在原柴油机高压油泵的位置，分配盘盖1固定在发动机主体上，配气盘10通过轴5由原柴油机的传动机构驱动；其燃气入口通过控制器后燃气总管H接空燃比控制器F，其燃气出口为12个，分别通过燃气支管K(12个)接到每缸空气进气歧管I处，并一直伸到缸盖M的吸气道内进气阀附近。

空燃比控制器F的结构特点如图13所示，包括：空气节流阀20、燃气节流阀21、半圆键41、轴隔套42、油封43、阀柄44、轴45、轴承盖46、阀体47、长键48、挡圈49、轴承50、衬套51、燃气盖52、空气盖53、内隔套54、防护圈55。

空气通道I与燃气通道II横截面都为矩形，其尺寸及加工精度都相同，在使用天然气气源时，其数量之比为16∶1；使用液化气气源时，若其数量之比为29∶1。燃气通道II内有一个节流阀，每个空气通道内都各有一个节流阀；燃气节流阀与空气节流阀的横截面也为矩形，装配后在宽度上与各自的通道略有间隙；所有的节流阀受调速器驱动都同轴或同步转动。

燃气分配器L的结构如图2所示，包括：配气盘盖1、燃气出口接头2、油封3、轴承4、轴5、润滑油口6、燃气进口接头7及垫片8、挡环9、配气盘10、键11、连接体12。

采用中间一个带双面环形配气槽的配气盘，两端各有一个配气盘盖的形式，如图6，每个配气盘盖上的燃气出口III为6个均布，配气盘的两个环形槽IV角度相差37.5°。

在安装及使用燃气分配器时，应对其进行正时调整，并根据发火顺序相应连接燃气出口与每缸进气道，如：对于12V135机型，其发火顺序一般为1-12-5-8-3-10-6-7-2-11-4-9，则把1缸盘车到吸气上止点之前或之后某一角度；燃气分配器的配气盘也转动到环形配气槽与配气盘盖某一出口刚开始接通，则该出口即为1缸的燃气出口，其余各缸按发火顺序连接。

对于增压的气体发动机，在中冷器出口管即空燃比控制器进口管与燃气调压器之间连接平衡管，使燃气调压器感受增压后的空气压力。增压器、中冷器及燃气调压器的安装使用特点及发动机进气管，发动机调速器的安装及使用特点都属公知技术，在此不赘述。

对于非增压的气体发动机，不存在增压器、中冷器及平衡管，空燃比控制器进口直接与大气压(空气滤清器)相通，燃气调压器也直接感受大气压力；空燃比控制器与燃气分配器的工作特点与增压的机型相同。

当气体发动机只用于着火范围较大燃烧速度较快的燃气(如焦化气)时，如果放弃对可燃混合气空燃比的较高要求，就可以省去空燃比控制器，在空燃比控制器的位置只安装通用的空气节流阀与燃气节流阀，燃气分配器的特点不变，这样的一种简化形式的成本较低，具有与背景技术中所说的现有燃气阀形式的气体发动机同样的功能。

当用于柴油-燃气双燃料发动机时，由于柴油的点火能量远大于火花塞，若不对混合气的空燃比提过高要求，也可以省去空燃比控制器，代之以空气节流阀或燃气节流阀，燃气分配器的特点不变。

Claims

1、一种气体发动机的进气及燃料供给系统，包括增压器、中冷器、燃气调压器、平衡管、控制器前燃气总管、控制器后燃气总管、空燃比控制器、燃气分配器、燃气支管、发动机进气总管、进气歧管；其特征在于空燃比控制器的空气进气口与增压器的中冷器连接；空燃比控制器的空气出口与发动机进气总管连接；空燃比控制器的燃气进口与燃气调压器连接；空燃比控制器的燃气出口与燃气分配器入口连接；燃气分配器出口通过燃气支管与每缸的进气歧管连接；空燃比控制器与发动机调速器驱动轴连接；燃气分配器的配气盘盖固定在发动机主体上，配气盘与发动机的传动结构或凸轮轴连接与凸轮轴同步转动；空燃比控制器设有相同几何尺寸、加工精度的空气通道和燃气通道，二种通道的数量成比例，由各自节流阀控制；控制空气的节流阀与控制燃气的节流阀由发动机调速器控制同步动作。

2、一种气体发动机的燃气分配器，包括配气盘盖、燃气出口接头、油封、轴承、轴、润滑油口、燃气进口接头及垫片，挡环、配气盘、键、中间体；其特征在于配气盘盖上设有与发动机气缸数相同数量的燃气出口；配气盘上开有环形燃气槽，环形燃气槽的回转角度为设计需要的燃气配气定时对应发动机曲轴转角的一半；在每个气缸的吸气冲程，对应的配气盘盖上的燃气出口与配气盘上的环形燃气槽连通。

3、根据权利要求1所述的气体发动机的进气及燃料供给系统，其特征在于空燃比控制器设有与空气通道数量相同数量的空气节流阀，有与燃气通道数量相同数量的燃气节流阀。

4、根据权利要求1所述的气体发动机的进气及燃料供给系统，其特征在于燃气分缸负压进气的方式只设空燃比控制器。

5、根据权利要求1所述的气体发动机的进气及燃料供给系统，其特征在于燃气阀定时开闭分缸进气的方式只设空燃比控制器。

6、根据权利要求2所述的气体发动机的燃气分配器，其特征在于燃气分配器的配气盘双面开有环形燃气槽，两端各装有一个配气盘盖。