CN1800619A - 天然气单燃料增压发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气单燃料增压发动机，包括一个燃气供给系统和空气供给系统及其它装置，所述的燃气供给系统包括压缩天然气贮于汽车携带的钢瓶内，钢瓶的出气口通过管道与一组串接的减压器相接，减压器的最后一级与一个分流接头(1)相接，分流接头(1)具有不同流量的两个出口端，其中一个与一个阀芯(7)由步进电机控制的天然气控制阀(3)相接，所述的空气供给系统包括由空气滤清器组成的进气装置，有废气涡轮增压装置，设置一个混合装置(2)，混合装置(2)的进气口分别与燃气供给系统和空气供给系统相接，混合装置(2)的出口端与废气增压涡轮的进气端相接，本发动机的扭矩比同类机型略有提高，燃料的费用下降30－40％。

Description

天然气单燃料增压发动机
技术领域：
本发明一般涉及一种内燃发动机，特别是一种使用天然气作燃料的发动机。
背景技术：
通常的内燃发动机使用燃油如汽油、柴油等。我国贫油但有丰富的天然气资源，所以有很多的研究转向如何利用天然气资源，用天然气作发动机燃料的例子不胜枚举。一般开发双燃料的车用发动机较多，但是天然气与其它燃料的物化性质有很大的区别，如天然气比汽油的抗爆性好很多。同一结构的发动机要同时适应两种特性不相同的燃料，难度较大。所以纯粹使用天然气作燃料的发动机更能提高天然气的热效率。在公知技术中，例如中上功率的车用柴油发动机及部分汽油机，均使用了废气涡轮增压技术，利用增压器增加进气终了压力，以增加循环进气量，是提高发动机动力特性的重要措施。公知技术中由废气增压涡轮加压的进气一般直接进入燃烧室，与燃料包括天然气或油在汽缸内混合。在使用天然气时，现有技术的解决方案一般是用电喷装置将燃气送入缸内，由于电喷装置的喷孔很小，未经清洁的天然气容易堵塞喷孔，所以往往又必须加装过滤装置，而且电喷装置成本较高。采用上述将进气和天然气分别送入气缸的例子不在少数，如中国发明专利申请，申请号CN200510023438.2，名称为“一种天然气双燃料汽车”，装置为一种可以烧油又可烧气的发动机，当使用天然气时，从钢瓶进入的燃气和从风机进入的空气在发动机汽缸内充分混合燃烧。CN99221501.3，名称为“汽车双燃料供给转换装置”，文件中提到将燃气汽化器安装在原车化油器上体的空气进口上，在化油器内混合空气和燃气。
由公知技术可知，不管是纯天然燃料或使用双燃料的柴油机或汽油机，其混气方式有多种，其利弊也是不同的。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种能克服公知技术缺点，节约成本、可靠性高、实用性较强的天然气发动机。
为实现上述目的，本发明的方案为：设置一个混合装置，混合装置的进气口分别与燃气供给系统和空气供给系统相接，混合装置的出口端与废气增压涡轮的进气端相接。
采用上述方案，将混合装置设置在增压涡轮前，将天然气和空气在混合装置内混合后再由废气增压涡轮增压后再送入气缸内点火燃烧，即避免了公知技术的很多缺点，从而实现了本发明的目的。
下面结合图示及实施例更详细的说明本发明的方案，及其它技术特征。
附图说明：
图1为天然气单燃料增压发动机的混合装置及天然气控制阀的装配图；
图2为图1中混合器体的零件图；
图3为图1中阀芯的零件图。
具体实施方式：
本方案设计的天然气发动机，是一种单燃料发动机，所述的发动机包括一个燃气供给系统和一个空气供给系统以及点火装置及其它装置，所述的燃气供给系统包括汽车携带的贮有压缩天然气的钢瓶，钢瓶的出气口通过管道与一组串接的减压器相接，减压器的最后一级与一个分流接头1相接，分流接头1具有不同流量的两个出口端，一个直接与混合器2的一个入口相接，另一个通过一个阀芯由步进电机控制的天然气控制阀3与混合器2的另一入口相接。所述的空气供给系统包括由空气滤清器等组成的进气装置，设置有废气涡轮增压装置，这些也是一个公知技术的发动机必备的几个重要装置，方案中所涉及的混合装置即分别与上述装置相连。
如图1所示的混合装置2包括一个混合器体4，混合器体4为一个管形元件，圆周面上设置有一组天然气进气接头，通常为对称的两个，本实施例为接头5和6，混合器体4的内孔配合有一管形的混合器芯7，混合器体内孔的一端8与空气供给装置的出口相接，另一端9与废气增压涡轮的进气口相接。
如图2所示的混合器体4为一个薄壁管形元件，其直径与管身长度的比通常为1∶0.8-1.5，其内孔下部设有台阶孔10，供混合器芯7定位，孔的上部有一段消气11，便于装配混合器芯7。本实施例为140马力的发动机，其混合器的直径为85mm，管身长为76mm，内孔直径为φ40.5mm。
如图3所示的混合器芯7的圆周上开有一圈环形凹槽12与进气接头5、6的内孔相通、槽12的底部开有一组均匀分布的通孔13，通孔13的直径在2.5mm-4mm之间。
混合器芯7的管壁14为变截面，将内孔形成两个方向相反的锥台15、16。这主要是使空气流的速度和压力变得更能充分地与天然气混合。
本装置的连接管道均使用柔性连接，一般连接管为耐压胶管17。由于耐压胶管有一定的刚性，因此也保证了混合器2和天然气控制阀3的安装及定位。
本方案的燃气供给系统如前所述，由一组串接的减压器对贮于钢瓶内的压缩天然气解压，减压器中设有电磁阀，形成钢瓶出气口与减压器之间的开关。如前所述，最后一级的减压器与一个天然气控制阀3相接，天然气控制阀3的阀芯18由步进电机控制，形成天然气控制阀，步进电机由机载电脑进行ECU控制，所述的机载电脑由微处理器组成。ECU即电子控制单元，英文全称(Electronic Control Unit)，控制原理包括通过实验采集发动机的各工况最佳状态时，安装在发动机气缸进气管上的进气岐管绝对压力传感器，安装在进气管的进气温度传感器，安装在出水道的发动机水温传感器等各参数建立数据库，发动机工作时，再根据进气岐管绝对压力传感器，进气温度传感器，发动机水温传感器的数据，由控制软件进行模拟分析和对比，查找出该工况下的最合适的控制阀参数，并输出控制参数给步进电机，控制天然气的供气量，使空气/燃气混合气体的比率达到理论比率。
如图所示的天然气控制阀由步进电机19、阀体20、阀芯18组成，通过步进电机上下移动阀芯，改变天然气流通的横截面积，从而控制天然气的进气量。
天然气发动机混合气体增压进入气缸后，由电控点火系统点火燃烧，所述的电控点火系统由转速传感器，水温传感器，绝对压力传感器与一个电脑点火控制器ECU进口端相接，电脑输出端与一个高压线圈相接，所述的高压线圈通过一个高压线包与火花塞相连。
所述的电脑点火控制器的工作原理包括ECU单元采集转速传感器，水温传感器，绝对压力传感器等点火原始数据，经过分析处理后，将最佳的点火信号通过放大电路控制线圈的低压电路绕组的充电/断电，点火线圈的高压绕组产生瞬时高压，从而通过火花塞实现精确点火。
本方案的天然气单燃料增压发动机工作原理如下：混合器的空气进入端与空气滤清器相连，混合器的另一端直接与废气增压涡轮的压气机入口相连，其连接的管径都较大，所以能进入足够的空气，进入混合器的天然气经减压后，从20Mpa减压到稳定的0.2Kpa在混合器内与空气混合，天然气进入混合器的途径有两条，一条从分流接头1经管道与混合器接头5相连，只允许进少量天然气，形成部分负荷；另一条由天然气控制阀3控制的管道与接头6相接，形成产生大动力的燃料供给。当从发动机排气岐管出来的高温高压废气流流经增压器的涡轮壳时，冲击涡轮，使涡轮轴旋转，与涡轮轴同轴安装的压气机叶轮也一起旋转，同时经空气滤清器滤清后的空气被负压吸入压气机壳，但此时的空气在进入压气机的过程中与天然气充分混合为混合气体了，旋转的压气机叶轮将进入压气机壳的混合气甩向叶轮边缘出气口，使混合气的流速和压力升高，增压后的混合气体通过进气岐管进入气缸，由电脑控制的点火系统选择最佳时机点火燃烧。
本天然气单燃料增压发动机适用的机型为80-260马力，特别适合安装在环保要求严格的城市公交车、旅游车及其它车型上。与同类机型的柴油机或汽油机比较，本机型造价与同类机型的柴油机相同，本发动机的扭矩略有提高，燃料的费用下降30-40％，因此是一种非常有发展前景的发动机。

Claims (10)

1、一种天然气单燃料增压发动机，包括一个燃气供给系统和空气供给系统及其它装置，所述的燃气供给系统包括压缩天然气贮于汽车携带的钢瓶内，钢瓶的出气口通过管道与一组串接的减压器相接，减压器的最后一级与一个分流接头(1)相接，分流接头(1)具有不同流量的两个出口端，其中一个与一个阀芯(7)由步进电机控制的天然气控制阀(3)相接，所述的空气供给系统包括由空气滤清器组成的进气装置，设置有废气涡轮增压装置，其特征在于：设置一个混合装置(2)，混合装置(2)的进气口分别与燃气供给系统和空气供给系统相接，混合装置(2)的出口端与废气增压涡轮的进气端相接。
2、根据权利要求1所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：所述的混合装置包括一个混合器体(4)，混合器体(4)为一个管形元件，园周面上设置有一组天然气进气接头，混合器体的内孔配合有一管形的混合器芯(7)，混合器体(4)内孔的一端(8)与空气供给装置的出口相接，另一端(9)与废气增压涡轮的进气口相接。
3、根据权利要求2所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：混合器体为一个薄壁管形元件，其直径与管身长度的比通常为1∶0.8-1.5。
4、根据权利要求2所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：混合器体(4)的内孔下部设有一台阶孔(10)，孔的上部有一段消气(11)。
5、根据权利要求2所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：混合器芯(7)的圆周上开有一圈环形凹槽(12)与进气接头(5)和(6)的内孔相通、槽(12)的底部开有一组均匀分布的通孔(13)。
6、根据权利要求5所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：混合器芯(7)的管壁(14)为变截面，将内孔形成两个方向相反的锥台(15)、(16)。
7、根据权利要求1所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：燃气供给系统由一组串接的减压器对贮于钢瓶内的压缩天然气减压，所述的一组减压器设有电磁阀，减压器最后一级与一个阀芯由步进电机控制的天然气控制阀(3)相接。
8、根据权利要求7所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：天然气控制阀(3)的步进电机由机载电脑进行ECU控制，所述的机载电脑由微处理器组成。
9、根据权利要求8所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：ECU控制原理包括通过实验采集发动机的各工况最佳状态时，进气岐管绝对压力传感器，进气温度传感器，发动机水温传感器等各参数建立数据库，发动机工作时，再根据进气岐管绝对压力传感器，进气温度传感器，发动机水温传感器的数据，由控制软件进行模拟分析和对比，查找出该工况下的最合适的控制阀参数，并输出控制参数给步进电机，控制天然气的供气量，使空气/燃气混合气体的比率达到理论比率。
10、根据权利要求1所述的一种天然气单燃料增压发动机，其特征在于：所述的电控点火系统由转速传感器，水温传感器，绝对压力传感器与一个电脑点火控制器ECU进口端相接，电脑输出端与一个高压线圈相接，所述的高压线圈通过一个高压线包与火花塞相连。
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