CN202531296U - 燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃气发动机领域，特别涉及一种燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机。该燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，包括缸内直喷气体发动机，缸内直喷气体发动机汽缸盖上设有进气门和排气门，进气门和排气门的个数为多个，所有排气门共用一个排气门通道，所有进气门对应设有燃气进气通道和空气进气通道，燃气进气门与空气进气门的进气凸轮采用双凸轮方式或多凸轮方式。该燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，热效率高、泵气损失小、抗爆震性能好，燃气可常压供给，对气体洁净度要求较低、整体可靠性高，尤其适用于低热值或超低热值气体，为广泛利用低热值气体创造了良好的条件。

Description

燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机

（一）      技术领域

    本发明涉及燃气发动机领域，特别涉及一种燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机。

（二）      背景技术

    众所周知，燃气发动机是由可燃混合气在气缸内由火花塞点燃后爆发作功，推动活塞上下运动，进而带动曲轴作旋转运动从而把热能转变为机械能，而可燃混合气的形成目前存在两种方式：

1.外混式：如Z12V190T型12缸天然气发动机即由专用混合器在进气管之前将可燃气与空气按比例混合（体积比15:1~20:1）之后进入进气管，然后按每缸进气门打开，活塞下行之后，可燃混合气进入气缸内，再由活塞上行压缩可燃混合气，由火花塞点燃后推动活塞下行作功，这种混合方式称为外混式。它存在以下几个问题：

①   耗气量高：因进气管内都是可燃性混合气，各气缸在扫气时（即进、排气门同时打开，新鲜空气由进气管直接通过进、排气门降温），可燃混合气直接进入到排气管中，因这部分气体不参与作功，所以直接导致浪费。

②   排气温度过高：参与扫气的可燃混合气在进入到排气管内后，被气缸内排出的高温废气点燃进而导致排气温度过高（通常外混燃气发动机排温都在630°C以上），因排气温度过高导致排气门工作环境恶劣，大大减少排气门的工作寿命，同时增加了燃气发动机的故障。 

③   易造成进气管放炮：因进气管内充满可燃混合气，在气缸内进气门磨损漏气后，缸内点燃爆发后的火焰通过漏气的进气门点燃整个进气管内的可燃混合气，造成进气管放炮，其后果是轻则损坏相关的元器件，如：混合器等，重则造成人身事故。 

2.气道喷射式（国外简称MPI）：这种方式的可燃混合气在进气缸之前，其燃气和空气是在进气门附近混合，进气门打开，活塞下行后可燃气和空气同时通过进气门，进入到气缸内，之后活塞上行压缩可燃混合气后由火花塞点燃，推动活塞下行之后经由连杆带动曲轴转动，将热能变为机械能，此种方式即称为气道喷射式。燃气发动机气道喷射式与外混式相比具有以下优点： 

①   降低耗气量：因气缸扫气时是由新鲜空气来完成的扫气任务的，所以解决了部分可燃混合气直接进入到排气管中，不能参加作功而被直接烧掉的问题，通常气道喷射式比外混机燃气消耗至少节省10%以上。

②   排气温度低：因避免了部分可燃混合气在排气管内的燃烧，所以大幅降低了排气温度，通常气道喷射式比外混机排气温度低80°C以上，进而改变了排气门的工作环境，提高了排气门的使用寿命，进而提高了燃气发动机的可靠性。以Z12V190T型燃气发动机为例，通常排气门的使用寿命比外混机延长1倍。 

③   消除了进气管放炮的故障隐患：因气道喷射式进气管内已基本无可燃混合气，即使进气门磨损造成漏气，缸内火焰也不会点燃进气管内的空气，从而避免了进气管放炮所造成的事故。 

3.目前世界上的气道喷射式发动机有两种： 

①   电磁喷射式：它是由模拟电路或数字电路控制板发出电信号，由电磁喷射阀接受电信号后，根据信号量的多少及时间早晚，向进气道进气门附近直接喷射一定量的可燃气体，燃气与空气均通过进气门直接进入到气缸内，形成可燃混合气，经活塞上行压缩后，由火花塞点燃后推动活塞下行进而带动曲轴转动将热能转变成机械能；美国卡特皮勒公司采用此类型式的燃气发动机，其原理与目前汽车所用的电子喷射发动机相类似，但是这种气道喷射式在实际使用当中存在如下问题：

A.  电信号控制抗干扰能力差，稳定性不如外混式；

B.  电磁阀对可燃气体洁净度要求较高，如果使用的是干燥、洁净的天然气问题不大，但使用焦炉煤气、油井伴生气、垃圾生成气、瓦斯气等杂质、焦油、清油、水量较大时，电磁喷射阀就不能正常工作；

C.  燃气喷射量的问题因受电磁信号及电磁喷射阀控制功率的限制，电磁喷射阀不能做的过大，即燃气喷射量有限，这样就限制了大型燃气发动机采用此种方式的可能，同时也限制了像低浓度的瓦斯气、焦炉煤气、矿石裂解气、垃圾生成气采用此种方式的可能。

②   进气道内安装凸轮轴及小气门喷射方式：将可燃气经由进气管内凸轮轴控制通过燃气管道、小气门、喷管将燃气喷射到每个气缸的进气门附近，经由进气门进入到气缸内，在进气门附近，空气也与燃气同时带入气缸，活塞上行压缩后点燃爆发，推动活塞下行，进而带动曲轴转动，将热能转变为机械能，美国库珀公司采用此种结构方式，该方式存在如下问题： 

A.在原燃气发动机已经有一套主配气系统之外，又增加了一套燃气喷射配气定时系统，增加了大量传动部件、凸轮轴部件、摇臂部件、小气门部件及气门座部件，这样就增加了发动机的故障率，同时带来了噪声的增加；

B.增加了发动机的成本；以Z12V190T型燃气发动机为例，内混机比外混机每台售价平均高出20万以上。

C.因进气管内配气系统结构复杂，此种结构应用到大型燃气发动机上比较困难，研制周期较长，零部件制造困难。同时此种配气系统受结构限制，燃气喷射量同样有限，只适合中热值以上范围内燃气，如果使用低热值气体，尤其是甲烷含量低、一氧化碳及氢气偏高的燃气时，其额定输出功率就有较大幅度的下降，极端情况时出力只有中热值气体额定输出功率的30%以下，以500KW中热值气体发动机为例，许多低热值气体最大输出功率只有150KW左右，这样就造成了较低的材料利用率以及较大的资源浪费。 

目前我国燃气资源，从气体热值来看，大致分为三类： 

第一类：高热值气体，其热值分布为6000-8600大卡；

第二类：中热值气体，其热值分布为2000-6000大卡；

第三类：低热值气体，其热值分布为600-2000大卡；

前面所介绍的外混式燃气发动机通常只适用于高热值气体，而前面所介绍的气道喷射式燃气发动机可以使用中热值以上的燃气气体。目前从我国燃气能源结构来看，低热值气体所占比例较大，如低浓度瓦斯气、焦炉煤气、兰炭气、高炉煤气、垃圾生成气、油页岩气等等，上述气体中的很多种都在现实生产中以燃烧方式或非燃烧方式排放掉了，既污染环境，又浪费能源。

（三）      发明内容

    本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种热效率高、泵气损失小、抗爆震性能好、燃气可常压供给的燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机。

本发明是通过如下技术方案实现的： 

一种燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，包括缸内直喷气体发动机，缸内直喷气体发动机汽缸盖上设有燃气进气通道和进气门及燃气控制凸轮、空气进气通道和进气门及空气控制凸轮、排气门，其特征是：进气门和排气门的个数为多个，所有排气门共用一个排气门通道，进气门分为燃气进气门与空气进气门，燃气进气门与空气进气门对应设有燃气进气通道和空气进气通道，燃气进气门与空气进气门的进气凸轮采用双凸轮方式或多凸轮方式，空气凸轮控制空气进气门首先开启，燃气凸轮控制燃气进气门之后开启。

该燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，如果进气门的个数为两个，两个进气门分别包括进气门一和进气门二，进气门一设有燃气进气凸轮，进气门二设有空气进气凸轮，空气进气凸轮控制进气门二首先开启，空气扫气结束后，燃气进气凸轮控制进气门一开启燃气进入。如果进气门的个数为两个以上，燃气通道的多个进气门共同使用一个进气凸轮、空气通道的多个进气门共同使用一个进气凸轮或者是每一个进气门单独使用一个进气凸轮。 

本发明的有益效果是：该燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，热效率高、泵气损失小、抗爆震性能好，燃气可常压供给，对气体洁净度要求较低、整体可靠性高，尤其适用于低热值或超低热值气体，为广泛利用低热值气体创造了良好的条件。 

（四）      附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为原有缸内直喷气体发动机汽缸盖的结构示意图。 

附图2为本发明燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机汽缸盖的结构示意图。 

图中，1排气门，2排气门通道，3进气门一，4进气门二，5燃气进气通道，6空气进气通道。 

（五）      具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。

图1中，原有的活塞式燃气发动机其进气系统分外混式与气道喷射式，外混式是通过专用混合器先把燃气与空气混合好之后进入到进气管内，再通过汽缸盖上的两个进气门，在规定的时间内进入到气缸内参加燃烧作功的，气缸上的两个进气门共用一个进气门通道，而气道喷射式是通过电磁喷射阀或小凸轮气门机构通过喷射管将燃气喷射到汽缸盖上进气门通道内的两个进气门附近与空气一起进入到气缸内参加燃烧作功。 

实施例1： 

图2中，该燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，包括缸内直喷气体发动机，缸内直喷气体发动机汽缸盖上设有燃气进气通道和进气门及燃气控制凸轮、空气进气通道和进气门及空气控制凸轮、排气门，进气门和排气门的个数为多个，所有排气门1共用一个排气门通道2，进气门分为燃气进气门与空气进气门，燃气进气门与空气进气门对应设有燃气进气通道5和空气进气通道6，燃气进气门与空气进气门的进气凸轮采用双凸轮方式或多凸轮方式，空气凸轮控制空气进气门首先开启，燃气凸轮控制燃气进气门之后开启。进气门的个数为两个，两个进气门分别包括进气门一3和进气门二4，进气门一3设有燃气进气凸轮，进气门二4设有空气进气凸轮，空气进气凸轮控制进气门二4首先开启，空气扫气结束后，燃气进气凸轮控制进气门一3开启燃气进入，同时排气门关闭，燃气与空气通过各自的通道进入缸内，混合后压缩做功。

实施例2： 

该燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，进气门的个数为两个以上，燃气通道的多个进气门共同使用一个进气凸轮、空气通道的多个进气门共同使用一个进气凸轮或者是每一个进气门单独使用一个进气凸轮，空气凸轮控制空气进气门首先开启，燃气凸轮控制燃气进气门之后开启。

该系统将现有发动机汽缸盖重新设计，两个进气门不再共用一个进气门通道，而是每个气门单独使用一个进气通道，这样两个气门一路进空气，另一路进燃气，而且先由空气进气凸轮控制空气进气门打开，扫气，扫气结束后，燃气进气凸轮控制燃气进气门进燃气，同时排气门关闭，燃气与空气通过各自的通道进入缸内，混合后压缩做功。这种改进，与电磁喷射阀内混式结构相比，它甩掉了结构复杂、价格昂贵的电磁喷射阀及其电控系统，同时燃气喷射量与电磁喷射阀相比，可增加2倍以上。与进气道内凸轮轴小气门内混式结构相比，它甩掉了结构复杂、故障率高、噪声较大、制造成本较高的传动轴、小凸轮轴、小气门、小摇臂及喷射管等部件，同时燃气进气量与之相比可增加至少一倍以上，真正实现了缸内直喷。 

Claims (3)

1.一种燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，包括缸内直喷气体发动机，缸内直喷气体发动机汽缸盖上设有燃气进气通道和进气门及燃气控制凸轮、空气进气通道和进气门及空气控制凸轮、排气门，其特征是：进气门和排气门的个数为多个，所有排气门共用一个排气门通道，进气门分为燃气进气门与空气进气门，燃气进气门与空气进气门对应设有燃气进气通道（5）和空气进气通道（6），燃气进气门与空气进气门的进气凸轮采用双凸轮方式或多凸轮方式，空气凸轮控制空气进气门首先开启，燃气凸轮控制燃气进气门之后开启。

2.根据权利要求1所述的燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，其特征是：进气门的个数为两个，两个进气门分别包括进气门一（3）和进气门二（4），进气门一（3）设有燃气进气凸轮，进气门二（4）设有空气进气凸轮，空气进气凸轮控制进气门二（4）首先开启，空气扫气结束后，燃气进气凸轮控制进气门一（3）开启燃气进入气缸。

3.根据权利要求1所述的燃气、空气分路、分时、缸内直喷进气气体发动机，其特征是：进气门的个数为两个以上，燃气通道的多个进气门共同使用一个进气凸轮、空气通道的多个进气门共同使用一个进气凸轮或者是每一个进气门单独使用一个进气凸轮。

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