CN204532593U - 立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，包括进气系统，活塞燃烧室，所述进气系统包括空滤器、混合器总成、过滤器总成、节流阀，经过空滤器过滤的空气、经过过滤器总成过滤的沼气进入混合器内混合后排放到活塞燃烧室内，节流阀设置在混合器总成上并用于控制混合出气量，辅助电子控制系统控制节流阀的动作。本实用新型是在立式单缸机型上采用沼气作为能源气体的发动机，具有体积小、成本低、移动方便的优点；并采用辅助电子控制系统代替原有的机械式装置，可以实时地根据指令控制燃气与工况的匹配，实现了燃气与发动机工况的合理匹配，大大改善了燃烧性能。

Description

立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统

技术领域

本实用新型涉及发动机技术领域，尤其是一种立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统。

背景技术

开发适合家庭使用的可移动的沼气内燃机发电机组是解决广大偏远地区农村用电难和经济发达地区个体工商户避免电荒的重要举措；也是保护我国的矿产资源，减少对石油等战略资源进口的依赖，实现国家经济可持续发展的战略需要。现时市场上的沼气发动机，主要以多缸机为主，虽然功率大，但是成本高，体积大，移动不方便，不适合广大偏远地区农村家庭使用。同时，传统沼气发动机机采用传统的机械反馈式调速进气控制系统结构，该结构简单，但是对沼气与空气的进气控制不灵活，造成转速与功率不稳定；另外，目前市场上还没有针对单缸沼气发动机而制造出相应的电控ECU单元，在单缸沼气动发机应用领域，电控单元等各类电子集成技术的商业化仍然是空白。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低、电控燃烧的立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，采用辅助电子控制系统实时地根据指令控制燃气与工况的匹配，实现了燃气与发动机工况的合理匹配，大大改善了燃烧性能。

本实用新型的目的是这样实现的：一种立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，包括进气系统，活塞燃烧室，所述进气系统包括空滤器、混合器总成、过滤器总成、节流阀，经过空滤器过滤的空气、经过过滤器总成过滤的沼气进入混合器内混合后排放到活塞燃烧室内，节流阀设置在混合器总成上并用于控制混合出气量，辅助电子控制系统控制节流阀的动作。

所述过滤器总成包括过滤器主体、进气接头、出气接头，在过滤器主体内设置若干冲孔挡板。

所述过滤器主体内设置三个冲孔挡板、从而将过滤器主体分为三层结构，在过滤器主体的第二层底部设置活性炭。

所述活塞燃烧室的压缩比是11.4：1。

所述辅助电子控制系统包括输入电路、输出电路和微机控制单元。

所述输入电路的接口包括A/D转化器和数字输入缓冲器。

本实用新型的有益效果在于：

1）本实用新型是在立式单缸机型上采用沼气作为能源气体的发动机，具有体积小、成本低、移动方便的优点；并采用辅助电子控制系统代替原有的机械式装置，可以实时地根据指令控制燃气与工况的匹配，实现了燃气与发动机工况的合理匹配，大大改善了燃烧性能。

2）由于混合气的浓度及流量对沼气发动机的动力性、经济性有很大关系。混合气太浓，火焰传播速度降低，功率减小，燃烧不完全，燃料消耗增加；反之，混合气过稀则燃料分子间的距离太大，使混合气中火焰不能传播，发动机运转不稳，甚至熄火停车。本实用新型通过混合器的合理设计，根据控制系统提供的信号，保证了沼气发动机实时需要的燃气-空气的合理浓度比。

3）通过过滤器总成，除去沼气内混合的CO2、硫化氢、水、杂质，保证了燃气的纯度。

4）沼气是高辛烷值燃料，发动机的压缩比可以适当提高。通过合理的燃烧室压缩比设计，有利于促进混合气的燃烧，缩短燃烧时间，使燃烧的最高压力和最高温度点接近上死点，而且更重要的是增加了膨胀比，使有效功率增大，燃料消耗率降低。

附图说明

图1为本实用新型沼气发动机的进气系统总成结构示意图。

图2为图1的立体示意图。

图3为本实用新型沼气发动机的混合器总成结构示意图。

图4为本实用新型沼气发动机的过滤器总成结构示意图。

图5为本实用新型沼气发动机的活塞燃烧室剖示图。

图6为本实用新型沼气发动机的控制原理方框图。

图7为本实用新型沼气发动机的控制程序流程图。

说明书附图中，各标号表示如下：出气管法兰1 ，混合器下套筒2，纸垫3，密封盖4 ，节流阀5，混合套筒6，混合器上套筒8，空气管法兰9，空滤器总成10，沼气管法兰11，进气接头13 ，进气法兰14，过滤器主体15，挡板16，出气接头17，混合器20，冲孔挡板一21，冲孔挡板二22，冲孔挡板三23，活塞燃烧室24，沼气进气管30。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1、2所示，为燃气—空气进气系统总成。自然空气通过空滤器总成10的过滤，进入到混合器20中，经过过滤器后的沼气通过沼气进气管30也进入到混合器20中，空气与沼气成90度夹角进入，有利于气体的充分混合。

如图3所示，为混合器20结构示意图。经过过滤器后的沼气通过混合器上套筒8进入混合器下套筒2，沼气进气管30通过沼气管法兰11与过滤器总成连接。经过空滤器总成10后的空气通过混合器上套筒8进入混合器下套筒2，在下套筒端部安装有节流阀5，通过辅助电子控制系统控制阀门的开启与关闭，由此来控制混合气体的浓度。沼气及空气的喉口尺寸及混合后进入的混合器下套筒都是经过优化设计，符合混合气的进气量要求，有利于燃气、空气的混合；通过在套筒及阀门之间采用垫块的安装方式，解决混合器的密封问题。混合器下套筒2的端部设置纸垫3和密封盖4，混合套筒6通过螺栓与混合器上套筒8紧固连接，在混合器上套筒8上设置空气管法兰9，用于连接空气的进气管道。

图4所示为过滤器总成的结构，沼气通过过滤器总成后从沼气进气管30进入混合器内。在过滤器总成的结构中，包括过滤器主体15、进气法兰14、进气接头13、挡板16、出气接头17，在过滤器主体15设置三个冲孔挡板，分别是冲孔挡板一21、冲孔挡板二22、冲孔挡板三23，将过滤器主体15分为三层结构。沼气首先通过进气接头13进入过滤器一层内，一层内有冲孔挡板一，根据不同物质的密度不同，除去大部分的水份；然后进入过滤器二层内，二层内装有活性炭在底部，可以吸附硫化氢等硫化物，另外，根据CO2与沼气的主要成份甲烷的密度差（约11:4），通过在冲孔挡板二上端开孔，让甲烷顺利通过，然后CO2保留在二层内，同时，二层内还有少量的氢氧化钙，除去剩余的CO2；最后，甲烷通过冲孔挡板三后进入三层，然后从出气接头17出来，进入混合器内。根据多次的试验分析得出结论：沼气与空气不宜同方向进入混合器，若同方向进入则沼气、空气得不到充分混合；一般混合器设计是采用交叉进气或直角进气。本申请采用沼气、空气成直角进入的方式，保证了沼气、空气充分混合。冲孔挡板一21与冲孔挡板二22保持活动。

图5所示的是活塞燃烧室结构。活塞燃烧室24的设计关键是压缩比的确定。沼气是高辛烷值燃料，发动机的压缩比可以选择高些。这样不仅压缩终了温度和压力增高，有利于促进混合气的燃烧，缩短燃烧时间，使燃烧的最高压力和最高温度点接近上死点，而且更重要的是增加了膨胀比，使有效功率增大，燃料消耗率降低。但是，压缩比过高，使得压缩终了温度升高，远离火焰中心的末端混合气自然倾向增大，以致在火焰还未传播到整个燃烧室之前，便自行发火，形成燃烧，使发动机工作粗暴，机械摩擦加剧，机械率下降。所以，经过大量的试验分析，最终选用压缩比为11.4：1。

另一方面，压缩比值主要是通过改变活塞顶部形状来获得的，因此，采用的措施包括：对活塞顶部削平2mm，直径为82mm,深202mm，增加燃烧室容积，使得最小容积增加到108.58cm³，将压缩比调整到11.4：1，以适应沼发动机气压缩比的要求。

如图6所示，辅助电子控制系统是由输入电路、输出电路和微机控制单元构成。采用辅助电子控制系统代替原有的机械式装置，可以实时地根据指令控制燃气与工况的匹配，实现了燃气与发动机工况的合理匹配，大大改善了燃烧性能。

输入接口主要由A/D转化器和数字输入缓冲器两部分组成；输出电路把计算机发出的控制指令信号，经过放大、变换等处理转换成可以驱动各执行器工作的电信号。

沼气发动机控制系统采取AVR作为主控芯片来搭建一个控制平台。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接运算单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

在沼气发动机的控制单元硬件设计里面，主要完成控制单元基本电路设计、控制单元通讯电路设计、指示电路设计、AD转换模块的电路设计、输出控制电路设计。

如图7所示，沼气发电机组控制单元的工作流程可分为三个部分：第一个是初始化部分，这时控制单元根据流程对发电机组的各部分进行初始化操作，检查系统性能状态。第二部分为主程序，包括沼气发动机的起动与运行，控制系统需要不断地采集相关信息，并对数据进行处理和变换，使沼气发动机能够在最佳状态上运行。第三个部分为中断服务程序，系统将定时检测运行的压力和温度的数据，若压力或温度异常，系统将会调节处理。

其余结构根据本实用新型其他构成以及操作对于本领域技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同替换所限定，在未经创造性劳动所作的改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，包括进气系统，活塞燃烧室，其特征在于：所述进气系统包括空滤器、混合器总成、过滤器总成、节流阀，经过空滤器过滤的空气、经过过滤器总成过滤的沼气进入混合器内混合后排放到活塞燃烧室内，节流阀设置在混合器总成上并用于控制混合出气量，辅助电子控制系统控制节流阀的动作。

2.根据权利要求1所述的立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，其特征在于：所述过滤器总成包括过滤器主体、进气接头、出气接头，在过滤器主体内设置若干冲孔挡板。

3.根据权利要求2所述的立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，其特征在于：所述过滤器主体内设置三个冲孔挡板、从而将过滤器主体分为三层结构，在过滤器主体的第二层底部设置活性炭。

4.根据权利要求3所述的立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，其特征在于：所述活塞燃烧室的压缩比是11.4：1。

5.根据权利要求4所述的立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，其特征在于：所述辅助电子控制系统包括输入电路、输出电路和微机控制单元。

6.根据权利要求5所述的立式单缸沼气发动机进气和燃烧系统，其特征在于：所述输入电路的接口包括A/D转化器和数字输入缓冲器。