增壓天然氣發動的製造方法
2023-05-01 00:48:46 1
增壓天然氣發動的製造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種增壓天然氣發動機，燃用天然氣或者其它以甲烷為主要成分的氣體燃料，所述發動機包括缸體、缸蓋、活塞、曲柄連杆機構，進氣系統、排氣系統、燃氣系統、點火系統、發動機控制器等，所述進氣系統和排氣系統上設有廢氣渦輪增壓器，所述廢氣渦輪增壓器由渦輪機和壓縮機組成。所述燃氣系統包括燃氣噴射器，所述燃氣噴射器安裝在氣缸蓋上或者進氣歧管上，燃氣通過所述燃氣噴射器噴入進氣道。本實用新型所提供的增壓天然氣發動機，能夠用較低的製造成本大幅度提高天然氣發動機的動力性能和熱效率。
【專利說明】增壓天然氣發動機
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及發動機【技術領域】，具體為一種增壓天然氣發動機。
【背景技術】
[0002]汽車和發動機工業的發展導致了石油消耗的大幅度增加和越來越嚴重的排氣汙染，從而制約經濟發展，危害環境和人體健康。理論和實踐表明由於天然氣辛烷值高因而抗爆性能好；分子碳氫比低因而燃燒後C02排放低；燃燒特性好，因此發動機燃用天然氣可以節約石油液體燃料，降低其尾氣有害排放物和二氧化碳，改善城市PM2.5和降低對環境溫室效應的貢獻，有利於節能環保的
[0003]目前汽車燃用天然氣的一種方法是汽油-天然氣雙燃料技術。該技術可以使汽車發動機具備同時燃用汽油和天然氣的能力，即汽車上載有汽油和天然氣兩個燃料供應系統，汽車用同一個發動機可以選擇性地燃用汽油或者天然氣。在這種情況下，發動機進氣為自然吸氣，天然氣從進氣道(管)進入氣缸，由於天然氣佔據進氣空氣的體積，使得發動機充氣效率大幅度降低，導致發動機輸出扭矩和功率下降159Γ20%。另外，汽油-天然氣雙燃料發動機是按汽油特性設計的，發動機的設計參數如壓縮比和配氣定時等不能最佳地體現天然氣的燃料特性，天然氣抗爆性好的優勢不能充分發揮，導致發動機燃用天然氣時更優的熱效率(燃料耗率)潛力不能發揮。還有，汽油-天然氣雙燃料汽車同時具有2套燃料系統，使得該種汽車結構複雜、成本增加。
[0004]為解決從進氣道(或者進氣歧管)供應天然氣導致發動機充氣效率降低的缺點，有人也提出了用較高的壓力(10?20MPa)將天然氣直接噴入發動機氣缸的技術概念。但是，這些概念在應用中將面臨以下幾個問題:一是在發動機高速大負荷時，在缸內難以形成均勻混合氣，導致發動機動力性能(特別是最大功率)下降；二是隨著天然氣儲氣瓶的壓力降低，為了保證天然氣的供應量，天然氣噴射的始噴時間和噴射持續期將隨之調整，導致在同一工況下發動機在點火時的缸內壓力和溫度不一樣，發動機工作不可靠並存在問題；三是要求天然氣儲氣罐儲氣壓力遠高於目前通用的20MPa，大大增加儲氣罐的製造成本和安全隱患。
[0005]同時，為了降低天然氣的燃料耗率，人們也採用稀薄燃燒，即發動機吸入多於化學當量的過量空氣，這個技術在目前的發電用發動機和中、重型中、低速柴油機(發動機轉速<3000 rpm)上有較多的應用。但是，在高速汽車用發動機上採用稀薄燃燒會導致發動機動力性能進一步降低；另外，為了滿足更加嚴格的汽車尾氣排放法規，必須採用特殊的氮氧化合物後處理裝置，導致汽車結構更加複雜，製造和運行成本增加。
實用新型內容
[0006]針對現有技術存在的缺陷，本實用新型提供了一種增壓天然氣發動機，解決高速發動機(通常用作汽車動力)燃用天然氣或者其它以甲烷為主要成分的氣體燃料(例如:煤層氣、頁巖氣和碳氫水合物氣體等)時動力性能(扭矩和功率)和熱效率低的技術問題。採用本實用新型的技術可以用較低的成本大幅度提高上述發動機的動力性能和熱效率，使得其動力性能顯著超過該發動機燃用汽油或者柴油時的動力性能水平，更加有效地利用天然氣和其他甲烷氣體資源。
[0007]為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種增壓天然氣發動機，該增壓天然氣發動機所使用的燃燒方法，包括以下步驟:
[0008]S1、天然氣在0.2^0.9 MPa的壓力下噴射進入發動機進氣道中，與空氣混合，並進入發動機氣缸內，進一步與空氣混合形成均勻的空氣-天然氣混合氣；
[0009]S2、過量空氣係數為0.85^1.1的混合氣，經過壓縮比為11.(Tl3.0的發動機活塞的壓縮，在活塞接近上止點時，被火花塞產生的火花點燃並燃燒，混合氣經過燃燒和膨脹後推動活塞做功，之後排氣排出發動機氣缸；
[0010]S3、排氣經過排氣管進入廢氣渦輪增壓器的渦輪機，推動渦輪機轉動並帶動相連的壓氣機。然後，排氣進入三元催化器反應，最後排氣經過消音器排放到大氣中。
[0011]上述天然氣，也可以是其它以甲烷為主要成分的氣體，包括煤層氣、頁巖氣和碳氫水合物氣體等。
[0012]使用該方法的上述增壓天然氣發動機的最高工作轉速在4000?8000轉/分鐘，發動機的每缸排量(工作容積)小於或者等於0.6升。
[0013]本實用新型提供的上述增壓天然氣發動機包括缸體、缸蓋、活塞、曲柄連杆機構，進氣系統、排氣系統、燃氣系統、點火系統、發動機控制器等，
[0014]上述進氣系統和排氣系統上設有廢氣渦輪增壓器，上述廢氣渦輪增壓器由渦輪機和壓縮機組成，上述渦輪機與排氣管相連接，上述壓縮機與進氣管相連接，上述排氣管上還設有氧傳感器；
[0015]上述燃氣系統包括燃氣噴射器，上述燃氣噴射器安裝在氣缸蓋上或者進氣管上，燃氣通過上述燃氣噴射器噴入進氣道。
[0016]進一步地，上述進氣系統還包括空氣濾清器、節氣門。
[0017]進一步地，上述燃氣系統還包括調壓閥、氣軌。
[0018]進一步地，上述排氣系統的排氣管上還設有與上述渦輪機相連的廢氣旁通閥。
[0019]進一步地，上述排氣管上還設有三元催化器和消音器，上述三元催化器的前後排氣管上均設有氧傳感器，上述氧傳感器通過電路與上述發動機控制器相連。
[0020]進一步地,氣缸蓋上設有火花塞,每一氣缸安裝至少一個火花塞。
[0021]本實用新型還提供了另一種天然氣發動機，其設有上述任一項所述的天然氣發動機的所有部件外，還包括設於進氣管上的中冷器。
[0022]與現有技術相比，本實用新型所提供的一種天然氣發動機，能夠大大提高天然氣發動機的動力性能和熱效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型增壓天然氣發動機的機構示意圖。
[0024]圖2為本實用新型帶中冷器的增壓天然氣發動機的機構示意圖。
[0025]圖3為有效比油耗對比試驗圖。
[0026]圖4為有效扭矩對比試驗圖。
[0027]圖5為有效功率對比試驗圖。
【具體實施方式】
[0028]在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本實用新型。但是本實用新型能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本實用新型內涵的情況下做類似推廣，因此本實用新型不受下面公開的具體實施例的限制。
[0029]下面結合附圖和實施例，對本實用新型的【具體實施方式】做進一步的說明。
[0030]實施例1
[0031 ] 天然氣發動機(不帶中冷器)
[0032]請參見圖1，一種天然氣發動機，
[0033]天然氣發動機包括缸體、缸蓋9、活塞、曲柄連杆機構，進氣系統、排氣系統、燃氣系統、點火系統、發動機控制器15等。
[0034]進氣系統和排氣系統上設有廢氣渦輪增壓器2，廢氣渦輪增壓器2由渦輪機2b和壓縮機2a組成，渦輪機2b與排氣管相連接，壓縮機2a與進氣管5相連接，排氣管11上還設有氧傳感器14。
[0035]燃氣系統包括燃氣噴射器8，燃氣噴射器8安裝在缸蓋9上或者進氣管5上，天然氣通過燃氣噴射器8噴入進氣道。
[0036]較佳地，進氣系統還包括空氣濾清器1、節氣門4。進氣空氣經過壓氣機2a壓縮後進入氣缸，節氣門4用於調節發動機的進氣量從而調節發動機的負荷。
[0037]較佳地，燃氣系統還包括調壓閥6、氣軌7。
[0038]較佳地，排氣系統的排氣管11上還設有與渦輪機相連的廢氣旁通閥12。
[0039]較佳地，排氣管11上還設有三元催化器13和消音器16，三元催化器的前後排氣管上均設有氧傳感器14，氧傳感器14通過電路與發動機控制器15相連。
[0040]較佳地，氣缸蓋上設有火花塞，每一氣缸安裝至少一個火花塞。
[0041]實施例2
[0042]一種天然氣發動機(帶中冷器)
[0043]結合實施例1，請參見圖2，本實用新型提供的另一種天然氣發動機，其設有如實施例1所述的天然氣發動機的所有部件外，還包括中冷器3，在此種方案中，本實用新型中冷器3，將進入發動機的天然氣進行冷卻，這樣有助於進一步提高發動機動力性能。
[0044]實施例3
[0045]天然氣發動機燃燒方法
[0046]請參見圖1，並結合實施例1和實施例2，本實用新型提供了一種天然氣發動機燃燒方法，包括以下步驟:
[0047]S1、天然氣在0.2^0.9 MPa的壓力下噴射進入發動機進氣道中，與空氣混合，並進入發動機氣缸內，進一步與空氣混合形成均勻的空氣-天然氣混合氣。
[0048]S2、過量空氣係數為0.85^1.1的混合氣，經過壓縮比為11.(Tl3.0的發動機活塞的壓縮，在活塞接近上止點時，被火花塞產生的火花點燃並燃燒，混合氣經過燃燒和膨脹後推動活塞做功，之後排氣排出發動機氣缸。發動機採用化學當量混合比燃燒，混合氣的過量空氣係數為0.85?1.1，從而可以採用成熟且成本較低的三元催化器處理發動機排氣中的有害成分，以達到排放法規的要求。
[0049]S3、排氣經過排氣管11進入廢氣渦輪增壓器2的渦輪機2b，推動渦輪機2b轉動並帶動相連的壓氣機2a。然後，排氣進入三元催化器13，最後排氣經過消音器排放到大氣中。
[0050]在某些工況下，部分排氣將不通過渦輪機2b，而是通過廢氣旁通閥12直接進入三兀催化器13。在三兀催化器13裡排氣中的有害氣體一氧化碳(C0)、氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(HC)等經過化學反應轉換成了二氧化碳(C02)和氮氣(N2)等無害氣體。為了保證三元催化器13在較高的轉換效率下工作，混合氣要儘可能地在化學當量的混合比下(過量空氣係數為1.0)燃燒。安裝在排氣管上的氧傳感器14將檢測排氣中的氧氣含量並反饋給發動機的控制器15，發動機控制器15將據此調整天然氣噴氣量以保證要求的混合氣空燃t匕。排氣最後經過消音器16排出到環境大氣中。
[0051]較佳地，使用該方法燃用天然氣，也可以燃用其它以甲烷為主要成分的氣體，包括煤層氣、頁巖氣和碳氫水合物氣體等。
[0052]較佳地，使用該方法的天然氣發動機的最高工作轉速在4000?8000轉/分鐘，發動機的每缸排量(工作容積)小於或者等於0.6升。
[0053]實施例4
[0054]對比試驗
[0055]請參見圖2，並結合實施例2和實施例3做對比試驗如下，同時申明如下，本實施例中天然氣發動機採用實施例2中帶中冷器3的天然氣發動機，本實施例4中現有技術的1.2L汽油-天然氣雙燃料發動機為現有市場上能夠買到的發動機，性能數據為所有能購買到的現有技術發動機所測得的數據的算術平均值。為方便闡述，以下將汽油-天然氣雙燃料發動機燃用天然氣的情況稱為雙燃料天然氣發動機。
[0056]現有技術1.2L雙燃料天然氣發動機(CNG)和本實用新型增壓天然氣發動機(CNG-增壓)。
[0057]4.1.1有效比油耗對比試驗
[0058]現有技術1.2L雙燃料天然氣發動機(CNG)和本實用新型增壓天然氣發動機(CNG-增壓)有效比油耗對比試驗如圖3所示。
[0059]從圖3中可看出，本實用新型增壓天然氣發動機有效油耗比更低，可以有效的降低汽車的使用成本，具有極其廣闊的市場前景。
[0060]4.1.2有效扭矩對比試驗
[0061]現有技術1.2L雙燃料天然氣發動機(CNG)和本實用新型增壓天然氣發動機(CNG-增壓)有效扭矩對比試驗如圖4所示。
[0062]結合圖3，從圖4中可看出，本實用新型增壓天然氣發動機在有效比油耗比現有技術的雙燃料天然氣發動機要低的同時，不同轉速下的發動機的有效扭矩，均大大高於現有技術的雙燃料天然氣發動機。因而，本實用新型提供的增壓天然氣發動機具有更佳的動力性能。
[0063]4.1.3有效功率對比試驗
[0064]現有技術1.2L雙燃料天然氣發動機(CNG)和本實用新型增壓天然氣發動機(CNG-增壓)有效功率對比試驗結果如圖5所示。
[0065]結合圖3和圖4，從圖5中可看出，本實用新型增壓天然氣發動機在有效比油耗比現有技術的雙燃料天然氣發動機要低的同時，不同轉速下的發動機的有效扭矩，有效功率均高於現有技術的雙燃料天然氣發動機。
[0066]本實用新型雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本實用新型，任何本領域技術人員在不脫離本實用新型的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本實用新型的保護範圍應當以本實用新型權利要求所界定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種增壓天然氣發動機，其特徵在於，所述增壓天然氣發動機包括缸體、缸蓋、活塞、曲柄連杆機構，進氣系統、排氣系統、燃氣系統、點火系統、發動機控制器等； 所述進氣系統和排氣系統上設有廢氣渦輪增壓器，所述廢氣渦輪增壓器由渦輪機和壓縮機組成，所述渦輪機與排氣管相連接，所述壓縮機與進氣管相連接，所述排氣管上還設有氧傳感器； 所述燃氣系統包括燃氣噴射器，所述燃氣噴射器安裝在氣缸蓋上或者進氣歧管上，燃氣通過所述燃氣噴射器噴入進氣道。
2.根據權利要求1所述的增壓天然氣發動機，其特徵在於，所述進氣系統還包括空氣濾清器、節氣門。
3.根據權利要求1所述的增壓天然氣發動機，其特徵在於，所述燃氣系統還包括調壓閥、氣軌。
4.根據權利要求1所述的增壓天然氣發動機，其特徵在於，所述排氣系統的排氣管上還設有與所述渦輪機相連的廢氣旁通閥。
5.根據權利要求1所述的增壓天然氣發動機，其特徵在於，所述排氣管上還設有三元催化器和消音器，所述三元催化器的前後排氣管上均設有氧傳感器，所述氧傳感器通過電路與所述發動機控制器相連。
6.根據權利要求1所述的增壓天然氣發動機，其特徵在於，在氣缸蓋上設有火花塞，每一氣缸安裝至少一個火花塞。
7.一種天然氣發動機，其特徵在於，其設有如權利要求1-6所述的增壓天然氣發動機的所有部件外，還包括設於進氣管上的中冷器。
【文檔編號】F02B43/00GK204060918SQ201420468213
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】韓志玉 申請人:韓志玉