CN101603476B - 天然气单燃料发动机的供气*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气单燃料发动机的供气***，所述供气***供给发动机空气和燃气，空气通过空气过滤器，进入废气涡轮增压器，增压后从出气口进入中冷器，中冷后的空气进入混合器，所述燃气为压缩天然气，钢瓶储存的高压天然气经一级减压器减压，经管路连接到截止阀，到二级减压器、到三级减压器，最后一级形成末级减压器，末级减压器的气体出端与所述的气体混合器的一个进气端相通，两种气体在混合器内充分混合后供给发动机气缸的燃烧室，经涡轮增压及中冷后的空气主要进入混合器(5)，还通过一平衡管(14)与燃气的末级减压器相通，该***能自动地调节参与混合的燃气和空气的压差，保证压差在一个恒定值范围内，从而使燃气和空气以最佳比例混合。

Description

天然气单燃料发动机的供气***

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

由于内燃发动机使用的燃油如汽油、柴油等价格不断上涨，人们转而研究天然气发动机，以便更好地利用我国的天然气资源，如本公司曾申请过一件中国发明专利，名称为“天然气单燃料增压发动机”，专利申请号为2005100223208，公开了一个气体混合装置，利用混合装置为发动机供气，以取代传统的电喷式供气方式，有混合器装置的不仅本公司申请的专利，如中国发明专利，名称为“发动机天然气混合器”，申请号200510018722.0，申请人为东风汽车有限公司；中国实用新型专利申请，名称为“天然气汽车发动机燃气混合器”，申请人为四川石油管理局南充机械厂。上述专利提供了各式各样的气体混合器，总的趋势是，所有利用天然气作燃料的内燃发动机，有一个供气***，所述供气***供给发动机空气和燃气，空气通过空气过滤器，进入废气涡轮增压器，增压后从出气口进入中冷器，中冷后的空气进入混合器，所述燃气为压缩天然气，钢瓶储存的高压天然气经一级减压器减压，经管路连接到截止阀，到二级减压器、到三级减压器……，最后一级形成末级减压器，末级减压器的气体出端与所述的气体混合器的一个进气端相通，两种气体在混合器内充分混合后供给发动机气缸的燃烧室，但这样的***无法根据发动机工况的需要自动调节所需的混合气，为解决这个问题，人们设计了Ecu***来自动调节进入气缸的燃气，但这样的***也无法保证混合气得到最佳比例的混合，发动机不能每时每刻都获得最佳的燃气和空气的混合比，从而得到最大的出力，所有公知的混合器结构都要解决的是两种气体混合如何均匀，但并不注意参与混合的燃气和空气的压力变化情况，压力与流量有关，特别是两种气体存在的压力差别，因此，现在的***是有缺陷的。

发明内容

本发明的目的是提供一个发动机供气***，所述***能克服已有技术的缺点，自动地调节参与混合的燃气和空气的压差，保证压差在一个恒定值范围内，从而使燃气和空气以最佳比例混合，保证发动机得到最佳工况。

为实现上述目的，本发明的方案为：经涡轮增压及中冷后的空气主要进入混合器，还通过一平衡管与燃气的末级减压器相通。

进一步的方案包括将平衡管与气体混合器的空气进气端相接，所述管的另一端与末级减压器相通。

采用上述方案，将公知技术的供气***变为一个有反馈量自动调节的控制***，该***能根据发动机的工况需要提供最佳的燃气和空气的混合气，从而实现了本发明的目的。

下面结合图示及实施例对本发明的方案作更详细的说明。

附图说明

图1为天然气单燃料发动机的供气***的流程图；

图2为天然气单燃料发动机的供气***的部件连接图；

图3为图2中反馈***的结构图。

具体实施方式

如图1所示的***框图中，钢瓶高压天然气经管路进入高压减压器1→二级减压器2→三级减压器3……末级减压器4，末级减压器4进入混合器5的之间接有一个供气阀13，另一条支路由空气进入废气增压涡轮6→经中冷器7冷却→进入混合器5，混合器5的出气端进入发动机气缸8，该***接有两条支路，一条属于公知技术的ECu控制***，ECu用脚标9指示，另一条支路即为本发明的方案所设计，可以直接从中冷器经支路10连到末级减压器4，用虚线表示出这是一条可以设想的连接，具体的连接是从混合器空气进气端经支路11连接到末级减压器4，这也是本方案的具体连接方式。

如图2的装配图中，用管路连接各个部件构成一个完整的发动机供气***，形象地说明框图。供气***包括空气和燃气，空气经过滤器，废气增压涡轮，经中冷器冷却后进入混合器5，燃气供给***包括从钢瓶高压天然气到高压减压器1，本实施例的二级减压器和三级减压器在一个组合减压器12内，没有设置三级以上的减压器，从组合减压器12出来的燃气到混合器5之间的管路上串接有一个由Ecu***控制的供气阀13，阀13的出气端连到混合器5，混合器5与发动机的气缸相连，供给按比例混合好的混合气，这是发动机供气***的主通路，有一条按方案设计的反馈支路，理论上这条反馈支路只要是从中冷器出来的空气都可以分一小部分直接接到末级减压器上，如框图中的支路10，但从结构考虑，本方案的设计是从混合器的出气端连接一根反馈管14到组合减压器12的末级减压器上。所述的反馈管也叫平衡管。

图3的***图中包括了组合减压器12和混合器5的结构。组合减压器12包括在一个扁平的盒子内腔隔成两个腔室，形成二级腔15和三级腔16，两个腔室之间有通道17互通，其通道有一三级腔阀门18控制其开启，二级腔有进气口19，三级腔有出气口20，进气口19有一道二级阀门21控制其开启，三级腔的上部有一辅助腔22，辅助腔22与三级腔16之间有孔，孔上覆盖有一层三级膜片23，膜片23上固定有一三级压缩弹簧24，辅助腔22有口25外接平衡管14，即流程图中的反馈管。

二级腔进口19的阀门的开闭由一个杠杆装置控制，所述杠杆装置有一二级膜片26，膜片上面用弹簧27压住膜片，膜片另一端设有支点28，膜片装置形成的杠杆端部29活动铰接一个二级阀门21。

所述的二级腔15和三级腔16之间的活动门结构也是一个杠杆30带动一个阀门18，有杠杆支点31，杠杆后端与三级腔膜片23相连，在二级腔的隔板上开有孔32，以便二级腔的压力气体能作用于膜片26上。

在混合器的结构图中，包括混合气出口33，燃气进口34，腔内有一组对称的膜片35，膜片35的上面中部与一压缩弹簧36相接，膜片的下面中间部位固定一锥体37，锥体37的锥体部分与一根管38的管口配合，管38与燃气进口34相通，该结构为对称，在混合器的另一端为混合器进气口39，在管壁上设有一接口40，连接平衡管14。

为进一步说明本方案的工作原理，将上述图中的减压器和混合器用平衡管14连接起来，如图3所示，图示中的组合减压器是二级减压器和三级减压器组合在一起，三级减压器也是末级减压器，当从高压减压器1出来的压力天然气从二级减压器入口19进入时，压力已减到1Mpa左右，当二级腔15内的气体压力小于27Kpa时，气体从孔32引进作用于二级膜片，二级膜片26下方气体压力不能克服二级弹簧27作用，使二级阀门21不能下移封住气体入口19，于是1Mpa的压力天然气进入二级腔15内，当二级腔15内的压力大于27Kpa时，二级膜片26下方气体大于上方压力可克服二级弹簧27作用，使二级阀门21下移封住入口19，关闭阀门，使气体不能进入二级腔15，已进入的压力为1Mpa的燃气在二级腔室内稀释压力，一直到27Kpa左右，所以二级腔15的气体压力始终维持在27Kpa左右，天然气再经过二级出口17进入三级腔16，三级膜片23上方受三级压缩弹簧24的弹簧力作用和通过连接混合气进气口的平衡管14从进口25输送来的空气压力的作用，当三级腔内的天然气压力比三级膜片23上方压力大于4-5英尺水柱时，就能克服三级弹簧24的弹簧力，让三级膜片23向上作用，在杠杆30作用下，关闭三级进气通道17，从而使三级腔16内的天然气气体压力与混合器进的增压中冷后的空气压差保持4-5英尺水柱，需要说明的是，三级腔16实际上还包括一段供气阀13通过管道与混合减压器12相连的一段空腔，所以三级腔16的压力与供气阀13的调整也有关系，所述的供气阀13由Ecu控制，供气阀13的出气端与混合器5的进气端34相连，经混合器5按比例混合的空气和燃气经混合器出气口33送入气缸燃烧，气体燃烧后气缸内形成负压，使膜片35上方受到向下的作用力，当膜片35上方的压力与下方的混合器进气腔34的压力差能克服混合器弹簧36作用，向上压缩弹簧，使锥体37向上移，使管38的管口开启，燃气从进口34流出进入混合器腔内与空气混合，由于混合减压器的三级腔天然气气体与混合器进的增压中冷后的空气压差不变，本实施例经过测试，最佳的压差为4-5英尺水柱，燃气压力高于空气压力，所以混合器中空气量和天然气量比与混合过程中通过的横截面积等比例，从而使空气量和天然气量以理想比例混合进入汽缸，点燃做功燃烧后，通过排气管，进入增压器推动涡轮，从排气弯管排出。

本技术方案的贡献在于将一个公知供气***上增加了一个反馈支路，即平衡管14形成的支路，这样的目的是给发动机提供一个根据工况得到最佳天然气和空气混合气，发动机产生的功率与所进的天然气和空气流量有关，压力是为了保证流量，从图1的***图可知，其实存在两个反馈支路，一条是公知技术的Ecu***，一条是本技术方案所设的平衡管14所形成的反馈支路，Ecu***控制天然气控制阀13，Ecu***采集发动机的各工况最佳状态时，进气歧管绝对压力传感器、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，再根据进气歧管绝对压力传感器、进气温度传感器、发动机水温传感器的数据，查找该工况下的最合适的控制阀参数，再通过氧传感器对该天然气控制阀参数修正，最后天然气控制阀改变供气横截面积，以改变到混合器中燃气的流量，但氧传感器设置在发动机排气管上，通过检测尾气的含量作为参数修正，这已是一种事后的检测，有一种滞后量，通常把Ecu***作为供气***的精密调节，本方案所形成的反馈支路的调整作为初调，对Ecu***的功能作补充和提高，进一步完善天然气单燃料发动机的供气***。

本方案平衡管14所形成的反馈支路作用作如下分析，由图3中可知，平衡管14接入组合减压器12中的辅助腔22，三级膜片23的上方共受到两种力的作用，一是从平衡管14进入的加压后的空气，设其压力为P_空气，二是压缩弹簧24给予三级膜片23的弹簧力，用P_弹簧表示，P_弹簧＝λS，其中λ为弹性系数，S为行程，三级膜片23的下方受到燃气压力的作用，设其作用于膜片的力为P_燃气，只有当P_燃气＞P_弹簧+P_空气，三级阀门18即关闭，即P_燃气-P_空气＞P_弹簧，即只要燃气与空气间的压差大于弹簧作用力时，三级阀门18即关闭，而弹簧压力P_弹簧是一个预先设计好的力，本方案设计的弹簧力为三级膜片23受到上下两面的压差为4-5英尺水柱时就能压缩弹簧24使其上移，从而关闭三级阀门18，所以根据上述参数设计的弹簧能保证天然气和空气间的压差为4-5英尺水柱，本方案一直强调的是，经过试验，这种压差值是形成混合气的最佳比例，最符合发动机气缸的燃烧工况。本***从平衡管14反馈送来的空气压力相当于设立了一个与天然气比较的标准，这种技术方案与Ecu比较，不是事后调整，而是对发动机工况进行即时调整，而且这种混合方式提高了可靠性，混合更充分，因此其效果更显著，据测算，本装置与同类机型，如仅使用Ecu作为***调整的装置比，功率提高，成本降低，是一种成功的设计方案。

Claims (7)

1.一种天然气单燃料发动机的供气***，所述供气***供给发动机空气和燃气，空气通过空气过滤器，进入废气涡轮增压器，增压后从出气口进入中冷器，中冷后的空气进入混合器，所述燃气为压缩天然气，钢瓶储存的高压天然气经一级减压器减压，经管路连接到截止阀，到二级减压器、到三级减压器，最后一级形成末级减压器，末级减压器的气体出端与所述的气体混合器的一个进气端相通，两种气体在混合器内充分混合后供给发动机气缸的燃烧室，其特征在于：经涡轮增压及中冷后的空气主要进入混合器(5)，还通过一平衡管(14)与燃气的末级减压器相通。

2.根据权利要求1所述的天然气单燃料发动机的供气***，其特征在于：将平衡管(14)与气体混合器(5)的空气进气端相接，所述管的另一端与末级减压器相通。

3.根据权利要求2所述的天然气单燃料发动机的供气***，其特征在于：平衡管(14)的另一端与末级减压器的辅助腔相连。

4.根据权利要求1所述的天然气单燃料发动机的供气***，其特征在于：组合减压器(12)包括在一个扁平的盒子内腔隔成两个腔室，形成二级腔(15)和三级腔(16)，两个腔室之间有通道(17)互通，其通道有一三级腔阀门(18)控制其开启，二级腔有进气口(19)，三级腔有出气口(20)，进气口(19)有一道二级阀门(21)控制其开启，三级腔的上部有一辅助腔(22)，辅助腔与三级腔(16)之间有孔，孔上覆盖有一层三级膜片(23)，膜片(23)上固定有一三级压缩弹簧(24)，辅助腔(22)有口 (25)外接平衡管(14)。 

5.根据权利要求4所述的天然气单燃料发动机的供气***，其特征在于：二级腔进口(19)的阀门的开闭由一个杠杆装置控制，所述杠杆装置有一二级膜片(26)，膜片上面用弹簧(27)压住膜片，膜片另一端设有支点(28)，膜片装置形成的杠杆端部(29)活动铰接一个二级阀门(21)。 

6.根据权利要求4或5所述的天然气单燃料发动机的供气***，其特征在于：所述的二级腔(15)和三级腔(16)之间的活动门结构也是一个杠杆(30)带动一个阀门(18)，有杠杆支点(31)，杠杆后端与三级腔膜片(23)相连，在二级腔的隔板上开有孔(32)。 

7.根据权利要求1所述的天然气单燃料发动机的供气***，其特征在于：所述的混合器包括混合气出口(33)，燃气进口(34)，腔内有一组对称的膜片(35)，膜片的上面中部与一压缩弹簧(36)相接，膜片的下面中间部位固定一锥体(37)，锥体的锥体部分与一根管(38)的管口配合，管与燃气进口相通，该结构为对称，在混合器的另一端为混合器进气口(39)，在管壁上设有一接口(40，连接平衡管(14)。 

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