CN101858247A - 用于农用车辆的甲烷动力发动机 - Google Patents

Abstract

一种用于农用车辆的甲烷动力发动机，包括气缸、活塞、连杆、曲轴、燃料供给***，气缸上安装有进气活门、排气活门、火花塞，燃料供给***由燃气储气罐组、燃气过滤器、燃气调压器、燃气控制电磁阀、燃气混合器、空气过滤器、空气控制电磁阀、节气阀、电控单元、涡轮增压器组成，燃气储气罐经过管道与燃气过滤器连接，燃气过滤器经过管道与燃气调压器连接，燃气调压器经过管道与燃气混合器的连接，空气过滤器经过管道与涡轮增压器连接，涡轮增压器经过管道与燃气混合器连接，燃气调压器、燃气控制电磁阀、空气控制电磁阀都与电控单元连接。本发明的发动机，以沼气净化后得到的甲烷为燃料，适合于农用车辆、农用机具使用。

Description

用于农用车辆的甲烷动力发动机

技术领域

本发明涉及农用车辆、农用机具的动力***技术，通过改善发动机的燃料供给***，使农用车辆、农用机具实现可适用以甲烷动力作为燃料。

背景技术

现有的农用车辆、农用机具大多使用柴油发动机作为动力源，柴油的热值虽然很高，输出动力大，但是尾气污染严重，柴油价格也很高，而且柴油来自于石油，是不可再生的一次能源，面临日益枯竭的问题。因此急需研发一种新的以可再生能源为燃料的发动机。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于农用车辆的甲烷动力发动机，通过改善发动机的燃料供给***，使农用车辆、农用机具实现以沼气净化后得到的甲烷作为动力燃料的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于农用车辆的甲烷动力发动机，包括气缸、活塞、连杆、曲轴、燃料供给***，气缸上安装有进气活门、排气活门、火花塞，活塞安装在气缸的缸体内，连杆的一端与活塞连接，连杆的另一端与曲轴连接，其特征是：所述燃料供给***由燃气储气罐组、燃气过滤器、燃气调压器、燃气控制电磁阀、燃气混合器、空气过滤器、空气控制电磁阀、节气阀、电控单元、涡轮增压器组成，燃气储气罐组中的各燃气储气罐分别经过分支管道与一号主管道连接，一号主管道与燃气过滤器的气体入口连接，燃气过滤器的气体出口经过二号主管道与燃气调压器的气体出口连接，燃气调压器的气体出口经过三号主管道与燃气混合器的燃气进口连接，在三号主管道上设置有燃气控制电磁阀，空气过滤器的气体出口经过四号主管道与涡轮增压器的空气进口连接，涡轮增压器的空气出口经过五号主管道与燃气混合器的空气进口连接，五号主管道上安装有空气控制电磁阀，燃气混合器的混合气出口经过六号主管道与进气活门连接，六号主管道上安装有节气阀，所述燃气调压器、燃气控制电磁阀、空气控制电磁阀都与电控单元连接。

所述燃气储气罐组由4-8只燃气储气罐构成，每只燃气储气罐的容积是60-120L，沼气压力是20MPa。

所述燃气调压***的压力输出范围是0.1～0.4MPa。

所述燃气混合器控制燃气与空气比例为1∶9-12.5。

所述气缸的总容积与燃烧室容积之比为8-13。

所述火花塞的点火提前角为23-36°。

本发明有以下积极有益效果：

本发明所用的动力燃料为沼气净化后得到的甲烷，沼气是可再生能源，来源广泛，农业副产品、植物秸秆、有机质废料等生物质原料都可以生产出沼气，沼气经过净化而制得的甲烷燃料，属清洁能源、可再生能源，从而为农用车辆、农用机具开辟了新的动力燃料来源，解决了柴油燃料污染严重、价格昂贵、依赖石油蕴藏量面临日益枯竭的问题。同时，还达到了降低农用车辆、农用机具的燃料消耗成本，实现沼气甲烷资源多方面利用、产业化、集约化发展的效果。

本发明还具有如下的优点：

实现了沼气综合利用，沼气取之于农、用之于农，形成良性循环；沼气甲烷成本低廉且易制取，从而大大降低农机的作业成本；沼气甲烷就地取材，就地使用，减少了燃料运输环节，降低了燃料运输费用；

值得一提的是：沼气经过净化后，得到的甲烷燃气仍含有部分二氧化碳等不可燃物质，燃烧性质、发热值等与现有天然气仍有所不同。

沼气中甲烷的含量为50-70％，二氧化碳的含量为30-40％；净化后甲烷含量可达90-98％，但仍含有3-10％的二氧化碳等组分，考虑到净化成本，二氧化碳含量会接近于上限，即10％左右。

天然气中甲烷的含量一般会高于80％，此外还含有其它低碳烃类成分，如乙烷、丙烷、丙烯等，因产地不同，含量差异很大(一般含量约在10％左右，但有些油田伴生气中甚至可能超过20％)。这些成分虽然有很高的热能，但是燃烧后会产生积炭，因此沼气甲烷更加洁净，可以解决发动机内残留积炭问题，易于维护保养，延长发动机的使用寿命。因此，本发动机比现有天然气发动机结构更简单，工作性能更加可靠。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是燃气混合器的结构示意图。

图3是节气阀的结构示意图。

图4是发动机气缸的结构示意图，示意活塞处于上止点位置。

图5是发动机气缸的结构示意图，示意活塞处于下止点位置。

图6是发动机活塞的结构示意图。

图7是涡轮增压器的结构示意图。

具体实施方式

图中标号：

1燃气储气罐     2气罐控制阀     3气体总阀

4燃气过滤器     5燃气调压器     6燃气控制电磁阀

7燃气混合器     8空气过滤器     9空气控制电磁阀

10节气阀        11进气活门      12气缸

13火花塞        14排气活门      15电控单元

16导线          17涡轮增压器

701燃气进口     702空气进口     703混合气出口

704主体         705内套         706燃气喷孔

101混合气进口   102混合气出口

103节气阀主体   104阀芯         105节气阀杆

106压紧锁母     107密封填料

121缸体         122活塞         123活塞环

124连杆         125曲轴

126燃烧室容积   127气缸总容积

171空气进口     172空气出口     173废气进口

174废气出口     175锁母         176压气叶轮

177涡轮         178涡轮轴       179锁母

20分支管道

21一号主管道    22二号主管道    23三号主管道

24四号主管道    25五号主管道    26六号主管道

请参照图1、图2、图3、图4，本发明是一种用于农用车辆的甲烷动力发动机，包括气缸12、活塞122、连杆124、曲轴125、燃料供给***，气缸12上安装有进气活门11、排气活门14、火花塞13，活塞122安装在气缸12的缸体121内，连杆124的一端与活塞122连接，连杆124的另一端与曲轴125连接，燃料供给***由燃气储气罐组、燃气过滤器4、燃气调压器5、燃气控制电磁阀6、燃气混合器7、空气过滤器8、空气控制电磁阀9、节气阀10、电控单元15、涡轮增压器17组成。

燃气储气罐组中的各燃气储气罐1分别经过分支管道20与一号主管道21连接，一号主管道21与燃气过滤器4的气体入口连接，燃气过滤器4的气体出口经过二号主管道22与燃气调压器5的气体入口连接，燃气调压器5的气体出口经过三号主管道23与燃气混合器7的燃气进口701连接，在三号主管道23上设置有燃气控制电磁阀6，空气过滤器8的气体出口经过四号主管道24与涡轮增压器17的空气进口171连接，涡轮增压器17的空气出口172经过五号主管道25与燃气混合器7的空气进口702连接，五号主管道25上安装有空气控制电磁阀9，燃气混合器7的混合气出口703经过六号主管道26与进气活门11连接，六号主管道26上安装有节气阀10，燃气控制电磁阀6、空气控制电磁阀9都通过导线16与电控单元15连接。

一号主管道21上设置有气体总阀3，各个分支管道上装有气罐控制阀2，燃气储气罐组由4-8只燃气储气罐1构成，每只燃气储气罐1的容积是60-120L，燃气压力是20MPa。

燃气调压器5采用现有技术，其压力输出范围是0.1～0.4MPa。

现有的采用稀薄燃烧方式的天然气发动机的燃空比为1∶13-18，由于沼气净化后，约含有10％的二氧化碳，甲烷只占90％，因此，沼气甲烷的热值低于天然气，本发明的发动机，为使燃气与空气混合均匀，燃烧平稳；将燃气与空气比例设定为1∶9-12.5，燃气与空气比例由燃气混合器7控制。

发动机的压缩比为气缸总容积与燃烧室容积之比。一般来说，压缩比越大，发动机的输出功率越大，经济性能越好。但是压缩比过大时会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧现象，不仅会降低发动机功率，甚至会损坏发动机零部件、降低发动机寿命。

本发明的发动机的压缩比为8-13，高于天然气发动机的压缩比6-10，低于柴油发动机的压缩比14-22。

请参照图4、图5，发动机的压缩比是活塞从下止点到上止点的容积变化比例，也就是气缸总容积127与燃烧室容积126之比。

点火提前角对发动机的性能产生重要的影响。为在经济条件下使发动机获得更好的动力及环保性能，火花塞13的点火提前角为23-36°，采用直接点燃式的点火方式，使启动方式更加安全可靠；

本发明的工作原理如下：

储存在燃气储气罐1中的高压燃气经气罐控制阀2、气体总阀3控制后，进入燃气过滤器4过滤，经燃气调压器5减压到使用压力0.1～0.4MPa后，通过燃气控制电磁阀6进行流量控制，使适量的燃气进入燃气混合器7；同时空气经过空气过滤器8、涡轮增压器17、空气控制电磁阀9，按比例进入燃气混合器7，与燃气均匀混合，通过节气阀10、进气活门11进入发动机的气缸12中，经火花塞13点火后，燃烧做功产生动力，废气经排气活门14排出，进入涡轮增压器17为助燃空气进行增压或排放。发动机及各部位数据测量及***控制由电控单元15完成，通过导线16传送到各个控制点自动控制。

请参照图2，燃气混合器7的主体704为三通式、内外套结构，混合室为圆弧收缩、直线扩张结构；空气由空气进口702进入，在内套705的作用下，流速加快形成负压，燃气由燃气进口701进入到主体704、内套705之间的环状器腔内，由燃气喷孔706径向喷入，与轴向进入的空气混合后，由混合气出口703进入节气阀10的混合气进口101，再经节气阀10的混合气出口102、进气活门11进入发动机的气缸12中，通过节气阀10控制发动机气缸12的进气量，来控制发动机的输出功率。节气阀10的结构如图3所示。

请参照图3，节气阀10的阀芯104通过节气阀杆105连接在节气阀主体103内，通过机械传动，节气阀杆105带动阀芯104在节气阀主体103内旋转，以控制混合气体流量的大小。节气阀杆105的密封由压紧锁母106、密封填料107完成。

请参照图4、图5，在发动机的气缸12中，燃料燃烧产生动力推动活塞122做往复运动，活塞带动连杆124、曲轴125运动使发动机做功，活塞环123起密封作用。

活塞122运行到活塞顶距离曲轴125旋转中心最远处时，即图4中最高位置时，活塞顶上方的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积126；活塞运行到活塞顶距离曲轴旋转中心最近处时，即图5中最低位置时，活塞顶上方的整个空间的容积量称为气缸总容积127；气缸总容积127与燃烧室容积126之比称为压缩比，改变压缩比即为相对增加燃烧室容积或相对减小气缸总容积。改变压缩比的简便方法之一为将平顶活塞改变为凹顶活塞128，如图6所不。

柴油动力改为甲烷燃气动力后，发动机的输出功率会因燃料燃烧热值的变化而有所下降，因此，本发明在空气过滤器8、空气控制电磁阀9之间增加涡轮增压器17，提高气缸进气压力，变非增压发动机为增压发动机，从而提高发动机的输出功率20％-40％。

请参照图7，涡轮增压器17通过压缩空气来增加进气量，燃烧更多的燃料，来达到增加发动机输出功率的目的。发动机排出的废气由涡轮增压器17的废气进口173进入，利用废气的惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮177转动，然后由废气出口174排出，涡轮177通过锁母179固定在涡轮轴178上，压气叶轮176通过锁母175固定在涡轮轴178上。涡轮177带动同一涡轮轴178上的压气叶轮176旋转，压气叶轮176压送由空气进口171进来的空气，增压后的空气由空气出口172排出，经过空气控制电磁阀9、燃气混合器7、节气阀10控制进入气缸。当发动机转速增快时，废气排出速度与涡轮177转速也同步增快，压气叶轮176就压缩更多的空气，以及更多的燃气进入气缸。

Claims (6)

1.一种用于农用车辆的甲烷动力发动机，包括气缸、活塞、连杆、曲轴、燃料供给***，气缸上安装有进气活门、排气活门、火花塞，活塞安装在气缸的缸体内，连杆的一端与活塞连接，连杆的另一端与曲轴连接，其特征是：所述燃料供给***由燃气储气罐组、燃气过滤器、燃气调压器、燃气控制电磁阀、燃气混合器、空气过滤器、空气控制电磁阀、节气阀、电控单元、涡轮增压器组成，燃气储气罐组中的各燃气储气罐分别经过分支管道与一号主管道连接，一号主管道与燃气过滤器的气体入口连接，燃气过滤器的气体出口经过二号主管道与燃气调压器的气体出口连接，燃气调压器的气体出口经过三号主管道与燃气混合器的燃气进口连接，在三号主管道上设置有燃气控制电磁阀，空气过滤器的气体出口经过四号主管道与涡轮增压器的空气进口连接，涡轮增压器的空气出口经过五号主管道与燃气混合器的空气进口连接，五号主管道上安装有空气控制电磁阀，燃气混合器的混合气出口经过六号主管道与进气活门连接，六号主管道上安装有节气阀，所述燃气调压器、燃气控制电磁阀、空气控制电磁阀都与电控单元连接。

2.如权利要求1所述的用于农用车辆的甲烷动力发动机，其特征是：所述燃气储气罐组由4-8只燃气储气罐构成，每只燃气储气罐的容积是60-120L，沼气压力是20MPa。

3.如权利要求1所述的用于农用车辆的甲烷动力发动机，其特征是：所述燃气调压***的压力输出范围是0.1～0.4MPa。

4.如权利要求1所述的用于农用车辆的甲烷动力发动机，其特征是：所述燃气混合器控制燃气与空气比例为1∶9-12.5。

5.如权利要求1所述的用于农用车辆的甲烷动力发动机，其特征是：所述气缸的总容积与燃烧室容积之比为8-13。

6.如权利要求1所述的用于农用车辆的甲烷动力发动机，其特征是：所述火花塞的点火提前角为23-36°。

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