CN108049993A - 一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，该***用于向天然气发动机主体内供给高温水，***包括水箱、与水箱相连通的加热水共轨以及分别与加热水共轨、气缸内部相连通的喷水器，水箱内的常温水经加热水共轨加热后，成为高温水，并由喷水器喷入气缸内。与现有技术相比，本发明通过向燃烧室内喷入高温水，能够利用高温水吸收燃烧室内的热量并膨胀做功，在降低了缸内温度，实现压缩负功降低的同时，提升了膨胀正功，显著提高天然气发动机的工作效率，将天然气发动机热效率提升8‑20％，同时，缸内温度的降低还有助于减少天然气发动机燃烧过程中氮氧化物的生成，促进天然气发动机的节能减排。
Description
技术领域
本发明属于天然气发动机技术领域，涉及一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***。
背景技术
天然气主要由甲烷和少量乙烷、丙烷、氮等组成，具有资源丰富、价格低廉等优点，被普遍认为是一种非常具有发展前景的燃料。天然气发动机是以天然气作为燃料的发动机，现有的天然气发动机大都是由柴油机或汽油机改造而来，已应用在一些新能源汽车上。由于发动机室的容积限制，天然气发动机的体积无法做到尽可能大，限制了其热效率的进一步提高。此外，天然气发动机的稀燃会导致燃烧室内的燃料在富氧状态下燃烧，当缸内燃烧温度高于2000K时，氮氧化物(NOx)排放尤其严重，对环境造成了严重污染，因而对天然气发动机后处理装置的全范围效率及成本提出了很高的要求。
随着能源与环境问题的日益严峻，天然气发动机的污染排放问题也越来越紧迫，节能减排成为了天然气发动机的研究方向之一。目前，常使用选择性催化还原装置进行天然气发动机的尾气后处理。此类方法虽然能够在一定程度上减少天然气发动机的污染物排放，但由于增加了复杂的废气处理装置及额外的催化物质，导致其成本大大提高。同时，由于尾气端排气背压的提高，造成缸内燃烧过程中残余废气率提升，对缸内高效燃烧产生了较为显著的抑制作用，造成天然气发动机油耗表现劣化，限制了天然气发动机的应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够提高天然气发动机热效率且节能环保的往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，该***用于向天然气发动机主体内供给高温水，所述的天然气发动机主体包括天然气发动机机体、设置在天然气发动机机体上的气缸以及分别与气缸的内部相连通的进气管、排气管，所述的进气管上设有天然气喷嘴，所述的***包括水箱、与水箱相连通的加热水共轨以及分别与加热水共轨、气缸内部相连通的喷水器，所述的水箱内的常温水经加热水共轨加热后，成为高温水，并由喷水器喷入气缸内。天然气经天然气喷嘴进入进气管内，与进气管内的空气混合后一起进入气缸中燃烧做功。水箱内的水在加热水共轨内加热至预设温度后，经喷水器喷入天然气发动机主体内。天然气发动机主体内喷入的高温水不仅能够吸收缸内燃料燃烧产生的热量，降低缸内温度，进而降低天然气发动机工作过程的压缩负功，同时由于高温水吸收缸内燃烧产生的热量后迅速蒸发膨胀，作为额外做功工质，推动活塞做功，增加了天然气发动机工作过程的膨胀正功，进而显著提高了天然气发动机热效率。
作为优选的技术方案，所述的水箱内的常温水为蒸馏水。
所述的水箱与加热水共轨之间设有高压水泵。高压水泵能够将水箱中的常温水加压至喷水器的喷射压力，之后输送至加热水共轨中。
所述的高压水泵与天然气发动机主体传动连接。可利用天然气发动机主体中曲轴或凸轮轴的转动，为高压水泵提供驱动力，带动高压水泵工作。
所述的天然气发动机主体还包括移动设置在气缸内的活塞以及与活塞传动连接的曲轴，所述的气缸内设有燃烧室，该燃烧室分别与喷水器、进气管及排气管相连通。曲轴带动活塞在气缸内往复运动。喷水器将高温水直接喷入燃烧室内，吸收燃烧室内天然气燃烧产生的热量。
所述的活塞与曲轴之间设有连杆，并通过连杆与曲轴传动连接。
所述的气缸上设有与燃烧室相连通的火花塞，所述的进气管上设有节气门。
所述的排气管与加热水共轨之间设有换热器。水箱中的常温水可在加热水共轨内利用排气管中的废气进行加热，既实现了常温水的加热，又能够对排气能量进行回收利用。
所述的加热水共轨内设有加热丝。也可采用电加热的方式对加热水共轨内的水进行加热。加热丝采用车载电源供电，供电电压优选为12V、24V或48V。
作为优选的技术方案，所述的加热水共轨内设有温度传感器。通过温度传感器实时监测加热水共轨内的水温。
所述的加热水共轨内的高温水温度为120-140℃。将高温水的温度控制在适宜范围内，以得到相对较优的天然气发动机热效率。
所述的加热水共轨内的高温水压力≥35MPa。保证喷水器能够将高温水顺利喷射入燃烧室中。
为了保证高温水供给***的可靠性与耐久性，所述的水箱、高压水泵、加热水共轨以及相互之间连接的管路均采用高标格不锈钢(例如高标304不锈钢)管道，以防止***在长期使用中出现生锈情况。
本发明在实际应用时，水箱内的常温水经高压水泵加压后，输送至加热水共轨中，进行加热升温，之后由喷水器喷入燃烧室内。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)通过向燃烧室内喷入高温水，能够利用高温水吸收燃烧室内的热量并膨胀做功，降低了缸内温度，实现了压缩负功的降低及膨胀正功的增加，通过压缩负功与膨胀正功的耦合作用，显著提高天然气发动机的工作效率，将天然气发动机热效率提升8-20％，同时，缸内温度的降低还有助于减少天然气发动机燃烧过程中氮氧化物的生成，促进天然气发动机的节能减排；
2)向燃烧室内喷入温度合适的高温水，与直接喷入常温水相比，避免了常温水因蒸发潜热过大而过分降低缸内温度，导致天然气燃料燃烧过程受到显著抑制而使膨胀功无法增加；
3)由于天然气发动机在工作过程中，约三分之一的燃料能量被废气带走，通过在排气管与加热水共轨之间设置换热器，利用高温废气对加热水共轨内的水进行加热，实现了尾气能量的回收利用，进一步提升了天然气发动机的热效率，节能环保。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图中标记说明：
1—天然气发动机机体、2—天然气喷嘴、3—喷水器、4—加热水共轨、5—高压水泵、6—水箱、7—气缸、8—活塞、9—曲轴、10—燃烧室、11—连杆、12—排气管、13—节气门、14—火花塞、15—进气管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，该***用于向天然气发动机主体内供给高温水，天然气发动机主体包括天然气发动机机体1、设置在天然气发动机机体1上的气缸7以及分别与气缸7的内部相连通的进气管15、排气管12，进气管15上设有天然气喷嘴2，***包括水箱6、与水箱6相连通的加热水共轨4以及分别与加热水共轨4、气缸7内部相连通的喷水器3，水箱6内的常温水经加热水共轨4加热后，成为高温水，并由喷水器3喷入气缸7内。
其中，水箱6与加热水共轨4之间设有高压水泵5。高压水泵5与天然气发动机主体传动连接。
天然气发动机主体还包括移动设置在气缸7内的活塞8以及与活塞8传动连接的曲轴9，气缸7内设有燃烧室10，该燃烧室10分别与喷水器3、进气管15及排气管12相连通。活塞8与曲轴9之间设有连杆11，并通过连杆11与曲轴9传动连接。气缸7上设有与燃烧室10相连通的火花塞14，进气管15上设有节气门13。排气管12与加热水共轨4之间设有换热器。
加热水共轨4内的高温水温度为130℃。加热水共轨4内的高温水压力为40MPa。
在实际应用时，水箱6内的常温水经高压水泵5加压后，输送至加热水共轨4中，进行加热升温，之后由喷水器3喷入燃烧室10内。
采用本实施例中的设计指标，可以同时实现天然气发动机膨胀负功的降低及缸内工质增加带来的膨胀正功的提升，从而最大程度提升天然气发动机的热效率。
实施例2：
一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，该***用于向天然气发动机主体内供给高温水，天然气发动机主体包括天然气发动机机体1、设置在天然气发动机机体1上的气缸7以及分别与气缸7的内部相连通的进气管15、排气管12，进气管15上设有天然气喷嘴2，***包括水箱6、与水箱6相连通的加热水共轨4以及分别与加热水共轨4、气缸7内部相连通的喷水器3，水箱6内的常温水经加热水共轨4加热后，成为高温水，并由喷水器3喷入气缸7内。
其中，水箱6与加热水共轨4之间设有高压水泵5。高压水泵5与天然气发动机主体传动连接。
天然气发动机主体还包括移动设置在气缸7内的活塞8以及与活塞8传动连接的曲轴9，气缸7内设有燃烧室10，该燃烧室10分别与喷水器3、进气管15及排气管12相连通。活塞8与曲轴9之间设有连杆11，并通过连杆11与曲轴9传动连接。气缸7上设有与燃烧室10相连通的火花塞14，进气管15上设有节气门13。加热水共轨4内设有加热丝。
加热水共轨4内的高温水温度为140℃。加热水共轨4内的高温水压力为35MPa。
实施例3：
本实施例中，加热水共轨4内的高温水温度为120℃。加热水共轨4内的高温水压力为42MPa，其余同实施例1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，该***用于向天然气发动机主体内供给高温水，所述的天然气发动机主体包括天然气发动机机体(1)、设置在天然气发动机机体(1)上的气缸(7)以及分别与气缸(7)的内部相连通的进气管(15)、排气管(12)，所述的进气管(15)上设有天然气喷嘴(2)，其特征在于，所述的***包括水箱(6)、与水箱(6)相连通的加热水共轨(4)以及分别与加热水共轨(4)、气缸(7)内部相连通的喷水器(3)，所述的水箱(6)内的常温水经加热水共轨(4)加热后，成为高温水，并由喷水器(3)喷入气缸(7)内。
2.根据权利要求1所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的水箱(6)与加热水共轨(4)之间设有高压水泵(5)。
3.根据权利要求2所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的高压水泵(5)与天然气发动机主体传动连接。
4.根据权利要求1所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的天然气发动机主体还包括移动设置在气缸(7)内的活塞(8)以及与活塞(8)传动连接的曲轴(9)，所述的气缸(7)内设有燃烧室(10)，该燃烧室(10)分别与喷水器(3)、进气管(15)及排气管(12)相连通。
5.根据权利要求4所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的活塞(8)与曲轴(9)之间设有连杆(11)，并通过连杆(11)与曲轴(9)传动连接。
6.根据权利要求4所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的气缸(7)上设有与燃烧室(10)相连通的火花塞(14)，所述的进气管(15)上设有节气门(13)。
7.根据权利要求1所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的排气管(12)与加热水共轨(4)之间设有换热器。
8.根据权利要求1所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的加热水共轨(4)内设有加热丝。
9.根据权利要求1所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的加热水共轨(4)内的高温水温度为120-140℃。
10.根据权利要求1所述的一种往复活塞式天然气发动机缸内高温水供给***，其特征在于，所述的加热水共轨(4)内的高温水压力≥35MPa。
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