低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機及做功方法
【專利摘要】本發(fā)明為低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機及做功方法，設置有燃氣控制系統(tǒng)，燃氣控制系統(tǒng)包括配氣裝置、燃氣閥控制機構(gòu)、燃氣控制閥、空氣控制閥。燃氣控制系統(tǒng)根據(jù)尾氣檢測裝置檢測到的尾氣排氣情況，分別控制燃氣進氣控制閥及空氣進氣控制閥的開啟大小。本發(fā)明的做功方法采取延長進、排氣門開啟時間，分別提前打開和延遲一定的曲軸轉(zhuǎn)角，以改善進、排氣狀況，達到進氣充足，排氣徹底，克服了低熱值氣體燃料在進氣混合時就占有一定體積的缺陷，提高進氣率，增大發(fā)動機的輸出功率，從而提高低熱質(zhì)燃氣發(fā)動機的動力性。
【專利說明】低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機及做功方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴氣體的往復式活塞發(fā)動機及做功方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1、低熱質(zhì)燃氣主要為含有可燃性氣體，但可燃性氣體成份偏少，含量不穩(wěn)定，可燃性氣體在其中的含量低至20% -70%的混合氣體，包括沼氣、桔桿氣、高爐尾氣、磺磷尾氣、煤層氣等。這些氣體一般作為生活使用，或者經(jīng)過復雜處理，提升其可燃氣體含量后再使用，甚至有的還因為無法利用而直接排放。因可燃性成份低且不穩(wěn)定，所以極少用作發(fā)動機的做功。德國西門子公司專門設計有低熱質(zhì)氣體發(fā)動機，但該低熱質(zhì)氣體發(fā)動機的使用條件要求高，所使用的低熱質(zhì)氣體必須經(jīng)過預處理，讓可燃性氣體在達到一定的含量并保持穩(wěn)定,這就不可避免地增加了氣體處理的成本和過程,也就直接地增加了低熱質(zhì)氣體發(fā)動機工作的成本。
[0003]2、現(xiàn)有的燃氣機是將空氣與燃氣按一定的比例在缸外混合成良好的混合氣，在吸氣沖程中被吸入汽缸，混合氣經(jīng)壓縮點火燃燒而產(chǎn)生熱能，高溫高壓的氣體作用于活塞頂部，推動活塞作往復直線運動，通過連桿、曲軸飛輪機構(gòu)對外輸出機械能。四沖程燃氣機在進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程內(nèi)完成一個工作循環(huán)。
[0004](I)吸氣沖程:活塞在曲軸的帶動下由上止點移至下止點。曲軸從0°旋轉(zhuǎn)28°用混合好的可燃氣體將殘余廢氣掃出進入排氣系統(tǒng)，此時進氣門開啟，排氣門關(guān)閉，曲軸轉(zhuǎn)動180°，造成8% -20%可燃氣體損失，因為低熱值氣體燃料是氣體，在進入氣缸前可燃氣體合空氣按一定比列混合，因可燃氣體占有一定體積的缺陷，進氣率低。
[0005](2)壓縮沖程:壓縮沖程時進氣門、排氣門同時關(guān)閉?；钊麖南轮裹c向上止點運動，曲軸轉(zhuǎn)動180°。活塞上移時，工作容積逐漸縮小，缸內(nèi)混合氣受壓縮后壓力和溫度不斷升高，到達壓縮終點時，其壓力pc可達800?2000kPa，溫度達600?750K。
[0006](3)做功沖程:當活塞接近上止點時，由火花塞點燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放出大量的熱能，使汽缸內(nèi)氣體的壓力和溫迅速提高。燃燒最高壓力PZ達3000?6000kPa，溫度TZ達2200?2800K。高溫高壓的燃氣推動活塞從上止點向下止點運動，并通過曲柄連桿機構(gòu)對外輸出機械能。隨著活塞下移，汽缸容積增加，氣體壓力和溫度逐漸下降，到達一定位置時，其壓力降至300?500kPa，溫度降至1200?1500K。在做功沖程，進氣門、排氣門均關(guān)閉，曲軸轉(zhuǎn)動180°。
[0007](4)排氣沖程:排氣門開啟，進氣門仍然關(guān)閉，活塞從下止點向上止點運動，曲軸轉(zhuǎn)動180°。排氣門開啟時，燃燒后的廢氣一方面在汽缸內(nèi)外壓差作用下向缸外排出，另一方面通過活塞的排擠作用向缸外排氣。由于排氣系統(tǒng)的阻力作用，排氣終點r點的壓力稍高于大氣壓力，即pr= (1.05?1.20)p0。排氣終點溫度Tr=900?IlOOK0活塞運動到上止點時，燃燒室中仍留有一定容積的廢氣無法排出，這部分廢氣叫殘余廢氣。
[0008]現(xiàn)有燃氣發(fā)動機工作時曲軸的轉(zhuǎn)速很高，活塞在每一沖程所經(jīng)歷的時間很短，轉(zhuǎn)速為1500r/min的燃氣發(fā)動機，活塞一個沖程所經(jīng)歷的時間僅為60/1500 + 2=0.15s，轉(zhuǎn)速再高的燃氣發(fā)動機，其活塞一個沖程所經(jīng)歷的時間則更短。進氣門和排氣門這樣短的開啟時間，會使燃氣發(fā)動機(汽缸)充氣不足、排氣不凈，導致燃氣發(fā)動機的功率得不到應有的發(fā)揮。
[0009]現(xiàn)在缸外預混合發(fā)動機技術(shù)無法做到最大容量空氣進氣量、因為低熱值氣體燃料是氣體，在進入氣缸前可燃氣體合空氣按一定比列混合，因可燃氣體占有一定體積的缺陷，進氣率低，發(fā)動機的輸出功率也低。
[0010]現(xiàn)在缸外預噴發(fā)動機掃氣采用含有可燃性氣體的混合氣體掃除殘余廢氣，這就需要浪費一部分可燃性氣體，降低了燃氣利用率。
[0011]綜合以上所述，我們需要重新設計調(diào)整發(fā)動機的結(jié)構(gòu)及配氣方法，以達到能夠直接使用低熱質(zhì)可燃氣體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了克服以上缺陷，提高燃氣經(jīng)濟性，提高低熱質(zhì)可燃氣體做功效率，減少低熱質(zhì)可燃氣體用作發(fā)動機做功的使用成本，本發(fā)明提出了一種低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機及做功方法。
[0013]低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機，包括曲軸、氣缸、缸蓋、排氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)，它還設置有燃氣控制系統(tǒng)，燃氣控制系統(tǒng)包括配氣裝置、燃氣閥控制機構(gòu)、燃氣控制閥、空氣控制閥。燃氣控制系統(tǒng)用于控制空氣控制閥及燃氣控制閥的開啟大小；燃氣閥控制機構(gòu)與燃氣閥連接，控制燃氣閥的精準開啟與關(guān)閉。
[0014]燃氣控制閥設置在燃氣總管處，經(jīng)燃氣控制閥調(diào)整后的燃氣輸送系統(tǒng)與燃氣閥連接，燃氣閥設置在氣缸的缸蓋上。
[0015]空氣進氣控制閥設置在空氣濾清器與空氣進氣管之間，空氣經(jīng)進氣管與氣缸蓋的進氣閥門連接。
[0016]燃氣控制系統(tǒng)與尾氣檢測裝置連接，尾氣檢測裝置設置在排氣系統(tǒng)中。
[0017]燃氣控制系統(tǒng)根據(jù)尾氣檢測裝置檢測到的尾氣排氣情況，分別控制燃氣進氣控制閥及空氣進氣控制閥的開啟大小，得到設定的空燃比。
[0018]低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機的做功方法，包括進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程。
[0019]1、進氣沖程:活塞到達上止點前，空氣進氣門開啟，汽缸內(nèi)吸入純空氣；活塞開始由上止點向下運動，曲軸由0°轉(zhuǎn)至35°的過程中，關(guān)閉排氣門，完成用純空氣將上一次做功留下的殘余廢氣掃除氣缸；活塞繼續(xù)運動，越過下止點，曲軸旋轉(zhuǎn)至200°至260°區(qū)間時，進氣門關(guān)閉，完成進氣沖程；
[0020]2、壓縮沖程:活塞從下止點向上運動，曲軸轉(zhuǎn)動至200° -360°區(qū)間，燃氣控制系統(tǒng)工作，通過缸蓋上的燃氣進氣閥向缸內(nèi)噴射設定的低熱質(zhì)可燃氣體，缸內(nèi)壓力升高至設定值時，燃氣控制系統(tǒng)停止向缸內(nèi)噴射低熱質(zhì)可燃氣體；
[0021]3、做功沖程:當壓縮沖程趨近上止點時，由火花塞點燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放熱能，使汽缸內(nèi)氣體的壓力和溫度迅速提高；沖擊活塞向上止點運動，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)；
[0022]4、排氣沖程:做功沖程中，曲軸由0°旋轉(zhuǎn)至100°至130。區(qū)間時，排氣門開啟，開始排氣，活塞越過下止點，到達上止點，再越過上止點，直至曲軸由0°轉(zhuǎn)至35°的過程中，關(guān)閉排氣門，完成用純空氣將上一次做功留下的殘余廢氣掃除氣缸；
[0023]5、燃氣控制系統(tǒng):設定發(fā)動機正常工作時，排氣中所含氧氣含量的值；通過尾氣檢測裝置，檢測排氣系統(tǒng)排出的氣體中氧含量，當排出氣體中氧含量偏離設定值0.05%后，調(diào)節(jié)空氣進行閥與燃氣進氣閥開啟量的大小，達到調(diào)節(jié)空氣與燃氣進氣的比值。
[0024]有益效果:
[0025]本發(fā)明在掃氣過程中，吸入純空氣，利用純空氣進行掃氣，避免燃氣浪費，提高燃料經(jīng)濟性，做功效率，并減少尾氣排放。
[0026]由于缸內(nèi)直噴燃氣機吸入的是純空氣，所以其進氣系統(tǒng)阻力較小，進氣終點壓力pa= (0.85 ?0.95) p0。
[0027]低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機采取延長進、排氣門開啟時間的方法，即進氣門的開啟和關(guān)閉時刻并不恰好是在活塞位于進氣沖程上止點和下止點的時刻；排氣門的開啟和關(guān)閉也不恰好是在活塞位于排氣沖程下止點和上止點的時刻，而是分別提前打開和延遲一定的曲軸轉(zhuǎn)角，以改善進、排氣狀況，達到進氣充足，排氣徹底，克服了低熱值氣體燃料在進氣混合時就占有一定體積的缺陷，提聞進氣率，增大發(fā)動機的輸出功率，從而提聞低熱質(zhì)燃氣發(fā)動機的動力性。
[0028]燃氣控制系統(tǒng)實時檢測尾氣排放的物質(zhì)含量，以分析低熱質(zhì)燃氣的熱質(zhì)大小，并控制燃氣控制閥的開啟大小，控制空氣控制閥的開啟大小，得道空氣與可燃氣體的比值，以實時調(diào)節(jié)發(fā)功機做功過程的穩(wěn)定。達到低熱質(zhì)氣體的熱質(zhì)變化下，不影響發(fā)動機正常做功。
【具體實施方式】:
[0029]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明的低熱質(zhì)氣體發(fā)動機的尾氣檢測裝置主要檢測所排放的尾氣中氧的含量，以判定當前低熱質(zhì)氣體的熱質(zhì)條件下，空氣與可燃氣體的配比是否合理。尾氣檢測裝置可以為任意能夠在極短時間內(nèi)或者瞬間分析出尾氣中可燃氣體是否充分燃燒的裝置。
[0030]本發(fā)明的進氣系統(tǒng)為純空氣進氣。
[0031]燃氣控制系統(tǒng)通過電路系統(tǒng)與燃氣控制閥連接。
[0032]燃氣閥設置在氣缸的缸蓋上，通過獨立燃氣通道，與高壓燃氣系統(tǒng)相連。
[0033]尾氣檢測裝置與燃氣控制系統(tǒng)相連接，燃氣控制系統(tǒng)分別與燃氣控制閥、空氣控制閥連接，尾氣檢測裝置設置在排氣系統(tǒng)中，空氣控制閥與氣缸上的空氣氣門連接。
[0034]在實際生產(chǎn)使用中，燃氣閥控制機構(gòu)為機械控制機構(gòu)，設置有驅(qū)動齒輪系統(tǒng)、專用驅(qū)動機構(gòu)，以精準控制燃氣閥的開啟與關(guān)閉。
[0035]燃氣控制系統(tǒng)為ECU電子控制系統(tǒng)，通過專用尾氣傳感器檢測的氧含量，配氣裝置內(nèi)的預設氧含量值進行對比，當檢測到的氧含量與預設值偏差達到0.05%后，調(diào)整燃氣控制閥與空氣控制閥的開啟大小。當排放氧含量增加時，表明進入缸內(nèi)參加燃燒的可燃氣體偏低，即可燃性氣體含量比值下降。根據(jù)能量守恒原則，需保持氣缸內(nèi)可燃性氣體的含量，這就需要調(diào)節(jié)燃氣控制閥，增加低熱質(zhì)氣體進氣量，以保證發(fā)動機做功能力。同時調(diào)節(jié)空氣控制閥，減小空氣進氣量，以保持氣缸內(nèi)壓力。
[0036]燃氣控制系統(tǒng)內(nèi)設置有配氣裝置，燃氣控制系統(tǒng)是通過配氣裝置控制空氣控制閥及燃氣控制閥的開啟大小的。
[0037]燃氣閥是將高壓低熱質(zhì)燃氣向缸內(nèi)進行噴射，受凸輪機構(gòu)控制。凸輪機構(gòu)隨著曲軸的轉(zhuǎn)動角度大小驅(qū)動燃氣閥的開啟及關(guān)閉。
[0038]點火系統(tǒng)用于在準確的時機向缸內(nèi)的壓縮沖程中形成高溫高壓可燃氣體點火。
[0039]本發(fā)明的缸內(nèi)直噴低熱質(zhì)燃氣發(fā)動機的做功方法，包括進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程。
[0040]本【具體實施方式】的描述中，設活塞處于上止點時，曲軸處于0°度位置；隨著活塞向下止點運動，到達下止點再向上止點運動的過程中，曲軸順時針從零度旋轉(zhuǎn)至180°，再從180°度旋轉(zhuǎn)至360°，或者為旋轉(zhuǎn)一周(360° )后，歸于0°。
[0041]1、進氣沖程:活塞到達上止點前，曲軸由345至0°這一區(qū)間，空氣進氣門提前開啟，汽缸內(nèi)吸入純空氣；活塞開始由上止點向下運動，曲軸由0°轉(zhuǎn)至35°的過程中，關(guān)閉排氣門，完成用純空氣將上一次做功留下的殘余廢氣掃除氣缸；活塞繼續(xù)運動，越過下止點，曲軸旋轉(zhuǎn)至200°至260°區(qū)間時，進氣門關(guān)閉，完成進氣沖程。
[0042]由于缸內(nèi)直噴燃氣機進氣系統(tǒng)阻力較小，進氣終點壓力pa= (0.85?0.95)p0。
[0043]2、壓縮沖程:活塞從下止點向上運動，曲軸轉(zhuǎn)動至200° -360°區(qū)間，燃氣控制系統(tǒng)工作，通過燃氣進氣閥向缸內(nèi)噴射低熱質(zhì)可燃氣體，缸內(nèi)壓力升高至設定值時，高壓燃氣控制系統(tǒng)停止向缸內(nèi)噴射低熱質(zhì)可燃氣體。
[0044]3、做功沖程:當壓縮沖程趨近上止點時，由火花塞點燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放熱能，使汽缸內(nèi)氣體的壓力和溫度迅速提高；沖擊活塞向上止點運動，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)。
[0045]4、排氣沖程:做功沖程中，曲軸由0°旋轉(zhuǎn)至100°至130。區(qū)間時，排氣門開啟，開始排氣，活塞越過下止點，到達上止點，再越過上止點，直至曲軸由0°轉(zhuǎn)至35。的過程中，關(guān)閉排氣門，完成用純空氣將上一次做功留下的殘余廢氣掃除氣缸。低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機的排氣沖程與現(xiàn)有燃氣機排氣沖程基本相同，沒有可燃氣體進入排氣系統(tǒng)，只是排氣溫度比燃氣機低。
【權(quán)利要求】
1.低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機，包括曲軸、氣缸、缸蓋、排氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)，其特征在于， 它還設置有燃氣控制系統(tǒng)，燃氣控制系統(tǒng)包括配氣裝置、燃氣閥控制機構(gòu)、燃氣控制閥、空氣控制閥。燃氣控制系統(tǒng)用于控制空氣控制閥及燃氣控制閥的開啟大??；燃氣閥控制機構(gòu)與燃氣閥連接，控制燃氣閥的精準開啟與關(guān)閉； 燃氣控制閥設置在燃氣總管處，經(jīng)燃氣控制閥調(diào)整后的燃氣輸送系統(tǒng)與燃氣閥連接，燃氣閥設置在氣缸的缸蓋上； 空氣進氣控制閥設置在空氣濾清器與空氣進氣管之間，空氣經(jīng)進氣管與氣缸蓋的進氣閥門連接； 燃氣控制系統(tǒng)與尾氣檢測裝置連接，尾氣檢測裝置設置在排氣系統(tǒng)中； 燃氣控制系統(tǒng)根據(jù)尾氣檢測裝置檢測到的尾氣排氣情況，分別控制燃氣進氣控制閥及空氣進氣控制閥的開啟大小，得到設定的空燃比。
2.低熱質(zhì)缸內(nèi)直噴燃氣發(fā)動機的做功方法，包括進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程，其特征在于， (1)、進氣沖程:活塞到達上止點前，空氣進氣門開啟，汽缸內(nèi)吸入純空氣；活塞開始由上止點向下運動，曲軸由0°轉(zhuǎn)至35°的過程中，關(guān)閉排氣門，完成用純空氣將上一次做功留下的殘余廢氣掃除氣缸；活塞繼續(xù)運動，越過下止點，曲軸旋轉(zhuǎn)至200°至260°區(qū)間時，進氣門關(guān)閉，完成進氣沖程； (2)、壓縮沖程:活塞從下止點向上運動，曲軸轉(zhuǎn)動至200°-360°區(qū)間，燃氣控制系統(tǒng)工作，通過缸蓋上的燃氣進氣閥向缸內(nèi)噴射設定的低熱質(zhì)可燃氣體，缸內(nèi)壓力升高至設定值時，燃氣控制系統(tǒng)停止向缸內(nèi)噴射低熱質(zhì)可燃氣體； (3)、做功沖程:當壓縮沖程趨近上止點時，由火花塞點燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放熱能，使汽缸內(nèi)氣體的壓力和溫度迅速提高；沖擊活塞向上止點運動，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)； ⑷、排氣沖程:做功沖程中，曲軸由0°旋轉(zhuǎn)至100°至130°區(qū)間時，排氣門開啟，開始排氣，活塞越過下止點，到達上止點，再越過上止點，直至曲軸由0°轉(zhuǎn)至35°的過程中，關(guān)閉排氣門，完成用純空氣將上一次做功留下的殘余廢氣掃除氣缸； (5)燃氣控制系統(tǒng):設定發(fā)動機正常工作時，排氣中所含氧氣含量的值；通過尾氣檢測裝置，檢測排氣系統(tǒng)排出的氣體中氧含量，當排出氣體中氧含量偏離設定值0.05%后，調(diào)節(jié)空氣進行閥與燃氣進氣閥開啟量的大小，達到調(diào)節(jié)空氣與燃氣進氣的比值。
【文檔編號】F02D19/02GK103696851SQ201310405234
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】余長奎 申請人:余長奎