一種醇類燃料動力機械的設計構想

任玉霆　趙云浩　周雪　鄭東雙

摘 ?要：為了實現(xiàn)降低排放量、節(jié)約石油資源的動力機械設計目標，我們以醇類燃料為柴汽油的替代品，采用了部分燃氣輪機、汽油類動力機械的設計理念。在該中，已經(jīng)給出了該動力機械的基礎理論和基本結構設計圖，并且設計了防止火焰倒灌裝置，進一步加強了動力機械的安全性。同時也為以后可加裝的信息化、數(shù)字化系統(tǒng)預留了一定的空間，以方便該動力機械的后續(xù)升級與改造。

關鍵詞：醇類燃料 ?石化燃料 ?動力機械設計 ?防止火焰倒灌 ?節(jié)能減排

中圖分類號：TH122 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）02（a）-0068-03

A Dynamic Mechanical Design Conception of An Alcohol Fuel

REN Yuting ?ZHAO Yunhao* ?ZHOU Xue ?ZHENG Dongshuang

（Department of Energy and Power Engineering， School of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi， Heilongjiang Province， 154007 China）

Abstract： In order to achieve the goal of reducing emissions and saving oil resources in the design of power machinery， we take alcohol fuel as a substitute for diesel gasoline and adopt some design concepts of gas turbine and gasoline power machinery. In this paper， the basic theory and the basic structure design of the power machine have been given and the device to prevent flame back filling has been designed， which further strengthens the safety of the power machine. At the same time， a certain space is reserved for the information and digital system that can be installed in the future so as to facilitate the follow-up upgrade and transformation of the power machinery.

Key Words： Alcohol fuel; Fossil fuel; Power machinery design; To prevent the flame backward irrigation; Energy saving emission reduction

該文中所提出的動力機械與傳統(tǒng)的汽油為原料的動力機械相比，在設計思想與設計理論上有不同之處。由于燃料理化性質的原因，醇類燃料與傳統(tǒng)的汽油燃料比較，在燃燒廢物排放、燃料混合氣的燃點、濃度等條件，都不同于汽油燃料類動力機械。醇類燃料動力機械的碳煙顆粒、氮氧化物等排放量，在與汽油燃料同等燃燒排放條件下，顯得更加環(huán)保。借此特點，在醇類動力機械當中的廢氣再利用的方式上也將基于汽油發(fā)動機的設計方式進行適當?shù)男薷?。在整機設計中，最核心的設計理念主要還是體現(xiàn)在動力輸出方面，取消了活塞等一系列配件設備。

1 ?總體理論論述

1.1 醇類燃料動力機械中的燃料與燃燒

醇類燃料主要采用甲醇與乙醇燃料，也就是我們平時所見的工業(yè)酒精和醫(yī)用消毒酒精的主要原料，其中甲醇的自燃點在標準情況下為463.89℃，爆炸限度為6%～36.5%，乙醇的自燃點在標準情況下是75℃，爆炸限度為3.3%～19%，在此動力機械燃料儲存箱中，可以以二者中的任意一種作為燃料，也可以用混合式燃料。在動力機械工作時與燃料燃燒階段，可以按照動力機械不同時段的需求，分段使用兩種燃料，即可以采用乙醇燃料引燃，甲醇燃料后續(xù)注入燃燒（方法一）。也可以按比例采用二者混合燃燒（方法二）。但是應注意，無論采用上述何種工作燃燒方式，燃料與空氣的混合程度一定要避開3.3%～36.5%這個爆炸混合度區(qū)間，防止燃料在動力機械工作時發(fā)生爆炸。但是還要考慮到醇類燃料混合氣中氧含量過多，燃料偏稀，導致燃料氣體無法燃燒這一因素。

在燃燒室內，要注意燃燒產(chǎn)生的壓力低于燃料混合預燃室內的壓力，防止出現(xiàn)回火現(xiàn)象。必要時，將采取額外減小燃燒壓力措施。燃燒室的壁面激冷效應的影響將會隨著燃燒的持續(xù)進行而逐漸降低。驅動軸及其所帶葉片在接受燃燒推動時分為預熱階段、推動階段、穩(wěn)壓階段。

在預熱階段時，混合燃料氣體燃燒所產(chǎn)生的熱氣給葉片及其動力輸出艙進行加溫加壓，使動力輸出艙室的燃燒壓力逐步上升，直至到達到可驅動轉動軸轉動的驅動壓力值。

在推動階段，隨著燃燒溫度的升高，燃燒壓力的升高，葉輪開始逐漸的轉動，葉輪的每個葉片也開始逐步的加熱，臨近燃燒火焰噴射口的葉片與葉片之間的壓力要明顯高于其他葉片之間的壓力，臨近噴口的高壓是瞬時增加。

在穩(wěn)壓階段，當動力輸出艙室的溫度或者壓力達到一定程度時，并超過安全標準壓力值。為了防止壓力過大，造成輸出艙室的損壞、火焰噴射效果降低、噴射火焰倒灌回燃燒室等情況，將進行定壓排氣，將一部分燃燒后的熱氣進行排出。這時候的原理與高壓鍋排氣類似。

總體壓力關系為燃料混合預燃室的壓力>燃燒室壓力>動力輸出艙室火焰噴射口≥動力輸出艙室壓力≥排氣口標準排氣壓力值。

1.2 該動力機械的配氣理論

當醇類燃料準備燃燒的時候，醇類燃料與新鮮的空氣進行混合，形成醇類混合燃料氣體。那么，為了保證燃料混合氣體能夠達到一個理想的混合狀態(tài)，在進行配氣時，應該根據(jù)動力機械的轉速、工況等實際情況，采用機械方式調整進氣量。為了使動力機械達到更好的經(jīng)濟效果與動力效果，也可以采取一定的進氣增壓措施。在發(fā)動機剛剛啟動時，可以采用電動輔助進氣手段，幫助醇類燃料更好地混合。在該型動力機械設備中，排氣將會采用定壓排氣方式進行，利用其廢氣推動強制排氣輪運轉，將廢氣及時強制吸走，又在一定程度上解決了該機械一定散熱問題。

1.3 廢氣排放與冷卻理論

在該動力機械將燃料燃燒后的廢氣排出。在排氣過程中，可以將剛生產(chǎn)的廢氣進行收集，集中在統(tǒng)一裝置，廢氣集中裝置的排放口中要小于廢氣進氣口。廢氣從廢氣收集裝置中排放出來后，有兩種方式可以利用廢氣。（1）可以直接噴射在動力輸出艙室的外置渦扇葉片，以便提高發(fā)動機的動力性，但是冷卻系統(tǒng)需要額外安裝風冷式冷卻系統(tǒng)，動力機械總質量增加。（2）可以將廢氣從廢氣裝置排放口中的廢氣直接作用在冷卻裝置，驅動冷卻風扇工作，將該動力機械的整體工作溫度降低，同時加速廢氣排放速度，幫助動力輸出艙室快速穩(wěn)壓冷卻并保證動力性不受影響。

2 ?總體結構論述

動力機械主要結構設計（見圖1），進氣管可以與空氣增壓機相連，燃料輸送管安裝燃料泵，這兩種管道及其配套裝置與汽車發(fā)動機有類似之處。動力輸出室的主軸還可以驅動增壓機、發(fā)電機等。也可以單獨采用電動增壓機進氣，與該動力機械分開驅動。在主要結構設計中，機體外殼將配置散熱孔，將起到風冷式散熱作用。動力輸出室中包含一個汽輪。冷卻器中包含一個以高壓廢氣為驅動力的排氣渦輪（該排氣渦輪采用半覆殼結構，既與廢氣收集管相連，又與機體外殼內部相通），該渦輪被廢氣驅動后，葉片旋轉，開始強制將廢氣吸出，同時還加速該動力機械機體散熱。在動力輸出室、廢氣收集管、冷卻器可采用氧化鋁等耐高溫材料。主軸可采用空心結構設計，以減輕機體總體質量。

為了使動力輸出室內部壓力和溫度恒定，在廢氣收集管與動力輸出室連接口處設有穩(wěn)壓排氣閥（見圖2）。穩(wěn)壓排氣閥的工作原理為當動力輸出室內部的壓力F大于穩(wěn)壓排氣閥的彈簧彈力F1，彈簧左端的氣門從左到右逐步被頂開，動力輸出室內部的廢氣壓力開始釋放，進入閥體腔內部，并從圖中所示的右下缺口處排放到廢氣收集管中。

出于對動力機械安全性的考量，防止發(fā)生回火倒灌導致動力機械出現(xiàn)故障，特意加裝了一組安全裝置（見圖3、圖4），這組裝置是自身重量小且耐高溫的材料，如氧化鋁。

當燃料在燃料氣體混合室與高壓空氣混合后，在燃料氣體流動狀態(tài)下，混合氣體將送氣渦輪單向逆時針推動，進行二次加壓直至輸送到燃燒室，如果遇到火焰倒灌情況，來自下方的火焰氣浪作用到送氣渦輪，但受迫于送氣渦輪單向旋轉，無法將倒灌的火焰熱量傳到燃料氣體混合室，防止爆炸。同時為了防止送氣渦輪出現(xiàn)故障，無法有效阻止火焰倒灌，特別增加火焰倒灌阻止器，其原理是利用阻止器自身重量使其阻擋片自然下垂，形成一個能通過混合氣的通氣孔，進行正常輸送氣體配合工作，當火焰發(fā)生倒灌時，火焰壓力大于送氣渦輪的二次加壓，火焰氣浪將阻止器的阻擋片推動，兩個阻擋片相互觸碰并卡死，使火焰不能倒流至燃料氣體混合室，提高動力機械安全性。

3 ?該動力機械的應用與改裝

該動力機械的基礎版本可以應用于家庭應急發(fā)電、小型翼式農(nóng)用無人機、老年代步車、摩托車等裝備當中。該動力機械也可以加裝多組燃燒室、噴射口、多個動力輸出室、增加動力機械的動力性。也可以在該動力機械設備中增加更加先進的壓氣機等裝備。從智能化角度看待該動力機械，可以考慮追加各類傳感器、電控單元等電子設備。其應用的核心思想是為了節(jié)省柴油資源、汽油資源，降低排放污染物排放。更加適用于小型機械裝備當中。

4 ?結語

在現(xiàn)代社會生活中，我們使用的很多裝備當中，以柴油或者汽油為燃料的動力機械所占比重還是偏大，而且這些裝備所消耗的燃油量、產(chǎn)生的排放物及其帶來的其他負面影響，是無法用金錢來衡量的，畢竟這些石化燃料是不可再生能源，需要節(jié)約使用。再從同周期產(chǎn)生到生產(chǎn)的產(chǎn)量對比，甲醇、乙醇燃料要比石化燃料產(chǎn)生的多，因為石化燃料的形成時間是幾千年甚至幾萬年。

為此，設計醇類燃料動力機械既可以幫助小型機械裝備減少燃油使用量，又能有利于中國能源結構變得更加合理，也有助于提升國家戰(zhàn)略石油儲備量。

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