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摘 要：为了实现降低排放量、节约石油资源的动力机械设计目标，我们以醇类燃料为柴汽油的替代品，采用了部分燃气轮机、汽油类动力机械的设计理念。在该中，已经给出了该动力机械的基础理论和基本结构设计图，并且设计了防止火焰倒灌装置，进一步加强了动力机械的安全性。同时也为以后可加装的信息化、数字化系统预留了一定的空间，以方便该动力机械的后续升级与改造。
关键词：醇类燃料 石化燃料 动力机械设计 防止火焰倒灌 节能减排
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：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
該文中所提出的动力机械与传统的汽油为原料的动力机械相比，在设计思想与设计理论上有不同之处。由于燃料理化性质的原因，醇类燃料与传统的汽油燃料比较，在燃烧废物排放、燃料混合气的燃点、浓度等条件，都不同于汽油燃料类动力机械。醇类燃料动力机械的碳烟颗粒、氮氧化物等排放量，在与汽油燃料同等燃烧排放条件下，显得更加环保。借此特点，在醇类动力机械当中的废气再利用的方式上也将基于汽油发动机的设计方式进行适当的修改。在整机设计中，最核心的设计理念主要还是体现在动力输出方面，取消了活塞等一系列配件设备。
1 总体理论论述
1.1 醇类燃料动力机械中的燃料与燃烧
醇类燃料主要采用甲醇与乙醇燃料，也就是我们平时所见的工业酒精和医用消毒酒精的主要原料，其中甲醇的自燃点在标准情况下为463.89℃，爆炸限度为6%～36.5%，乙醇的自燃点在标准情况下是75℃，爆炸限度为3.3%～19%，在此动力机械燃料储存箱中，可以以二者中的任意一种作为燃料，也可以用混合式燃料。在动力机械工作时与燃料燃烧阶段，可以按照动力机械不同时段的需求，分段使用两种燃料，即可以采用乙醇燃料引燃，甲醇燃料后续注入燃烧（方法一）。也可以按比例采用二者混合燃烧（方法二）。但是应注意，无论采用上述何种工作燃烧方式，燃料与空气的混合程度一定要避开3.3%～36.5%这个爆炸混合度区间，防止燃料在动力机械工作时发生爆炸。但是还要考虑到醇类燃料混合气中氧含量过多，燃料偏稀，导致燃料气体无法燃烧这一因素。
在燃烧室内，要注意燃烧产生的压力低于燃料混合预燃室内的压力，防止出现回火现象。必要时，将采取额外减小燃烧压力措施。燃烧室的壁面激冷效应的影响将会随着燃烧的持续进行而逐渐降低。驱动轴及其所带叶片在接受燃烧推动时分为预热阶段、推动阶段、稳压阶段。
在预热阶段时，混合燃料气体燃烧所产生的热气给叶片及其动力输出舱进行加温加压，使动力输出舱室的燃烧压力逐步上升，直至到达到可驱动转动轴转动的驱动压力值。
在推动阶段，随着燃烧温度的升高，燃烧压力的升高，叶轮开始逐渐的转动，叶轮的每个叶片也开始逐步的加热，临近燃烧火焰喷射口的叶片与叶片之间的压力要明显高于其他叶片之间的压力，临近喷口的高压是瞬时增加。 在稳压阶段，当动力输出舱室的温度或者压力达到一定程度时，并超过安全标准压力值。为了防止压力过大，造成输出舱室的损坏、火焰喷射效果降低、喷射火焰倒灌回燃烧室等情况，将进行定压排气，将一部分燃烧后的热气进行排出。这时候的原理与高压锅排气类似。
总体压力关系为燃料混合预燃室的压力>燃烧室压力>动力输出舱室火焰喷射口≥动力输出舱室压力≥排气口标准排气压力值。
1.2 该动力机械的配气理论
当醇类燃料准备燃烧的时候，醇类燃料与新鲜的空气进行混合，形成醇类混合燃料气体。那么，为了保证燃料混合气体能够达到一个理想的混合状态，在进行配气时，应该根据动力机械的转速、工况等实际情况，采用机械方式调整进气量。为了使动力机械达到更好的经济效果与动力效果，也可以采取一定的进气增压措施。在发动机刚刚启动时，可以采用电动辅助进气手段，帮助醇类燃料更好地混合。在该型动力机械设备中，排气将会采用定压排气方式进行，利用其废气推动强制排气轮运转，将废气及时强制吸走，又在一定程度上解决了该机械一定散热问题。
1.3 废气排放与冷却理论
在该动力机械将燃料燃烧后的废气排出。在排气过程中，可以將刚生产的废气进行收集，集中在统一装置，废气集中装置的排放口中要小于废气进气口。废气从废气收集装置中排放出来后，有两种方式可以利用废气。（1）可以直接喷射在动力输出舱室的外置涡扇叶片，以便提高发动机的动力性，但是冷却系统需要额外安装风冷式冷却系统，动力机械总质量增加。（2）可以将废气从废气装置排放口中的废气直接作用在冷却装置，驱动冷却风扇工作，将该动力机械的整体工作温度降低，同时加速废气排放速度，帮助动力输出舱室快速稳压冷却并保证动力性不受影响。
2 总体结构论述
动力机械主要结构设计（见图1），进气管可以与空气增压机相连，燃料输送管安装燃料泵，这两种管道及其配套装置与汽车发动机有类似之处。动力输出室的主轴还可以驱动增压机、发电机等。也可以单独采用电动增压机进气，与该动力机械分开驱动。在主要结构设计中，机体外壳将配置散热孔，将起到风冷式散热作用。动力输出室中包含一个汽轮。冷却器中包含一个以高压废气为驱动力的排气涡轮（该排气涡轮采用半覆壳结构，既与废气收集管相连，又与机体外壳内部相通），该涡轮被废气驱动后，叶片旋转，开始强制将废气吸出，同时还加速该动力机械机体散热。在动力输出室、废气收集管、冷却器可采用氧化铝等耐高温材料。主轴可采用空心结构设计，以减轻机体总体质量。
为了使动力输出室内部压力和温度恒定，在废气收集管与动力输出室连接口处设有稳压排气阀（见图2）。稳压排气阀的工作原理为当动力输出室内部的压力F大于稳压排气阀的弹簧弹力F1，弹簧左端的气门从左到右逐步被顶开，动力输出室内部的废气压力开始释放，进入阀体腔内部，并从图中所示的右下缺口处排放到废气收集管中。
出于对动力机械安全性的考量，防止发生回火倒灌导致动力机械出现故障，特意加装了一组安全装置（见图3、图4），这组装置是自身重量小且耐高温的材料，如氧化铝。
当燃料在燃料气体混合室与高压空气混合后，在燃料气体流动状态下，混合气体将送气涡轮单向逆时针推动，进行二次加压直至输送到燃烧室，如果遇到火焰倒灌情况，来自下方的火焰气浪作用到送气涡轮，但受迫于送气涡轮单向旋转，无法将倒灌的火焰热量传到燃料气体混合室，防止爆炸。同时为了防止送气涡轮出现故障，无法有效阻止火焰倒灌，特别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挡片自然下垂，形成一个能通过混合气的通气孔，进行正常输送气体配合工作，当火焰发生倒灌时，火焰压力大于送气涡轮的二次加压，火焰气浪将阻止器的阻挡片推动，两个阻挡片相互触碰并卡死，使火焰不能倒流至燃料气体混合室，提高动力机械安全性。
3 该动力机械的应用与改装
该动力机械的基础版本可以应用于家庭应急发电、小型翼式农用无人机、老年代步车、摩托车等装备当中。该动力机械也可以加装多组燃烧室、喷射口、多个动力输出室、增加动力机械的动力性。也可以在该动力机械设备中增加更加先进的压气机等装备。从智能化角度看待该动力机械，可以考虑追加各类传感器、电控单元等电子设备。其应用的核心思想是为了节省柴油资源、汽油资源，降低排放污染物排放。更加适用于小型机械装备当中。
4 结语
在现代社会生活中，我们使用的很多装备当中，以柴油或者汽油为燃料的动力机械所占比重还是偏大，而且这些装备所消耗的燃油量、产生的排放物及其带来的其他负面影响，是无法用金钱来衡量的，毕竟这些石化燃料是不可再生能源，需要节约使用。再从同周期产生到生产的产量对比，甲醇、乙醇燃料要比石化燃料产生的多，因为石化燃料的形成时间是几千年甚至几万年。
为此，设计醇类燃料动力机械既可以帮助小型机械装备减少燃油使用量，又能有利于中国能源结构变得更加合理，也有助于提升国家战略石油储备量。
参考文献
[1] 裴自立，杨晓丽，王庆利，等.船用纯甲醇发动机燃料喷射系统设计[J].船舶工程，2020（S1）：202-204.
[2] 张传奇，文铭升，董芳，等.乙醇汽油燃料特性对直喷增压乘用车性能影响研究[J].内燃机工程， 2020（5）：54-61.
[3] 陈明澎，乔信起，李鹏飞.掺混比例和预喷定时对二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放的影响[J].汽车工程学报，2017，7（4）：235-243.
[4] 刘圣华，周龙保.内燃机学[M].4版.北京：机械工业出版社，2017：109-137.
[5] 袁兆成.内燃机设计[M].3版.北京：机械工业出版社， 2018：7-11.
[6] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].10版.北京：高等教育出版社，2019：374-381.
关键词：醇类燃料 石化燃料 动力机械设计 防止火焰倒灌 节能减排
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：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
該文中所提出的动力机械与传统的汽油为原料的动力机械相比，在设计思想与设计理论上有不同之处。由于燃料理化性质的原因，醇类燃料与传统的汽油燃料比较，在燃烧废物排放、燃料混合气的燃点、浓度等条件，都不同于汽油燃料类动力机械。醇类燃料动力机械的碳烟颗粒、氮氧化物等排放量，在与汽油燃料同等燃烧排放条件下，显得更加环保。借此特点，在醇类动力机械当中的废气再利用的方式上也将基于汽油发动机的设计方式进行适当的修改。在整机设计中，最核心的设计理念主要还是体现在动力输出方面，取消了活塞等一系列配件设备。
1 总体理论论述
1.1 醇类燃料动力机械中的燃料与燃烧
醇类燃料主要采用甲醇与乙醇燃料，也就是我们平时所见的工业酒精和医用消毒酒精的主要原料，其中甲醇的自燃点在标准情况下为463.89℃，爆炸限度为6%～36.5%，乙醇的自燃点在标准情况下是75℃，爆炸限度为3.3%～19%，在此动力机械燃料储存箱中，可以以二者中的任意一种作为燃料，也可以用混合式燃料。在动力机械工作时与燃料燃烧阶段，可以按照动力机械不同时段的需求，分段使用两种燃料，即可以采用乙醇燃料引燃，甲醇燃料后续注入燃烧（方法一）。也可以按比例采用二者混合燃烧（方法二）。但是应注意，无论采用上述何种工作燃烧方式，燃料与空气的混合程度一定要避开3.3%～36.5%这个爆炸混合度区间，防止燃料在动力机械工作时发生爆炸。但是还要考虑到醇类燃料混合气中氧含量过多，燃料偏稀，导致燃料气体无法燃烧这一因素。
在燃烧室内，要注意燃烧产生的压力低于燃料混合预燃室内的压力，防止出现回火现象。必要时，将采取额外减小燃烧压力措施。燃烧室的壁面激冷效应的影响将会随着燃烧的持续进行而逐渐降低。驱动轴及其所带叶片在接受燃烧推动时分为预热阶段、推动阶段、稳压阶段。
在预热阶段时，混合燃料气体燃烧所产生的热气给叶片及其动力输出舱进行加温加压，使动力输出舱室的燃烧压力逐步上升，直至到达到可驱动转动轴转动的驱动压力值。
在推动阶段，随着燃烧温度的升高，燃烧压力的升高，叶轮开始逐渐的转动，叶轮的每个叶片也开始逐步的加热，临近燃烧火焰喷射口的叶片与叶片之间的压力要明显高于其他叶片之间的压力，临近喷口的高压是瞬时增加。 在稳压阶段，当动力输出舱室的温度或者压力达到一定程度时，并超过安全标准压力值。为了防止压力过大，造成输出舱室的损坏、火焰喷射效果降低、喷射火焰倒灌回燃烧室等情况，将进行定压排气，将一部分燃烧后的热气进行排出。这时候的原理与高压锅排气类似。
总体压力关系为燃料混合预燃室的压力>燃烧室压力>动力输出舱室火焰喷射口≥动力输出舱室压力≥排气口标准排气压力值。
1.2 该动力机械的配气理论
当醇类燃料准备燃烧的时候，醇类燃料与新鲜的空气进行混合，形成醇类混合燃料气体。那么，为了保证燃料混合气体能够达到一个理想的混合状态，在进行配气时，应该根据动力机械的转速、工况等实际情况，采用机械方式调整进气量。为了使动力机械达到更好的经济效果与动力效果，也可以采取一定的进气增压措施。在发动机刚刚启动时，可以采用电动辅助进气手段，帮助醇类燃料更好地混合。在该型动力机械设备中，排气将会采用定压排气方式进行，利用其废气推动强制排气轮运转，将废气及时强制吸走，又在一定程度上解决了该机械一定散热问题。
1.3 废气排放与冷却理论
在该动力机械将燃料燃烧后的废气排出。在排气过程中，可以將刚生产的废气进行收集，集中在统一装置，废气集中装置的排放口中要小于废气进气口。废气从废气收集装置中排放出来后，有两种方式可以利用废气。（1）可以直接喷射在动力输出舱室的外置涡扇叶片，以便提高发动机的动力性，但是冷却系统需要额外安装风冷式冷却系统，动力机械总质量增加。（2）可以将废气从废气装置排放口中的废气直接作用在冷却装置，驱动冷却风扇工作，将该动力机械的整体工作温度降低，同时加速废气排放速度，帮助动力输出舱室快速稳压冷却并保证动力性不受影响。
2 总体结构论述
动力机械主要结构设计（见图1），进气管可以与空气增压机相连，燃料输送管安装燃料泵，这两种管道及其配套装置与汽车发动机有类似之处。动力输出室的主轴还可以驱动增压机、发电机等。也可以单独采用电动增压机进气，与该动力机械分开驱动。在主要结构设计中，机体外壳将配置散热孔，将起到风冷式散热作用。动力输出室中包含一个汽轮。冷却器中包含一个以高压废气为驱动力的排气涡轮（该排气涡轮采用半覆壳结构，既与废气收集管相连，又与机体外壳内部相通），该涡轮被废气驱动后，叶片旋转，开始强制将废气吸出，同时还加速该动力机械机体散热。在动力输出室、废气收集管、冷却器可采用氧化铝等耐高温材料。主轴可采用空心结构设计，以减轻机体总体质量。
为了使动力输出室内部压力和温度恒定，在废气收集管与动力输出室连接口处设有稳压排气阀（见图2）。稳压排气阀的工作原理为当动力输出室内部的压力F大于稳压排气阀的弹簧弹力F1，弹簧左端的气门从左到右逐步被顶开，动力输出室内部的废气压力开始释放，进入阀体腔内部，并从图中所示的右下缺口处排放到废气收集管中。
出于对动力机械安全性的考量，防止发生回火倒灌导致动力机械出现故障，特意加装了一组安全装置（见图3、图4），这组装置是自身重量小且耐高温的材料，如氧化铝。
当燃料在燃料气体混合室与高压空气混合后，在燃料气体流动状态下，混合气体将送气涡轮单向逆时针推动，进行二次加压直至输送到燃烧室，如果遇到火焰倒灌情况，来自下方的火焰气浪作用到送气涡轮，但受迫于送气涡轮单向旋转，无法将倒灌的火焰热量传到燃料气体混合室，防止爆炸。同时为了防止送气涡轮出现故障，无法有效阻止火焰倒灌，特别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挡片自然下垂，形成一个能通过混合气的通气孔，进行正常输送气体配合工作，当火焰发生倒灌时，火焰压力大于送气涡轮的二次加压，火焰气浪将阻止器的阻挡片推动，两个阻挡片相互触碰并卡死，使火焰不能倒流至燃料气体混合室，提高动力机械安全性。
3 该动力机械的应用与改装
该动力机械的基础版本可以应用于家庭应急发电、小型翼式农用无人机、老年代步车、摩托车等装备当中。该动力机械也可以加装多组燃烧室、喷射口、多个动力输出室、增加动力机械的动力性。也可以在该动力机械设备中增加更加先进的压气机等装备。从智能化角度看待该动力机械，可以考虑追加各类传感器、电控单元等电子设备。其应用的核心思想是为了节省柴油资源、汽油资源，降低排放污染物排放。更加适用于小型机械装备当中。
4 结语
在现代社会生活中，我们使用的很多装备当中，以柴油或者汽油为燃料的动力机械所占比重还是偏大，而且这些装备所消耗的燃油量、产生的排放物及其带来的其他负面影响，是无法用金钱来衡量的，毕竟这些石化燃料是不可再生能源，需要节约使用。再从同周期产生到生产的产量对比，甲醇、乙醇燃料要比石化燃料产生的多，因为石化燃料的形成时间是几千年甚至几万年。
为此，设计醇类燃料动力机械既可以帮助小型机械装备减少燃油使用量，又能有利于中国能源结构变得更加合理，也有助于提升国家战略石油储备量。
参考文献
[1] 裴自立，杨晓丽，王庆利，等.船用纯甲醇发动机燃料喷射系统设计[J].船舶工程，2020（S1）：202-204.
[2] 张传奇，文铭升，董芳，等.乙醇汽油燃料特性对直喷增压乘用车性能影响研究[J].内燃机工程， 2020（5）：54-61.
[3] 陈明澎，乔信起，李鹏飞.掺混比例和预喷定时对二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放的影响[J].汽车工程学报，2017，7（4）：235-243.
[4] 刘圣华，周龙保.内燃机学[M].4版.北京：机械工业出版社，2017：109-137.
[5] 袁兆成.内燃机设计[M].3版.北京：机械工业出版社， 2018：7-11.
[6] 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].10版.北京：高等教育出版社，2019：374-381.