一种集成组件与气体发动机
技术领域
本实用新型涉及气体发动机技术领域，尤其涉及一种将气体燃料过滤、热交换和温控功能集成为一体的组件，其能够对气体燃料进行过滤、在发动机冷却水与气体燃料之间进行热交换以及调节气体燃料温度，还涉及包括该组件的气体发动机。
背景技术
气体发动机(以下简称发动机)可以使用气体燃料(例如压缩天然气CNG、液化天然气LNG或液化石油气LPG等)作为燃料。气体燃料进入发动机燃烧室前需要经过滤和加温。目前在气体发动机燃料供给系统中，分别采用气体燃料过滤器、热交换器对气体燃料进行过滤和加温的预处理，并且利用温控阀控制气体燃料以40℃左右进入气体发动机燃烧室。因此，气体燃料过滤器、热交换器和温控阀是作为气体发动机燃料供给系统3个独立的部件分别安装在发动机的外部空间，并且使用外接管路将3个独立部件相互连接。
图1示出了现有技术的气体发动机燃料供给系统中的燃气过滤器、热交换器和温控阀的布置原理图。燃气过滤器1a的出口通过第一管路2a与热交换器 3a的气体入口连通，热交换器3a的气体出口通过第二管路4a与温控阀5a的气体入口连通，热交换器3a的水出口通过第三管路6a与温控阀5a的水入口连通。如图1中的单箭头所示，气体燃料从燃气过滤器1a的入口进入燃气过滤器1a，经过滤后，从燃气过滤器1a的出口流出，再经第一管路2a从热交换器3a的气体入口进入热交换器3a，经过与热交换器3a中流过的冷却水热交换后，从热交换器3a的气体出口流出，再经第二管路4a从温控阀5a的气体入口进入温控阀5a，通过温控阀对后续的气体进行温度调节，最后从温控阀5a的气体出口流出。如图1a中的双箭头所示，发动机冷却水从热交换器3a的水入口流入热交换器3，经过与热交换器3a中流过的气体燃料热交换后，从热交换器3a的水出口流出，再经第三管路6a从温控阀5a的水入口进入温控阀5a，并由温控阀对流经整个系统的水流的流量大小进行调节，最后从温控阀5a的水出口流出。
在以上这种布置方式中，其使用的第一管路2a、第二管路4a和第三管路 6a均比较长，这些管路需要用支架固定到车身或发动机或汽车其他零件上，存在如下的缺点：
1、对于不同发动机或车型，支架的安装点固定，支架形状差异大，开发成本高。
2、装配工艺复杂，主机厂或整车的装配工序多，影响生产效率。
3、燃气过滤器、热交换器和温控阀相互之间间距大，占用空间大，布置困难，整体结构重量大，有悖于轻量化设计。
4、连接管路长，振动幅度大，磨损泄漏风险大。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种集成组件。
本实用新型要解决的另外一个技术问题是提供一种设置上述集成组件的气体发动机。
对于集成组件，本实用新型采用的技术方案是，一种集成组件，包括滤罐、热交换器和温控阀；温控阀包括气腔和水腔；还包括连接块；
连接块的下端与滤罐的上端通过螺纹连接，且滤罐的内腔中设有滤芯；
连接块与滤罐的连接处分别设置滤罐进气口和滤罐出气口，且滤罐进气口经过滤芯至滤罐出气口构成气体燃料过滤通道；
连接块内部还设置温控阀安装腔，且温控阀置于温控阀安装腔内；
连接块的一侧设置一为矩形平面且用于安装热交换器的安装座；安装座设置连接块出气口、连接块进气口、连接块出水口、连接块进水口；连接块还设置直通外表面的进气口、出气口、进水口和出水口；
热交换器的一侧为一矩形平面的安装面；安装面设置热交换器进气口、热交换器出气口、热交换器进水口、热交换器出水口，且热交换器内部设置多层相通的气体通道和多层相通的水流通道，且各层气体通道与各层水流通道相互间隔设置；热交换器进气口通过气体通道与热交换器出气口连通，热交换器进水口通过水流通道与热交换器出水口连通；
热交换器的安装面与连接块的安装座连接，且连接块出气口与热交换器进气口连接，热交换器出气口与连接块进气口连接，连接块出水口与热交换器进水口连接，热交换器出水口与连接块进水口连接；
连接块内部设置由进气口连通滤罐进气口的第一气路、由滤罐出气口连通连接块出气口的第二气路、以及由连接块进气口经过温控阀的气腔至出气口的第三气路；第一气路、气体燃料过滤通道、第二气路、热交换器内部的气体通道、第三气路依次连接构成从进气口至出气口的集成组件气体通道；
连接块内部设置进水口至连接块出水口的第一水路，以及连接块进水口经过温控阀的水腔至出水口的第二水路；第一水路、热交换器内部的水流通道、第二水路依次连接构成从进水口至出水口的集成组件水流通道。
作为优选，交换器进气口与热交换器出气口分别置于安装面的两个对角处，且热交换器进水口与热交换器出水口分别置于安装面的另外两个对角处。
作为优选，连接块出气口与热交换器进气口、热交换器出气口与连接块进气口、连接块出水口与热交换器进水口、热交换器出水口与连接块进水口均通过密封件连接。
作为优选，连接块下端与滤罐上端分别设置连接用螺纹，且连接用螺纹的起始牙均设有限位块。
作为优选，热交换器的安装面设置多个用于安装热交换器的螺柱，且热交换器通过螺柱与连接块连接。
作为优选，热交换器与安装面相背的一侧设置多个用于固定安装集成组件的螺柱。
对于气体发动机，本实用新型采用的技术方案是，一种气体发动机，气体发动机外部设置上述的集成组件，且集成组件通过螺柱固定安装在发动机外部的支架上。
作为优选，集成组件的进气口、出气口、进水口和出水口分别与气体发动机燃料供给系统的相应管道对应连接。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型的集成组件将燃气过滤、热交换和温控等功能集成为同一组件，并且以连接块内置气路和水中替代原外置管路，同时取消了热交换器上的接头以及单独的温控阀安装块，避免了热交换器接头钎焊过程中螺纹尺寸变化的质量风险，避免了温控阀安装块的泄露风险，降低了材料成本，而且还节约了安装空间、优化了主机厂或整车厂的装配工艺，减少装配工序，提高生产效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是现有技术的气体发动机燃料供给系统中的燃气过滤器、热交换器和温控阀的布置原理图；
图2是本实用新型集成组件的立体结构图；
图3是本实用新型集成组件的另一立体结构图；
图4是本实用新型集成组件的热交换器的立体结构图；
图5是本实用新型集成组件的连接块的立体结构图；
图6是本实用新型集成组件的连接块与换热器连接部位结构示意图；
图7是本实用新型集成组件的气路示意图；
图8是本实用新型集成组件的连接块中的温控部分水路示意图；
图9是本实用新型集成组件的连接块中的温控部分水路示意图；
图10是本实用新型集成组件的滤灌的立体结构图。
图中标记：1-热交换器，101-安装面，102-热交换器进气口，103-热交换器出气口，104-热交换器进水口，105-热交换器出水口，2-连接块，201-安装座，202-连接块出气口，203-连接块进气口，204-垂直气路孔道，205-横向气路孔道，206-连接块出水口，207-连接块进水口，3-滤罐，301-滤芯，302- 限位块，4-温控阀，5-进气口，6-出气口，7-进水口，8-出水口，9-O型圈， 11-螺纹，12-连接通孔，13-连接螺柱，14-安装螺柱。
具体实施方式
图2是一种集成组件，适用于以天然气为燃料的气体发动机，由热交换器 1、连接块2、滤罐3和温控阀4组成。
一、热交换器的外部和内部具体结构：
在图4中，热交换器1上设置一个同样为矩形平面的安装面101，在该安装面上设置热交换器进气口102、热交换器出气口103、热交换器进水口104、热交换器出水口105。
在热交换器的内部分别设置有多层相通的气体通道和多层相通的水流通道，而且将各层气体通道与各层水流通道相互间隔设置，热交换器进气口通过多层相通的气体通道与热交换器出气口连通，而热交换器进水口通过多层相通的水流通道与热交换器出水口连通。热交换器的结构以气体通道与水流通道间隔设置，可以达到充分进行热交换的目的。
二、连接块的外部和内部具体结构：
连接块2作为连接滤罐3、热交换器1和安装温控阀4的中间连接件，其外部与内部结构具体如下：
在图3中，连接块2的外侧设为一半圆形凸块，该凸块的下端设有连接滤罐的螺纹，与滤罐3的上端通过螺纹连接，滤罐中设置滤芯301。
在连接块与滤罐的连接处分别设置滤罐进气口和滤罐出气口，且滤罐进气口经过滤芯至滤罐出气口构成滤罐内部的天然气过滤气路。
在连接块的下部还设置一个温控阀的安装腔，该安装腔内设置有温控阀 4，且温控阀的气腔与水腔分别与连接块中的气路和水路连通。
在本实施例中，连接块2包括外侧的半圆形凸块与下部的温控阀安装腔为一体成型件。
在图5中，在连接块2的内侧设置了一个矩形平面，该矩形平面是用于安装热交换器的安装座201。在连接块的安装座上面设置连接块出气口202、连接块进气口203，连接块出水口206、连接块进水口207，另外在连接块上还设有通向外表面的进气口5、出气口6、进水口7和出水口8。
连接块内部的气路设置：在连接块内部设置由进气口5至滤罐进气口第一气路(即滤罐进气气路)、由滤罐出气口至连接块出气口202的第二气路(即滤罐出气气路)，另外连接块还设置了由连接块进气口203经过温控阀的气腔至出气口6的第三气路(即集成组件出气气路)。如图7所示，进气口5直接连通至滤罐进气口，经滤芯301过滤后的气体从竖向进入与安装座平面相垂直的垂直气体孔道204，再折弯经过横向气体孔道205，
连接块内部的水路设置：在连接块内部设置由进水口7至连接块出水口 206的第一水路(即集成组件进水水路)(图8)，以及连接块进水口207至出水口8的第二水路(即集成组件出水水路)(图9)。
三.集成组件中的气路和水路结构：
装配时，将热交换器的安装面与连接块的安装座连接，这时即构成了集成组件的天然气通道和冷却水通道，其中将第一气路、滤罐内部的天然气过滤气路、第二气路、热交换器内腔多层气体通道、第三气路依次连接构成了从进气口5至出气口6的集成组件的天然气气体通道。
将第一水路、热交换器内腔多层水流通道、第二水路依次连接构成了从进水口7至出水口8的集成组件的冷却水水流通道。
在图4中，为了提高热交换的效率，特别地将热交换器进气口与热交换器出气口分别置于构成安装面101的矩形的两个对角处，并且将热交换器进水口与热交换器出水口分别置于矩形安装面的另外两个对角处。将热交换器的进出气和进出水按对角设置的好处是加长了热交换器内部的热交换距离，同时水路流向与气路流向方向相反，使得热交换更彻底，效果更好。热交换器的进出气和进出水也可以按同一直线上左进右出或右进左出进行设置，但这种同一直线的设置方式相对于对角设置，其不足之处是热交换的距离相应较短，热交换效果较差。
为了保证连接块与热交换器装配后连接处的密封效果，分别在连接块出气口202与热交换器进气口102、热交换器出气口103与连接块进气口203、连接块出水口206与热交换器进水口104、热交换器出水口105与连接块进水口 207的连接处都采用密封件进行密封连接，即为端面密封(图6)。
为方便连接管道，在进气口5和出气口6上分别装有进气口接头和出气口接头，进气口接头和出气口接头分别通过螺纹11与进气口5和出气口6连接。
为了便于集成组件的装配，在热交换器的安装面101焊接了5根连接螺柱 13(图4)。装配时，只需将热交换器的安装面的5根连接螺柱13对应穿过连接块上预留的5个连接通孔12，即可用螺母牢固固定连接。当热交换器与连接块装配后，要使连接块出气口202与热交换器进气口102、热交换器出气口 103与连接块进气口203、连接块出水口206与热交换器进水口104、热交换器出水口105与连接块进水口207一一对应连接。
为了方便在发动机上安装该集成组件，在热交换器的的背面焊接了4根安装螺柱14(图3)。只需将安装螺柱用螺母固定在设在发动机外部的支架上，即可将整个集成组件固定在发动机的外周空间。
在图8中，在连接块的下部还设有温控阀安装腔，并在温控阀安装腔内装有温控阀4。在温控阀4与安装腔之间，气体通道即为气腔，水路通道即为水腔，在水腔与气腔之间采用螺纹11加O型圈9的密封方式，用以隔断水路与气路。本实施例中，连接块内设的温控阀安装腔与连接块本体为一体成型件，相对于将温控阀安装块与连接块通过螺钉连接在一起的分体结构，本实施例的一体结构更加安全可靠。分体结构由于要通过螺钉连接，存在泄漏风险。该产品集成组件在工作时最大压力达到1.6MPa，当产品在剧烈震动等情况下，螺钉连接部位存在松动风险，容易导致气体泄漏。
温控阀的工作原理：温控阀4又称为自力式温度调节阀，该阀最大的特点：无需任何外加能源，利用被调介质自身能量实现介质温度自动调节的执行器产品。温控阀采用一内部充填感温介质(如石蜡)的感温温包(下称温包)作为感温执行部件，天然气在热交换器1与发动机冷却水进行换热后，使得天然气的温度因此上升，并从热交换器出气口103和连接块进气口203 进入温控阀4的气腔。当天然气温度过高，流经气腔的天然气使得温包内介质膨胀，推动设在温包另一端的节流顶杆伸出，使通过流经温控阀水腔的发动机冷却水的流通截面积减小，减少发动机冷却水带入热交换器的热量，相应地降低了经过热交换的天然气的温度。反之，当天然气温度过低时，温包内介质收缩，由复位弹簧推动节流顶杆复位，通过流经温控阀水腔的冷却水的流通截面积增大，增大冷却水带入热交换器的热量，相应地增加经过热交换的天然气的温度。
连接块与滤罐是通过螺纹连接的，具体是在连接块下端与滤罐上端分别设置连接用螺纹，且两者连接处螺纹的起始牙均设有一限位块302(图10)。当连接块下端的螺纹起始牙转到滤罐上端的螺纹起始牙部位时，自动锁止，无需扭力控制，使得装配简单可靠。
四、工作原理：
简单地来说，本实施例集成组件通过气路和水路将天然气过滤器、热交换器和温控阀相互连接，并通过气路和水路设计，将天然气气体和从发动机排出的带着高温的冷却水分别从气路与水路进入集成组件，并且在热交换器中间隔地逆向对流进行换热，最后分别流出集成组件，得到加温的天然气气体则送入发动机燃烧室，换热后的冷却水则循环回收。
以下通过对天然气气体和冷却水在集成组件中的行进路线的描述来说明本实施例的工作原理，并在相应的附图中以单箭头表示气体流经路线(气路)，以双箭头表示冷却水流经路线(水路)。
作为发动机燃料的天然气从进气口5进入连接块2的内部气路，如图7 所示，从滤罐3顶部的滤罐进气口进入滤芯301内部，经滤芯对气体过滤后，气体经过竖向的滤罐出气口、拐弯通过与一条安装座平面相垂直的垂直气路孔道204和一横向气路孔道205，再从连接块出气口202(图5)进入热交换器1 内部的气路部分，天然气从热交换器进气口102进入热交换器内部的多层气体通道，被间隔的多层水流通道中高温冷却水进行换热加温后，从热交换器出气口103流出热交换器，再从连接块进气口203进入连接块下部的温控阀4，并经温控阀的气腔从出气口6流出，从集成组件流出的经过加温的天然气气体即被送入发动机燃烧室。
发动机冷却水从进水口7进入连接块2的内部水路，并通过连接块出水口 206进入热交换器1的水路部分，带着高温的冷却水从热交换器进水口104进入热交换器内部的多层水流通道，对间隔的多层气体通道中逆向流动的天然气进行换热加温后，再从热交换器出水口105通过连接块进水口207进入位于连接块下部的温控阀4，并经温控阀的水腔从出水口8流出并被循环回收(图9)。
五、技术效果
本实施例作为一个集成组件，与原来分散安装的过滤器、热交换器和温控阀相比，具有如下技术效果：
(1)取消了原来分散安装所需要的管路和温控安装块，避免管路振动，降低泄漏风险，减少了能量损失；
(2)减少了劳动强度，降低材料成本、制造成本；
(3)该组件的安装空间减小明显，利于主机厂或整车厂空间布置；
(4)优化了主机厂或整车厂的装配工艺，减少装配工序，提高生产效率；
(5)取消了现有热交换器上存在接头的设计，避免了热交换器在钎焊过程中，高温对接头螺纹的影响，提供产品合格率，降低了成本；
(6)热交换器以对角方式设置进出气、进出水，加长热交换距离，同时水路和气路方向相反，热交换效果更好；
(7)滤罐起始牙端设计有限位块，当连接块起始牙到滤罐起始牙部位时，自动锁止，无需扭力控制，装配简单可靠；
(8)取消了温控阀单独安装块，将温控阀集成在连接块上，减少泄露风险。
(9)在连接块温控部分，水腔与气腔间采用螺纹加O型圈密封方式，隔断水路与气路，密封简单可靠。
本实施例的集成组件能够代替目前分散安装的气体过滤器、热交换器和温控阀，直接与天然气发动机配套使用，并且由此组装成一种新型的气体发动机。
以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。
