天然气发动机燃料供给系统

第24卷第5期天然气工业工程建设天然气发动机燃料供给系统李书泽张武高黄震(上海交通大学机械与动力工程学院)李书泽等.天然气发动机燃料供给系统.天然气工业,2004;24(5):127~12摘要为了降低发动机排放对大气环境造成的污染,在其燃料本身和燃料供给系统方面都已进行了很多改进,并且有很多新的尝试正在进行。在燃料方面,天然气作为发动机一种重要的“清洁燃料”,日益受到人们的重视,也使天然气发动机在国内外均获得了较快的发展。相应的,对发动机系统也需要进行改进以适应天然气的燃料特性。天然气发动机的燃料供给系统有:缸外进气道噴射、缸内直喷。其中缸内直噴又可细分为气体燃料缸内直接低压喷射,燃油调制喷射、缸内髙压直接喷射,油气共用喷射器、缸内高压直接喷射,热面管加热、缸内高压直接喷射,预燃窒燃烧室等各种不同的系统。首先介绍了各种供给系统的结构和工作原理,然后在充气效率以及动力性和排放方面详细比较分析了各种方式的优劣,提出今后的研究方向主要应是专用天然气发动机的研究、新型进气喷射器的设计和稀薄燃烧的实现主题词天然气燃料发动机供应动力分析天然气作为车用燃料是最重要的应用领域之率下降。而充气效率则是反映发动机换气过程完善,但是并不是简单地在发动机上改用天然气作为程度的指标,发动机充气效率下降即相当于输入发燃料就能完全解决排放问题,还须对各个系统进行动机缸内的总能量下降。因此为了降低充气损失,优化后才能获得良好的排放特性。为此,分析了天采用缸内喷射将是一种很好的解决办法。然气发动机几种不同进气系统的优缺点。低压喷射天然气发动机是在进气阀关闭后,将缸外进气道喷射缸内直接喷射天然气在缸外和空气预先形成了混合气,喷气1.低压喷射示意如图1低压喷射供气方式主要用在压缩比低的点燃式发动机转速天然气调节控制气体燃料发动机上(,如图2所示动机转速电控喷射温度排气控制系统空气流轍节气门氧传感器排气火花塞电控气体喷射器图1缸外进气道喷射系统简图控制信号由于天然气是气体燃料,所以缸外进气道进气时无论是混合器还是电控喷射,天然气本身在混合气中都占有相当的体积比,这样会使发动机充气效图2发动机缸内低压直喷系统示意图本成果受上海市科技发展基金项目(023012006)的资助中国煤化工作者简介:李书泽,上海交通大学机械与动力学院博士研究生,主地址:(200030)上海市番禺路951号上海交通大学内燃机研究所。电CNMHG制系统的开发研究·12工程建设天然气工业004年5月天然气喷入气缸,在着火之前形成均质的预混合气,着压器压力调节器采用电火花点火或喷入少量引燃油使混合气燃烧。于天然气是在进气阀关闭后才喷射,因而喷射压加速电磁阀力比较低(0.2~1MPa)。这种方式避免了由于天然气是气体燃料而在进气混合时就占有一定体积的缺陷,使进气充量提高。但是,这种发动机的压缩比喷油器比较低,限制了热效率的进一步提高。另外,由于仍储油器然需要采用节气门通过节流作用调节发动机的充图3RAM调制喷射系统的燃油回路量,所以在中小负荷时节流损失大2.高压喷射尼器、加速管、电磁阀和喷油器组成。RAM调制喷高压喷射主要在压缩比比较高和在压缩终点喷射系统只要在共轨中有4~5MPa的恒定初始压力射的发动机上得以应用。在这类发动机中,天然气该系统就能在每个喷油器的入口处利用流体冲击效燃料不是在进气道与空气预先混合,而是在接近上应产生一个比它高10~15倍且与喷射持续期相适止点时直接以很高的压力喷射入气缸内的空气中,应的高压波,以得到很高的燃油喷射压力5)。借助所以必须以很高的压力才可以进入缸内。燃料气流电磁阀对高压波直接电控,能使喷油规律及其初始和气缸中的空气充量的混合速度由燃料的喷射过程状态适应发动机参数及燃烧来进行控制。由于压缩过程中不存在燃料和该系统中,气体燃料采用缸内直喷技术,引燃柴空气的预混合故消除了爆震的可能性,但是这也使油量极小(为全负荷燃烧量的1%~3%),因而需要得控制NOx排放比预混合充量双燃料发动机更困对柴油喷射系统进行精确的调节,准确的控制喷油难3。从充气效率的角度来看,对于空气充量几乎量。试验结果表明,RAM调制系统对气体燃料与空没有影响。气分层混合气初始着火要求小,油量可以保持使喷天然气中甲烷的自燃温度比柴油的要高许多,油特性不变,因而此系统在气体燃料发动机预喷射对于压燃式发动机仅依靠提高压缩比来实现燃烧虽这一新的应用领域具有非常好的适应性。但是天然然可以达到,但这也会造成极高的机械负荷和热负气的喷射仍然需要另外的一套装置,这就增加了系荷。在实际应用中,由于缺乏可以承受如此高机械统的复杂性。负荷与热负荷的材料,因而如果没有其他的辅助措(2)油气共用喷射器、缸内高压直接喷射施是不大可能实现的。目前的辅助着火措施除了依加拿大 British Columnbia大学提出了柴油喷射靠使用电热塞和扫气控制方式来保证天然气的点火和天然气喷射共用一个喷油器的天然气缸内高压直之外,还有其他一些形式的缸内直接喷射式气体发接喷射技术,喷油器结构如图4所示。该喷射器动机。下面主要介绍3种有特色的气体燃料缸内直接喷射系统。(1)燃油调制喷射、气体燃料缸内直接喷射电磁阀柱塞这种天然气发动机燃料喷射系统采用了美国BKM公司提出的微喷技术,即采用电控RAM调制供油/回油柴油喷射的气体燃料发动机预喷射系统(图3)。其通断两位阀方式是将少量柴油先预喷射入燃烧室内,由柴油的引燃油柱塞自燃来确保在燃烧室中形成足够的着火表面,也天然气针阀是由柴油来引燃天然气。这种引燃方式对柴油着火引燃油针阀后的气体燃料与空气混合气的着火十分有利引燃油喷束RAM调制喷射系统的初级模块由电子控制或中国煤化工机械控制式喷油泵、调压装置和蓄压器组成,它产生的恒定初始压力相对较低;系统的次级模块则由阻CNMH128第24卷第5期天然气工业工程建设与原柴油喷嘴形状、尺寸完全一致,不需对柴油机进和主燃室2部分,燃料随少部分空气进入预燃室,空行别的改动。喷射器的喷射时刻和喷射持续时间由气主要进入主燃室。由于空气和燃料不从同一进气电磁阀和液压系统联合控制,在压缩冲程接近终点口进入,不会使进气效率有较大下降(图5)。时,从喷射器喷入微量引燃柴油作为点火燃料,点燃大然气进气阀此后高压喷人的天然气,通常气体喷射压力控制在连接控制阀12~16MPa。引燃柴油量在任何时候都是固定的预燃军釆用限制冲程柱塞来实现。热效率与原柴油机相同,引燃油量在高负荷时为5%。该技术用了天然气高压缸内直喷技术,发动机不需要节气门,因而不存在节气门节流损失及由天然气引起的容积效率损失。由于以天然气的燃烧为主,因而具有无可见烟度排放;同时采用扩散燃烧方式,可具有与柴油机相当的CO和HC排放性能图5带控制阀的预燃室燃烧室底特律柴油机公司使用该技术对6V92TA型发动机进行了改装,该双燃料发动机与原柴油机在扭以天然气为燃料的火花点燃式发动机因为爆震矩、功率和燃料消耗方面基本相同,排放方面NOx极限限制了压缩比的提高,使热效率不能提高。另减少了45%、CO2减少了25%、颗粒物质(PM显著一方面为了提高热效率研制了将高压天然气喷入气减少缸内的压缩空气中并使其着火的压燃式发动机,如但是,高压喷射系统需要高压的气体燃料前所述因天然气的自行着火温度高,燃烧难以控制NG,需要一个小型车载压缩机以将气体压缩到约并且喷射高压气体的系统都很复杂,在实用化方面20MPa。这样以来,就需要消耗一部分功率整个有难度。这种带控制阀的预燃室燃烧室隔热型发动系统效率有所下降且增加了系统结构的复杂程度。机,利用压缩行程产生的温度和压力使天然气/空气(3)热面管加热、压燃混合气在预燃室自燃然后进入主燃室燃烧,燃烧过为了在柴油机上燃用天然气,还可以采用加热程可以由连接控制阀来控制。经过发动机试验,部从喷射器射出的天然气,使喷束与空气的混合气中分负荷时,能获得与直喷式柴油机一样高的热效率局部温度达到1150~1200K,而且混合气浓度能达但在高负荷时,因火馅与空气的混合不充分,燃烧速到化学计量比的要求,这就可以在正常柴油机压缩度慢而使热效率降低。因此,从预燃室喷出的火馅比范围内着火。这些着火点可以促成天然气与空气与主燃烧空气的混合速度有待改善,以缩短燃烧时混合气的扩散燃烧,同时也实现了缸内直喷与压燃。间,提高高负荷时的热效率。只需一套喷射系统,结构上可以简化发动机改装或设计。结论基于此理论,大连理工大学使用原增压柴油机由上述可见缸内直接喷气技术有以下特点:①的燃料喷射系统,并在气缸盖上预热塞处安装陶瓷对气体燃料节流无影响,供气特性稳定;②点燃式和外壳发动机内热式电热塞热面管,以加热从喷射器引燃式(天然气一柴油双燃料发动机),都能完全实中射出的天然气。其实验结果表明,采用热面管代现质调节;③降低甚至消除了燃料供气对空气充量替点火系统的直喷式天然气的排放与柴油机相比有的影响提高了空气充量。大幅度降低,同时也获得了与原柴油机相同的动力对于天然气缸内直喷技术来讲,当前的研究主性能。要在以下方面:①适合天然气燃料的专用发动机预燃式燃烧室系统开发,例如选择合适压缩比等;②可以实现更理想混合中国煤化工实现此系统的燃料供给就是进气道进气,但与前述CNMHG实现缸内直喷都进气道进气方法的差异在于由于燃烧室分为预燃室能使动机的性能臂所提尚,该(下转第133页第24卷第5期天然气工业工程建设的研究进展.天然气工业,2000:20(3):95~98983;38:1061~10725樊栓狮,郭天民,笼型水合物的研究进展.化工进展,12 Visniauskas A, Bishnoi P r. 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Effects of injection虽有高负荷时热效率不高的缺点,需要进行改进,但 changes on efficiency and emissions of a diesel engine fu可以应用在发动机主要工作在部分负荷的情况下。eled by direct injection of natural gas. SAE paper 2000-01-18057宋振寰,D斯蒂芬.直喷式柴油机燃用天然气燃料的研究.大连理工大学学报,2000;(1):67~69高青,梁宦山,李虎等.天然气/柴油双燃料发动机电控喷8 Hiroshi Masuka, Keizi Kishishita et al. Structure and气技术研究.汽车T程,2000;(6):389~4122孙济美,张纪鹏,方祖华等.压缩天然气和液化石油气发performance of heat insulated naReview18(1997):377~384动机电控喷气技术研究.天然气工业,1998:(2):68~729 Richard Tilagone et al. Development of a Lean-Burn Nat3冯幸福,吴同起燃气汽车及加气站技术,北京:电子工业ural Gas-Powered Vehicle Based on a Direct-InjectionH版社,2001Diesel Engine. SAE paper 2000-01-19504李国岫.柴油一天然气发动机电控气体燃料喷射技术的研究.车用发动机,2000;(2):8~11(收稿日期2003-06-23编辑居维清)5 Stan C, Hilliger E.采用电控RAM调制柴油喷射的气体中国煤化工CNMHG133