柴油_天然气双燃料发动机技术改装方案分析

2004年5月

农业机械学报

第35卷第3期

柴油 天然气双燃料发动机技术改装方案分析

张延峰　谭从民　郭永田　常立家　张　苏　李志军

【摘要】　对目前几种双燃料发动机技术改装方案进行了介绍与分析:混合器混合,机械控制柴油 天然气量双燃料系统;混合器混合,电控柴油 天然气量双燃料系统;气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油 天然气双燃料系统;微量柴油引燃喷射双燃料系统;混合器混合,机械控制柴油量,由进气管压力调节控制天然气量双燃料系统等。指出开发双燃料发动机时应根据具体实际情况采用相应的技术改装方案,达到既满足设计要求,又能节省开发时间和成本的目的。

关键词:柴油机　双燃料　改装　方案中图分类号:T K 46+4

文献标识码:A

Ana lysis of a Ref it Program for D iesel CNG D ua l Fuel Eng i nes

Zhang Yanfeng T an Congm in Zhang Su L i Zh ijun

(T ianj in U n iversity )

Guo Yongtian Chang L ijia

(Ch ina FA W G roup Corp ora tion D a lian D iesel E ng ine W orks )

Abstract

T he p rinci p al of som e refit p rogram s fo r changing a diesel to diesel CN G dual fuel engine w as in troduced in th is paper .T he characteristics of differen t refit p rogram s of the m echan ical con tro lled b lender m ixed diesel CN G dual fuel engine ,the sequen tial po rt in jecti on ,the fu lly electron ically con tro 1led diesel CN G dual fuel engine ,the m icro in jecti on ign ited b lender m ixed diesel CN G engine ,and the m echan ical con tro 1led am oun t fuel and the in take p i pe p ressu re regu lated CN G supp ly system ,w ere also analyzed .

F inally ,it po in ted ou t that the related

techno logies of refit p rogram s fo r diesel CN G dual fuel engines shou ld be adop ted acco rding to the p ractical situati on w hen diesel CN G dual fuel engines w ere developed ,w h ich cou ld m eet the dem and of design and reduce develop ing ti m e and co st .

Key words D iesel engines ,D ual fuel ,R efit ,P rogram

收稿日期:20021118

张延峰　天津大学机械工程学院　助理研究员,300072　天津市谭从民　天津大学机械工程学院　讲师

郭永田　一汽大连柴油机厂产品供应处　高级工程师,116021　大连市常立家　一汽大连柴油机厂产品工程处　高级工程师张　苏　天津大学电气与自动化学院　李志军　天津大学机械工程学院　副教授

引言

柴油 天然气双燃料(以下简称双燃料)发动机是指在柴油机上加装一套天然气供气系统和控制柴

油机喷油泵齿条位移量的装置,可以使柴油机燃用柴油和天然气两种混合燃料,也可以恢复燃用纯柴

油运行。近几年来为了降低柴油机的排放(主要是碳烟和微粒排放),双燃料发动机在全国迅速发展[1～5]。本文对目前柴油机改装的双燃料发动机的几种技术改装方案进行介绍与分析,为制造厂开发产品提供参考。

1　技术改装方案及分析

双燃料发动机系统的技术改装主要是对柴油机引燃柴油量和天然气供给量进行控制,使两者在不同的工况下达到合适的匹配,以满足发动机动力性、经济性和限制排放的要求。其中引燃柴油量的控制较为简单,因为保留原柴油发动机的燃油喷射系统,可以通过调节喷油泵齿条行程的方式控制喷油泵的供油量;而天然气供气系统则由于天然气供给发动机的型式不同而不同。下面介绍几种双燃料发动机柴油和天然气供给系统。

111　混合气混合,机械控制柴油 天然气量方案

该方案[6]的结构原理见图1,高压天然气经高压减压阀7减压后进入天然气中压管路,中压管路中安装有报警装置8和中压管段限压阀9,以确保供气管路正常工作。在中压管路中还设置了天然气

过滤器及开关阀10,开关阀控制天然气管路的通断以便转换发动机的工作方式(纯柴油或双燃料)。天然气经过滤器和开关阀后进入低压减压阀14内进行二次减压,使天然气的压力降低到符合发动机的工作要求范围。天然气经供气量控制阀12后进入混合器13,在混合器中天然气与空气进行预混合,然后由进气道进入发动机缸内;在柴油机的供油系统中,是通过在喷油泵上加装电磁铁限制喷油泵齿条位置的方法使其供油量减小。天然气供气量控制阀与喷油泵手柄通过机械方式连接,当改变喷油泵手柄位置时天然气供气量控制阀开度也随之变化,从而改变发动机转速。天然气开关阀处于关闭状态时,电磁铁取消对喷油泵齿条位移限制,发动机按纯柴油方式工作;当开关阀处于导通状态时,供给天然气,同时喷油泵齿条最大位移受到电磁铁限制,发动机按双燃料方式工作

。

图1　机械控制方式的机械混合器双燃料发动机结构原理简图

F ig .1　M echanical m ixture contro 1led diesel CN

G dual fuel engine

1.车载压缩天然气气瓶

2.气瓶压力表

3.高压输气管路

4.气瓶充气阀

5.储气瓶供气阀

6.天然气加热器

7.高压减压阀

8.天然气中压管路报警装置

9.中压管段限压阀　10.天然气过滤器及开关阀　11.天然气低压供气管　12.天然气供气量控制阀13.混合器　14.低压减压阀　15.高压油泵供油量限位器　16.燃料转换开关　17.发动机　18.高压油泵

该方案的特点是:由于天然气供给量和引燃柴

油的供给量不能随发动机工况的变化而精确地调整,即该方案双燃料发动机的天然气替代率实际上随负荷的变化发生较大的变化。因此虽然与原柴油机全负荷特性烟度和自由加速烟度相比,烟度有所减少,但扭矩储备系数较原柴油机小,且当替代率较低时,HC 、CO 排放量较高。早期的双燃料系统多采用此类方案。

112　混合器混合,电控柴油 天然气量方案

该方案[7]的天然气供给与调节系统包括高压截止电磁阀、减压器、线性负荷阀、步进电机控制阀及文氏管混合器等,天然气经高压截止电磁阀进入减

压器,降至大气压力,再经线性负荷阀和步进电机控

制阀进入混合器与空气混合,形成均匀混合气后进入气缸。电控单元依据发动机的转速(负荷)、进气温度和压力的变化控制步进电机阀、引燃柴油油量及其他电磁阀工作。该方案的天然气量和引燃柴油量都可以灵活控制,排放指标好,起动、怠速时以纯柴油工作,当转速超过某一设定值时,发动机的控制系统发出指令,使其自动转为双燃料工作方式。上海柴油机厂D 6114型柴油 天然气双燃料发动机采用的是该种方案,参见图2。

该种方案的特点是天然气进气量和引燃柴油喷油量的大小都可以独立控制,这就为调整发动机的

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图2　D6114型柴油 天然气双燃料发动机电控

燃料供给示意图

F ig.2　Fuel supp ly system of a D6114electronically

contro1led diesel CN G dual fuel engine

1.高压天然气

2.调节阀

3.高压截止阀

4.减压阀

5.线性

负荷阀　6.步进电机阀　7.混合器　8.发动机　9.油量限制电

磁阀　10.进气压力传感器　11.进气温度传感器　12.发动机

转速传感器　13.电控单元

扭矩储备、降低排放提供了手段,使发动机的有害排放减少。缺点是结构复杂,成本较高,开发周期较长。113　气口顺序喷射、稀燃、电控柴油 天然气方案该方案[8]的天然气经高压气瓶(3～20M Pa),在到达喷气电磁阀之前经减压(压力降至1M Pa)进入共轨管。共轨管上装有天然气压力、温度传感器,为电控单元ECU提供温度及压力参数信号,喷气电磁阀是一种天然气专用快速响应开关式数字阀(两通常闭,电压24V,脉宽调制),通过控制脉宽即可控制电磁阀开启及天然气喷射量。考虑到天然气的密度小于空气,为防止天然气悬浮于空气之上,出现积存情况,在电磁阀座上安装一根金属分配管一直延伸到进气门处,引导天然气直接喷入气缸。发动机采用电控技术,不仅可以用电磁阀分别控制进入各个气缸的天然气量,还可以利用比例电磁铁控制喷入气缸的柴油量,运用双燃料发动机开发过程中经大量实验并综合考虑燃料消耗经济性、排放性能和运转可靠性等因素生成的柴油喷油量、天然气喷气量对应的优化喷油、喷气M A P图,控制发动机正常运行。

该方案由于天然气采用各个气缸的顺序气口喷射,可以很方便地使发动机在中、小负荷运行中停止一个或几个气缸供气,以避免双燃料发动机中、小负荷天然气浓度过稀而燃烧不好,导致CO、HC排放量过高。但该方案机构过于复杂,成本昂贵,开发周期较长。天津大学在杭发斯太尔W D615164型发动机上研究开发的柴油 天然气双燃料发动机采用的是该种方案,示意图见图3。

114　微量柴油引燃喷射双燃料系统方案

美国B K M公司在双燃料发动机上研制和开发了微量柴油引燃喷射系统[9],如图4所示。

采用微引

图3　气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油 天然气双燃料

发动机示意图

F ig.3　Sequential po rt injecti on,lean burn,and fully

electronically contro lled diesel CN G dual fuel engine 1.天然气压力传感器　2.天然气温度传感器　3.共轨管　4.电磁阀　5.进气温度传感器　6.进气压力传感器　7.增压器

8.角标传感器　9.发动机　10.比例电磁铁　11.齿条反馈传感器　12.机油温度传感器　13.机油压力传感器　14.冷却水温度传感器　15.天然气减压阀　16.天然气过滤器　17.天然气快速切断阀　18.天然气手动切断阀　19.油门踏板　20.电控单元

燃喷射器替换原柴油喷射系统时,引燃油量低于满负荷柴油工作时的1%,

并能得到良好的喷射雾化

图4　BK M公司引燃柴油微量喷射系统示意图

F ig.4　M icro injecti on techno logy in natural gas

engine(BK M Co r.)

1.天然气主压力传感器

2.主压力调节器

3.天然气喷嘴

4.发动机

5.柴油喷嘴

6.回油路

7.柴油供给轨

8.柴油箱

9.滤清器　10.低压油泵　11.止回阀　12.液压泵　13.角标传感器　14.电控单元

和稳定的着火。引燃油的供给采用Servo jet电控液压泵喷嘴技术,而天然气的供给系统采用多点顺序喷射方式。该系统具有停缸、增压、空气旁路和废气再循环等功能,发动机在所有工况范围内天然气替代率超过95%,废气排放指标达到加州排放标准(CA RB UL EV),其中NO x排放在1g (k W?h)以下。不过,微引燃双燃料发动机牺牲了纯柴油工作方式达到100%功率的能力。

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　第3期张延峰等:柴油 天然气双燃料发动机技术改装方案分析

为了追求气体燃料发动机高负荷工况更完美的动力性,避免爆燃并且使其能与柴油机高的热效率相媲美,提出了天然气缸内扩散燃烧的新概念并在此基础上开发了气体燃料缸内直喷式燃烧系统。高压直喷系统先将气体燃料压缩到规定的压力(一般为15～20M Pa ),气体喷射器在压缩冲程末期直接将气体燃料喷入缸内的热空气中,以引燃柴油或火花塞点燃之,实现像柴油机一样的高热效率、不易产生爆燃的扩散燃烧过程。这种燃烧过程具有以下优点:①对气体燃料无节流影响,使供气特性稳定。②气体燃料和柴油实现完全质调节和缸内扩散燃烧,提高了发动机的热效率。③气体燃料采用缸内高压喷射,消除了发动机爆燃的倾向。④大幅度降低或消除燃料供气对空气充量的影响,便于提高燃气发动机的充量系数和动力性。⑤易于实现稀薄燃烧和对燃烧过程的控制,消除气质对发动机性能和排放的影响,降低未燃HC 排放。⑥消除气门重叠角造成的气体燃料直接溢出,便于增压机型的应用。⑦有利于使用蒸发类燃料(CN G ,L PG 等)。115　混合器混合,机械控制柴油量、进气管压力调节控制天然气量方案

图5　机械混合、进气管压力调节控制天然气量

供气系统示意图

F ig .5　Intake p ipe p ressure regulated CN

G supp ly system

of m echanical blended diesel CN G dual fuel engine

1.天然气钢瓶

2.手动阀

3.天然气压力表

4.高压截止阀　5、9.天然气过滤器　6.天然气质量流量计　7.高压减压器8.发动机　10.低压减压器　11.压力调节器　12.A PB 天然气

供气量孔　13.空滤器　14.压气机　15.进气门　16.调节压力端　17.平衡量孔端　18.高压量孔端　19.天然气进气量孔端

该方案[10]的天然气供气量由进气管内的气体压力控制,发动机的转速、负荷只通过喷油泵调速手柄来控制。图5为该方案的天然气供气系统示意图。天然气供气系统主要由高压减压器7、低压减压器10、天然气过滤器5与9、天然气压力调节器11、混

合器总成和连接管等组成。天然气经高压气瓶1、高压减压器7、过滤器9和低压减压器10进入发动机

增压器前端的进气管。在天然气进气孔口处设有进

气量孔A PB 。燃气压力调节器11为三通结构,一端带有高压(boo st )量孔与柴油机进气管内的高压气体相连,感应发动机增压后的进气压力;一端带有平衡量孔(com pen sati on )经专用气压管连接到天然气供气孔口出气口处,此处与增压器压气机前的进气管相连,感应发动机增压前的进气压力。最后一端——调节压力(regu lato r )端经连接管与低压减压器相连接。工作时,高压气体从带有高压量孔一端进入压力调节器,从带有平衡量孔的另一端流出。高压量孔小,平衡量孔大,所以在调节压力端形成一个比柴油机增压后进气压力小,比增压器前的进气管压力大的调节压力。调节压力的大小控制低压减压器的流通能力。调节压力大的流通能力大,调节压力小的流通能力小。调节压力的大小受柴油机进气管增压前、后进气管压力及高压量孔、平衡量孔大小的影响,天然气进入进气管的气量大小直接影响到天然气供给量的大小。天然气供给量的大小与高压量孔、平衡量孔和天然气进气量孔的尺寸大小有关,通常需经优化实验来合理选择高压量孔、平衡量孔和天然气进气量孔的大小尺寸,使发动机性能获得满意的结果。作者在对CA 6110B ZS 60型柴油机改装为柴油 天然气双燃料发动机中(改装后的发动机型号为CA 6113BN 01)采用该方案。在开发改装过程中,充分利用该方案的特点,通过仔细调整高压量孔、平衡量孔和天然气进气量孔的尺寸大小,使CA 6113BN 01双燃料发动机的动力性基本保持不变、发动机零部件与原CA 6110B ZS 60保持通用的情况下,全面达到设计开发的排放要求。

该方案具有以下主要特点:①改装成本低,柴油机基本不变,操作、维修简单,可靠性好。②全负荷速度特性扭矩储备系数大,在各种负荷状态下天然气替代率变化较小,均为50%左右,综合替代率高。③可保持原机压缩比,满负荷热效率高,散热损失小,排放指标佳。④可随时恢复纯柴油运行,具有良好的可操作性。⑤市场普及率高,具有推广应用价

值。⑥由于天然气量和引燃柴油量不能随发动机工

况改变而精确调整,因此,该方案同混合气混合、机械控制柴油和天然气方案一样,也不能保证发动机在其整个运行范围内各工况的性能都最佳。

2　技术改装应当遵循的原则

双燃料发动机已成为目前柴油机燃用清洁气体燃料以使发动机燃油经济性、排放和噪声得到改善的技术方案,因此,各地改装柴油机为双燃料发动机积极性很高。从上述改装方案分析可知,各种方案有

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不同的特点,为了达到改装的目的,开发双燃料发动

机时应当遵循以下原则:

(1)双燃料发动机的经济性、动力性应与原柴油机相当。

(2)双燃料发动机的有害污染物排放量少,满足国家有关排放法规要求。

(3)双燃料发动机应具有高的工作可靠性和较长的使用寿命。

(4)双燃料发动机改装费用低廉。

(5)开发速度快且具有很好的产品工艺继承性

和零部件互换性,满足市场的不同需求。

3　结束语

与柴油机相比,双燃料发动机能显著地降低发动机的碳烟微粒排放,具有良好的推广前景。在柴油机改为双燃料发动机时,应针对具体实际情况,选择合理的技术改装方案,达到既满足技术、法规要求又节约成本、缩短开发周期的目的。

参

考

文

献

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71　第3期张延峰等:柴油 天然气双燃料发动机技术改装方案分析