CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)混燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳小軍　申立中　畢玉華

摘 要： 能源危機(jī)和環(huán)境污染是汽車發(fā)展過程中遇到的兩個(gè)重要課題。如何有效地減少發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放物，降低燃油消耗量，對內(nèi)燃機(jī)行業(yè)以后的發(fā)展非常重要意義。以S1105單缸柴油機(jī)作為研究對象，研究設(shè)計(jì)了CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)混燒系統(tǒng)。首先討論雙燃料混燒系統(tǒng)的控制方法和燃料的控制原理，然后根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)雙燃料系統(tǒng)，最后發(fā)現(xiàn)存在的問題并提出解決措施。實(shí)驗(yàn)表明，該方案不但能滿足設(shè)計(jì)要求，還能節(jié)約成本和開發(fā)時(shí)間。

關(guān)鍵詞： 雙燃料混燒系統(tǒng)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 柴油機(jī)； 天然氣

中圖分類號： TN911.7?34； TK432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0113?04

0 引 言

隨著柴油價(jià)格的不斷攀升以及越來越苛刻的排放法規(guī)的頒布，許多動(dòng)力制造商正尋求使用新的燃料來取代傳統(tǒng)燃料。目前，減少對石油的依賴是全球廣泛提出的問題，排放法規(guī)的制定，可再生、無污染技術(shù)的發(fā)展已被各國提到議事日程。

為了滿足日后的發(fā)展需要，清潔能源動(dòng)力技術(shù)的研發(fā)和推廣環(huán)節(jié)從未停下過腳步。目前，現(xiàn)實(shí)、經(jīng)濟(jì)且很快能市場化供應(yīng)的清潔汽車燃料就是天然氣。天然氣資源蘊(yùn)藏豐富，加上全球可燃冰的勘探儲(chǔ)量可觀，在可替代能源使用中可以起到很大的過渡作用。相比于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣運(yùn)用技術(shù)在降低碳排放以及其他污染物的排放方面具有顯著優(yōu)勢，值得一提的是，在使用成本方面，以天然氣作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)則有著不可比擬的優(yōu)勢[1]。而目前，在工程機(jī)械、載（貨）運(yùn)等行業(yè)幾乎全部使用柴油機(jī)作為動(dòng)力，因此柴油機(jī)采用CNG/柴油雙燃料系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 雙燃料系統(tǒng)概述

柴油機(jī)改裝為CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，原柴油機(jī)燃油系統(tǒng)不變，增加一套天然氣供給系統(tǒng)。天然氣通過進(jìn)氣管道混合后進(jìn)入燃燒室或者通過噴氣嘴直接噴入燃燒室，再由原柴油機(jī)的噴油器噴入少量柴油作為引燃燃料，柴油被壓燃之后，將引燃燃燒室內(nèi)的混合燃料并使發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，這就是雙燃料混燒發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程。

1.1 雙燃料機(jī)械控制系統(tǒng)

在機(jī)械控制系統(tǒng)中，雙燃料系統(tǒng)的燃料供給方式分別是：天然氣缸外進(jìn)氣管供氣，通過混合器進(jìn)行燃料和空氣的充分混合，然后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒；柴油通過固定噴油泵齒條的方式來確定引燃柴油量的大小。該雙燃料系統(tǒng)中，燃料燃燒方式有兩種[2]：第一種是在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的條件下，柴油機(jī)使用純柴油燃燒，天然氣沒有參與燃燒；發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷的條件下，柴油機(jī)采用雙燃料混燒形式，即天然氣和柴油同時(shí)燃燒。第二種是發(fā)動(dòng)機(jī)全程采用雙燃料混燒形式，低載荷時(shí)，需要較多的柴油噴油量，以增加天然氣燃燒速率，縮短滯燃期，降低排放；高載荷時(shí)，需要較少的柴油噴油量，以便發(fā)揮天然氣燃料的稀燃特性[3]。

1.1.1 天然氣燃料的控制原理

天然氣供給方式為機(jī)械混合方法，如圖1所示。壓縮天然氣經(jīng)手動(dòng)截止閥、電磁閥、過濾器后進(jìn)入調(diào)壓器，使天然氣的壓力降低到略高于常壓的壓力范圍，以便流入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管。減壓后的天然氣經(jīng)過功率閥、氣體流量計(jì)等，最后進(jìn)入混合器，使減壓后的天然氣和過濾后的空氣均勻混合后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒。

圖1 機(jī)械式天然氣供給系統(tǒng)

由于混合器進(jìn)氣管道處的截面積不變，通過旋進(jìn)或旋出功率閥的調(diào)整螺釘，則可以達(dá)到調(diào)節(jié)燃?xì)馀c空氣的混合比例的目的，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率與負(fù)荷的匹配。手動(dòng)調(diào)整功率閥的時(shí)候，需要注意的是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比值[（λ），]當(dāng)[λ]保持在發(fā)動(dòng)機(jī)所需工況的燃燒范圍（如1.4～2.0）時(shí)，保持功率閥開度不變[1，4?5]。

1.1.2 引燃柴油燃料的控制原理

根據(jù)噴油泵工作原理，在了解其噴油過程和供油量調(diào)節(jié)過程之后，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃油量需要確定齒條齒圈或撥叉拉桿的位置，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷情況變化而相應(yīng)的改變或者直接固定其相應(yīng)的位置（最簡單的方法），使引燃油量在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中保持不變。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，機(jī)械控制引燃油量的方法有以下幾種：一是使用鋼繩或螺栓直接固定齒條拉桿。第二種是使用供油量限位器；第三種是使用步進(jìn)電機(jī)控制齒條拉桿，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況改變引燃油量大小，因?yàn)橐黾觽鞲衅骷癊CU，更適合于機(jī)電混合控制[2]。

1.2 雙燃料電子控制系統(tǒng)

在電子控制系統(tǒng)中，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給方式如圖2所示。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料燃燒方式分為兩種[6]：第一種是非全程燃燒，即負(fù)荷在小于50%時(shí)，使用純柴油燃燒；而負(fù)荷超過50%時(shí)，柴油和天然氣混燒，天然氣做主要燃料。第二種是全程燃燒，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷情況分別調(diào)節(jié)柴油的引燃油量和天然氣的供氣量。

圖2 電控雙燃料的燃料供給方式

雙燃料控制方案有機(jī)械控制、機(jī)電聯(lián)合控制和電腦控制三種方式。機(jī)電聯(lián)合控制系統(tǒng)較其他兩個(gè)控制方式優(yōu)勢較多，在功率和扭矩上有所提高，且可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。機(jī)電聯(lián)合控制天然氣/柴油雙燃料系統(tǒng)如圖3所示[7]。

圖3 機(jī)電聯(lián)合雙燃料供給系統(tǒng)

電控單元接收幾個(gè)基本傳感器信號，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加速踏板行程、冷卻水溫等，對天然氣的進(jìn)氣量和柴油的引燃量進(jìn)行控制。天然氣供給系統(tǒng)主要有天然氣流量閥和混合器。

引燃柴油由原柴油機(jī)供油系統(tǒng)供給，齒條從原來的踏板控制改為用執(zhí)行器來控制。采用執(zhí)行器來控制，可以實(shí)現(xiàn)油量的分配大小從零到最大值的連續(xù)變化，同時(shí)可以控制超速斷油。執(zhí)行器需要對發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的瞬變做出迅速反應(yīng)，具備瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)特性良好的特性。電控單元（ECU）的主要作用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況來確定油泵齒桿和天然氣流量控制閥的位置。

另外，燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)有缸外和缸內(nèi)兩種方式，天然氣噴射嘴根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況依據(jù)電控單元的指令準(zhǔn)時(shí)定量的向相應(yīng)的進(jìn)氣歧管噴射天然氣。同時(shí)，引燃柴油的供給也由電控單元控制高壓油泵齒條驅(qū)動(dòng)器或者高壓共軌系統(tǒng)的信號，通過噴油器噴入燃燒室。

2 雙燃料混燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 燃料供給及燃燒方式

根據(jù)雙燃料系統(tǒng)控制的簡易難度以及實(shí)驗(yàn)室軟、硬件條件，綜合以上分析，可采用如圖4所示的機(jī)械混合式CNG/柴油雙燃料混燒系統(tǒng)。

圖4 機(jī)械混合式CNG/柴油雙燃料混燒系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要工作過程是：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)熱機(jī)，高壓電磁閥1的開關(guān)斷開，這時(shí)天然氣停止供氣。由于高壓電磁閥2和供油量限位器4直接和電源接通，因此在啟動(dòng)開關(guān)打開的同時(shí)，高壓電磁閥2和供油量限位器4的電源同時(shí)接通開始工作。此時(shí)，柴油機(jī)的噴油量已限制在設(shè)定值，柴油機(jī)以微量柴油啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使柴油機(jī)保持在怠速狀態(tài)。當(dāng)冷卻水溫度上升到50 ℃以上之后，合上高壓電磁閥1的開關(guān)，使天然氣高壓管氣道接通，雙燃料系統(tǒng)開始工作。

廢氣分析儀（EGA）6的主要作用有兩方面：一方面是測量出柴油機(jī)尾氣里的氣體成分，包括CO，NOx，HC，CO2等；另一方面，EGA自動(dòng)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)的[λ，]作為控制策略的參考參數(shù)。

天然氣的供給量由功率閥3控制，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況以及EGA提供的[λ]來確定柴油機(jī)混合氣燃燒的濃度大小。當(dāng)[λ<1]時(shí)，混合氣過濃，此時(shí)功率閥的螺栓應(yīng)順時(shí)針旋進(jìn)，使氣體流通截面積變小，減少天然氣供給量；當(dāng)[λ>2]時(shí)（發(fā)動(dòng)機(jī)有抖動(dòng)、馬上要熄火的情況等），混合氣過稀，此時(shí)，功率閥的螺栓應(yīng)逆時(shí)針旋出，使氣體流通截面積變大，增加天然氣供給量。

2.2 CNG/柴油雙燃料混燒系統(tǒng)控制過程思路

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電路控制

如果考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)冷循環(huán)卻水溫度較低，不利于天然氣減壓時(shí)膨脹吸熱而導(dǎo)致管路堵塞。在上面的條件下，可以在CNG供給系統(tǒng)的高壓管路中增加兩個(gè)高壓電磁閥。其工作思路如下：

兩個(gè)高壓電磁閥都與啟動(dòng)開關(guān)相連，在第一個(gè)高壓電磁閥的線路中安裝了一個(gè)通斷開關(guān)，常態(tài)下是斷開狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，第二個(gè)高壓電磁閥（常態(tài)下是接通狀態(tài)）接通使管路通道打開。由于噴油泵提供柴油機(jī)少量的引燃柴油能夠維持發(fā)動(dòng)機(jī)基本的機(jī)械損失，使發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速的情況下能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，待冷卻水溫上升到50 ℃以上之后，再接通第一個(gè)高壓電磁閥，使天然氣能夠通過管路進(jìn)入進(jìn)氣歧管。另一種情況，如果柴油量控制系統(tǒng)中增加了供油量限位器，也可以把供油量限位器和第一個(gè)高壓電磁閥的通斷開關(guān)連接在一起，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候，天然氣供給系統(tǒng)和限位器都不工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)以純柴油燃燒正常工作，當(dāng)冷卻水溫到達(dá)50 ℃以上之后，接通CNG供給系統(tǒng)和供油量限位器線路，使發(fā)動(dòng)機(jī)處在微量柴油噴射引燃、天然氣做主燃的雙燃料系統(tǒng)中工作。

2.2.2 [λ]控制

機(jī)械控制方法無法使用傳感器控制[λ，]出廠前，必須在臺(tái)架試驗(yàn)過程中完成性能標(biāo)定，然后確定合適的[λ。]在臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定的過程中，[λ]的確定需要調(diào)整功率閥。實(shí)驗(yàn)中需要使用的主要儀器是廢氣分析器，依靠廢氣分析器的參數(shù)確定功率閥開度大小。因?yàn)椴裼蜋C(jī)有很高的壓縮比，所以能夠很好的適應(yīng)天然氣高辛烷值的要求，能夠適應(yīng)在稀燃的狀態(tài)下工作[3?4]。

2.2.3 天然氣耗氣量及引燃柴油量的計(jì)算

雙燃料系統(tǒng)的油耗包括柴油引燃的消耗量和天然氣的消耗量。其中柴油引燃量在測功機(jī)上容易讀取，天然氣的消耗量需要讀取氣體流量計(jì)的數(shù)據(jù)。

（1） 天然氣耗氣量計(jì)算

天然氣耗氣量是通過氣體流量計(jì)讀出相應(yīng)的流量、耗氣量等結(jié)果。在圖4中，氣體流量計(jì)使用的是天津流量儀表有限公司生產(chǎn)的智能氣體渦輪流量計(jì)，基本參數(shù)見表1。

表1 氣體流量計(jì)參數(shù)

[型號＼&公稱直徑

/mm＼&流量范圍

/（m3/h）＼&始動(dòng)流量

/（m3/h）＼&壓力

/MPa＼&重量

/kg＼&LWQ?25＼&25（1″）＼&1～40＼&0.6＼&4＼&4.2＼&]

氣體流量計(jì)和功率閥之間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系，氣體流量計(jì)的主要作用是計(jì)算出天然氣耗氣量，以了解天然氣在雙燃料系統(tǒng)中的消耗情況，便于燃料經(jīng)濟(jì)性、替代率的對比。該智能氣體渦輪流量計(jì)自帶溫壓補(bǔ)償功能，可以顯示以下數(shù)據(jù)：總累積、瞬時(shí)量、管道壓力、相對密度以及溫度。

（2） 引燃油量的計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)每循環(huán)噴油量[8?9]的大小由以下公式確定：

[g=Bτ120ni]

式中： [g]為柴油機(jī)每循環(huán)噴油量，單位：kg；[B]為柴油機(jī)每小時(shí)的耗油量，單位：kg/h；[τ]為沖程數(shù)，[τ=]4；[n]為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位：r·min-1；[i]為氣缸數(shù)，[i=1，]試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為單缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

該公式可以在純柴油和雙燃料兩種模式下通用。

3 存在問題及解決措施

3.1 氣路短路，氣體經(jīng)高壓管路運(yùn)行到調(diào)壓器處，因膨脹吸熱導(dǎo)致管路堵死

壓縮天然氣從20 MPa降低到微正壓的過程是膨脹吸熱過程，由于天然氣中含有少數(shù)水分和其他雜質(zhì)，降壓的過程中容易使水分凝固并且結(jié)冰，導(dǎo)致天然氣的高壓管道堵塞，從而切斷天然氣燃料的供給，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降，最后停機(jī)。不僅如此，長時(shí)間運(yùn)行的結(jié)果會(huì)損壞調(diào)壓器的內(nèi)部調(diào)壓膜片，影響調(diào)壓器正常工作。

最可靠的方法是在發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫上升到50 ℃以上之后，才開始供給天然氣燃料，由發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水提供給天然氣膨脹吸熱的熱量，以避免因?yàn)槔淠鸬母邏汗艿赖亩氯麊栴}。

3.2 爆震

由于天然氣的燃燒速度較汽、柴油慢，發(fā)動(dòng)機(jī)在使用雙燃料系統(tǒng)的時(shí)候，其燃料的燃燒過程同時(shí)具備點(diǎn)燃和壓燃的燃燒方式，熱量傳遞時(shí)間延長，容易導(dǎo)致燃燒爆震的情況發(fā)生?？梢酝ㄟ^降低發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、改變供油提前角、調(diào)整燃料燃燒空燃比和增加引燃油量等措施減少發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的發(fā)生[10]。

3.3 腐蝕、磨損、拉缸

天然氣中含有硫等雜質(zhì)，其值比柴油高，燃燒后的溫度比柴油的要高200 ℃左右，在高溫的作用下，普通機(jī)油會(huì)氧化過快，其品質(zhì)會(huì)下降甚至過快失效，不利于對發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑及保護(hù)。另外，高溫容易使發(fā)動(dòng)機(jī)部件表面產(chǎn)生堅(jiān)硬的沉積物。同時(shí)，高溫會(huì)導(dǎo)致排放物中的氮氧化物含量增加。柴油已微小液滴噴入燃燒室，可以對閥門閥座等活動(dòng)部件起到潤滑冷卻作用，而天然氣以氣態(tài)進(jìn)入燃燒室，會(huì)極大降低使用柴油的時(shí)所帶來的潤滑作用，造成相關(guān)活動(dòng)部件的磨損，尤其在燃燒室中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致拉缸，損壞機(jī)體。

為避免因天然氣氣體的物化特性所帶來的不利因素，一方面是過濾掉天然氣氣體中的雜質(zhì)，另一方面可以使用粘度較低的潤滑油或天然氣汽車專用的發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油，不僅可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，還可以防止氣門、活塞環(huán)等燃燒室相關(guān)部件的磨損和腐蝕，減少發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 語

本文通過對S1105單缸柴油機(jī)在臺(tái)架上的改裝，設(shè)計(jì)了CNG/柴油雙燃料混燒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。雙燃料系統(tǒng)能顯著地減少柴油的消耗，降低排放，擁有良好的推廣前景。把柴油機(jī)改裝為CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，根據(jù)課題的實(shí)際情況，選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)設(shè)計(jì)方案，機(jī)械混合式雙燃料系統(tǒng)不僅能滿足技術(shù)、排放等要求，而且還能在降低試驗(yàn)難度的條件下節(jié)約使用成本和縮短臺(tái)架試驗(yàn)的開發(fā)時(shí)間，具有簡單可行的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐富水，秦江濤，李靜波，等.CNG?柴油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（1）：60?62.

[2] 孫濟(jì)美.天然氣和液化石油氣汽車[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1999.

[3] 劉凱，席躍進(jìn).車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與發(fā)展[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2008，15（3）：337?340.

[4] SASAKI Senichi. Guidelines for dual?fuel diesel engines [J]. Marine Engineering， 2009， 44（6）， 911?916.

[5] 林志強(qiáng)，蘇萬華.柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)最佳引燃柴油量及過量空氣系數(shù)濃限、稀限的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20（6）：505?510.

[6] 孫建文.柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與試驗(yàn)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[7] 高獻(xiàn)坤，徐國強(qiáng)，侯瑞娟.CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣技術(shù)發(fā)展與趨勢[J].柴油機(jī)，2005，27（2）：24?27.

[8] BEDOYA Ivan Dado， ARRIETA Andres Amell， CADAVID Francisco Javier. Effects of mixing system and pilot fuel quality an diesel?biogas dual fuel engine performance [J]. Bioresource Technology， 2009， 100： 6624?6629.

[9] 夏基勝.低熱值燃?xì)?柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能計(jì)算[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2010，39（6）：48?51.

[10] 馬志豪，徐斌，姬愛玲，等.柴油?天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震燃燒特性的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2003，24（6）：10?12.