第24卷第5期天然氣工業(yè)工程建設(shè)天然氣發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)李書澤張武高黃震(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院)李書澤等.天然氣發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng).天然氣工業(yè),2004;24(5):127~12摘要為了降低發(fā)動機(jī)排放對大氣環(huán)境造成的污染,在其燃料本身和燃料供給系統(tǒng)方面都已進(jìn)行了很多改進(jìn),并且有很多新的嘗試正在進(jìn)行。在燃料方面,天然氣作為發(fā)動機(jī)一種重要的“清潔燃料”,日益受到人們的重視,也使天然氣發(fā)動機(jī)在國內(nèi)外均獲得了較快的發(fā)展。相應(yīng)的,對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)也需要進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)天然氣的燃料特性。天然氣發(fā)動機(jī)的燃料供給系統(tǒng)有:缸外進(jìn)氣道噴射、缸內(nèi)直噴。其中缸內(nèi)直噴又可細(xì)分為氣體燃料缸內(nèi)直接低壓噴射,燃油調(diào)制噴射、缸內(nèi)髙壓直接噴射,油氣共用噴射器、缸內(nèi)高壓直接噴射,熱面管加熱、缸內(nèi)高壓直接噴射,預(yù)燃窒燃燒室等各種不同的系統(tǒng)。首先介紹了各種供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理,然后在充氣效率以及動力性和排放方面詳細(xì)比較分析了各種方式的優(yōu)劣,提出今后的研究方向主要應(yīng)是專用天然氣發(fā)動機(jī)的研究、新型進(jìn)氣噴射器的設(shè)計(jì)和稀薄燃燒的實(shí)現(xiàn)主題詞天然氣燃料發(fā)動機(jī)供應(yīng)動力分析天然氣作為車用燃料是最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之率下降。而充氣效率則是反映發(fā)動機(jī)換氣過程完善,但是并不是簡單地在發(fā)動機(jī)上改用天然氣作為程度的指標(biāo),發(fā)動機(jī)充氣效率下降即相當(dāng)于輸入發(fā)燃料就能完全解決排放問題,還須對各個系統(tǒng)進(jìn)行動機(jī)缸內(nèi)的總能量下降。因此為了降低充氣損失,優(yōu)化后才能獲得良好的排放特性。為此,分析了天采用缸內(nèi)噴射將是一種很好的解決辦法。然氣發(fā)動機(jī)幾種不同進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。低壓噴射天然氣發(fā)動機(jī)是在進(jìn)氣閥關(guān)閉后,將缸外進(jìn)氣道噴射缸內(nèi)直接噴射天然氣在缸外和空氣預(yù)先形成了混合氣,噴氣1.低壓噴射示意如圖1低壓噴射供氣方式主要用在壓縮比低的點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速天然氣調(diào)節(jié)控制氣體燃料發(fā)動機(jī)上(,如圖2所示動機(jī)轉(zhuǎn)速電控噴射溫度排氣控制系統(tǒng)空氣流轍節(jié)氣門氧傳感器排氣火花塞電控氣體噴射器圖1缸外進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)簡圖控制信號由于天然氣是氣體燃料,所以缸外進(jìn)氣道進(jìn)氣時(shí)無論是混合器還是電控噴射,天然氣本身在混合氣中都占有相當(dāng)?shù)捏w積比,這樣會使發(fā)動機(jī)充氣效圖2發(fā)動機(jī)缸內(nèi)低壓直噴系統(tǒng)示意圖本成果受上海市科技發(fā)展基金項(xiàng)目(023012006)的資助中國煤化工作者簡介:李書澤,上海交通大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院博士研究生,主地址:(200030)上海市番禺路951號上海交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所。電CNMHG制系統(tǒng)的開發(fā)研究·12工程建設(shè)天然氣工業(yè)004年5月天然氣噴入氣缸,在著火之前形成均質(zhì)的預(yù)混合氣,著壓器壓力調(diào)節(jié)器采用電火花點(diǎn)火或噴入少量引燃油使混合氣燃燒。于天然氣是在進(jìn)氣閥關(guān)閉后才噴射,因而噴射壓加速電磁閥力比較低(0.2~1MPa)。這種方式避免了由于天然氣是氣體燃料而在進(jìn)氣混合時(shí)就占有一定體積的缺陷,使進(jìn)氣充量提高。但是,這種發(fā)動機(jī)的壓縮比噴油器比較低,限制了熱效率的進(jìn)一步提高。另外,由于仍儲油器然需要采用節(jié)氣門通過節(jié)流作用調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的充圖3RAM調(diào)制噴射系統(tǒng)的燃油回路量,所以在中小負(fù)荷時(shí)節(jié)流損失大2.高壓噴射尼器、加速管、電磁閥和噴油器組成。RAM調(diào)制噴高壓噴射主要在壓縮比比較高和在壓縮終點(diǎn)噴射系統(tǒng)只要在共軌中有4~5MPa的恒定初始壓力射的發(fā)動機(jī)上得以應(yīng)用。在這類發(fā)動機(jī)中,天然氣該系統(tǒng)就能在每個噴油器的入口處利用流體沖擊效燃料不是在進(jìn)氣道與空氣預(yù)先混合,而是在接近上應(yīng)產(chǎn)生一個比它高10~15倍且與噴射持續(xù)期相適止點(diǎn)時(shí)直接以很高的壓力噴射入氣缸內(nèi)的空氣中,應(yīng)的高壓波,以得到很高的燃油噴射壓力5)。借助所以必須以很高的壓力才可以進(jìn)入缸內(nèi)。燃料氣流電磁閥對高壓波直接電控,能使噴油規(guī)律及其初始和氣缸中的空氣充量的混合速度由燃料的噴射過程狀態(tài)適應(yīng)發(fā)動機(jī)參數(shù)及燃燒來進(jìn)行控制。由于壓縮過程中不存在燃料和該系統(tǒng)中,氣體燃料采用缸內(nèi)直噴技術(shù),引燃柴空氣的預(yù)混合故消除了爆震的可能性,但是這也使油量極小(為全負(fù)荷燃燒量的1%~3%),因而需要得控制NOx排放比預(yù)混合充量雙燃料發(fā)動機(jī)更困對柴油噴射系統(tǒng)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié),準(zhǔn)確的控制噴油難3。從充氣效率的角度來看,對于空氣充量幾乎量。試驗(yàn)結(jié)果表明,RAM調(diào)制系統(tǒng)對氣體燃料與空沒有影響。氣分層混合氣初始著火要求小,油量可以保持使噴天然氣中甲烷的自燃溫度比柴油的要高許多,油特性不變,因而此系統(tǒng)在氣體燃料發(fā)動機(jī)預(yù)噴射對于壓燃式發(fā)動機(jī)僅依靠提高壓縮比來實(shí)現(xiàn)燃燒雖這一新的應(yīng)用領(lǐng)域具有非常好的適應(yīng)性。但是天然然可以達(dá)到,但這也會造成極高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)氣的噴射仍然需要另外的一套裝置,這就增加了系荷。在實(shí)際應(yīng)用中,由于缺乏可以承受如此高機(jī)械統(tǒng)的復(fù)雜性。負(fù)荷與熱負(fù)荷的材料,因而如果沒有其他的輔助措(2)油氣共用噴射器、缸內(nèi)高壓直接噴射施是不大可能實(shí)現(xiàn)的。目前的輔助著火措施除了依加拿大 British Columnbia大學(xué)提出了柴油噴射靠使用電熱塞和掃氣控制方式來保證天然氣的點(diǎn)火和天然氣噴射共用一個噴油器的天然氣缸內(nèi)高壓直之外,還有其他一些形式的缸內(nèi)直接噴射式氣體發(fā)接噴射技術(shù),噴油器結(jié)構(gòu)如圖4所示。該噴射器動機(jī)。下面主要介紹3種有特色的氣體燃料缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)。(1)燃油調(diào)制噴射、氣體燃料缸內(nèi)直接噴射電磁閥柱塞這種天然氣發(fā)動機(jī)燃料噴射系統(tǒng)采用了美國BKM公司提出的微噴技術(shù),即采用電控RAM調(diào)制供油/回油柴油噴射的氣體燃料發(fā)動機(jī)預(yù)噴射系統(tǒng)(圖3)。其通斷兩位閥方式是將少量柴油先預(yù)噴射入燃燒室內(nèi),由柴油的引燃油柱塞自燃來確保在燃燒室中形成足夠的著火表面,也天然氣針閥是由柴油來引燃天然氣。這種引燃方式對柴油著火引燃油針閥后的氣體燃料與空氣混合氣的著火十分有利引燃油噴束RAM調(diào)制噴射系統(tǒng)的初級模塊由電子控制或中國煤化工機(jī)械控制式噴油泵、調(diào)壓裝置和蓄壓器組成,它產(chǎn)生的恒定初始壓力相對較低;系統(tǒng)的次級模塊則由阻CNMH128第24卷第5期天然氣工業(yè)工程建設(shè)與原柴油噴嘴形狀、尺寸完全一致,不需對柴油機(jī)進(jìn)和主燃室2部分,燃料隨少部分空氣進(jìn)入預(yù)燃室,空行別的改動。噴射器的噴射時(shí)刻和噴射持續(xù)時(shí)間由氣主要進(jìn)入主燃室。由于空氣和燃料不從同一進(jìn)氣電磁閥和液壓系統(tǒng)聯(lián)合控制,在壓縮沖程接近終點(diǎn)口進(jìn)入,不會使進(jìn)氣效率有較大下降(圖5)。時(shí),從噴射器噴入微量引燃柴油作為點(diǎn)火燃料,點(diǎn)燃大然氣進(jìn)氣閥此后高壓噴人的天然氣,通常氣體噴射壓力控制在連接控制閥12~16MPa。引燃柴油量在任何時(shí)候都是固定的預(yù)燃軍釆用限制沖程柱塞來實(shí)現(xiàn)。熱效率與原柴油機(jī)相同,引燃油量在高負(fù)荷時(shí)為5%。該技術(shù)用了天然氣高壓缸內(nèi)直噴技術(shù),發(fā)動機(jī)不需要節(jié)氣門,因而不存在節(jié)氣門節(jié)流損失及由天然氣引起的容積效率損失。由于以天然氣的燃燒為主,因而具有無可見煙度排放;同時(shí)采用擴(kuò)散燃燒方式,可具有與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)腃O和HC排放性能圖5帶控制閥的預(yù)燃室燃燒室底特律柴油機(jī)公司使用該技術(shù)對6V92TA型發(fā)動機(jī)進(jìn)行了改裝,該雙燃料發(fā)動機(jī)與原柴油機(jī)在扭以天然氣為燃料的火花點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)因?yàn)楸鹁亍⒐β屎腿剂舷姆矫婊鞠嗤?排放方面NOx極限限制了壓縮比的提高,使熱效率不能提高。另減少了45%、CO2減少了25%、顆粒物質(zhì)(PM顯著一方面為了提高熱效率研制了將高壓天然氣噴入氣減少缸內(nèi)的壓縮空氣中并使其著火的壓燃式發(fā)動機(jī),如但是,高壓噴射系統(tǒng)需要高壓的氣體燃料前所述因天然氣的自行著火溫度高,燃燒難以控制NG,需要一個小型車載壓縮機(jī)以將氣體壓縮到約并且噴射高壓氣體的系統(tǒng)都很復(fù)雜,在實(shí)用化方面20MPa。這樣以來,就需要消耗一部分功率整個有難度。這種帶控制閥的預(yù)燃室燃燒室隔熱型發(fā)動系統(tǒng)效率有所下降且增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。機(jī),利用壓縮行程產(chǎn)生的溫度和壓力使天然氣/空氣(3)熱面管加熱、壓燃混合氣在預(yù)燃室自燃然后進(jìn)入主燃室燃燒,燃燒過為了在柴油機(jī)上燃用天然氣,還可以采用加熱程可以由連接控制閥來控制。經(jīng)過發(fā)動機(jī)試驗(yàn),部從噴射器射出的天然氣,使噴束與空氣的混合氣中分負(fù)荷時(shí),能獲得與直噴式柴油機(jī)一樣高的熱效率局部溫度達(dá)到1150~1200K,而且混合氣濃度能達(dá)但在高負(fù)荷時(shí),因火餡與空氣的混合不充分,燃燒速到化學(xué)計(jì)量比的要求,這就可以在正常柴油機(jī)壓縮度慢而使熱效率降低。因此,從預(yù)燃室噴出的火餡比范圍內(nèi)著火。這些著火點(diǎn)可以促成天然氣與空氣與主燃燒空氣的混合速度有待改善,以縮短燃燒時(shí)混合氣的擴(kuò)散燃燒,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)直噴與壓燃。間,提高高負(fù)荷時(shí)的熱效率。只需一套噴射系統(tǒng),結(jié)構(gòu)上可以簡化發(fā)動機(jī)改裝或設(shè)計(jì)。結(jié)論基于此理論,大連理工大學(xué)使用原增壓柴油機(jī)由上述可見缸內(nèi)直接噴氣技術(shù)有以下特點(diǎn):①的燃料噴射系統(tǒng),并在氣缸蓋上預(yù)熱塞處安裝陶瓷對氣體燃料節(jié)流無影響,供氣特性穩(wěn)定;②點(diǎn)燃式和外殼發(fā)動機(jī)內(nèi)熱式電熱塞熱面管,以加熱從噴射器引燃式(天然氣一柴油雙燃料發(fā)動機(jī)),都能完全實(shí)中射出的天然氣。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用熱面管代現(xiàn)質(zhì)調(diào)節(jié);③降低甚至消除了燃料供氣對空氣充量替點(diǎn)火系統(tǒng)的直噴式天然氣的排放與柴油機(jī)相比有的影響提高了空氣充量。大幅度降低,同時(shí)也獲得了與原柴油機(jī)相同的動力對于天然氣缸內(nèi)直噴技術(shù)來講,當(dāng)前的研究主性能。要在以下方面:①適合天然氣燃料的專用發(fā)動機(jī)預(yù)燃式燃燒室系統(tǒng)開發(fā),例如選擇合適壓縮比等;②可以實(shí)現(xiàn)更理想混合中國煤化工實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)的燃料供給就是進(jìn)氣道進(jìn)氣,但與前述CNMHG實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴都進(jìn)氣道進(jìn)氣方法的差異在于由于燃燒室分為預(yù)燃室能使動機(jī)的性能臂所提尚,該(下轉(zhuǎn)第133頁第24卷第5期天然氣工業(yè)工程建設(shè)的研究進(jìn)展.天然氣工業(yè),2000:20(3):95~98983;38:1061~10725樊栓獅,郭天民,籠型水合物的研究進(jìn)展.化工進(jìn)展,12 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Chemical Engineering Science中體給給給s(上接第129頁)術(shù)是天然氣發(fā)動機(jī)一個很有前途的燃料發(fā)動機(jī)預(yù)噴射系統(tǒng)國外內(nèi)燃機(jī),19:(3):15~22發(fā)展方向。另外,帶控制閥的預(yù)燃室隔熱型發(fā)動機(jī)6 Silviu dumitrescu, Philip G hill et al. Effects of injection雖有高負(fù)荷時(shí)熱效率不高的缺點(diǎn),需要進(jìn)行改進(jìn),但 changes on efficiency and emissions of a diesel engine fu可以應(yīng)用在發(fā)動機(jī)主要工作在部分負(fù)荷的情況下。eled by direct injection of natural gas. SAE paper 2000-01-18057宋振寰,D斯蒂芬.直噴式柴油機(jī)燃用天然氣燃料的研究.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000;(1):67~69高青,梁宦山,李虎等.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)電控噴8 Hiroshi Masuka, Keizi Kishishita et al. Structure and氣技術(shù)研究.汽車T程,2000;(6):389~4122孫濟(jì)美,張紀(jì)鵬,方祖華等.壓縮天然氣和液化石油氣發(fā)performance of heat insulated naReview18(1997):377~384動機(jī)電控噴氣技術(shù)研究.天然氣工業(yè),1998:(2):68~729 Richard Tilagone et al. Development of a Lean-Burn Nat3馮幸福,吳同起燃?xì)馄嚰凹託庹炯夹g(shù),北京:電子工業(yè)ural Gas-Powered Vehicle Based on a Direct-InjectionH版社,2001Diesel Engine. 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