天然氣發(fā)動(dòng)機燃料供給系統

第24卷第5期天然氣工業(yè)工程建設天然氣發(fā)動(dòng)機燃料供給系統李書(shū)澤張武高黃震(上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院)李書(shū)澤等.天然氣發(fā)動(dòng)機燃料供給系統.天然氣工業(yè),2004;24(5):127~12摘要為了降低發(fā)動(dòng)機排放對大氣環(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(dòng)機一種重要的“清潔燃料”,日益受到人們的重視,也使天然氣發(fā)動(dòng)機在國內外均獲得了較快的發(fā)展。相應的,對發(fā)動(dòng)機系統也需要進(jìn)行改進(jìn)以適應天然氣的燃料特性。天然氣發(fā)動(dòng)機的燃料供給系統有:缸外進(jìn)氣道噴射、缸內直噴。其中缸內直噴又可細分為氣體燃料缸內直接低壓噴射,燃油調制噴射、缸內髙壓直接噴射,油氣共用噴射器、缸內高壓直接噴射,熱面管加熱、缸內高壓直接噴射,預燃窒燃燒室等各種不同的系統。首先介紹了各種供給系統的結構和工作原理,然后在充氣效率以及動(dòng)力性和排放方面詳細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是專(zhuān)用天然氣發(fā)動(dòng)機的研究、新型進(jìn)氣噴射器的設計和稀薄燃燒的實(shí)現主題詞天然氣燃料發(fā)動(dòng)機供應動(dòng)力分析天然氣作為車(chē)用燃料是最重要的應用領(lǐng)域之率下降。而充氣效率則是反映發(fā)動(dòng)機換氣過(guò)程完善,但是并不是簡(jiǎn)單地在發(fā)動(dòng)機上改用天然氣作為程度的指標,發(fā)動(dòng)機充氣效率下降即相當于輸入發(fā)燃料就能完全解決排放問(wèn)題,還須對各個(gè)系統進(jìn)行動(dòng)機缸內的總能量下降。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,分析了天采用缸內噴射將是一種很好的解決辦法。然氣發(fā)動(dòng)機幾種不同進(jìn)氣系統的優(yōu)缺點(diǎn)。低壓噴射天然氣發(fā)動(dòng)機是在進(jìn)氣閥關(guān)閉后,將缸外進(jìn)氣道噴射缸內直接噴射天然氣在缸外和空氣預先形成了混合氣,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(dòng)機轉速天然氣調節控制氣體燃料發(fā)動(dòng)機上(,如圖2所示動(dòng)機轉速電控噴射溫度排氣控制系統空氣流轍節氣門(mén)氧傳感器排氣火花塞電控氣體噴射器圖1缸外進(jìn)氣道噴射系統簡(jiǎn)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(wú)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的體積比,這樣會(huì )使發(fā)動(dòng)機充氣效圖2發(fā)動(dòng)機缸內低壓直噴系統示意圖本成果受上海市科技發(fā)展基金項目(023012006)的資助中國煤化工作者簡(jiǎn)介:李書(shū)澤,上海交通大學(xué)機械與動(dòng)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)內燃機研究所。電CNMHG制系統的開(kāi)發(fā)研究·12工程建設天然氣工業(yè)004年5月天然氣噴入氣缸,在著(zhù)火之前形成均質(zhì)的預混合氣,著(zhù)壓器壓力調節器采用電火花點(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(dòng)機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?xún)τ推魅恍枰捎霉潥忾T(mén)通過(guò)節流作用調節發(fā)動(dòng)機的充圖3RAM調制噴射系統的燃油回路量,所以在中小負荷時(shí)節流損失大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)噴射系統只要在共軌中有4~5MPa的恒定初始壓力射的發(fā)動(dòng)機上得以應用。在這類(lèi)發(fā)動(dòng)機中,天然氣該系統就能在每個(gè)噴油器的入口處利用流體沖擊效燃料不是在進(jìn)氣道與空氣預先混合,而是在接近上應產(chǎn)生一個(gè)比它高10~15倍且與噴射持續期相適止點(diǎn)時(shí)直接以很高的壓力噴射入氣缸內的空氣中,應的高壓波,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。燃料氣流電磁閥對高壓波直接電控,能使噴油規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(guò)程狀態(tài)適應發(fā)動(dòng)機參數及燃燒來(lái)進(jìn)行控制。由于壓縮過(guò)程中不存在燃料和該系統中,氣體燃料采用缸內直噴技術(shù),引燃柴空氣的預混合故消除了爆震的可能性,但是這也使油量極小(為全負荷燃燒量的1%~3%),因而需要得控制NOx排放比預混合充量雙燃料發(fā)動(dòng)機更困對柴油噴射系統進(jìn)行精確的調節,準確的控制噴油難3。從充氣效率的角度來(lái)看,對于空氣充量幾乎量。試驗結果表明,RAM調制系統對氣體燃料與空沒(méi)有影響。氣分層混合氣初始著(zhù)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,因而此系統在氣體燃料發(fā)動(dòng)機預噴射對于壓燃式發(fā)動(dòng)機僅依靠提高壓縮比來(lái)實(shí)現燃燒雖這一新的應用領(lǐng)域具有非常好的適應性。但是天然然可以達到,但這也會(huì )造成極高的機械負荷和熱負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)際應用中,由于缺乏可以承受如此高機械統的復雜性。負荷與熱負荷的材料,因而如果沒(méi)有其他的輔助措(2)油氣共用噴射器、缸內高壓直接噴射施是不大可能實(shí)現的。目前的輔助著(zhù)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(lái)保證天然氣的點(diǎn)火和天然氣噴射共用一個(gè)噴油器的天然氣缸內高壓直之外,還有其他一些形式的缸內直接噴射式氣體發(fā)接噴射技術(shù),噴油器結構如圖4所示。該噴射器動(dòng)機。下面主要介紹3種有特色的氣體燃料缸內直接噴射系統。(1)燃油調制噴射、氣體燃料缸內直接噴射電磁閥柱塞這種天然氣發(fā)動(dòng)機燃料噴射系統采用了美國B(niǎo)KM公司提出的微噴技術(shù),即采用電控RAM調制供油/回油柴油噴射的氣體燃料發(fā)動(dòng)機預噴射系統(圖3)。其通斷兩位閥方式是將少量柴油先預噴射入燃燒室內,由柴油的引燃油柱塞自燃來(lái)確保在燃燒室中形成足夠的著(zhù)火表面,也天然氣針閥是由柴油來(lái)引燃天然氣。這種引燃方式對柴油著(zhù)火引燃油針閥后的氣體燃料與空氣混合氣的著(zhù)火十分有利引燃油噴束RAM調制噴射系統的初級模塊由電子控制或中國煤化工機械控制式噴油泵、調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)工程建設與原柴油噴嘴形狀、尺寸完全一致,不需對柴油機進(jìn)和主燃室2部分,燃料隨少部分空氣進(jìn)入預燃室,空行別的改動(dòng)。噴射器的噴射時(shí)刻和噴射持續時(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聯(lián)合控制,在壓縮沖程接近終點(diǎn)口進(jìn)入,不會(huì )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)候都是固定的預燃軍釆用限制沖程柱塞來(lái)實(shí)現。熱效率與原柴油機相同,引燃油量在高負荷時(shí)為5%。該技術(shù)用了天然氣高壓缸內直噴技術(shù),發(fā)動(dòng)機不需要節氣門(mén),因而不存在節氣門(mén)節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(wú)可見(jiàn)煙度排放;同時(shí)采用擴散燃燒方式,可具有與柴油機相當的CO和HC排放性能圖5帶控制閥的預燃室燃燒室底特律柴油機公司使用該技術(shù)對6V92TA型發(fā)動(dòng)機進(jìn)行了改裝,該雙燃料發(fā)動(dòng)機與原柴油機在扭以天然氣為燃料的火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機因為爆震矩、功率和燃料消耗方面基本相同,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(zhù)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的壓縮空氣中并使其著(zhù)火的壓燃式發(fā)動(dòng)機,如但是,高壓噴射系統需要高壓的氣體燃料前所述因天然氣的自行著(zhù)火溫度高,燃燒難以控制NG,需要一個(gè)小型車(chē)載壓縮機以將氣體壓縮到約并且噴射高壓氣體的系統都很復雜,在實(shí)用化方面20MPa。這樣以來(lái),就需要消耗一部分功率整個(gè)有難度。這種帶控制閥的預燃室燃燒室隔熱型發(fā)動(dòng)系統效率有所下降且增加了系統結構的復雜程度。機,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、壓燃混合氣在預燃室自燃然后進(jìn)入主燃室燃燒,燃燒過(guò)為了在柴油機上燃用天然氣,還可以采用加熱程可以由連接控制閥來(lái)控制。經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機試驗,部從噴射器射出的天然氣,使噴束與空氣的混合氣中分負荷時(shí),能獲得與直噴式柴油機一樣高的熱效率局部溫度達到1150~1200K,而且混合氣濃度能達但在高負荷時(shí),因火餡與空氣的混合不充分,燃燒速到化學(xué)計量比的要求,這就可以在正常柴油機壓縮度慢而使熱效率降低。因此,從預燃室噴出的火餡比范圍內著(zhù)火。這些著(zhù)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)混合氣的擴散燃燒,同時(shí)也實(shí)現了缸內直噴與壓燃。間,提高高負荷時(shí)的熱效率。只需一套噴射系統,結構上可以簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機改裝或設計。結論基于此理論,大連理工大學(xué)使用原增壓柴油機由上述可見(jiàn)缸內直接噴氣技術(shù)有以下特點(diǎn):①的燃料噴射系統,并在氣缸蓋上預熱塞處安裝陶瓷對氣體燃料節流無(wú)影響,供氣特性穩定;②點(diǎn)燃式和外殼發(fā)動(dòng)機內熱式電熱塞熱面管,以加熱從噴射器引燃式(天然氣一柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機),都能完全實(shí)中射出的天然氣。其實(shí)驗結果表明,采用熱面管代現質(zhì)調節;③降低甚至消除了燃料供氣對空氣充量替點(diǎn)火系統的直噴式天然氣的排放與柴油機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相同的動(dòng)力對于天然氣缸內直噴技術(shù)來(lái)講,當前的研究主性能。要在以下方面:①適合天然氣燃料的專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機預燃式燃燒室系統開(kāi)發(fā),例如選擇合適壓縮比等;②可以實(shí)現更理想混合中國煤化工實(shí)現此系統的燃料供給就是進(jìn)氣道進(jìn)氣,但與前述CNMHG實(shí)現缸內直噴都進(jìn)氣道進(jìn)氣方法的差異在于由于燃燒室分為預燃室能使動(dòng)機的性能臂所提尚,該(下轉第133頁(yè)第24卷第5期天然氣工業(yè)工程建設的研究進(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 Visniauskas A, Bishnoi P r. Kinetics of ethane hydrateformation. Chemical Engineering Science, 1985: 40:2996胡春,裘俊紅,天然氣水合物的結構性質(zhì)及應用.天然氣化T2000:(4)13劉芙蓉,王勝杰等.冰一水一氣生成天然氣水合物的實(shí)7趙炳超,馬沛生,氣體水合物的生成、測定和應用,天然氣驗研究.西安交通大學(xué)學(xué)報,2000;34(12):66~69化工,1997;(3)14王勝杰韓小輝等.冰點(diǎn)以下天然氣水合物的生成動(dòng)力8陳光進(jìn),馬慶蘭,郭天民.氣體水合物生成機理和熱力學(xué)學(xué)研究.天然氣地球科學(xué),2001;12(1~2):27~3模型的建立.化工學(xué)報,2000:(5)15 Heinemann R F et al. Process for making gas hydrates9 Borrehaug A, Gudmundsson J S. Gas transportation inU SPatent No, 6028234,2000hydrate forn. EUROGAS, 199616 Heinemann R F et al. Method for producing gas hdrates utilizing a fluidized bed. U SPatent No 6180843for transportation and stU S Patent No. 5536893I 1 Vysniauskas A, Bishnoi PR. A Kinetic Study of Meth(收稿日期2003-06-09編輯居維清)ne Hydrate Formation. Chemical Engineering Science中體給給給s(上接第129頁(yè))術(shù)是天然氣發(fā)動(dòng)機一個(gè)很有前途的燃料發(fā)動(dòng)機預噴射系統國外內燃機,19:(3):15~22發(fā)展方向。另外,帶控制閥的預燃室隔熱型發(fā)動(dòng)機6 Silviu dumitrescu, Philip G hill et al. Effects of injection雖有高負荷時(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可以應用在發(fā)動(dòng)機主要工作在部分負荷的情況下。eled by direct injection of natural gas. SAE paper 2000-01-18057宋振寰,D斯蒂芬.直噴式柴油機燃用天然氣燃料的研究.大連理工大學(xué)學(xué)報,2000;(1):67~69高青,梁宦山,李虎等.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機電控噴8 Hiroshi Masuka, Keizi Kishishita et al. Structure and氣技術(shù)研究.汽車(chē)T程,2000;(6):389~4122孫濟美,張紀鵬,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(dòng)機電控噴氣技術(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,吳同起燃氣汽車(chē)及加氣站技術(shù),北京:電子工業(yè)ural Gas-Powered Vehicle Based on a Direct-InjectionH版社,2001Diesel Engine. SAE paper 2000-01-19504李國岫.柴油一天然氣發(fā)動(dòng)機電控氣體燃料噴射技術(shù)的研究.車(chē)用發(fā)動(dòng)機,2000;(2):8~11(收稿日期2003-06-23編輯居維清)5 Stan C, Hilliger E.采用電控RAM調制柴油噴射的氣體中國煤化工CNMHG133