吳小軍　申立中　畢玉華

摘 要： 能源危機和環(huán)境污染是汽車發(fā)展過程中遇到的兩個重要課題。如何有效地減少發(fā)動機的有害排放物，降低燃油消耗量，對內(nèi)燃機行業(yè)以后的發(fā)展非常重要意義。以S1105單缸柴油機作為研究對象，研究設(shè)計了CNG/柴油雙燃料發(fā)動機混燒系統(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)實際情況設(shè)計雙燃料系統(tǒng)，最后發(fā)現(xiàn)存在的問題并提出解決措施。實驗表明，該方案不但能滿足設(shè)計要求，還能節(jié)約成本和開發(fā)時間。

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

中圖分類號： TN911.7?34； TK432 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0113?04

0 引 言

隨著柴油價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、經(jīng)濟且很快能市場化供應(yīng)的清潔汽車燃料就是天然氣。天然氣資源蘊藏豐富，加上全球可燃冰的勘探儲量可觀，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)動機，天然氣運用技術(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)動機則有著不可比擬的優(yōu)勢[1]。而目前，在工程機械、載（貨）運等行業(yè)幾乎全部使用柴油機作為動力，因此柴油機采用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

柴油機改裝為CNG/柴油雙燃料發(fā)動機，原柴油機燃油系統(tǒng)不變，增加一套天然氣供給系統(tǒng)。天然氣通過進氣管道混合后進入燃燒室或者通過噴氣嘴直接噴入燃燒室，再由原柴油機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)動機開始工作，這就是雙燃料混燒發(fā)動機的燃燒過程。

1.1 雙燃料機械控制系統(tǒng)

在機械控制系統(tǒng)中，雙燃料系統(tǒng)的燃料供給方式分別是：天然氣缸外進氣管供氣，通過混合器進行燃料和空氣的充分混合，然后進入發(fā)動機燃燒室燃燒；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)動機怠速的條件下，柴油機使用純柴油燃燒，天然氣沒有參與燃燒；發(fā)動機在中高負荷的條件下，柴油機采用雙燃料混燒形式，即天然氣和柴油同時燃燒。第二種是發(fā)動機全程采用雙燃料混燒形式，低載荷時，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，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械混合方法，如圖1所示。壓縮天然氣經(jīng)手動截止閥、電磁閥、過濾器后進入調(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)動機的進氣管。減壓后的天然氣經(jīng)過功率閥、氣體流量計等，最后進入混合器，使減壓后的天然氣和過濾后的空氣均勻混合后進入發(fā)動機燃燒室燃燒。

圖1 機械式天然氣供給系統(tǒng)

由于混合器進氣管道處的截面積不變，通過旋進或旋出功率閥的調(diào)整螺釘，則可以達到調(diào)節(jié)燃氣與空氣的混合比例的目的，實現(xiàn)發(fā)動機功率與負荷的匹配。手動調(diào)整功率閥的時候，需要注意的是控制發(fā)動機的空燃比值[（λ），]當(dāng)[λ]保持在發(fā)動機所需工況的燃燒范圍（如1.4～2.0）時，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)動機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)動機的負荷情況變化而相應(yīng)的改變或者直接固定其相應(yīng)的位置（最簡單的方法），使引燃油量在整個發(fā)動機工作過程中保持不變。

雙燃料發(fā)動機中，機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；第三種是使用步進電機控制齒條拉桿，步進電機根據(jù)發(fā)動機工況改變引燃油量大小，因為要增加傳感器及ECU，更適合于機電混合控制[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)動機的燃料供給方式如圖2所示。雙燃料發(fā)動機的燃料燃燒方式分為兩種[6]：第一種是非全程燃燒，即負荷在小于50%時，使用純柴油燃燒；而負荷超過50%時，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)動機負荷情況分別調(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械控制、機電聯(lián)合控制和電腦控制三種方式。機電聯(lián)合控制系統(tǒng)較其他兩個控制方式優(yōu)勢較多，在功率和扭矩上有所提高，且可以實現(xiàn)閉環(huán)控制。機電聯(lián)合控制天然氣/柴油雙燃料系統(tǒng)如圖3所示[7]。

圖3 機電聯(lián)合雙燃料供給系統(tǒng)

電控單元接收幾個基本傳感器信號，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速踏板行程、冷卻水溫等，對天然氣的進氣量和柴油的引燃量進行控制。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，可以實現(xiàn)油量的分配大小從零到最大值的連續(xù)變化，同時可以控制超速斷油。執(zhí)行器需要對發(fā)動機負荷的瞬變做出迅速反應(yīng)，具備瞬態(tài)響應(yīng)時間短，動態(tài)特性良好的特性。電控單元（ECU）的主要作用是根據(jù)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)工況來確定油泵齒桿和天然氣流量控制閥的位置。

另外，燃氣噴射系統(tǒng)有缸外和缸內(nèi)兩種方式，天然氣噴射嘴根據(jù)發(fā)動機的工況依據(jù)電控單元的指令準(zhǔn)時定量的向相應(yīng)的進氣歧管噴射天然氣。同時，引燃柴油的供給也由電控單元控制高壓油泵齒條驅(qū)動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驗室軟、硬件條件，綜合以上分析，可采用如圖4所示的機械混合式CNG/柴油雙燃料混燒系統(tǒng)。

圖4 機械混合式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)動機啟動熱機，高壓電磁閥1的開關(guān)斷開，這時天然氣停止供氣。由于高壓電磁閥2和供油量限位器4直接和電源接通，因此在啟動開關(guān)打開的同時，高壓電磁閥2和供油量限位器4的電源同時接通開始工作。此時，柴油機的噴油量已限制在設(shè)定值，柴油機以微量柴油啟動發(fā)動機，使柴油機保持在怠速狀態(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尾氣里的氣體成分，包括CO，NOx，HC，CO2等；另一方面，EGA自動計算出發(fā)動機實時的[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)動機運轉(zhuǎn)工況以及EGA提供的[λ]來確定柴油機混合氣燃燒的濃度大小。當(dāng)[λ<1]時，混合氣過濃，此時功率閥的螺栓應(yīng)順時針旋進，使氣體流通截面積變小，減少天然氣供給量；當(dāng)[λ>2]時（發(fā)動機有抖動、馬上要熄火的情況等），混合氣過稀，此時，功率閥的螺栓應(yīng)逆時針旋出，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)動機啟動電路控制

如果考慮到發(fā)動機啟動時冷循環(huán)卻水溫度較低，不利于天然氣減壓時膨脹吸熱而導(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高壓電磁閥。其工作思路如下：

兩個高壓電磁閥都與啟動開關(guān)相連，在第一個高壓電磁閥的線路中安裝了一個通斷開關(guān)，常態(tài)下是斷開狀態(tài)，當(dāng)發(fā)動機啟動時，第二個高壓電磁閥（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少量的引燃柴油能夠維持發(fā)動機基本的機械損失，使發(fā)動機在怠速的情況下能夠正常的運轉(zhuǎn)，待冷卻水溫上升到50 ℃以上之后，再接通第一個高壓電磁閥，使天然氣能夠通過管路進入進氣歧管。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高壓電磁閥的通斷開關(guān)連接在一起，當(dāng)發(fā)動機啟動的時候，天然氣供給系統(tǒng)和限位器都不工作，此時發(fā)動機以純柴油燃燒正常工作，當(dāng)冷卻水溫到達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)動機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

機械控制方法無法使用傳感器控制[λ，]出廠前，必須在臺架試驗過程中完成性能標(biāo)定，然后確定合適的[λ。]在臺架試驗標(biāo)定的過程中，[λ]的確定需要調(diào)整功率閥。實驗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。因為柴油機有很高的壓縮比，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上容易讀取，天然氣的消耗量需要讀取氣體流量計的數(shù)據(jù)。

（1） 天然氣耗氣量計算

天然氣耗氣量是通過氣體流量計讀出相應(yīng)的流量、耗氣量等結(jié)果。在圖4中，氣體流量計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，基本參數(shù)見表1。

表1 氣體流量計參數(shù)

[型號＼&公稱直徑

/mm＼&流量范圍

/（m3/h）＼&始動流量

/（m3/h）＼&壓力

/MPa＼&重量

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

氣體流量計和功率閥之間沒有直接的對應(yīng)關(guān)系，氣體流量計的主要作用是計算出天然氣耗氣量，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)濟性、替代率的對比。該智能氣體渦輪流量計自帶溫壓補償功能，可以顯示以下數(shù)據(jù)：總累積、瞬時量、管道壓力、相對密度以及溫度。

（2） 引燃油量的計算

發(fā)動機每循環(huán)噴油量[8?9]的大小由以下公式確定：

[g=Bτ120ni]

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

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)動機轉(zhuǎn)速急劇下降，最后停機。不僅如此，長時間運行的結(jié)果會損壞調(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)動機的水溫上升到50 ℃以上之后，才開始供給天然氣燃料，由發(fā)動機循環(huán)水提供給天然氣膨脹吸熱的熱量，以避免因為冷凝而引起的高壓管道的堵塞問題。

3.2 爆震

由于天然氣的燃燒速度較汽、柴油慢，發(fā)動機在使用雙燃料系統(tǒng)的時候，其燃料的燃燒過程同時具備點燃和壓燃的燃燒方式，熱量傳遞時間延長，容易導(dǎo)致燃燒爆震的情況發(fā)生?？梢酝ㄟ^降低發(fā)動機的壓縮比、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)動機爆震的發(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，普通機油會氧化過快，其品質(zhì)會下降甚至過快失效，不利于對發(fā)動機的潤滑及保護。另外，高溫容易使發(fā)動機部件表面產(chǎn)生堅硬的沉積物。同時，高溫會導(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部件起到潤滑冷卻作用，而天然氣以氣態(tài)進入燃燒室，會極大降低使用柴油的時所帶來的潤滑作用，造成相關(guān)活動部件的磨損，尤其在燃燒室中，嚴(yán)重時會導(dǎo)致拉缸，損壞機體。

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)動機潤滑油，不僅可以減少發(fā)動機功率損失，提升發(fā)動機的效率，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)動機拉缸風(fēng)險。

4 結(jié) 語

本文通過對S1105單缸柴油機在臺架上的改裝，設(shè)計了CNG/柴油雙燃料混燒系統(tǒng)，實現(xiàn)了柴油機的正常運轉(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。把柴油機改裝為CNG/柴油雙燃料發(fā)動機的時候，根據(jù)課題的實際情況，選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)設(shè)計方案，機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難度的條件下節(jié)約使用成本和縮短臺架試驗的開發(fā)時間，具有簡單可行的特點。

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