1、柴油機(jī)改為火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究張曉東,劉興華,張幽彤(北京理工大學(xué),北京100081摘要:結(jié)合天然氣的特性,通過(guò)理論分析,論述了柴油機(jī)改為火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)所涉及的技術(shù)問(wèn)題,如進(jìn)氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、控制策略等。關(guān)鍵詞:天然氣;空燃比;火花點(diǎn)火中圖分類號(hào):TK 432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-6494(200206-0006-04Technical Study on a Diesel E ngine Converted into a Spark Ignition CNG E ngineZH ANG X iao -dong ,LI U X ing -hua ,ZH

2、ANG Y ou -tong(Beijing Institute of T echnology ,Beijing 100081,China Abstract :With respect to the natural gas characteristics ,this paper describes technical problems related to the convertion from a diesel engine into a spark ignition C NG engine by theoretical analysis ,such as induction system

3、,combustion system ,ignition sys 2tem ,control strategies and s o on.K ey w ords :natural gas ;A F ratio ;sp ark ignition作者簡(jiǎn)介:張曉東(1972-,男,河南許昌人,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)電控。收稿日期:2002-06-24天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在我國(guó)主要應(yīng)用于大、中城市公交客車上。隨著排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,以前這些客車上使用的柴油機(jī)已無(wú)法滿足要求。在國(guó)外,采用電控高壓共軌噴射等新技術(shù),可以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī),但因其技術(shù)難度大,價(jià)格昂貴,對(duì)燃油品質(zhì)要求高等因素的限制

4、,推廣使用不廣泛。把柴油機(jī)改為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī),雖然平均有效壓力和熱效率相對(duì)于柴油機(jī)有所降低,但因其改造費(fèi)用較低,排放性能好,使用成本低,以及可替代寶貴的石油資源等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外天然氣藏量豐富的國(guó)家都有較大范圍的使用。目前,我國(guó)許多大、中城市把發(fā)展天然氣公交客車作為治理城市大氣污染的重要舉措之一。因此,研究、開(kāi)發(fā)柴油機(jī)改為火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)前景1。筆者重點(diǎn)論述了改造時(shí)涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)。1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)柴油機(jī)改為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī),開(kāi)發(fā)了許多不同種技術(shù)形式的發(fā)動(dòng)機(jī)。主要有柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、火花塞點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、天然氣缸內(nèi)高壓直噴式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三種形式。第一種因

5、其改裝容易,得到較快發(fā)展。但是由于最小燃油量的限制,天然氣的替代率只有60%90%。在中等負(fù)荷以上雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得較好的性能,燃料經(jīng)濟(jì)性可接近柴油機(jī),但在小負(fù)荷下,由于混合氣過(guò)稀,燃燒惡化,大量的不安全燃燒產(chǎn)物隨廢氣排出,使C O 及HC 排放大大增加,且熱效率下降。由于此種方式不能從根本上解決發(fā)動(dòng)機(jī)的排放問(wèn)題,為達(dá)到歐甚至更低排放標(biāo)準(zhǔn),技術(shù)難度大,因此有些國(guó)家放棄了此方式,而轉(zhuǎn)向第二種方式。第三種方式可以解決前兩種方式中充量損失、部分負(fù)荷節(jié)氣門節(jié)流引起的泵氣損失,排溫高等問(wèn)題,使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有比較高的熱效率和平均有效壓力,但該方案目前還處于研究與開(kāi)發(fā)階段,無(wú)論是在理論認(rèn)識(shí)上,還是在技術(shù)

6、應(yīng)用方面都需要深入研究。目前只有火花塞點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)比較成熟,達(dá)到了歐標(biāo)準(zhǔn)甚至歐標(biāo)準(zhǔn)1234。2技術(shù)研究2.1天然氣特性天然氣主要成分是甲烷(82%98%,并含有少量乙烷、丙烷、丁烷。車用天然氣必須經(jīng)脫水、脫烴、脫硫等凈化處理,才能成為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的代用燃料。表1為天然氣與汽油及柴油的物性比較1。表1天然氣、汽油及柴油的物性比較燃料種類性質(zhì)天然氣(CH 4汽油柴油理論空燃火極限(%515 1.37.6 1.58.2著火溫度(常壓下(537390420230火焰?zhèn)鞑ニ俣?cm s 343735472.2柴油機(jī)改為火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失原因a.天然

7、氣與空氣的混合氣熱值低,按天然氣成分和空燃比不同,比汽油混合氣低2%8%。b.天然氣以氣態(tài)進(jìn)入氣缸,要占據(jù)一定的氣缸容積,使空氣進(jìn)氣量比使用液體燃料時(shí)減少約10%2。c.天然氣混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?使后燃嚴(yán)重,排溫高,以及為抑制爆燃采用較低的壓縮比,都會(huì)帶來(lái)平均有效壓力和熱效率的下降。d.加裝節(jié)氣門后,使得部分負(fù)荷時(shí)泵氣損失增加。e.排氣管處加裝催化劑反應(yīng)器,帶來(lái)排氣的損失。2.3柴油機(jī)改裝技術(shù)研究 供氣系統(tǒng)由儲(chǔ)氣瓶、壓力表、手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門、減壓閥、濾清器、電磁開(kāi)關(guān)閥、氣軌、電磁噴氣閥等組成。儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)20MPa 的天然氣經(jīng)兩級(jí)減壓到0.10.8MPa (氣軌內(nèi)壓力,各缸的噴氣閥共同安裝在一個(gè)氣軌

8、上,然后由氣管引向各自氣缸的進(jìn)氣門處。減壓閥因氣體減壓產(chǎn)生“結(jié)冰”現(xiàn)象,在內(nèi)部設(shè)計(jì)有發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液或機(jī)油通道,保證減壓閥維持一定的溫度。整個(gè)系統(tǒng)除了要保證可靠的密封外,最重要的是保證在一定系統(tǒng)噴射壓力下,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷所要求的供氣量。電磁噴氣閥除了流量要求外,還要求具有良好的一致性、可靠性以及動(dòng)態(tài)開(kāi)啟特性,這是EC U 對(duì)噴氣量和噴氣時(shí)刻進(jìn)行精確控制的前提和保證。電控多點(diǎn)順序噴射與普通的混合器供氣方式相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):a.由于可以精確控制噴氣時(shí)刻和噴氣量,從而避免了氣門重疊角內(nèi)燃?xì)庵苯訌臍飧着懦?降低HC排放。另外也可以避免回火帶來(lái)的危害。有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性和瞬態(tài)工況混合氣控制的精度。目前市

9、場(chǎng)上成熟產(chǎn)品多采用稀燃方式,如康明斯B5.9-195G 、戴姆勒-克萊M906LAG 等。還有少量采用理論空燃比燃燒方式,如依維柯7460T C 等56。按理論空燃比燃燒方式,可以較容易地把已經(jīng)很成熟的汽油機(jī)電控技術(shù)直接移植過(guò)來(lái),改造相對(duì)容易。如圖1所示7,這種方式受大負(fù)荷爆震燃燒的限制,發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力較低,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致高的缸內(nèi)溫度和排氣溫度,這樣會(huì)產(chǎn)生高的發(fā)動(dòng)機(jī)零件熱應(yīng)力,從而影響到耐久性。而稀燃方式有明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力的能力,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)效率得到改善。此外,稀燃可使燃燒和排氣溫度保持在原機(jī)設(shè)計(jì)可接受的水平,而不犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)零件的耐久性。由于最高燃燒溫度的降低,稀燃方式可以使NOx

10、 保持在很低水平,但在低負(fù)荷時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)稀的混合氣,造成失火或者燃燒不完全,使C O 和HC 排放量增加。研究表明,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)HC 排放物的主要成分是未燃甲烷,而甲烷分子十分穩(wěn)定,為獲得較高的轉(zhuǎn)化率需要采用更好的氧化催化劑,使制造難度加大,成本高。圖1預(yù)混合天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的典型工作區(qū)域(恒速為防止混合氣發(fā)生爆燃,柴油機(jī)改為點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)降低壓縮比。選擇壓縮比時(shí)應(yīng)充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)效率、避免爆震和缺火的安全余量之間的協(xié)調(diào)。國(guó)內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)表明,壓縮比值通常選為10.512左右8。通常柴油機(jī)缸內(nèi)有較強(qiáng)的進(jìn)氣道形成的渦流,這不利于天然氣的著火燃燒。燃燒室的設(shè)計(jì)應(yīng)減小缸內(nèi)氣體流動(dòng)的強(qiáng)度,加強(qiáng)缸內(nèi)的局

11、部紊流,這樣可以加速火的傳播,提高燃燒速度。這對(duì)燃燒速度相對(duì)較慢的天然氣尤為重要。見(jiàn)圖2,根據(jù)國(guó)外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:盆型燃燒室比球形燃燒室的初燃期長(zhǎng),而主燃期短910。這有利于加大點(diǎn)火提前角,減少后燃,從而提高熱效率,降低排氣溫度。擠流對(duì)紊流的影響較大,從點(diǎn)火到上止點(diǎn)在火花塞處的紊流強(qiáng)度累計(jì)值與初燃期密切相關(guān)。盆型燃燒室的擠流面積比球形燃燒室大,燃燒室內(nèi)的平均紊流強(qiáng)度強(qiáng),另外,由于盆型燃燒室開(kāi)口直徑小,燃燒室壁面與火花塞的距離短,即使點(diǎn)火定時(shí)提前,也不容易產(chǎn)生爆震,這都有助于縮短主燃期,同時(shí)降低排氣溫度。 圖2燃燒室示意圖天然氣在常壓下著火溫度達(dá)537,比汽油、柴油均高出很多。但十六烷值低,一般不

12、能采用壓燃方式,而只能采用火花點(diǎn)火方式。對(duì)于增壓稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)而言,點(diǎn)火系統(tǒng)能量是最重要的。稀燃和高平均有效壓力要求在高的進(jìn)氣密度下點(diǎn)火,因而要求系統(tǒng)具有高電壓和高能量。對(duì)于高性能稀燃發(fā)動(dòng)機(jī),系統(tǒng)點(diǎn)火電壓多在30kV 以上。為了提高熱效率,減少后燃及爆震的可能性,對(duì)于缸徑較大的發(fā)動(dòng)機(jī),除了采用高能點(diǎn)火系統(tǒng)外,有的還采用雙火花塞點(diǎn)火,以減小火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x,縮短燃燒持續(xù)期。對(duì)于缸徑大于200mm 的發(fā)動(dòng)機(jī),有的還采用預(yù)燃室結(jié)構(gòu)11由于火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸外預(yù)混合方式,所以負(fù)荷由質(zhì)調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)為量調(diào)節(jié)方式,進(jìn)氣管上應(yīng)增加節(jié)氣門和傳感器(壓力、溫度、位置。研究表明,全負(fù)荷時(shí)為噴射相同能量的燃料,天然氣

13、體積噴射流量是汽油的770倍,而且噴射壓力高。為降低進(jìn)氣管內(nèi)氣壓的波動(dòng),避免傳感器輸出信號(hào)的波動(dòng),導(dǎo)致不能真實(shí)反映進(jìn)氣量的大小,同時(shí)保證發(fā)電控技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)是不可或缺的。它可以充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)潛能,使之在各種工況工作處于最優(yōu)狀態(tài),達(dá)到動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。噴氣時(shí)刻、脈寬、點(diǎn)火正時(shí)等控制參數(shù)是其控制核心。這些控制參數(shù)的建立通常是通過(guò)MAP 圖的建立獲得的,控制參數(shù)的精度依賴于大量的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和裝車后的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)與點(diǎn)之間的值一般用插值法來(lái)確定,由此會(huì)帶來(lái)精度的降低。但因其具有控制簡(jiǎn)單,響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),被廣泛使用。按照控制環(huán)是否閉合又分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。由于稀燃時(shí)氧

14、化催化劑的廢氣轉(zhuǎn)化效能受空燃比影響很大,另外,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、平均有效壓力受天然氣成分和空燃比的影響相對(duì)于汽、柴油較大,因此閉環(huán)控制是最為有效的方案。閉環(huán)控制通常采用氧傳感器來(lái)反饋排氣中的實(shí)際氧濃度,從而達(dá)到精確控制空燃比的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)只依賴于一個(gè)傳感器,控制精度高,降低了對(duì)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)狀態(tài)和燃?xì)獬煞值拿舾行浴．?dāng)前空燃比控制方法一般采用以下幾種控制方式:基于經(jīng)典控制理論的PI D 控制;基于模型的空燃比控制;采用人工智能的控制12。第一種控制的難點(diǎn)在于有濾波延時(shí)和傳感器響應(yīng)和信號(hào)提取延時(shí),需大量時(shí)間來(lái)制作MAP 圖;第二種控制難點(diǎn)在于需要快速的處理器,需要發(fā)展計(jì)算動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制方法

15、或辨識(shí)方法;第三種控制難點(diǎn)在于智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或規(guī)則的選擇,對(duì)處理器的計(jì)算速度與存儲(chǔ)容量有較高的要求。目前,基于PI D 控制器及其變形的控制器在空燃比控制中容易實(shí)現(xiàn),使用較廣。PI D 控制包括PI ,PD ,PI D 幾種形式。圖3所示為PI 控制器的結(jié)構(gòu)框圖,其U pi (t 為控制器輸出,des 為空燃比設(shè)定值,(t -T 為氧傳感器的測(cè)量值。K p ,K i 分別為比例和積分系數(shù)。PI D 控制的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)方便,可不必用精確的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。 圖3采用PI 控制的空燃比控制器框圖3結(jié)論以上是筆者在參與天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,綜合國(guó)內(nèi)外資料取得的。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)必須在對(duì)其特性

16、充分研究的基礎(chǔ)上,采用相應(yīng)技術(shù)手段,才能充分發(fā)揮天然氣作為一種清潔燃料所具有的節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)起到替代部分寶貴石油資源的作用。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在根本上決定著其應(yīng)用市場(chǎng)的生存和發(fā)展。參考文獻(xiàn)1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,1999.2郝利君.電控順序噴射單燃料天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)研究R .北京:北京理工大學(xué),2000.3D ouville B ,Ouellette P ,T ouchette A.Per formance and Emis 2sions of a T w o S troke Engine Fueled Using High -pressure D

17、irect Injection of Natural G as C .S AE Paper 981160.4Hassaneen Ahmed E ,Varde K eshav S.S tudy of the FlameS AE Paper 930929.6鄒祖燁.國(guó)內(nèi)外代用燃料汽車發(fā)展概覽M .北京:中1999,(3.8Johanss on B.C ombustion Chambers for Natural G as SI EnginePart 1.S AE Paper 950469.9Olss on K.C ombustion Chambers for Natural G as SI Eng

18、inePart 2.S AE Paper 950517.10Patrik E inewall.et al.C ombustion Chambers for Super 2charged Natural G as.S AE Paper 970221.11Alan C ,William T.The Development and Application of De 2sign Criteria for Precombustion Chambers on Natural G as Fu 2eled Engines.AS ME Paper 84-DG P -1.12N oble D ,Beaum on

19、t J.C ontrol System for a Low EmissionsNatural G as Engine for Urban Vehicles S AE Paper 910255.知識(shí)窗城市客車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施2002年10月1日,我國(guó)開(kāi)始正式實(shí)施城市客車分等級(jí)技術(shù)要求與配置行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是今年6月經(jīng)建設(shè)部和有關(guān)部門制定并發(fā)布的,其目的是為了使客車生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)產(chǎn)品過(guò)程中,能夠更加規(guī)范化,各項(xiàng)指標(biāo)有章可循,使客車產(chǎn)品逐漸與國(guó)際接軌。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定城市客車按運(yùn)行特點(diǎn)可分為:市區(qū)城市客車(市內(nèi)公共汽車:一種為城市內(nèi)運(yùn)輸而設(shè)計(jì)和裝備的客車。這種車輛設(shè)有座椅及站立乘客的位置,并有足夠的空間,以供頻繁停站時(shí)乘客上下車走動(dòng)用。城郊城市客車