天然气发动机燃气供给系统综述

党永浩

（中国石油集团 济柴动力总厂，山东济南250306）

随着人们对气候变暖化、环境污染等问题的日益重视，随着全球石油天然气工业的发展，天然气发动机的应用越来越广泛，各发动机专业化制造企业纷纷设计推出自己的天然气发动机。天然气发动机燃气供给系统的设计直接影响到发动机的性能，是重要的系统之一。

综述了当前天然气发动机燃气供给系统的作用和组成，分别阐述了该系统内各个主要器件的作用、原理和典型结构，对于不同特点的混合系统、混合器等做出对比，并对空燃比控制策略作了一些叙述。

1 天然气发动机燃气供给系统的组成、主要器件以及作用

天然气发动机的燃气供给系统是在精确的时间里供给发动机适量燃料气的一套专用部件。一套设计良好的燃气系统可使发动机效率最大、排放最佳。

典型的燃气系统包括几个主要的部件，它们根据发动机的性能要求提供可靠的空燃比混合物。

发动机制造商一般推荐燃气供给系统的主管线上至少包括3个主要的部件，即燃气滤清器、调压阀和安全切断阀，图1。

图1 燃气输送系统配置

1.1 输送管线

燃气输送管线的设计必须考虑到以最小的阻力传递发动机必需的燃气流量。若燃气输送管线管径过小和（或）管路弯道过多，发动机在高负荷工况下，由于需求燃料气的流量很大，则会造成燃气气流阻力。

即便是输送管线在设计时已经考虑了能够在发动机满载时满足燃料气流量需求，仍然要进一步考虑避免产生管道的瞬时阻力。当发动机突加负载时，需要相应的突增燃料气流量。设计不合理的燃气输送管线将阻止燃气流量的增加，导致发动机很难适应突加负载。

燃气输送系统设计和布置有以下的经验，可供参考。

适当位置设置若干个截止阀，当燃气系统部件需要维修或更换时，可以切断该部件的气流，从而减轻维修的困难。

在允许的情况下，压力安全阀应该沿着调压阀的管路下游布置，需要在燃气路径上安装卸压装置和管道。

输送管线的设计，与发动机燃气进口的连接尺寸相比，至少同规格或更大。

在靠近发动机的燃气管路上，特别是调压阀后的管线上，尽量减少弯头和变径。

1.2 柔性连接

在燃气输送管路和发动机燃气进口之间的柔性连接是必须的。因为发动机在运行中将会产生振动，燃气进口连接头将相对于安装的固定管道产生相对移动。如果在此连接处使用刚性连接，将迫使输送管路自身承受振动，有可能造成金属疲劳损坏导致可燃气体的泄漏。如果在发动机和输送管路之间采用柔性连接就很容易解决这个问题。

柔性连接要有便于维修，可靠性不受燃料气中的碳氢类化合物和其他腐蚀性成分（如H2S、SO2等）的影响。不仅要有一定的耐温能力，还要有防火特性。天然气发动机采用的大多数柔性连接都是不锈钢材料的单壁波纹管。

1.3 切断阀

安全切断阀在燃气系统里面是最重要的一套安全装置。它可以是一套简单的像手动球阀一样的装置。然而，大多数带自动化安全系统的当代发动机需要直接控制它，所以基于这个目的，大量采用了电控阀。启动这些阀的电力可以来自于发动机自身（如自供电阀），也可以来自于外部电源，如蓄电池。

一般的，电控式安全切断阀的默认状态为关闭，需要通电后开启。

1.4 过滤器

燃气发动机和很多发动机一样，要求燃料气不含污物和杂质（包括水）。杂质通过气井进入燃料气是很普遍和容易理解的，但是即便是管道天然气仍然会混入污物、金属屑或管路铺设时的焊接熔渣以及管道在使用时产生的水垢和铁锈。这些留在燃气流里面的颗粒物和液体将影响发动机的性能或加速发动机内部零件的磨损，导致寿命降低。通过使用过滤器来清除这些杂质。

1.5 调压阀

调压阀控制发动机上燃气系统燃料气的供给压力。为了完成其在燃气系统中的作用，调压阀必须具备两个条件：一是逐步降低燃气压力到燃气混合装置要求的范围；一是缓冲燃气供给的压力波动，起到稳定压力的作用。

如果外部供给压力太高，不能单步一次完成需要的降压，或者外部供给的压力波动太大，则需要两级或多级调压。

1.6 混合器

这里所讲的混合器是指燃气和空气的混合器，它是燃气发动机燃料系统的心脏。混合器正确的计量燃气流量，使之适合发动机实时工况，在考虑环境温度、压力、燃气品质的影响下，同时满足发动机动力性、经济性和排放要求。

目前使用最广泛的混合器原理是用空气进气流量来计量当前工作状态需要的燃气量，比如IMPCO公司的膜片式混合器、海因兹曼公司的文丘里管混合器。

混合器是燃气发动机混合系统的核心器件。关于混合系统将在后面的章节中做详细介绍。

1.7 节气阀

节气阀是通过控制进入气缸的混合气流量来调整发动机工况的一种装置，一般是安装在靠近气缸（或进气管）处的一个蝶形阀。因为节气阀调节混合气流量，所以它是燃气系统最重要的控制环节之一。

2 混合系统

2.1 系统组成和作用

混合系统的核心是混合器。混合器设计用来机械的检测空气流量，并按照一定比例控制燃气的流量随之变化，从而，来获得发动机工作状态需要的空燃比。这需要通过使用文氏管或负压膜片来完成。系统内还包括一个负载调节阀（功率调整螺钉），允许对系统的混合特性进行微调。如图2。

图2 标准的天然气系统（涡轮增压中冷式或者自然吸气式）

2.2 各主要器件原理和结构

（1）燃气压差阀

在燃气混合系统中，一般调压阀设计为压差阀。压差阀不是维持一个恒定不变的燃气压力，而是相对于混合器进口的空气流量保持一个恒定不变的压差。随着进入混合器的空气流量在增加，燃气压力值一直保持在空气压力值加燃气压差值。通过调整作用在压差阀内部膜片上弹簧，燃气压差值一般设定为1～3kPa。恒定不变的压差可使混合器根据空气需求量调整空燃比，适应大多数的发动机工况。

典型的压差阀如图3。

图3 典型的燃气压差阀

（2）负载调节阀（功率调整螺钉）

负载调节阀是在压差阀和混合器之间燃气管线中的流量调节装置，如图4。它的目的是根据现场环境、气质状况，提供微调燃气系统的空燃比设置的一种手段。通过调节压差阀送出的燃气流量，在混合器中降低燃料气对空气的相对压力，使混合物更稀薄，反之亦然。此阀只能在一定的调整范围内起作用。然而，特定的燃气系统结构所调节的特定范围变化，可以通过更换混合器内部零件来改变空燃混合特性。通过更换Impco混合器中的燃气阀和喷嘴结合体，或者更换Deltec混合器的文氏管，来实现空燃比的更大变化。

图4 典型的Deltec混合器的横截面

（3）混合器

如前所述，混合器的主要功能是在进入燃烧室之前对燃料气和空气进行计量和混合。能否正确混合，取决于混合器是否按照燃料气进行适当选型，以及进入混合器和燃料气是否满足压力要求。目前普遍的应用有两种：Deltec和Impco混合器。

①Deltec混合器

图4表示了典型的文氏管型（Deltec）混合器。文氏管型混合器为Deltec公司生产，用在某些低压燃气发动机上。文氏管型混合器的工作原理是文丘里效应，简单来说是通过文氏管的空气流，其在文氏管里的空气压力（图4中P2）比其上游压力（图4中P1）。空气流量越大，压力差将越大。在此同时，如果到混合器的燃气压力（图4中P3），保持与P1一致的变化，压力差P3－P2将随着空气流量增加而增加。这个压差值的增加或者减少将造成燃气流量相对应的变化。调压阀用来保持P3与P1之间的压差。

②Impco混合器

图5是典型的Impco混合器的一个横截面。这个系统用在所有的高压燃气混合和部分低压燃气混合应用中。当空气流经过混合器膜片真空口时，建立了一个真空。空气阀膜片感应到真空，随着空气流相应的增大或者减小，依次升降燃气阀。这使得混合器调整可以根据空气流量调整按比例调整燃气流量。燃气阀和喷嘴是根据特定的燃料气和工况范围来选型的。比如，燃气阀和喷嘴按天然气选型的混合器在垃圾填埋气中就不能正常工作。

图5 典型的Impco混合器结构图

3 高压燃气系统和低压燃气系统的区别和各自特点

无论燃气混合系统如何适应于特定的发动机设计，其组成部件大部分是相同的。然而，设计的类型确定了燃气系统的工作特性。其中一种特性是燃气工作压力范围。根据混合器相对于空气进气系统涡轮增压器的布置，燃气混合系统简单地划分为高压和低压系统。

在高压燃气系统，空气增压后，空气和燃气在涡轮增压器下游混合。见图6。因为部件的排序（涡轮增压器在混合器之后），燃气系统必须要能为混合器提供比增压空气压力更高的燃料气。高压燃气系统，根据机型的不同，工作的燃气供给压力范围在140～280kPa。

图6 高压燃气系统

在低压系统，部件的排序是相反的，混合器布置在涡轮增压器上游。见图7。在这种布置下（混合器在涡轮增压器之前），混合器面对的不是增压空气，所以燃气供给压力要求非常低。低压燃气系统根据机型的不同，工作燃气供给压力范围为7～70kPa。低压系统经常用于由于供气工艺或气源本身的原因燃料气压力受到限制的特定地点或用途。

图7 低压燃气系统

4 空燃比控制系统

相比于简单的燃气混合系统，空燃比控制的（AFRC）发动机对于燃气和空气的混合上更进一步。虽然混合器能够调整燃料气混合率，来适应不同的空气流量，但是也只识别空气和燃料气的体积流量比，不能计算温度对于空气和燃料气密度的影响，也不能计算其他因素，比如湿度或燃料气热值的变化。

空燃比控制系统（AFRC）不是监测燃料气和空气的各种参数，而是监测关键的输出参数，这些输出参数能够直接反映燃烧能否达到期望工况的精确程度。这种方法叫做闭环反馈控制。在空燃比控制系统里，最常见的反馈参数是排气里氧的含量，因为它直接反映出燃料气燃烧之后留下了多少氧气。因为燃烧室内大部分的氧气，或者说所有的氧气，来自于空气，所以排气氧含量是空燃比的直接反映。

图8反映了基于燃气混合系统基础上的空燃比控制系统。排气管中的氧传感器测量排气口的氧含量。它作为空燃比控制系统的反馈信号，将实测的氧含量与为了达到预期排放设置的正确空燃比的氧含量相比较。空燃比控制系统通过调整燃气供给管线上电驱动的蝶阀来修正混合器中的燃料气流量。

图8 空燃比控制的简单实例

5 结束语

随着天然气发动机应用范围不断扩大，燃气系统的技术将与时俱进、不断深化。近期的研究重点应是多种气源的适应性、空燃比控制策略。

密切关注天然气发动机燃气供给系统的技术发展，不断开发新的产品，是内燃机工程师应尽的责任。

［1］ 李光举.煤层气发动机的空燃比控制策略研究［J］.农业装备与车辆工程，2008，（7）：15－17，31.