CNG/柴油双燃料发动机混烧系统设计

吴小军　申立中　毕玉华

摘 要： 能源危机和环境污染是汽车发展过程中遇到的两个重要课题。如何有效地减少发动机的有害排放物，降低燃油消耗量，对内燃机行业以后的发展非常重要意义。以S1105单缸柴油机作为研究对象，研究设计了CNG/柴油双燃料发动机混烧系统。首先讨论双燃料混烧系统的控制方法和燃料的控制原理，然后根据实际情况设计双燃料系统，最后发现存在的问题并提出解决措施。实验表明，该方案不但能满足设计要求，还能节约成本和开发时间。

关键词： 双燃料混烧系统； 系统设计； 柴油机； 天然气

中图分类号： TN911.7?34； TK432 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0113?04

0 引 言

随着柴油价格的不断攀升以及越来越苛刻的排放法规的颁布，许多动力制造商正寻求使用新的燃料来取代传统燃料。目前，减少对石油的依赖是全球广泛提出的问题，排放法规的制定，可再生、无污染技术的发展已被各国提到议事日程。

为了满足日后的发展需要，清洁能源动力技术的研发和推广环节从未停下过脚步。目前，现实、经济且很快能市场化供应的清洁汽车燃料就是天然气。天然气资源蕴藏丰富，加上全球可燃冰的勘探储量可观，在可替代能源使用中可以起到很大的过渡作用。相比于柴油发动机，天然气运用技术在降低碳排放以及其他污染物的排放方面具有显著优势，值得一提的是，在使用成本方面，以天然气作为燃料的发动机则有着不可比拟的优势[1]。而目前，在工程机械、载（货）运等行业几乎全部使用柴油机作为动力，因此柴油机采用CNG/柴油双燃料系统具有广阔的应用前景。

1 双燃料系统概述

柴油机改装为CNG/柴油双燃料发动机，原柴油机燃油系统不变，增加一套天然气供给系统。天然气通过进气管道混合后进入燃烧室或者通过喷气嘴直接喷入燃烧室，再由原柴油机的喷油器喷入少量柴油作为引燃燃料，柴油被压燃之后，将引燃燃烧室内的混合燃料并使发动机开始工作，这就是双燃料混烧发动机的燃烧过程。

1.1 双燃料机械控制系统

在机械控制系统中，双燃料系统的燃料供给方式分别是：天然气缸外进气管供气，通过混合器进行燃料和空气的充分混合，然后进入发动机燃烧室燃烧；柴油通过固定喷油泵齿条的方式来确定引燃柴油量的大小。该双燃料系统中，燃料燃烧方式有两种[2]：第一种是在发动机怠速的条件下，柴油机使用纯柴油燃烧，天然气没有参与燃烧；发动机在中高负荷的条件下，柴油机采用双燃料混烧形式，即天然气和柴油同时燃烧。第二种是发动机全程采用双燃料混烧形式，低载荷时，需要较多的柴油喷油量，以增加天然气燃烧速率，缩短滞燃期，降低排放；高载荷时，需要较少的柴油喷油量，以便发挥天然气燃料的稀燃特性[3]。

1.1.1 天然气燃料的控制原理

天然气供给方式为机械混合方法，如图1所示。压缩天然气经手动截止阀、电磁阀、过滤器后进入调压器，使天然气的压力降低到略高于常压的压力范围，以便流入发动机的进气管。减压后的天然气经过功率阀、气体流量计等，最后进入混合器，使减压后的天然气和过滤后的空气均匀混合后进入发动机燃烧室燃烧。

图1 机械式天然气供给系统

由于混合器进气管道处的截面积不变，通过旋进或旋出功率阀的调整螺钉，则可以达到调节燃气与空气的混合比例的目的，实现发动机功率与负荷的匹配。手动调整功率阀的时候，需要注意的是控制发动机的空燃比值[（λ），]当[λ]保持在发动机所需工况的燃烧范围（如1.4～2.0）时，保持功率阀开度不变[1，4?5]。

1.1.2 引燃柴油燃料的控制原理

根据喷油泵工作原理，在了解其喷油过程和供油量调节过程之后，双燃料发动机的引燃油量需要确定齿条齿圈或拨叉拉杆的位置，可以根据发动机的负荷情况变化而相应的改变或者直接固定其相应的位置（最简单的方法），使引燃油量在整个发动机工作过程中保持不变。

双燃料发动机中，机械控制引燃油量的方法有以下几种：一是使用钢绳或螺栓直接固定齿条拉杆。第二种是使用供油量限位器；第三种是使用步进电机控制齿条拉杆，步进电机根据发动机工况改变引燃油量大小，因为要增加传感器及ECU，更适合于机电混合控制[2]。

1.2 双燃料电子控制系统

在电子控制系统中，双燃料发动机的燃料供给方式如图2所示。双燃料发动机的燃料燃烧方式分为两种[6]：第一种是非全程燃烧，即负荷在小于50%时，使用纯柴油燃烧；而负荷超过50%时，柴油和天然气混烧，天然气做主要燃料。第二种是全程燃烧，根据发动机负荷情况分别调节柴油的引燃油量和天然气的供气量。

图2 电控双燃料的燃料供给方式

双燃料控制方案有机械控制、机电联合控制和电脑控制三种方式。机电联合控制系统较其他两个控制方式优势较多，在功率和扭矩上有所提高，且可以实现闭环控制。机电联合控制天然气/柴油双燃料系统如图3所示[7]。

图3 机电联合双燃料供给系统

电控单元接收几个基本传感器信号，如发动机转速、加速踏板行程、冷却水温等，对天然气的进气量和柴油的引燃量进行控制。天然气供给系统主要有天然气流量阀和混合器。

引燃柴油由原柴油机供油系统供给，齿条从原来的踏板控制改为用执行器来控制。采用执行器来控制，可以实现油量的分配大小从零到最大值的连续变化，同时可以控制超速断油。执行器需要对发动机负荷的瞬变做出迅速反应，具备瞬态响应时间短，动态特性良好的特性。电控单元（ECU）的主要作用是根据发动机的运转工况来确定油泵齿杆和天然气流量控制阀的位置。

另外，燃气喷射系统有缸外和缸内两种方式，天然气喷射嘴根据发动机的工况依据电控单元的指令准时定量的向相应的进气歧管喷射天然气。同时，引燃柴油的供给也由电控单元控制高压油泵齿条驱动器或者高压共轨系统的信号，通过喷油器喷入燃烧室。

2 双燃料混烧系统设计方案

2.1 燃料供给及燃烧方式

根据双燃料系统控制的简易难度以及实验室软、硬件条件，综合以上分析，可采用如图4所示的机械混合式CNG/柴油双燃料混烧系统。

图4 机械混合式CNG/柴油双燃料混烧系统

该系统的主要工作过程是：发动机启动热机，高压电磁阀1的开关断开，这时天然气停止供气。由于高压电磁阀2和供油量限位器4直接和电源接通，因此在启动开关打开的同时，高压电磁阀2和供油量限位器4的电源同时接通开始工作。此时，柴油机的喷油量已限制在设定值，柴油机以微量柴油启动发动机，使柴油机保持在怠速状态。当冷却水温度上升到50 ℃以上之后，合上高压电磁阀1的开关，使天然气高压管气道接通，双燃料系统开始工作。

废气分析仪（EGA）6的主要作用有两方面：一方面是测量出柴油机尾气里的气体成分，包括CO，NOx，HC，CO2等；另一方面，EGA自动计算出发动机实时的[λ，]作为控制策略的参考参数。

天然气的供给量由功率阀3控制，根据发动机运转工况以及EGA提供的[λ]来确定柴油机混合气燃烧的浓度大小。当[λ<1]时，混合气过浓，此时功率阀的螺栓应顺时针旋进，使气体流通截面积变小，减少天然气供给量；当[λ>2]时（发动机有抖动、马上要熄火的情况等），混合气过稀，此时，功率阀的螺栓应逆时针旋出，使气体流通截面积变大，增加天然气供给量。

2.2 CNG/柴油双燃料混烧系统控制过程思路

2.2.1 发动机启动电路控制

如果考虑到发动机启动时冷循环却水温度较低，不利于天然气减压时膨胀吸热而导致管路堵塞。在上面的条件下，可以在CNG供给系统的高压管路中增加两个高压电磁阀。其工作思路如下：

两个高压电磁阀都与启动开关相连，在第一个高压电磁阀的线路中安装了一个通断开关，常态下是断开状态，当发动机启动时，第二个高压电磁阀（常态下是接通状态）接通使管路通道打开。由于喷油泵提供柴油机少量的引燃柴油能够维持发动机基本的机械损失，使发动机在怠速的情况下能够正常的运转，待冷却水温上升到50 ℃以上之后，再接通第一个高压电磁阀，使天然气能够通过管路进入进气歧管。另一种情况，如果柴油量控制系统中增加了供油量限位器，也可以把供油量限位器和第一个高压电磁阀的通断开关连接在一起，当发动机启动的时候，天然气供给系统和限位器都不工作，此时发动机以纯柴油燃烧正常工作，当冷却水温到达50 ℃以上之后，接通CNG供给系统和供油量限位器线路，使发动机处在微量柴油喷射引燃、天然气做主燃的双燃料系统中工作。

2.2.2 [λ]控制

机械控制方法无法使用传感器控制[λ，]出厂前，必须在台架试验过程中完成性能标定，然后确定合适的[λ。]在台架试验标定的过程中，[λ]的确定需要调整功率阀。实验中需要使用的主要仪器是废气分析器，依靠废气分析器的参数确定功率阀开度大小。因为柴油机有很高的压缩比，所以能够很好的适应天然气高辛烷值的要求，能够适应在稀燃的状态下工作[3?4]。

2.2.3 天然气耗气量及引燃柴油量的计算

双燃料系统的油耗包括柴油引燃的消耗量和天然气的消耗量。其中柴油引燃量在测功机上容易读取，天然气的消耗量需要读取气体流量计的数据。

（1） 天然气耗气量计算

天然气耗气量是通过气体流量计读出相应的流量、耗气量等结果。在图4中，气体流量计使用的是天津流量仪表有限公司生产的智能气体涡轮流量计，基本参数见表1。

表1 气体流量计参数

[型号＼&公称直径

/mm＼&流量范围

/（m3/h）＼&始动流量

/（m3/h）＼&压力

/MPa＼&重量

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

气体流量计和功率阀之间没有直接的对应关系，气体流量计的主要作用是计算出天然气耗气量，以了解天然气在双燃料系统中的消耗情况，便于燃料经济性、替代率的对比。该智能气体涡轮流量计自带温压补偿功能，可以显示以下数据：总累积、瞬时量、管道压力、相对密度以及温度。

（2） 引燃油量的计算

发动机每循环喷油量[8?9]的大小由以下公式确定：

[g=Bτ120ni]

式中： [g]为柴油机每循环喷油量，单位：kg；[B]为柴油机每小时的耗油量，单位：kg/h；[τ]为冲程数，[τ=]4；[n]为发动机转速，单位：r·min-1；[i]为气缸数，[i=1，]试验用发动机为单缸发动机。

该公式可以在纯柴油和双燃料两种模式下通用。

3 存在问题及解决措施

3.1 气路短路，气体经高压管路运行到调压器处，因膨胀吸热导致管路堵死

压缩天然气从20 MPa降低到微正压的过程是膨胀吸热过程，由于天然气中含有少数水分和其他杂质，降压的过程中容易使水分凝固并且结冰，导致天然气的高压管道堵塞，从而切断天然气燃料的供给，使发动机转速急剧下降，最后停机。不仅如此，长时间运行的结果会损坏调压器的内部调压膜片，影响调压器正常工作。

最可靠的方法是在发动机的水温上升到50 ℃以上之后，才开始供给天然气燃料，由发动机循环水提供给天然气膨胀吸热的热量，以避免因为冷凝而引起的高压管道的堵塞问题。

3.2 爆震

由于天然气的燃烧速度较汽、柴油慢，发动机在使用双燃料系统的时候，其燃料的燃烧过程同时具备点燃和压燃的燃烧方式，热量传递时间延长，容易导致燃烧爆震的情况发生。可以通过降低发动机的压缩比、改变供油提前角、调整燃料燃烧空燃比和增加引燃油量等措施减少发动机爆震的发生[10]。

3.3 腐蚀、磨损、拉缸

天然气中含有硫等杂质，其值比柴油高，燃烧后的温度比柴油的要高200 ℃左右，在高温的作用下，普通机油会氧化过快，其品质会下降甚至过快失效，不利于对发动机的润滑及保护。另外，高温容易使发动机部件表面产生坚硬的沉积物。同时，高温会导致排放物中的氮氧化物含量增加。柴油已微小液滴喷入燃烧室，可以对阀门阀座等活动部件起到润滑冷却作用，而天然气以气态进入燃烧室，会极大降低使用柴油的时所带来的润滑作用，造成相关活动部件的磨损，尤其在燃烧室中，严重时会导致拉缸，损坏机体。

为避免因天然气气体的物化特性所带来的不利因素，一方面是过滤掉天然气气体中的杂质，另一方面可以使用粘度较低的润滑油或天然气汽车专用的发动机润滑油，不仅可以减少发动机功率损失，提升发动机的效率，还可以防止气门、活塞环等燃烧室相关部件的磨损和腐蚀，减少发动机拉缸风险。

4 结 语

本文通过对S1105单缸柴油机在台架上的改装，设计了CNG/柴油双燃料混烧系统，实现了柴油机的正常运转。双燃料系统能显著地减少柴油的消耗，降低排放，拥有良好的推广前景。把柴油机改装为CNG/柴油双燃料发动机的时候，根据课题的实际情况，选择恰当的技术设计方案，机械混合式双燃料系统不仅能满足技术、排放等要求，而且还能在降低试验难度的条件下节约使用成本和缩短台架试验的开发时间，具有简单可行的特点。

参考文献

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[4] SASAKI Senichi. Guidelines for dual?fuel diesel engines [J]. Marine Engineering， 2009， 44（6）， 911?916.

[5] 林志强，苏万华.柴油引燃式天然气发动机最佳引燃柴油量及过量空气系数浓限、稀限的研究[J].内燃机学报，2002，20（6）：505?510.

[6] 孙建文.柴油/天然气双燃料发动机的开发与试验研究[D].济南：山东大学，2012.

[7] 高献坤，徐国强，侯瑞娟.CNG/柴油双燃料发动机供气技术发展与趋势[J].柴油机，2005，27（2）：24?27.

[8] BEDOYA Ivan Dado， ARRIETA Andres Amell， CADAVID Francisco Javier. Effects of mixing system and pilot fuel quality an diesel?biogas dual fuel engine performance [J]. Bioresource Technology， 2009， 100： 6624?6629.

[9] 夏基胜.低热值燃气?柴油双燃料发动机动力性能计算[J].小型内燃机与摩托车，2010，39（6）：48?51.

[10] 马志豪，徐斌，姬爱玲，等.柴油?天然气发动机的爆震燃烧特性的研究[J].内燃机工程，2003，24（6）：10?12.