电控组合泵在柴油引燃天然气发动机中的应用试验

刘庆雷赵婷婷

（1.胜利油田胜利动力机械集团有限公司，东营257032;2.山东省内燃机研究所,济南250014）



电控组合泵在柴油引燃天然气发动机中的应用试验

刘庆雷1赵婷婷2

（1.胜利油田胜利动力机械集团有限公司，东营257032;2.山东省内燃机研究所,济南250014）

摘要：本文通过试验验证了GF700型天然气发动机经过对其相关部件和系统的技术改造：围绕电控组合泵的应用，去除点火系统和调速系统，增加燃油供给系统；重新选型增压器、重新设计进气系统、改进TEM2系统等措施，实现柴油引燃天然气发动机的低油耗目标，满足一定领域的动力使用。

关键词：电控组合泵天然气发动机低油耗

引言

与天然气相比，柴油的价格偏高，为降低某些动力领域燃料成本，用天然气代替柴油机作为发动机燃料成为一种新的发展趋势，而天然气发动机目前由于动力性等因素，不能完全替代现有柴油机。采用柴油引燃代替电点火，以喷射的雾化柴油形成的油气混合气作为点火源实现多点点火，可以极大地缩短混合气燃烧时间，做功效率高。柴油点火天然气机具有在较宽的转速下具有低的排温，宽的空燃比和没有节气门节流可以防止增压器喘振宽，高的热效率等优点。因此研制柴油引燃天然气发动机具有重要的意义。

结构上采用纯机械式高压泵和喷油器，供油时间与供油量的调控困难。受配合间隙、容积差异等各种因素影响，在小油量下各缸之间、各冲次之间油量均匀性无法保障，制约了柴油消耗率的进一步降低。喷油嘴冷却条件差，油头结碳严重，喷孔容易堵塞，造成维修周期短。

采用共轨电喷技术，可以实现高效燃烧，降低油耗；喷油压力的提高，可以减轻喷油嘴喷油孔堵塞、积碳，提高油头寿命。但是目前没有适合我公司现有天然气发动机的控制系统，需要重新开发，从经济性及开发周期方面考虑，不是理想方案。

本文从电控组合泵的应用试验角度，探讨试验其可行性。

1 设计思路

本次试验的天然气发动机是以700GF系列燃气机为原型机进行改制而成。围绕电控组合泵的使用条件，在原机组基础上去掉点火系统和调速系统，增加燃油供给系统；对增压器进行重新选型、燃气进气部分进行重新设计、控制部分采用TEM2系统并增加单缸油量和供油提前角控制界面。其中控制系统需要完成的功能包括以下部分：

（1）发动机转速/负荷的控制。在空载方式下，机组工作在纯柴油方式，控制柴油喷射量，实现发动机的转速调整与稳定。

（2）发动机负荷的控制。发动机负荷控制通过空燃比的控制来实现。并网带载正常运行方式下，机组工作在微量柴油引燃方式，通过控制混合器空气和燃气通道的开度来实现空燃比的调节，从而实现功率的调节控制。

（3）机组运行管理。完成机组各阶段自动转换，实现流程自动化：机组一键启动、暖机、提速、同期并网、加载、功率因数调整、功率调整、风扇控制、降载与卸载、降温、停机；实现机组的各种保护功能。

2 本次试验的目标

机组额定功率/额定转速：550kW/1000rpm；额定功率时油耗：＜20g/kWh；缸温：＜380℃；排温：＜540℃；全自动化智能控制。

3 试验过程和结果分析

3.1 控制部分试验

整个天然气发动机控制策略如下：起动（纯柴油模式下运行，燃气在关闭状态）——怠速运行（纯柴油模式下运行，燃气在关闭状态）——额定运行（纯柴油模式下运行，燃气在关闭状态）——并网过程——加载过程（燃油按每缸预设置的燃油量进行定量喷射，油量不变，开始通过燃气控制阀进行加载）——正常运行（每缸定油量喷射，如功率有变化，通过控制燃气控制阀来进行调节，单缸做功通过控制每缸油量调节）——卸载分闸（供油量不变，逐渐减小燃气进气量，机组转纯柴油模式）——额定运行——怠速运行——停机。

从目前试验情况看，整个控制流程可以完整的进行下来，且按此控制流程，可以满足柴油引燃天然气发动机运行的要求。

3.2 点火提前角试验

怠速情况下，将机组转至点火模式（固定供油量模式，启动试验测得），在此模式下，各缸喷油量为固定值，通过调整点火提前角，观察转速、油耗和烟度变化，最终确定最佳怠速提前角。依此方法，分别试验得到800r/min、1000r/min和并网后额定功率时的最佳点火提前角（数据见表1、不同转速下的点火时间表）。

将此试验结果写入电控组合泵ECU里的供油定时MAP图中，机组可根据实际运行的转速和状态，自动进行供油提前角的调整。在试验过程中，此项功能非常有效，可保证机组始终运行于最佳点火提前角。试验时并网后供油提前角仍需手动调整，后期程序中应纳入自动控制中。

表1 不同转速下的点火时间表

3.3 最小供油量试验

将机组运行于额定转速下并网运行，点火模式下将1缸断油，待其缸温、排温稳定后，然后逐步给1缸加油，直至排温发生变化，记下排温开始变化时的供油脉宽，此脉宽即为这一缸的最小供油量。其它各缸依次方法进行确定各缸点火的临界脉宽值。测量数据见表2（12个缸排温均为100℃时）。机组空载情况下，将各缸喷油脉宽按上述方法所测数值设定，进行验证。

表2 额定转速下各缸最小供油量脉宽表

结果显示，其12个缸的排温差最大为8℃，各缸排温比较均匀，通过试验所测的排温为100℃时的脉宽值比较准确。在此脉宽下，其油耗为8.4kg/h。

3.4 额定功率时最低油耗测量

功率加至设定目标，逐渐同步减少各缸供油量，同时通过调整燃气进气量，保证功率维持在额定功率，直至各缸到临界油量，即再继续减油，出现排温和功率大幅降低，测量在此情况下的供油量和进气管甲烷浓度。

测试时，分别测量了空气全开、空气关闭1/3、空气关闭2/3三种情况下的耗油量和进气管甲烷浓度。（测量数据见表3、额定功率时最低油耗参数表）

从上述数据可归纳出以下结论：

（1）空气节气门适当减小，使柴油及燃气的混合气体浓度增大，能够使发动机在较小的喷油量下保持稳定燃烧，从而可以减小油耗。从试验数据看出空气量关闭2/3时，发动机可以在7.5kg/h（即13.6g/kWh）耗油量下稳定运行，而空气全开时，则要在9.1kg/h（即16.5g/kWh）下才能稳定运行。

（2）发动机在高功率时，缸温、排温升高，此时油量更容易减小，并保证机组稳定运行。如果在未加功率时，便将供油脉宽降到很小，调整燃气加功率时，功率波动大，且往往出现多缸不点火的情况。因此，天然气发动机在加功率时，初始油量应设定为可以维持空载额定转速的油量，这个油量可以从ECU中读取，然后加功率至设定值，并再慢慢减油、加气，直至所需的油耗量为止。

表3 额定功率时最低油耗参数表

（3）从供油脉宽值可以看出，目前机组运行在低脉宽范围内，而此型号电控组合泵脉宽可到30。燃油电控阀采用PWM进行斩波驱动，控制精度满足使用要求。

4 结论

采用电控组合泵进行燃油供给，可以实现柴油消耗控制在20g/kWh以内的试验目标，可以考虑应用到特定领域的天然气发动机中。在较小供油量状况下，增加油量对排温和功率有明显的提升，这需要在今后的试验中结合缸内压力的测量来排除是否还存在失火的影响因素。

试验中调节空气进气开度，缸温始终较低（250℃～270℃）且变化并不明显，但排温能有100℃的变化，分析判断认为有两方面因素：一是燃烧迅速，最高燃烧压力和温度也较高，但是循环的平均温度较低，热效率高。二是稀薄燃烧，导致缸温排温都较低。

参考文献

［1］惠东杰.柴油汽车喷油系统构造与调试技术［M］.北京：机械工业出版社，2010.01.

A Combination of Diesel Electric Pump Ignited Natural Gas Engines Application Test

LIU Qinglei1, ZHAO Tingting2
（1.Shengli Power Machinery Group Co., Ltd, Dongying 257032;2. Internal Combustion Engine Research Institute of Shandong Province,

Jinan 250014）

Abstract:This paper through the experiment verified the GF700 type natural gas engine through technological transformation of the relevant components and systems: around the application of electronically controlled inline pump, removed ignition system and control system, increased the fuel supply system, reselection of turbocharger, redesign intake system, TEM2 system improvement measures, realized diesel ignition natural gas engine with low fuel consumption target, satisfied the use of power in certain areas.

Key words:electronic controlled inline pump, natural gas engine, low fuel consumption