天然气发动机进气装置的改进

◎文/吕雪军（华菱星马汽车<集团>股份有限公司）

一、目前的天然气发动机的进气装置及其存在问题

随着技术的发展和对环保要求的逐步提高，天然气发动机由于在节能和环保等诸多方面优于汽油和柴油发动机，被越来越广泛地应用于各个领域。天然气发动机工作原理是，空气经过增压器加压，通过节气门后进入混合器，在混合器内气体燃料与空气混合后，通过进气管等装置进入燃烧室，最终带动天然气发动机的工作。

但发动机高速运转情况下突然减速时，节气门已趋于关闭，增压器压气机增压后管路内压力骤升，在涡轮增压器和节气门之间会产生很大的背压。并且由于排气减少，增压器无法提供足够的动力来压缩进气，增压器叶片降速甚至停转，导致增压器压气机增压后管路内的高压气体倒流回增压器压气机增压前管路；增压器压气机增压前管路内压力增大后，压缩进气的阻力变小，增压器压气机会再次压缩气体，又会出现增压器压气机增压后管路内压力升高的情况。如此反复，气体被激励产生低频高振幅的压力脉动和气流震荡，这种现象被称为喘振，由此引起的一系列振动噪音加大及损伤相关零部件等问题称为天然气发动机的喘振。

为了避免天然气发动机的喘振，目前多通过既有的电子节气门对喘振稍加控制，发动机引擎控制器根据减速触发信号，激活燃料切断功能，在切断燃料供给的同时电子节气门保持一定的开度，保证尚有部分气体进入发动机气缸，增压器压气机增压后管路内气体压力不至于升得太快。但此种方法节气门开度较小，气流在通过节气门时受阻，压力依然有可能在短时间内持续增大，依然可能使增压器出现喘振。而喘振会引起发动机的振动加大、排气温度升高，造成超温，严重时会发生放炮，气流中断而发生熄火停车。

目前，天然气发动机多采用节气门布置在混合器之后的布置方式。这种方式虽然可延长气体混合时间,更好地保证发动机稳态性能,但气体燃料从混合器喷出后在进入燃烧室前必须经过节气门，低速时可燃气体会溢满整个进气系统管道，不能保证全部进入燃烧室燃烧，造成燃料不完全利用，且由于燃料喷出点距离燃烧室太远，易造成瞬态响应的迟缓。

因此，如何有效地防止喘振的发生并在保证天然气发动机稳态性能的前提下提升瞬态响应是目前亟待解决的技术问题。

二、天然气发动机进气装置的设计开发

为解决上述问题，笔者设计了一种天然气发动机的进气装置，这种进气装置可以根据增压器压气机前后压差控制防喘振阀的导通状态。图1是这种进气装置的结构简图。从节气门和混合器连接处的空腔中引出第一防喘振阀连接管，第一防喘振阀连接管的另一端连通压力感受头。由于防喘振阀同时与增压器压气机增压后管路和空腔连接，能够根据两者之间的压力差调节其自身的导通与关闭，压力差的设定值可根据实际情况进行调整。

图1 天然气发动机进气装置结构图

当节气门开启时，空腔内的正常压力通过第一防喘振阀连接管反馈到压力感受头，控制防喘振阀保持关闭。当发动机高速运转且节气门趋于关闭时，节气门后就会产生负压，空腔内低于正常压力的压力通过第一防喘振阀连接管反馈到压力感受头，当空腔与增压器压气机增压后管路之间的压力差达到设定值时,控制防喘振阀导通。

通过进气装置内部气体压力的变化实现对防喘振阀的控制，能够以较简单方便的方式实时控制防喘振阀，因为喘振的发生是由于压力的变化，通过压力控制防喘振阀，能更好地实现对进气装置的控制。也可不使用压力控制防喘振阀，直接对节气门以及发动机运行状态综合进行检测，根据发动机高速运行状态下节气门的开闭状态控制防喘振阀[1]。

也可设置两个防喘振阀（见图1），每个防喘振阀均通过管路连接管连通增压器压气机增压前管路和增压器压气机增压后管路。在两个防喘振阀的压力感受头之间连通有第二防喘振阀连接管，第二防喘振阀连接管的中部与第一防喘振阀连接管导通，从而实现空腔到压力感受头的导通。

空气先通过节气门再通过混合器，使混合器靠近进气管的入口，并通过进气连接弯管连通，混合气体由进气管进入天然气发动机的燃烧室。进气连接弯管经过虚拟计算和实际验证，使此种连接方式既能保证空气与燃气的良好混合，稳态工作性能良好，也使得混合后的气体不需经过节气门，进入进气连接弯管与进气管内部，防止混合后的气体在低速情况下扩散至整个进气系统，提升燃料利用率，使燃气合理经济的应用[2]。同时混合器与燃烧室之间极短的距离还增强了发动机的瞬态响应，加速或减速时都能迅速响应，操纵性能良好。

节气门、混合器和进气管形成了悬臂，为了避免悬臂产生大幅振动，可在进气管上安装节气门支架。节气门支架的一端固定在进气管的相应安装孔上，另一端与节气门连接并支撑节气门。通过将悬臂支撑起来避免了大幅振动产生，有效地保护了进气装置。

天然气发动机工作时，一般情况下防喘振阀处于常闭状态，增压器压气机增压前管路和增压器压气机增压后管路之间不导通，空气在增压器压气机内增压，由增压器压气机增压前管路进入增压器压气机增压后管路，然后通过节气门进入混合器与可燃气体混合，最后混合后的气体通过进气管进入燃烧室实现天然气发动机的工作。当发动机高速运转且节气门趋于关闭时，防喘振阀导通，增压器压气机增压前管路和增压器压气机增压后管路之间导通，气体能够通过管路连接管从高压的区域流向低压的区域，而不是在两区域内往复地流动，实现管路内各处压力的平衡。由于在两个管路内的压力平衡，就不会出现气体被激励产生低频高振幅的压力脉动和气流震荡现象，进而有效地防止喘振的发生。

三、结论

新开发的进气装置有效避免了气体发动机的进气波动，减小了对发动机性能和排放的影响。安装有此种进气装置的天然气发动机通过了试验台架的验证，已经批量生产并得到市场的良好反馈，能满足新一代高功率、低排放气体发动机的设计要求。