天然氣發(fā)動機技術(shù)發(fā)展綜述

天然氣發(fā)動機技術(shù)發(fā)展綜述

噴射式混合器控制方式對于天然氣發(fā)動機，天然氣的能源供應(yīng)和控制系統(tǒng)通常經(jīng)歷了混合器的機械控制、混合器的機電控制、電壓控制的點噴霧法和電壓控制的點噴霧法。采用不同的燃料供給與控制系統(tǒng),發(fā)動機的性能差別很顯著,尤其是排放性能明顯不同。1.火洗機燃料目前,多數(shù)天然氣發(fā)動機采用電火花點火的方式,與傳統(tǒng)汽油機相比,其具有排放低、燃料經(jīng)濟性好以及運轉(zhuǎn)柔和、噪音小等優(yōu)點。(1)電控混合器式天然氣控制系統(tǒng)目前,國內(nèi)設(shè)計改裝的天然氣發(fā)動機多數(shù)采用已定型的汽油機,基本還保留原汽油機的燃料供給系統(tǒng),既可以燃用汽油,又可以燃用天然氣,通常稱作汽油—天然氣兩用燃料發(fā)動機。天然氣燃料供給與控制系統(tǒng)的技術(shù)水平一般和原汽油機的燃料系統(tǒng)相一致。在以化油器式汽油機為基礎(chǔ)的兩用燃料天然氣發(fā)動機上,采用混合器式機械系統(tǒng)控制天然氣的供給,即利用混合器前后的壓力差來控制天然氣供給量,并使天然氣以一定的比例與空氣在混合器中混合形成可燃混合氣,然后分配到各個氣缸。該系統(tǒng)比較簡單、成本低,容易改裝,在用車改裝后排放性能有明顯改善。其明顯不足之處有:①安裝混合器會降低發(fā)動機充氣效率,因而降低了發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性能。例如,汽車使用天然氣時,發(fā)動機的最大功率和最大扭矩比原汽油機降低的幅度一般在15%～25%之間,對汽車的加速性能和最高車速都有明顯的影響。②系統(tǒng)對天然氣供給量的控制精度不高,不能準(zhǔn)確地控制空燃比,發(fā)動機排放性能不能滿足較高要求的法規(guī)。采用電控混合器式天然氣控制系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)的控制精度和發(fā)動機的排放性能。圖1所示為增加了三元催化器的電控混合器系統(tǒng)。該系統(tǒng)以排氣中的氧氣濃度作為反饋信號對空燃比進行控制,使三元催化器的凈化效率保持在較高的水平。采用該系統(tǒng)的天然氣汽車的排放性能可以達到歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)。目前,國內(nèi)的兩用燃料天然氣發(fā)動機以機械式系統(tǒng)為主,并逐漸出現(xiàn)有電控混合器式控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)在歐美市場基本淘汰,而代之以電控方式的天然氣供給系統(tǒng)。如美國的IMPCO、ANGI、BKM及荷蘭的DELTEC公司等都開發(fā)了電控系統(tǒng)。由于汽油—天然氣兩用燃料發(fā)動機是在原汽油機的基礎(chǔ)上設(shè)計改裝成的,因而對天然氣而言,發(fā)動機結(jié)構(gòu)與參數(shù)往往并不是最佳的,如壓縮比、進排氣道、燃燒室型式及點火系統(tǒng)等基本沒有進行相對于天然氣的最優(yōu)調(diào)整與設(shè)計。因而,汽車使用天然氣時,發(fā)動機的工作過程并非最佳。(2)點火懸架的新技術(shù)兩用天然氣發(fā)動機不能夠充分發(fā)揮天然氣作為汽車燃料的優(yōu)越性,因而很多公司開發(fā)生產(chǎn)了天然氣專用發(fā)動機,即單燃料天然氣發(fā)動機。單燃料天然氣發(fā)動機的開發(fā)通常需要優(yōu)化設(shè)計發(fā)動機的燃燒系統(tǒng),增強缸內(nèi)擠流和紊流,提高天然氣的燃燒速度。采用高能點火系統(tǒng),調(diào)整點火參數(shù),也有助于提高燃燒效率。發(fā)動機的壓縮比也需要進行調(diào)整,通?？梢蕴岣叩?2左右。對于進排氣系統(tǒng),需要優(yōu)化設(shè)計配氣機構(gòu),提高天然氣發(fā)動機的充氣效率。由于天然氣發(fā)動機的排氣中甲烷含量多,排氣溫度高,需要使用專用的催化凈化器。通過上述優(yōu)化設(shè)計和改進后,單燃料天然氣發(fā)動機與兩用天然氣發(fā)動機使用天然氣時在性能上有很大的提高。由于混合器會造成較大的節(jié)流損失,天然氣電控多點噴射成為當(dāng)今天然氣發(fā)動機的發(fā)展趨勢。日本本田公司推出了動力性能堪與同型汽油機相媲美的CIVICGX小型CNGV的專用發(fā)動機。該發(fā)動機采用了以下技術(shù):1)天然氣采用電控進氣口多點順序噴射系統(tǒng)控制。高壓天然氣經(jīng)過減壓到255kPa供給噴射器,噴射壓力變化幅度由調(diào)壓器控制在22kPa以內(nèi),并用壓力傳感器和溫度傳感器測量天然氣的狀態(tài),ECU對天然氣噴射量作出相應(yīng)的修正,保證空燃比的控制精度;2)設(shè)計了專用的天然氣噴射器,確保約為汽油噴射流量770倍的天然氣高噴射量和適應(yīng)無潤滑及冷卻條件差的工作環(huán)境;3)采用可變氣門定時和可變氣門升程的電子控制技術(shù),使發(fā)動機在整個運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有很高的充氣效率;4)壓縮比從9.4增加到12.5,提高了發(fā)動機的功率和燃料經(jīng)濟性;5)改進火花點火系統(tǒng)設(shè)計,提高了點火能量;6)采用緊接排氣歧管的天然氣發(fā)動機專用600孔基體催化器。另外,為增強發(fā)動機的可靠性,改進了缸墊、活塞、活塞銷、連桿和氣門等部件,采用耐高溫耐磨耐腐蝕的材料。該天然氣發(fā)動機的最大功率比基型汽油機高出6.6kW,其排放性能可以滿足美國加州超低排放汽車(ULEV)排放標(biāo)準(zhǔn)。國外也有很多火花點火單燃料天然氣發(fā)動機是以柴油機為基礎(chǔ)生產(chǎn)的,如依維柯8820及8460TC型、康明斯的B5.9-195G型、日本的4BE1型、卡特彼勒3306型及福特380型等單燃料天然氣發(fā)動機,其中很多渦輪增壓機型的改裝設(shè)計也很成功。將柴油機設(shè)計成火花點火天然氣發(fā)動機時,必須降低壓縮比。渦輪增壓柴油機改造時,需要對進排氣系統(tǒng)配氣相位作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,減少掃氣過程的燃料損失。另外,天然氣發(fā)動機由原柴油機的質(zhì)調(diào)節(jié)變?yōu)榱空{(diào)節(jié)后,進氣管內(nèi)真空度增大,氣門組件等處應(yīng)采取防漏措施。對于大缸徑柴油機的設(shè)計,為提高熱效率、減少后燃及爆震的傾向,除了采用高能點火系統(tǒng)外,應(yīng)當(dāng)采取雙火花塞點火技術(shù),以減少火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x,縮短燃燒持續(xù)期。2.雙燃料發(fā)動機—壓燃天然氣發(fā)動機壓燃天然氣發(fā)動機即所謂的雙燃料發(fā)動機。通常,對于混合器式或進氣口噴射式雙燃料發(fā)動機,在進氣閥關(guān)閉之前,混合氣已經(jīng)形成并被吸入氣缸,接近壓縮上止點時,噴入少量的柴油,在高溫作用下自燃,并引燃天然氣與空氣的預(yù)混合氣。由于引燃燃料自燃提供了廣泛的多個高能量的點火源,使天然氣與空氣預(yù)混合氣能夠可靠著火并迅速燃燒。因而,雙燃料發(fā)動機可以采用比火花點火式天然氣發(fā)動機更高的壓縮比,產(chǎn)生較高的有效平均指示壓力,而且能夠在高效率下燃燒比較稀的混合氣。所以,雙燃料天然氣發(fā)動機具有和原柴油機相當(dāng)?shù)膭恿π阅芎蜔嵝?。由于雙燃料發(fā)動機以天然氣的預(yù)混合燃燒為主,引燃柴油量少,雙燃料發(fā)動機顆粒排放物少,容易達到無可見煙排放性能指標(biāo)。根據(jù)引燃油量的多少,柴油—天然氣雙燃料發(fā)動機可分為常規(guī)柴油—天然氣雙燃料發(fā)動機和微引燃天然氣發(fā)動機。(1)燃油系統(tǒng)優(yōu)化及排放控制常規(guī)雙燃料天然氣發(fā)動機一般是在已經(jīng)定型的柴油機或在用車用柴油機的基礎(chǔ)上設(shè)計的,其仍然使用原有的噴油系統(tǒng),噴油系統(tǒng)由機械控制改成機電控制式,即在機械式噴油系統(tǒng)上增加油量機電控制機構(gòu)。天然氣的供給與控制可以采用混合器式、電控混合器式或者多點噴射式系統(tǒng)。發(fā)動機運行時,根據(jù)負(fù)荷的變化,對引燃油量和天然氣供給量按照一定的模式進行協(xié)調(diào)控制。為了盡量降低雙燃料發(fā)動機的微粒排放,雙燃料發(fā)動機應(yīng)具有較高的燃油替代率,即盡量降低引燃油量。從點火能量方面考慮,不超過滿負(fù)荷能量1%的引燃柴油就足以點燃缸內(nèi)的可燃混合氣。但常規(guī)天然氣—柴油雙燃料發(fā)動機使用原柴油機的噴油系統(tǒng),受噴油器最大噴油量與最小噴油量之比的制約,通常最小引燃油量大于最大油量的5%～10%。低于最小噴油量時,會出現(xiàn)燃油噴束貫穿距縮短、噴霧質(zhì)量惡化、噴油器冷卻不良、各缸供油量均勻性差的現(xiàn)象,致使燃燒不正常,而嚴(yán)重影響發(fā)動機的性能。常規(guī)雙燃料發(fā)動機的一個技術(shù)難點在于中小負(fù)荷時較高的THC排放以及較低的有效熱效率,主要原因在于缸內(nèi)混合氣空燃比過大,難以得到較高的燃料利用率,即使使用微引燃技術(shù)和預(yù)燃室設(shè)計的發(fā)動機,也同樣存在該問題。解決該問題比較有效的技術(shù)措施有:①在中小負(fù)荷時使用100%的柴油工作;②對進氣空氣節(jié)流,增加殘余廢氣系數(shù),降低過量空氣系數(shù),同時保證最高壓縮溫度足以維持混合氣的有效燃燒;③停缸技術(shù),即部分氣缸供給天然氣,而停止其余氣缸的天然氣供給;④可變氣門定時與氣門升程;⑤可變幾何截面渦輪增壓技術(shù);⑥增壓空氣旁通技術(shù)。天津大學(xué)和杭州汽車發(fā)動機廠合作采用停缸技術(shù)較好地解決了雙燃料天然氣發(fā)動機中小負(fù)荷運轉(zhuǎn)性能不良的問題,圖2所示為其系統(tǒng)簡圖。該系統(tǒng)采用電控多點順序噴射系統(tǒng)控制天然氣的供給,而柴油噴射量的調(diào)節(jié)則通過比例電磁閥調(diào)節(jié)油泵齒條位置而實現(xiàn)。發(fā)動機仍然采用原機的噴油器,為保證噴油霧化良好及噴油器自潔和冷卻需要,柴油噴射量為全油量的10%～15%。在中小負(fù)荷時,ECU根據(jù)燃料控制MAP圖采用隨機法停缸策略停止向個別氣缸供給天然氣,相應(yīng)地使其它“工作氣缸”工作在優(yōu)化的過量空氣系數(shù)條件下,而各缸的柴油供給量保持不變。該雙燃料發(fā)動機十三工況的NOX和顆粒排放達到了歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)要求,但CO和HC(含甲烷)排放較高,超出了歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)值。(2)燃油噴射系統(tǒng)為了降低尾氣排放、提高柴油替代率,應(yīng)在獲得良好的噴射特性和燃燒特性的基礎(chǔ)上,盡可能地減小引燃柴油量。通過電控微引燃系統(tǒng)代替原來的燃料噴射系統(tǒng),使用專門設(shè)計的微引燃噴射器,將引燃油量減到不到純柴油滿負(fù)荷運行時油量的1%,而能夠?qū)崿F(xiàn)良好的噴射和霧化,且能獲得良好的引燃性能。比較典型的微引燃天然氣發(fā)動機是美國BKM公司以NavistarDT466型7.6升增壓中冷柴油機為基礎(chǔ)開發(fā)的。該發(fā)動機采用電控共軌引燃油噴射系統(tǒng),Servojet電液控制噴油器增壓比為4∶1,引燃油量為1ml。對天然氣控制,采用進氣口多點順序噴射。為改善雙燃料發(fā)動機存在中小負(fù)荷運轉(zhuǎn)性能不良問題,采用了停缸、增壓空氣旁通、EGR、引燃油噴射可變定時等技術(shù)。該發(fā)動機的柴油替代率在整個運行工況范圍達到95%,十三工況排放符合美國加州ULEV排放標(biāo)準(zhǔn)。另外,該發(fā)動機具有良好的雙燃料起動性能。國外天然氣汽車發(fā)展現(xiàn)狀目前,提高發(fā)動機功率及其熱效率,進一步降低排放水平,以及實現(xiàn)整車的優(yōu)化匹配技術(shù)是天然氣汽車推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。近幾年來,國外天然氣汽車發(fā)展比較迅速,特別是不斷采用先進技術(shù),使天然氣汽車不論在動力性和經(jīng)濟性方面都有顯著的提高。天然氣汽車技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)趨勢是電控噴氣技術(shù)、進氣增壓技術(shù)、稀薄燃燒技術(shù)、新型催化劑和催化技術(shù)、天然氣高壓缸內(nèi)直噴及其燃燒技術(shù)等。其中,由于采用天然氣缸內(nèi)直噴技術(shù),可以大大提高發(fā)動機的充氣效率、提高熱效率,因而在國內(nèi)外都進行了不同程度的開發(fā)研究。(1)天然氣高壓采用高壓回路可實現(xiàn)排放根據(jù)天然氣噴射壓力高低,缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機可以分為低壓噴射和高壓噴射兩種。低壓噴射天然氣發(fā)動機是在進氣閥關(guān)閉后,將天然氣噴入氣缸,在著火之前形成均質(zhì)的預(yù)混合氣并采用電火花點火或噴入少量引燃油使混合氣燃燒。由于天然氣是在進氣閥關(guān)閉后噴射,因而噴射壓力比較低,通常在0.2MPa到1MPa之間。采用缸內(nèi)直噴后,提高了發(fā)動機的有效充氣效率,因而發(fā)動機的最大功率提高了9%左右。但是,低壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機的燃燒過程類似于火花點火天然氣發(fā)動機,因而發(fā)動機的壓縮比比較低,限制熱效率進一步提高。另外,由于仍然需要采用節(jié)氣門通過節(jié)流作用調(diào)節(jié)發(fā)動機的充量,在中小負(fù)荷節(jié)流損失大。天然氣高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)是在壓縮上止點前用高壓方式噴入天然氣,通過噴入的微量柴油引燃或電熱塞助燃天然氣,實現(xiàn)天然氣的非均質(zhì)混合氣擴散燃燒,因而能夠很好地解決低壓缸內(nèi)直噴和缸外供給天然氣發(fā)動機存在動力性差、熱效率不高及中小負(fù)荷性能不良等問題。采用天然氣高壓缸內(nèi)直噴技術(shù),發(fā)動機不需要節(jié)氣門,因而不存在節(jié)氣門節(jié)流損失及因天然氣引起的容積效率損失。由于以天然氣的燃燒為主,因而具有無可見煙度排放;同時采用擴散燃燒方式,可具有與柴油機相當(dāng)?shù)腃O和HC排放性能。加拿大BritishColumbia大學(xué)和WestportResearch公司聯(lián)合開發(fā)了天然氣高壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng),其特點是引燃油和天然氣共用一個噴射器(見圖3)。按燃料能量計算,引燃油量為滿負(fù)荷時燃料總能量的5%。采用該技術(shù)對DDC6V-92發(fā)動機改裝后,熱效率比原柴油機提高了5%,NOX排放降低60%,HC排放低于原柴油機。美國西南研究所開發(fā)的微引燃高壓直噴系統(tǒng)中,引燃油和天然氣各使用一個噴射器。在壓縮行程上止點前,先噴入引燃油,并在高溫下著火,引燃隨后高壓噴入的天然氣,天然氣一邊與空氣混合一邊燃燒。引燃油能量占發(fā)動機滿負(fù)荷燃料總能量的1%到10%。天然氣噴射器采用液壓驅(qū)動電子控制,噴射壓力19MPa。(2)天然氣發(fā)動機專用催化轉(zhuǎn)化器及催化劑對天然氣發(fā)動機而言,要實現(xiàn)低排放和超低排放,可采取兩種措施:①采用電控技術(shù),使進入發(fā)動機缸內(nèi)的混合氣為當(dāng)量空燃比,排氣后處理采用三效催化轉(zhuǎn)化器,這一技術(shù)為電控噴射天然氣轎車發(fā)動機和輕型客車用發(fā)動機所普遍采用;②稀薄燃燒加氧化催化轉(zhuǎn)化器排氣后處理技術(shù),目前這一技術(shù)在大型公交車用柴油機改為單一燃料的天然氣發(fā)動機時較多采用,例如美國康明斯公司在將其B5.9柴油機改為單一燃料的天然氣發(fā)動機時就采用這一技術(shù)方案。因此,天然氣發(fā)動機專用催化轉(zhuǎn)化器包括三效催化轉(zhuǎn)化器和氧化催化轉(zhuǎn)化器兩種。與常規(guī)汽油機的排放不同的是,天然氣發(fā)動機的THC