天然氣-柴油兩用燃料發動機

天然氣-柴油兩用燃料發動機同時使用天然氣和柴油兩種燃料。按照天然氣燃料的供給方式，天然氣-柴油兩用燃料發動機可分為天然氣進氣道供給和天然氣缸內直接噴射兩種。天然氣經由進氣道供給的兩用燃料發動機較為常見，而採用缸內直接噴射方式則有很大的困難，因而實際套用很少。

基本介紹

• 中文名：天然氣-柴油兩用燃料發動機
• 領域：汽車

背景

雙燃料天然氣發動機大部分就是傳統柴油機的另一種工作模式，不改變原發動機的壓縮比，與兩用燃料發動機相比，雙燃料發動機使用更加靈活，不必對發動機進行大的改動。其工作原理主要是利用少量引燃柴油噴入氣缸，待其壓縮點燃後引燃噴入氣缸的天然氣和空氣的混合氣。

這種發動機既能以天然氣/柴油雙燃料方式工作，也能以純柴油方式工作，雙燃料發動機可以將天然氣的優勢與柴油機的高燃油效率相結合。雙燃料發動機經濟性好，兩種燃料可按合理的配比燃燒，在保證發動機功率和轉速的同時，又可以很好地避免氣體燃料和液體燃料在設計上的衝突而且廢氣排放低，顆粒物排放少。根據引燃油量的多少，天然氣/柴油雙燃料發動機可分為常規天然氣/柴油發動機和微引燃天然氣發動機。

研究現狀

國內某高校對天然氣/柴油雙燃料發動機進行了研究。對某直列6缸水冷發動機改裝成天然氣/柴油雙燃料發動機。在驗證了雙燃料發動機可行性的基礎上，該項目組設計一組實驗提出了雙燃料發動機燃料供給控制的要求：在低、高速時，因扭矩隨轉速上升而下降不夠陡，必須對天然氣供給系統進行調速；在外特性低中速端上必須限制天然氣量；在外特性高速端上必須對引燃柴油量實現增量補償，以滿足高速全負荷要求。同時也提出了機械控制和電子控制兩種基本燃料控制方法，並分析了兩種控制方法的優缺點。

根據試驗結果得出非電控雙燃料發動機速度特性近似於等功率曲線，故無法實現原柴油機的外特性曲線，因此，必須對柴油或天然氣補償，而採用電子控制技術能夠解決這個問題。最後設計了如圖 1 的機電混合控制方案，對柴油電控，對天然氣不採用電控。

圖 1 機電混合式調速器結構

結構及工作原理

燃料供給系統是雙燃料發動機最重要的部分，燃料供給系統控制的精確與否關係到發動機的工作穩定性、動力性、排放、經濟性等各項指標，是雙燃料發動機關鍵技術之一。

雙燃料發動機的燃料供給系統包括原柴油供給系統、天然氣供給系統和燃料供給控制系統。柴油供給系統基本上和原柴油機的供給系統相差不大，只在噴油泵調速手柄控制採用了電機控制，代替原來的機械連線控制，當雙燃料發動機不燃燒天然氣時發動機以純柴油狀態工作。天然氣供給系統的作用是當發動機工作在雙燃料模式時根據發動機不同工況回響控制策略，控制天然氣的供給量。燃料控制系統是協調柴油供給系統和天然氣供給系統使發動機工作在最佳狀態以獲得最好的經濟性、動力性和排放。

工作原理

圖 2 為雙燃料發動機的燃料供給系統在發動機上的布置結構。

圖 2雙燃料發動機結構

可以看出，上部分為天然氣供給路線，其中通過控制噴氣閥中電磁閥的通斷時間來控制液化天然氣的流量，混合器安裝在渦輪增壓中冷之後，在進氣歧管之前，這個雙燃料發動機採用進氣管預混合進氣方式向發動機提供工作時所需要的天然氣與空氣混合氣。以噴油泵為主的原機柴油噴射系統向發動機供給每循環燃燒所需要的柴油引燃量，從圖中我們可以看出是通過直流電機驅動調節噴油泵調速手柄位置來調節柴油引燃量。引燃柴油在活塞運動到上止點附近時經噴油泵高壓噴射進入缸內，在缸內逐步擴散和霧化，經過短暫的滯燃期後著火，著火的引燃柴油再將天然氣和空氣的混合氣點燃。由於引燃柴油在缸內分布範圍大，因此能夠比火花塞更可靠的點燃混合氣，這一引燃方式從而使發動機的燃油效率比火花塞點火式發動機高出30%~40%。

柴油供給系統

柴油供給系統基本上與原柴油機供給系統無異。圖 3為柴油供供給系統結構原理。噴油泵由柴油機曲軸的定時齒輪驅動，噴油泵的轉速為發動機轉速的一半。噴油泵的噴油器工作順序與發動機工作順序對應為 1-5-3-6-2-4。噴油泵的凸輪軸凸輪帶動柱塞循環運動，每當噴油器前端的油壓達到17.5MPa時噴油器開啟，此時發動機對應缸的活塞運動到上止點附近，柴油噴入氣缸中。

圖3 柴油噴射系統

天然氣供給系統

液化天然氣供供給系統主要由氣瓶、高壓電磁閥、水浴式汽化器、緩衝罐、天然氣減壓器、分配器、混合器等組成。圖4為天然氣供給流程。

圖4為天然氣供給流程

液態的天然氣經汽化室之後變為氣態，在此過程中要吸收熱量，因此必須向汽化室提供循環的加熱水，防止汽化室凍裂。

性能分析

天然氣/柴油雙燃料發動機是指氣缸內的氣體燃料通過噴入少量柴油經壓燃後引燃（即採用柴油引燃方式）的發動機，也就是說發動機在工作的時候要用兩種燃料，當氣體燃料短缺時發動機仍然可以燃用純柴油運行。

對於這種發動機，由柴油機改裝而成，改裝工作量不大，發動機基本不做改動，只需增加天然氣供給系統，並對柴油油泵供油齒桿進行限位即可，特別適合於我國發動機改裝。

研究表明，雙燃料發動機與原柴油機的性能有所不同：

①對於動力性，在大負荷工況下，柴油機為避免在等於或者接近化學當量空燃比情況下，由於不完全燃燒而產生過度的碳煙，柴油機需要以過量的空氣運行。發動機燃用雙燃料時，儘管天然氣在進氣時擠掉了部分容積的空氣量，但在發動機工作範圍內仍有供雙燃料全功率輸出的足夠空氣量，所以發動機燃用雙燃料時，控制天然氣進氣量使其接近爆燃極限，動力性可超過燃用柴油。在小負荷時，發動機燃用雙燃料時的動力性比燃用柴油時差，其主要原因一方面是天然氣的燃燒速度慢，著火延遲期較長；另一方面是小負荷時天然氣/空氣混合比接近於它的可燃下限，有相當數量的天然氣未能燃燒。此時，增加柴油量可提高發動機的性能，增加進氣溫度或者節流進氣以供給較濃混合氣可獲得較好的效果。

②對於燃油經濟性，大負荷時，由於燃燒效率提高，雙燃料的燃料消耗低於純柴油。在小負荷時，發動機燃用雙燃料的經濟性變差，主要原因是天然氣混合氣過稀，不能完全燃燒。增加柴油量、或增加進氣溫度、或節流進氣以供給較濃混合氣可獲得較好的效果。

③雙燃料發動機與原柴油機相比，隨著天然氣比例的增大，雙燃料發動機可有效的降低碳煙和氮氧化物的排放，但同時 HC 和 CO 的排放增加，因此有必要採取其它措施減少 HC 和CO的排放。

④雙燃料發動機在中小負荷下，由於天然氣的燃燒速度慢，燃燒噪聲比燃用柴油機小。大負荷下，因氣體燃料有輕微爆燃，故燃燒噪聲比柴油機大。另外，雙燃料發動機的排氣溫度都比柴油機低，這是由於天然氣的燃燒溫度較低的緣故。