双燃料发动机技术研究综述_梁昱

第3卷　第3期 贵阳学院学报(自然科学版)　(季刊)　V o l .3　N o .3J O U R N A L O F G U I Y A N GC O L L E G E2008年8月N a t u r a l S c i e n c e s (Q u a r t e r l y )A u g .2008双燃料发动机技术研究综述梁　昱,周立迎(贵阳学院机电系,贵州贵阳　550005)摘　要:气体燃料发动机的主要特点是缓解能源危机和降低有害物排放,按使用燃料的特点可分为单一燃料、两用燃料和双燃料发动机。

双燃料发动机是气体燃料使用的主要方式,综述了国内外双燃料发动机技术的研究进展和现状。

分析表明:研究生物制气-柴油双燃料发动机的燃烧和排放特性有重要的理论意义和实际价值。

关键词:气体燃料发动机;双燃料发动机;燃油电喷技术中图分类号:T K 434.6+4 文献标识码:A 文章编号:1673-6125(2008)03-0018-06AR e v i e wo f R e s e a r c h i n g t h e Mo t o r Wi t h T w o F u e l sL I A N GY u Z H O UL i -y i n g(M e c h a n i c s D e p a r t m e n t ,G u i y a n g U n i v e r s i t y ,G u i y a n g G u i z h o u 550005,C h i n a )A b s t r a c t :T h e m o t o r f e a t u r e s i ns o l v i n g t h e e n e r g yc r i s i s a n dr e d u c i n g t h ee x h a u s t i o no f h a r m f u l g a s .M o t o r s a r e d i v i d e di n t o s i n g l e f u e l m o t o r ,t w o f u e l m o t o r a n d d u a l f u e l m o t o r a c c o r d i n g t h e f u e l c h a r a c -t e r i s t i c s .D u a l f u e l m o t o r m a i n l y u s e g a s f u e l .T h r o u g h t h e r e v i e wo f t h e f u e l m o t o r t e c h n o l o g y d e v e l o p -m e n t a n d i t s p r e s e n t c o n d i t i o n ,t h er e s e a r c hi n d i c a t e s t h a t i t i s o f s i g n i f i c a n c eb o t hi nt h e o r ya n di n p r a c t i c e t o s t u d y t h e b u r n i n g a n de m i s s i o n o f b i o l o g i c a l g a s -d i e s e l d u a l m o t o r .K e yw o r d s :g a s e n g i n e ;d u a l -f u e l e n g i n e ;t e c h n o l o g y1　气体燃料发动机以可燃气体为燃料的内燃机统称为气体燃料发动机。

天然气、石油气、煤气、甲烷、氢气、沼气和生物制气等多种气体均可作为气体燃料发动机的燃料。

1860年l e n -i o r 制成世界上最早的以煤气为燃料的气体燃料发动机,表明人们在使用液体燃料之前,就通过实践证明了各种成分的可燃气体—18—＊收稿日期:2008-03-14基金项目:贵州省教育厅自然科学研究项目资助(2007062);贵阳学院院级课题(2007018理)作者简介:梁　昱(1977-),男,湖南长沙人,贵阳学院机电系讲师;周立迎(1978-),女,湖南涟源人,贵阳学院机电系讲师。

同样可以作为发动机的燃料。

1908年,我国上海均和安机器厂制造出了我国首台以煤气为燃料的内燃机。

20世纪30年代,在意大利、俄罗斯、荷兰等天然气储存和产量较大的国家中开始发展压缩天然气(C N G, C o m p r e s s e d N a t u r a lG a s)和液化石油气(L P G,L i q u e f i e d P e t r o l e u m G a s)汽车及发动机。

进入20世纪80年代后,气体燃料发动机的研究与开发异常活跃,气体燃料发动机的应用技术、燃烧机理和燃烧过程优化成为研究的热点。

巨大的市场前景还吸引了G M、D e u t z、B e n z、H o n d a、D e t o r i t、T o y o t a、C a t-e r p i l l a r、C u m m i n s等众多知名的发动机和汽车制造厂商都参与到此领域的研究。

1.1　气体燃料发动机的特点使用气体燃料除了能替代石油燃料缓解能源危机,降低石油燃料对环境造成的污染外还具有以下特点:1.1.1　由于气体燃料的使用,使得气缸内积碳减少,减小发动机磨损,从而延长了发动机的寿命;1.1.2　与使用液体燃料不同,不需要精密的喷油设备或雾化装置;1.1.3　能与空气很好的混合,各缸间分配较均匀,并能进行较充分的燃烧,有利于组织稀混合气的燃烧;1.1.4　形成混合气时,气体燃料占有一定的体积,减小了进入气缸的新鲜空气量,对发动机的动力性有不利的影响;1.1.5　由于气体燃料的成分、气量及压力不稳定,需对混合气的调节控制系统进行精心的设计。

1.2　气体燃料发动机的分类气体燃料发动机按其使用燃料的特点分为:2.1.1　单一气体燃料发动机专门针对一种气体燃料的特性而设计制造的专用发动机,可以最大限度的发挥气体燃料的优势,多用于气源供应充足的固定场所,如油田电站,气源供应稳定的城市公交车辆,中大型生物制气发电站等。

2.1.2　两用燃料发动机同时兼顾液体燃料与气体燃料的特点,即可单独使用液体燃料也可单独使用气体燃料。

两用燃料发动机可以方便的由现有的火花点火汽油发动机改造而实现,例如汽油-L P G或汽油-C N G等,这对于气体燃料供气系统未形成网络的地区使用两用燃料发动机尤为重要。

2.1.3　双燃料发动机可以同时使用气体燃料与液体燃料,例如柴油-C N G,柴油-L P G和柴油-生物制气等。

这种发动机以少量的柴油引燃进入气缸的气体燃料。

气体燃料发动机按其混合物的着火方式可分为两类:1.2.3.1　点燃式单一气体燃料发动机和两用燃料发动机,由点火系统的火花塞点燃。

在将柴油机改装为单一气体燃料发动机时,需要增加点火系统,并同时降低压缩比,避免气体燃烧时产生爆燃现象。

1.2.3.2　压燃式可燃气与空气进入气缸后在压缩阶段均匀混合,混合气依靠喷入气缸的少量柴油自燃放出的热量引燃。

双燃料发动机根据工况按比例调节引燃油量和进气量,也可单独使用柴油。

与点燃式发动机相比,压燃式双燃料发动机具有以下优点:第一,保持了柴油机的高压缩比,热效率高,燃料经济性好;第二,引燃柴油所释放的能量大大高于火花点火的能量,有利于保证气体燃料着火稳定,避免失火,双燃料发动机的循环变动也较点燃式发动机小;第三,引燃柴油可形成多个点火源,加快气体燃料的火焰传播速度,提高动力性,能够在较宽的空燃比范围内工作,可实现较稀薄的燃烧;第四,柴油机结构的改动小,各部件与原机型之间具有良好的互换性,从而降低了制造和配套成本,使用和维修比较方便;第五,可双燃料运行,也可在气体燃料成本较高或短缺时纯柴油工作。

—19—2　双燃料发动机双燃料发动机作为气体燃料发动机的一类,是随着气体燃料的使用而发展起来的。

双燃料发动机的研究始于20世纪初,由于当时石油燃料与气体燃料价格相当,环境问题未引起充分重视,加上在使用气体燃料时发动机在小负荷及全负荷工况难以运行,早期的研究未能取得商业性成果。

20世纪后期,为降低排放,缓解石油能源紧张的局面,气体燃料受到了世界各国的重视和推广,双燃料发动机技术不断完善。

2.1　双燃料发动机技术研究进展在初期的研究中,E l l i o t t和D a v i s利用改装的直喷柴油机实现了天然气和柴油的混烧。

L e w i s在一台单缸直喷柴油机上进行了较为系统的研究,通过进气预热和改变喷油定时来改善双燃料发动机在部分负荷时的燃油经济性。

针对双燃料发动机在高负荷工况容易发生爆震的问题,F e l t、K a r i m和O n e a l等人进行了较为深入的研究,分析了各种运转参数对爆震的影响和爆震极限输出功率。

S i m o n s o n和M o o r e等人在预燃式柴油机上试验了天然气和柴油的混烧,研究了不同工况的排放和燃油经济性。

随后,国内外许多学者针对双燃料发动机的混合气控制、燃气供气量调节与控制、引燃油比例、中小负荷工况工作稳定性、油气切换、调速特性、爆震、增压等许多方面做了大量的试验和理论研究。

早期的研究中双燃料发动机大多数都是采用机械式燃料供给装置,即在进气总管上或者在缸盖气道内安装混合器将气体燃料掺混到空气中作为进气充量进入气缸,利用进气冲程时气缸的抽吸作用,进气管道内的气流流动形成的真空度来抽吸气体燃料,其中混合器具有混合气量控制及空燃比控制两项功能。

改装后的双燃料发动机的动力性与原机相差不大,但气体燃料对柴油的替代率偏低,废气排放的H C和C O浓度较高,不过由于供气装置简单,对原机的改动很小,现在应用仍较广泛。

随着燃油电喷技术的发展,电子控制也同时应用在气体燃料的供给系统中,相继出现了单点喷射式、多点喷射式和缸内直喷式双燃料发动机。

电控单点喷射式双燃料发动机,即在进气总管上安装电控混合器或气体燃料喷射阀,并采集转速、冷却水温度、进气管压力等信号作为燃料供给量的判据。

美国的C a t-e r p i l l a r3208型柴油/C N G双燃料发动机就是典型的电控混合器式双燃料发动机,整个系统由天然气供给系统、柴油限制机构和电子控制系统组成[1]。

电控单元根据油门踏板位置、发动机转速、冷却水温等状态参数,确定柴油喷射泵齿杆和天然气流量控制阀的位置,进而控制引燃油量和天然气的流量。

单点喷射式双燃料发动机可灵活的调整气体燃料、引燃柴油的喷射时刻和喷射量,因而比起机械式控制,更能满足双燃料发动机在不同的工况下空燃比的控制要求。