电控组合泵在柴油引燃天然气发动机中的应用试验

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
【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.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2016(000)004
【总页数】3页(P97-99)
【关键词】电控组合泵;天然气发动机;低油耗
【作者】刘庆雷;赵婷婷
【作者单位】胜利油田胜利动力机械集团有限公司,东营 257032;山东省内燃机研究所,济南 250014
【正文语种】中文
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。

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。

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。

3.1 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。

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。

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。

（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。

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。

【相关文献】
［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.。