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小型柴油机改装为双燃料发动机的燃气供给系统设计

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要 : 针对单缸柴油机 , 选取天然气与空气的混合方式为进气管预混合方式 , 进而设计出了双燃料发
动机的燃气供给系统 。并根据所选单缸柴油机的基本参数 , 对燃气供给系统的各个部件进行了详细的 设计、 计算与选型 。 关键词 : 双燃料发动机 中图分类号 : TK421 . 4 燃气供给系统 单缸柴油机 文章编号: 1671- 0630( 2009) 04- 0058- 03 文献标识码: A
作者简介 : 郑斌 ( 1982- ) , 男 , 讲师 , 硕士 , 研究方向为清洁燃烧与节能减排。
第 4期
郑斌: 小型柴油机改装为双燃料发动机的燃气供给系统设计
[ 6]
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器供气和进气喷射两种形式 。 采用气体燃料喷射技术能 达到较严格的 排放标 准。但对于双燃料发动机 , 若采用气体燃料喷射技术, 其喷油系统需要重新设计以满足双燃料发动机对小引 燃油量的要求。因此考虑到成本及改装复杂程度的要 求 , 本文选用进气管混合器供气方式 , 该方式的双燃料 发动机采用了原来的供油系统, 这样的双燃料发动机 改装简单, 成本较低, 工作量较小, 工作较为可靠, 且能 达到一定的排放要求 , 与现阶段我国的实际情况相符。 1 . 3 双燃料发动机燃气供给系统结构 燃气供给系统包 括天然气的储存、 调节和 供给。 混合器式供气系统的结构如图 1 所示。当打开阀门 2 时 , 气瓶中的天然气首先流过预热器 5 进行加热后, 来 到高压减压阀 6 减至适当的中压 , 在过滤器 7 中滤去 其它杂质, 再经过低压减压阀 8 减至所要求的压力, 最 后通过天然气流量控制阀 9 进入混合器 10 , 与空气混 合均匀后经进气道吸入气缸内, 被柴油引燃后燃烧作功。
2 . 5 天然气过滤器及开关阀 天然气过滤器及开关阀技术参数如下 : 公称压力: 1 . 0 M Pa ; 公称通径为 10mm; 电源电压: DC24V。装置 的功用是滤除高压减压后系统内的杂质 , 防止系统的 堵塞。此外 , 它还具有控制低压系统气路通断的功能。 2 . 6 天然气供气量控制阀 天然气供气量控制阀 ( 蝶阀 ) 是调 节供给发动机 天然气量的关键部件 , 它随驾驶员的加减 油 过程使 蝶阀的开度增大或减小 , 实现天然气供给量的调节来 保持发动机与外界负荷的平衡。其结构如图 4 所示。 2 . 7 混合器 混合器是将减压器输出的常压天然气和空气混合 形成可燃混合气的装置。混合器选取的是四川西恩基
第 38卷 第 4 期 2009年 8 月
小型 内燃 机 与摩 托车 S M ALL I NTERNA L COM BU STI ON ENG I NE A ND M OTO RCY CLE
V o. l 38 N o. 4 A ug. 2009
小型柴油机改装为双燃料发动机的燃气供给系统设计
郑 斌 山东 淄博 255049) ( 山东理工大学交通与车辆工程学院 摘
输出。整个机构中压力调节弹簧 6 的弹簧力 , 膜片 9 通过阀杆 11 作用在阀 12 上的力 , 平衡弹簧 13 作用于 阀 12 上的力 , 保持平衡。高压减压阀就是利用这 3 个 力之间的变化关系调节天然气通过能力 , 使天然气输 出压力保持恒定。 由于低压减压阀其设计过程、 工作原理与高压减 压阀基本相同, 结构相似, 因此本文不作详细介绍了。 低压减压阀主要设计参数如表 3 所示。
小
型
内
燃
机
与
摩
托
车
第 38 卷
图 4 天然气供气量控制阀结构图
图 3 高压减压阀结构示意图
有限公司生产的 CYTZ - 100 型比例式混合器, 其基本 参数为输入压力为 1 ~ 2kP a , 天然气进入混合器阀口 外径为 16mm, 内径为 8mm; 空气进入混合器阀口直径 为 60mm。 比例调节式混合器阀芯由两个关联的节流阀芯组 成 , 分别控制燃气和空气流通截面积。混合器工作时, 膜片感应到进气管真空度的变化, 带动阀芯上下移动, 改变燃气和空气流通截面积, 从而控制燃气和空气流 量 , 实现控制混合器的空燃比。
表 2 高 压减压阀主要参数 阀流 阀开 通面 启高 积/ 度 / mm
2
图 1 CNG 供给系统结构图
2 燃气供给系统零部件的设计与选型
2 . 1 天然气储气瓶 考虑到气瓶的容量与价格, 储气瓶选用的是现在 天然气汽车普遍使用的 WGA - 229I 型压缩天然气钢 瓶。该瓶 质量 为 65 . 1kg, 水 容 积 为 49 . 1L, 外 径 为 235mm, 高度为 1450mm, 工作压力为 20 M Pa 。 2 . 2 截止阀 储气瓶到减压阀之间应设置手动截止阀, 又称主气 阀。当天然气汽车因加气、 修理、 入库停车时, 用来截止 储气瓶到减压阀之间的气路联结。本文选用的是外螺 纹角式截止阀, 其型号为 JL 24H - 320 , 公称通径 6mm; 公称压力为 32 MP a ; 高为 160mm; 适用温度 - 30~ 50 。 2 . 3 预热器 由于天然气储存于高压容器中 , 在天然气的减压 过程中 , 其体积膨胀需吸收大量的热 , 这一效应会导致 整个天然气供气系统内高凝点气体凝结成冰状, 引起
系统的堵塞 , 无法正常供气。因此, 必须在天然气减压 前给其加热 , 提高温度 , 使高凝点气体不会降到凝结温 度之下 , 防止系统结冰堵塞。 天然气预热器设计中的主要参数如表 1 所示, 其 结构如图 2 所示。
表 1 预热器主要参数 天然 天然 气进 气出 口温 口温 度/ 度 / 水进 水出 口温 口温 度/ 度 / 天然 气流 量/ ( kg h- 1 ) 26 50 90 89 水流 量/ ( kg h
公称 直径 /mm
调节 弹簧 负荷 /N 4500
调节 弹簧 丝直 径/ mm 10
调节 弹簧 中径 / mm 50
膜片 厚度 /mm
加热 水腔 直径 /mm 10
流量 特性 偏差 /M P a
压力 特性 偏差 /M Pa
mm 3
113
15
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
-0. 1 -0. 005
高压减压阀是将高压气瓶输出的天然气减压到较 为安全的中压, 以降低对其后各机构和管路系统密封性 及零部件所需压力强度的要求。其结构如图 3所示。 进入高压减压阀的天然气通过阀 12 进入高压减 压阀的低压腔中 , 然后由高压减压阀右端的出口恒压
引言
发动机燃用天然气 /柴 油双燃料取代纯柴油是解 决能源短缺和降低排放污染的有 效措施之一。天然 气 /柴 油双燃料发动机保留原柴油机的全部装置和功 能 , 增加了燃气供给系统、 油气切换系统、 油气控制系 统 , 对发动机的改造较简单。用柴油作引燃燃料, 天然 气做主体燃料, 采用原柴油机压燃的工作方式 , 由柴油 着火引燃天然气。该发动机 同样能以纯柴油 方式工 作。这种双燃料发动机以其改装方便、 经济性好、 燃料 选用灵活、 热效率高以及排放性能好等优点在国内外 [ 1] 日益受到重视 。在天然气 /柴 油双燃料发动机的研 究和应用上 , 以天然气资源供应充 足的意大利、 加拿 大、 美国等国技术最为先进与成熟, 并出现了一些高水 [ 2~ 5] 平的双燃料发动机 。我国对双燃料发动机的研究 仍停留在以天然气对柴油的简单替代阶段 , 并未发挥 天然气作为发动机燃料的真正潜力。因此 , 开展对天
D esign on G as Supp ly System of the Dual Fuel Engine R efitted fro m aS m all D iesel
Zh eng Bin Co llege of T raffic and V ehic le Eng in eering, Shandong U niversity ( Z ibo , Shandong, 255049 , China) Abstract : In this thesis , accordin g to the selected sing le cy lin der d ie se, l the in take pipe pre -m ix in g is chosen to blend the natural gas and air . As a result the gas supply syste m is desig ned . According to som e basic pa ram eters deter m in ed by the sing le cy linder d ie se, l each part o f the gas supply system is clearly designed , counted and type -selected . K eyw ord s : Dual fue l eng in e , Gas supply system, S in gle cy linder d ie sel
- 1
换热 量 / W
传热系 数 / (W (m K)
- 1
换热 面积 /mm 2
长度 /mm
)
)
1. 6 0. 9 23. 8
199. 6
2380 95
图 2 天 然气预热器结构图
天然气预热器采用套管式, 这是最简单的一种间 壁式换热器 , 根据 2 种流体的流动方向不同而又有顺 流布置与逆流布置之别。这种换热器的优点是结构简 单 , 适用于高温高压流体, 特别是小容量流体的传热。 2 . 4 减压阀 为了提高燃气汽车一次充气的行驶里程, 车用天 然气一般是压缩到 20 M P a 储存在高压气瓶中。但发 动机工作时 , 却要求燃气压力降到 1~ 2. 5kP a 进入到 混合器 , 以便与空气混合进入气缸, 因此在燃气供给系 统中必须要有减压阀。高压 减压阀主要设计 参数如 表 2所示。
表 3 低 压减压阀主要参数 阀流 阀开 通面 启高 积/ 度 / mm
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柴油／CNG双燃料发动机的研究和发展

柴油／CNG双燃料发动机的研究和发展


汽 车保有 量 的剧增 ，加 剧 了 日益严 重 的能源 紧
（） １根据 供气 方 式 的不 同 ，柴 ￣／Ｎ 双燃 料 发 ｔ Ｇ Ｃ
缺和环境污染。天然气燃料的低排放 、 低燃料费用 和合理的燃料资源配置使得天然气汽车技术越来越 受到重视 ，其 中用柴油作引燃燃料 的柴￣／Ｎ 双 ＣＧ
燃 料发 动机 以其 改装 方便 、经 济性好 、燃料 选用 灵
在压缩 比比较低 的发动机上 ，高压喷射供气方式 主要用在高压缩 比和压缩终点喷射的气体燃料发动
机 上。
１ 柴 油， ＮＧ双 燃 料 发 动机 概 述 Ｃ
１１ 定 义 ．
（） ２ 根据 引燃 油 量 的多 少 ，柴 油／Ｎ Ｃ Ｇ双燃料 发
动机可分 为常规双燃料发动机 和微 引燃天然气发
动机可分为两种 ，即缸外供气和缸内直接喷气 ， 其
中缸外供 气又 有进气 管 混合 器供 气和 进气歧 管 喷射
两种形式 ， 内直接喷射主要包括缸 内高压喷射式 缸
和低压 喷射式 两 种 ，其 中低 压 喷射供 气方式 主要 用
活 、热效率高以及排放性能好等优点在国外 日 益受
到关注 。
供气有电控混合器和天然气喷射阀两种形式 ，前者
安装在进气总管处 ，后者则可安装在进气总管或者 进气歧管处 ，利用天然气喷射 阀来控制 系统 的指 令 ，并定时喷射天然气 ，然后 与空气混合进入气
动机。
柴 ￣／Ｎ ｔ Ｇ双燃 料 汽 车 指 具 有 两 套燃 料供 给 系 Ｃ
统 ，一套供给天然气 ，另一套供给天然气之外的燃 料 ，两套燃料供给系统按固定的配比向气缸供给燃
料 ，在缸 内混 合燃 烧 的汽车 。
１２ 分类 ．
天然气发动机电控单元原型的研制

天然气发动机电控单元原型的研制


车
用
发
动
机
２１ ０ ０年 第 ５ 期
所 建 立 的控 制模 型 包括 空燃 比控 制模 型 、 工况
内正 常点火 ， Ｅ Ｕ 来 精 确 控制 最 佳 点 火 提 前 角 用 Ｃ 和点火 线圈 的最佳 充 电时间 。最佳点 火提 前角 由发 动 机 的转速 和负荷 确 定 基础 值 ， 根 据 其他 传 感 器 并 信 号对 此基础 值进 行修 正 。
机 的相 关 参 数 （ 缸 直 径 为 １ ２ ｍｍ， 塞 行 程 为 气 ０ 活 １ ５ｍｍ， 大转 速 为 ２８ ０ｒ ｍｉ） 知 ， 研 究 所 １ 最 ０ ／ ｎ 可 本 设计 的天然气 发动 机喷 嘴所需 的最大 流量特性 参数
为 １ ０ ｍ。 ｓ ． ９ｃ ／ 。
为 将 ＮＱ１ ｏ柴油 机 改 造 为 天然 气 单燃 料 发 动 ２
收 稿 日期 ：２ １ — ４ ０ ； 回 日期 ：２ １ 一 ０ １ ０ ００ — ６ 修 ０ ０１— １
基 金 项 目 ：四川 省 科 技厅 应 用 基 础 项 目（ Ｏ ＯＹ Ｏ ２ ；四川 省 教 育 厅“ 大 培 育 ” 目（ ７ Ｚ ３ ） ２ ＬＪ Ｏ ４ ） 重 项 Ｏ Ｚ Ｏ ２ 作 者 简 介 ：刘 诚诚 （ ９５ ） 男 ， 士 ， 要 研 究 方 向发 动 机 电子 控 制 技术 ；ｉｇｏ ｇ ９ ５ １３ Ｃ ｒ。 １ ８一 ， 硕 主 ｘｎ ｌｎ １ ８ ＠ ６ ．Ｏ ｎ
（ 华 大 学 交通 与 汽 车 工程 学 院 ，四 川 成 都 西 ２１０） ０ ８ ４
摘 要 ： 将 ＮＱ１Ｏ柴 油机 改装 成 天然 气单 燃 料 发 动 机 ， 为 ２ 对其 喷射 及 点 火 系统 进 行 深 入研 究 。 设计 了具 有 点 火
CNG油气两用系统介绍

CNG油气两用系统介绍


2、CNG供给系统
2.1 、CNG供给系统基本功能 ²有效储存CNG ²充装CNG ²向发动机供给CNG ²截止CNG的供给 ²过滤CNG中杂质 ²CNG状态调节 ²安全保护功能 2.2 、CNG供给系统组成 供给系统一般由CNG储气瓶、高压管路、CNG减压器、低压管路、步进电机、混合器、循环水管路、充气阀、压力传感器、转换开关等部件组 成。 2.3 、CNG供给系统流程 CNG供气系统布置简图
5、压缩天然气在车辆上的储存
常温、常压下的天然气密度非常低，为有效的储存天然气，一般采用压缩方式储存天然气，以提高天然气的储存量。汽车上使用的 CNG的最高压力为 20MPa（相当于将天然气压缩200倍）。
二、天然气汽车燃气系统的组成 1、分为三个部分：
（1）、CNG供给系统：充装、储存天然气，对CNG压力进行调节，并向发动机输送天然气； （2）、CNG供给控制系统：根据输入的发动机工作信号，对天然气的工作过程进行控制； （3）、点火提前角控制系统：根据使用的燃料类型，自动控制点火提前的角度。
3、车用天然气的质量要求
项目 高位发热值(MJ/m3) 硫化氢(H2S)含量(mg/m3)
质量指标 ＞31.4 ＜ 15
总硫（以硫计）含量(mg/m3)
﹡尘埃含量(mg/m3) ﹡尘埃微粒直径（μm） 二氧化碳(CO2)含量V/V ﹡氧气(O2)% ﹡含水量(mg/m3)
＜ 200
＜15 ＜10 ＜ 3.0 ＜ 0.5 一般地区＜16，冬季温度在-20℃～-40℃时应＜10。 在汽车驾驶的特定区域内，在最高压力下，水露点不应高于-13℃,当最 低温度低于-8℃，水露点应比最低气温低5℃。
CNG油气两用系统介绍
一、概述
1、术语
1.1、CNG储气瓶 CNG储气瓶是CNG供给系统中储存天然气的容器，分为钢质储气瓶和复合材料储气瓶： • 钢质储气瓶：采用无缝钢管，利用特殊工艺两端收口而成。 • 复合材料储气瓶：采用钢质或铝合金内胆，外部缠绕玻璃纤维或碳纤维而成。 钢质储气瓶重量大，单位重量的容积小，但制造工艺成熟，成本较低；复合材料储气瓶重量比钢质储气瓶大大降低，单位重量的容积大，但制造工艺复杂 ，成本较高。力帆汽车使用的储气瓶其容积为65L。在加注压力为20Mpa时，可加注13方天燃气。阀门开关与管路方向一致时，管路为接通状态；阀门开关 与管路成90°时，管路为关闭状态。 1.2、减压器 减压器用于将采用压缩方式储存在储气瓶内的天然气的压力降至大气压，供应给发动机。减压过程是一个吸热过程，需要吸收大量的热量，在减压器结构 中，将发动机循环水引入减压器内的水套，利用循环水的热量给减压腔加热。在减压器上设有怠速调整装置，用于调整发动机怠速状态的燃气供给量。 1.3、混合器 混合器是将经过减压，从减压器输送过来的常压天然气与新鲜空气混合的装置。混合后的CNG/空气混合气被送入发动机燃烧室。混合器的基本结构为文丘 里管。 1.4、转换开关 转换开关用于转换汽车使用汽油燃料或CNG燃料，并显示储气瓶内CNG的储量。转换开关功能如下： • 在汽车使用CNG燃料时，保持CNG供给回路接通，或者切断汽油的喷射； • 在汽车使用汽油时，保持汽油供给回路的接通或汽油喷射动作的执行，同时切断CNG供给管路； • 在发动机停止运转时，切断CNG供给管路； • 使用CNG燃料时，采用汽油启动发动机，在一定条件下（加速或减速）转换至使用CNG; • 防止两种燃料同时进入发动机，导致油气混烧； • 保证两种燃料的平稳转换； • 显示储气瓶内CNG的储量。 1.5、充装阀 CNG充装阀具有单向阀或手动旋转阀结构。通过充装阀，可以向储气瓶内充装天然气。 1.6、压力传感器 压力传感器是测量和显示储气瓶内CNG的压力，并将其转换成与转换开关匹配信号的部件，转换后的信号通过电缆线输送到转换开关。 1.7、高压管路 高压管路采用不锈钢无缝钢管，是输送和充装CNG的管路。输送和充装采用同一条管路。 1.8、低压管路 低压管路是连接减压器和混合器，输送减压后的常压天然气的管路。 1.9、循环水管路 循环水管路是将发动机冷却液引入减压器的管路。 1.10、模拟器 当汽车使用汽油，模拟器用来控制汽油的喷射动作，保持汽油喷射电路的接通；使用CNG时，切断汽油喷射电路，同时能够模拟汽油喷射动作，保证发动 机ECU能够正常工作。 1.11、控制器 控制器通过对氧传感器信号（或者包括节气门位置信号）的分析，计算出混合气浓度（浓或稀），控制步进电机的动作，调节天然气的供给量。 1.12、步进电机 用于调节天然气的供给量，布置在低压管路上。控制器根据接受氧传感器、节气门位置传感器等信号，分析混合气的空燃比，控制步进电机的调节动作。 1.13、点火提前角调节器 点火提前角调节器的功能是在使用CNG工作时将点火时间提前一定的角度，而在使用汽油工作时恢复发动机ECU控制的点火提前角。
青海油田在用车辆CNG改装技术浅析

青海油田在用车辆CNG改装技术浅析


收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ３ — ０ ７
作者简 介 ： 解海潮 （ １ ９ ６ ８ 一） ， 男， 陕西扶风人 ， 工程 师。研究方 向 ： 石油机械加工生产管理 、 设备资产管 理、 生产工艺管理等 。 ２ ６ ６
《 装备制造技术） ２ ０ １ ３ 年第 ６ 期
在 车辆 Ｃ Ｎ Ｇ改造技术 中按照燃气燃 料供 给方 式主要有文丘里管混合气形式 、 单点喷射、 多点顺序 喷射三种形式 ， 三种形式各有优缺点 ， 文丘里管改造 成本非 常低 廉 ， 技术要求不高 ， 应用广泛 ， 但 同时系 统的故 障率较高 ， 发动机的空燃 比控制困难 ， 节 能效 果差 ， 冷启 动很差 ； 单点 喷射是在文丘里管方式上进 行 了改进 ， 对 喷射 的燃 气量 和时 间用电脑进行控制 ， 但 是混合 气的供气方式 ，没有做到每个汽缸 的定量 供气 ， 节能和减排的效果都不理想 ， 改造成本相对适 中， 故障率 比较高 ， 冬季启动 困难 ； 多点顺序 喷射彻 底解决 了燃料定量定点供 给 ， 解决 了节能减排 、 冷启 动 困难 的问题 ， 但是该方式成本 相对 较高 ， 用户 （ 尤 其是私人用户 ） 接受较困难。 按照点火 方式分有两 种形式 ， Ｅ Ｃ Ｕ电脑 控制单 元控制点火和专用分电器点火 。分电器点火成本低 廉， 精度不 准确 、 故障率高 ； Ｅ Ｃ Ｕ电脑控制单元点火 准确 ， 故障率较低 ， 但是成本较高 。结合青海油 田的 实际情况 ，选用适合青海油 田的改造方式为多点顺 序喷射 的 Ｅ Ｃ Ｕ电脑控制单元 ， 主要解决高海拔 、 低气 温、 在用车 辆技术状况不统一 的现状 ， 减少故 障率 ， 提高运行 的效果和节能减排的效果 。 缩 比， 需要专用的活塞和缸盖 ， 国内开发柴油机专用 活塞 的企业 比较少 ， 机型较少 ， 因此针对油 田在用柴 油机改造 的机型比较固定（ ４ Ｊ Ｂ １ 一 Ｔ ， ４ Ｊ Ｂ １ ） 。由于天然 气燃烧后废气温度 比柴油燃烧 废气温度高 ，为 了保 证车辆在夏季高温季节稳定运行 ，对车辆的缸盖和 齿轮箱进行改进 ， 增加发动机 的冷却效果 ， 使用专用 的缸盖和齿轮 以及齿轮室盖。在 电喷系统配置采用 的是多点顺序喷射 ， 完全整合的主从式管理系统。具 有系统稳定 ， 节能效果 明显 的特点 ， 其 原理是 ： 高压 Ｃ Ｎ Ｇ气体从 Ｃ Ｎ Ｇ气瓶连接到减压器 ， 减压器将 高压 气体减压到大约高于进气歧管压力 ２ ０ ０ ｋ Ｐ ａ 的压力 ， 然后 Ｃ Ｎ Ｇ经过低压气体滤清器进入气轨。燃气再通 过气轨分配到喷嘴 ， 根据发动机的负荷 ， 喷嘴在发动 机的进气门处喷人所需的燃气量。