電控組合泵在柴油引燃天然氣發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用試驗

劉慶雷趙婷婷

（1.勝利油田勝利動力機(jī)械集團(tuán)有限公司，東營257032;2.山東省內(nèi)燃機(jī)研究所,濟(jì)南250014）

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電控組合泵在柴油引燃天然氣發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用試驗

劉慶雷1趙婷婷2

（1.勝利油田勝利動力機(jī)械集團(tuán)有限公司，東營257032;2.山東省內(nèi)燃機(jī)研究所,濟(jì)南250014）

摘要：本文通過試驗驗證了GF700型天然氣發(fā)動機(jī)經(jīng)過對其相關(guān)部件和系統(tǒng)的技術(shù)改造：圍繞電控組合泵的應(yīng)用，去除點火系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)，增加燃油供給系統(tǒng)；重新選型增壓器、重新設(shè)計進(jìn)氣系統(tǒng)、改進(jìn)TEM2系統(tǒng)等措施，實現(xiàn)柴油引燃天然氣發(fā)動機(jī)的低油耗目標(biāo)，滿足一定領(lǐng)域的動力使用。

關(guān)鍵詞：電控組合泵天然氣發(fā)動機(jī)低油耗

引言

與天然氣相比，柴油的價格偏高，為降低某些動力領(lǐng)域燃料成本，用天然氣代替柴油機(jī)作為發(fā)動機(jī)燃料成為一種新的發(fā)展趨勢，而天然氣發(fā)動機(jī)目前由于動力性等因素，不能完全替代現(xiàn)有柴油機(jī)。采用柴油引燃代替電點火，以噴射的霧化柴油形成的油氣混合氣作為點火源實現(xiàn)多點點火，可以極大地縮短混合氣燃燒時間，做功效率高。柴油點火天然氣機(jī)具有在較寬的轉(zhuǎn)速下具有低的排溫，寬的空燃比和沒有節(jié)氣門節(jié)流可以防止增壓器喘振寬，高的熱效率等優(yōu)點。因此研制柴油引燃天然氣發(fā)動機(jī)具有重要的意義。

結(jié)構(gòu)上采用純機(jī)械式高壓泵和噴油器，供油時間與供油量的調(diào)控困難。受配合間隙、容積差異等各種因素影響，在小油量下各缸之間、各沖次之間油量均勻性無法保障，制約了柴油消耗率的進(jìn)一步降低。噴油嘴冷卻條件差，油頭結(jié)碳嚴(yán)重，噴孔容易堵塞，造成維修周期短。

采用共軌電噴技術(shù)，可以實現(xiàn)高效燃燒，降低油耗；噴油壓力的提高，可以減輕噴油嘴噴油孔堵塞、積碳，提高油頭壽命。但是目前沒有適合我公司現(xiàn)有天然氣發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)，需要重新開發(fā)，從經(jīng)濟(jì)性及開發(fā)周期方面考慮，不是理想方案。

本文從電控組合泵的應(yīng)用試驗角度，探討試驗其可行性。

1 設(shè)計思路

本次試驗的天然氣發(fā)動機(jī)是以700GF系列燃?xì)鈾C(jī)為原型機(jī)進(jìn)行改制而成。圍繞電控組合泵的使用條件，在原機(jī)組基礎(chǔ)上去掉點火系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)，增加燃油供給系統(tǒng)；對增壓器進(jìn)行重新選型、燃?xì)膺M(jìn)氣部分進(jìn)行重新設(shè)計、控制部分采用TEM2系統(tǒng)并增加單缸油量和供油提前角控制界面。其中控制系統(tǒng)需要完成的功能包括以下部分：

（1）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速/負(fù)荷的控制。在空載方式下，機(jī)組工作在純柴油方式，控制柴油噴射量，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整與穩(wěn)定。

（2）發(fā)動機(jī)負(fù)荷的控制。發(fā)動機(jī)負(fù)荷控制通過空燃比的控制來實現(xiàn)。并網(wǎng)帶載正常運行方式下，機(jī)組工作在微量柴油引燃方式，通過控制混合器空氣和燃?xì)馔ǖ赖拈_度來實現(xiàn)空燃比的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)控制。

（3）機(jī)組運行管理。完成機(jī)組各階段自動轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)流程自動化：機(jī)組一鍵啟動、暖機(jī)、提速、同期并網(wǎng)、加載、功率因數(shù)調(diào)整、功率調(diào)整、風(fēng)扇控制、降載與卸載、降溫、停機(jī)；實現(xiàn)機(jī)組的各種保護(hù)功能。

2 本次試驗的目標(biāo)

機(jī)組額定功率/額定轉(zhuǎn)速：550kW/1000rpm；額定功率時油耗：＜20g/kWh；缸溫：＜380℃；排溫：＜540℃；全自動化智能控制。

3 試驗過程和結(jié)果分析

3.1 控制部分試驗

整個天然氣發(fā)動機(jī)控制策略如下：起動（純柴油模式下運行，燃?xì)庠陉P(guān)閉狀態(tài)）——怠速運行（純柴油模式下運行，燃?xì)庠陉P(guān)閉狀態(tài)）——額定運行（純柴油模式下運行，燃?xì)庠陉P(guān)閉狀態(tài)）——并網(wǎng)過程——加載過程（燃油按每缸預(yù)設(shè)置的燃油量進(jìn)行定量噴射，油量不變，開始通過燃?xì)饪刂崎y進(jìn)行加載）——正常運行（每缸定油量噴射，如功率有變化，通過控制燃?xì)饪刂崎y來進(jìn)行調(diào)節(jié)，單缸做功通過控制每缸油量調(diào)節(jié)）——卸載分閘（供油量不變，逐漸減小燃?xì)膺M(jìn)氣量，機(jī)組轉(zhuǎn)純柴油模式）——額定運行——怠速運行——停機(jī)。

從目前試驗情況看，整個控制流程可以完整的進(jìn)行下來，且按此控制流程，可以滿足柴油引燃天然氣發(fā)動機(jī)運行的要求。

3.2 點火提前角試驗

怠速情況下，將機(jī)組轉(zhuǎn)至點火模式（固定供油量模式，啟動試驗測得），在此模式下，各缸噴油量為固定值，通過調(diào)整點火提前角，觀察轉(zhuǎn)速、油耗和煙度變化，最終確定最佳怠速提前角。依此方法，分別試驗得到800r/min、1000r/min和并網(wǎng)后額定功率時的最佳點火提前角（數(shù)據(jù)見表1、不同轉(zhuǎn)速下的點火時間表）。

將此試驗結(jié)果寫入電控組合泵ECU里的供油定時MAP圖中，機(jī)組可根據(jù)實際運行的轉(zhuǎn)速和狀態(tài)，自動進(jìn)行供油提前角的調(diào)整。在試驗過程中，此項功能非常有效，可保證機(jī)組始終運行于最佳點火提前角。試驗時并網(wǎng)后供油提前角仍需手動調(diào)整，后期程序中應(yīng)納入自動控制中。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的點火時間表

3.3 最小供油量試驗

將機(jī)組運行于額定轉(zhuǎn)速下并網(wǎng)運行，點火模式下將1缸斷油，待其缸溫、排溫穩(wěn)定后，然后逐步給1缸加油，直至排溫發(fā)生變化，記下排溫開始變化時的供油脈寬，此脈寬即為這一缸的最小供油量。其它各缸依次方法進(jìn)行確定各缸點火的臨界脈寬值。測量數(shù)據(jù)見表2（12個缸排溫均為100℃時）。機(jī)組空載情況下，將各缸噴油脈寬按上述方法所測數(shù)值設(shè)定，進(jìn)行驗證。

表2 額定轉(zhuǎn)速下各缸最小供油量脈寬表

結(jié)果顯示，其12個缸的排溫差最大為8℃，各缸排溫比較均勻，通過試驗所測的排溫為100℃時的脈寬值比較準(zhǔn)確。在此脈寬下，其油耗為8.4kg/h。

3.4 額定功率時最低油耗測量

功率加至設(shè)定目標(biāo)，逐漸同步減少各缸供油量，同時通過調(diào)整燃?xì)膺M(jìn)氣量，保證功率維持在額定功率，直至各缸到臨界油量，即再繼續(xù)減油，出現(xiàn)排溫和功率大幅降低，測量在此情況下的供油量和進(jìn)氣管甲烷濃度。

測試時，分別測量了空氣全開、空氣關(guān)閉1/3、空氣關(guān)閉2/3三種情況下的耗油量和進(jìn)氣管甲烷濃度。（測量數(shù)據(jù)見表3、額定功率時最低油耗參數(shù)表）

從上述數(shù)據(jù)可歸納出以下結(jié)論：

（1）空氣節(jié)氣門適當(dāng)減小，使柴油及燃?xì)獾幕旌蠚怏w濃度增大，能夠使發(fā)動機(jī)在較小的噴油量下保持穩(wěn)定燃燒，從而可以減小油耗。從試驗數(shù)據(jù)看出空氣量關(guān)閉2/3時，發(fā)動機(jī)可以在7.5kg/h（即13.6g/kWh）耗油量下穩(wěn)定運行，而空氣全開時，則要在9.1kg/h（即16.5g/kWh）下才能穩(wěn)定運行。

（2）發(fā)動機(jī)在高功率時，缸溫、排溫升高，此時油量更容易減小，并保證機(jī)組穩(wěn)定運行。如果在未加功率時，便將供油脈寬降到很小，調(diào)整燃?xì)饧庸β蕰r，功率波動大，且往往出現(xiàn)多缸不點火的情況。因此，天然氣發(fā)動機(jī)在加功率時，初始油量應(yīng)設(shè)定為可以維持空載額定轉(zhuǎn)速的油量，這個油量可以從ECU中讀取，然后加功率至設(shè)定值，并再慢慢減油、加氣，直至所需的油耗量為止。

表3 額定功率時最低油耗參數(shù)表

（3）從供油脈寬值可以看出，目前機(jī)組運行在低脈寬范圍內(nèi)，而此型號電控組合泵脈寬可到30。燃油電控閥采用PWM進(jìn)行斬波驅(qū)動，控制精度滿足使用要求。

4 結(jié)論

采用電控組合泵進(jìn)行燃油供給，可以實現(xiàn)柴油消耗控制在20g/kWh以內(nèi)的試驗?zāi)繕?biāo)，可以考慮應(yīng)用到特定領(lǐng)域的天然氣發(fā)動機(jī)中。在較小供油量狀況下，增加油量對排溫和功率有明顯的提升，這需要在今后的試驗中結(jié)合缸內(nèi)壓力的測量來排除是否還存在失火的影響因素。

試驗中調(diào)節(jié)空氣進(jìn)氣開度，缸溫始終較低（250℃～270℃）且變化并不明顯，但排溫能有100℃的變化，分析判斷認(rèn)為有兩方面因素：一是燃燒迅速，最高燃燒壓力和溫度也較高，但是循環(huán)的平均溫度較低，熱效率高。二是稀薄燃燒，導(dǎo)致缸溫排溫都較低。

參考文獻(xiàn)

［1］惠東杰.柴油汽車噴油系統(tǒng)構(gòu)造與調(diào)試技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.01.

A Combination of Diesel Electric Pump Ignited Natural Gas Engines Application Test

LIU Qinglei1, ZHAO Tingting2
（1.Shengli Power Machinery Group Co., Ltd, Dongying 257032;2. Internal Combustion Engine Research Institute of Shandong Province,

Jinan 250014）

Abstract:This paper through the experiment verified the GF700 type natural gas engine through technological transformation of the relevant components and systems: around the application of electronically controlled inline pump, removed ignition system and control system, increased the fuel supply system, reselection of turbocharger, redesign intake system, TEM2 system improvement measures, realized diesel ignition natural gas engine with low fuel consumption target, satisfied the use of power in certain areas.

Key words:electronic controlled inline pump, natural gas engine, low fuel consumption