柴油发动机双燃料改造技术研究与应用

2017-03-09刘庆

中国设备工程 2017年1期

关键词：混合器双燃料柴油发动机

刘庆

（中石油煤层气有限责任公司设备物资处，北京 1 0 0 0 2 8）

柴油发动机双燃料改造技术研究与应用

刘庆

（中石油煤层气有限责任公司设备物资处，北京 1 0 0 0 2 8）

将油改气技术应用于重型柴油车发动机燃油供给系统改造中，在保持原柴油发动机供油基本不变的前提下，对柴油发动机高压油泵供油量进行调整，稳定发动机怠速供油状态，为发动机正常启动和点燃天然气（即C N G）在气缸内作功做准备；同时，增加了天然气储气装置、天然气供气装置、燃料转换装置、气量显示装置，最终实现双燃料发动机燃料供给系统的改造与应用。

发动机；油改气技术；天然气储气

为了运输企业的长远发展和满足国家对汽车排放污染的控制，减少油价上涨所带来的经营成本上的压力，这就要求运输企业发掘内部潜力，通过对车辆实施技术改造，最终实现节能降耗。

1 现状分析

汽油车“油改气”其实并不是新生事物，据了解深圳、重庆等城市2 0 0 3年就被国家列为“油改气”重点城市，许多城市更是已经运行数年。但重型柴油车油改气由于技术上原因，目前在国内推广应用较少，仅仅处在初始阶段。

2 柴油车油改气技术可行性

国内外以汽油作为燃料的双燃料汽车改装技术已相当成熟，使用范围比较普遍，但以柴油作为燃料的汽车改装为双燃料技术尚处在探索研究阶段。从汽车发展的趋势来看，柴油车在重型车辆中所占比例越来越大。把燃料混烧技术、双燃料供给技术和双燃料装置辅助设备的改造技术作为关键来攻克，最终取得C NG汽车在重型柴油车上的推广应用。目前，因技术原因，除增压型、增压中冷和电控单体泵型的柴油发动机尚不能进行油改气改造外，普通型柴油发动机使用双燃料改造技术以完全成熟，改造费用适中，完全具备在一定非增压式柴油发动机范围内进一步推广使用的技术条件。

3 组成、结构和改造原理

（1）基本组成。双燃料供给系统包括柴油供给系统和天然气供给系统，双燃料发动机的柴油供给方式与原柴油机完全相同。改装部分由四个装置组成：①天然气储气：主要由充气截止阀、天然气储气瓶、高压管线等组成。②天然气供气：主要由减压调节器、天然气低压管线、混合器等组成。③燃料转换：主要由燃料转换开关、电磁阀等组成。④气量显示：主要由高压表、压力传感器、气量显示器等组成。

（2）结构和改造原理。C NG/柴油双燃料发动机系在柴油机上添加C NG供给系统组装而成，双燃料供给系统包括柴油供给系统和C NG供给系统双燃料发动机的柴油供给方式与原柴油机完全相同。如图1所示，C NG由气瓶1经过手动截止阀2流至减压器3。在减压器3中，C NG的压力由2 0 MP a降至-0.1 k P a～+1.2 k P a左右。发动机的循环水经过减压器3，提供热量以免膨胀时产生的低温冷冻现象。由减压器3出来的C NG气体，经过U型板控制的C NG调节器4，进入安装在进气总管上的混合器5，C NG随同空气混合后进入气缸，并在缸内进行柴油压燃。油门限位机构6用于控制双燃料的最大供给量。

C NG/柴油工作原理见图1：①发动机转速变化时，利用安装在进气管上混合器喉口处的真空度变化，C NG的供给量随转速变化而自动调节。②发动机负荷变化时，发动机油门带动机械相联的调节装置，改变C NG调节器的流通截面，从而控制通过调节器中C NG供给量。

4 关键技术

（1）燃料混烧技术。通常使用的车辆均为单一燃料，要么汽油，要么柴油，要么天燃气等，而使用的这套系统需要采用的是柴油与天燃气混合燃烧以提供动力，因此其中必然涉及到一个混合燃烧比例问题，通常柴油/天燃气混合比为8 0：2 0（即替代率2 0%）～5 0：5 0（替代率5 0%），过高的替代率，会导致车辆行驶过程中力量不足，过低的替代率也会引起经济性较差，经过反复调整路试并结合实际路况，与车辆技术性能等相关因素，得出替代率范围在1 5.8%～3 0.5%之间。

（2）双燃料装置的合理选型配置。双燃料装置主要包括充气截止阀、减压调节器、混合器、电磁阀、燃料转换开关、和气量显示器等六大部件。①充气装置有插销式与卡口式两种，选择孔径为Q1 2的插销式充气阀，同时具有充气、截止阀功能。插销孔内的防尘塞有排气螺塞，截止阀一旦漏气，防尘塞可起到密封作用。②减压调节器是C NG汽车核心和关键部件，它的性能好坏，直接影响整车的性能，考虑到国内调压调节器故障率较高，因此，选择了质量相对较好的意大利贝迪尼1 3 2 E型减压调节器，该调压器为三级组合式结构，装置完善，功能齐全。③混合器由壳体和芯子两部分组成，芯子喉径最小处均匀分布一圈小孔，壳体上有天然气进气道。其作用一方面要使喉管处产生真空度来调节减压器的天然气流量，另一方面又要将天燃气与空气均匀混合。该混合器结构虽然简单，但其设计参数直接影响发动机的性能，混合器喉径过大，真空度小；喉径过小，吸入空气量少，影响空燃比，发动机功率下降，动力不足。其型式有盘式、筒式等多种形式，经过论证试验后选为筒式混合器。④电磁阀、燃料转换开关、气量显示器。电磁阀选择一个二位二通常闭式电磁阀，安装在减压器与混合器之间，由燃料转换开关控制，该阀工作电压1 2 V，功率1 2 W。

燃料转换开关选用通用型燃料转换开关，其主要是控制天燃气的通断，它有三个位置，一个是“油”位，切断天然气电磁阀电路，断气。一个是“气”位，接通天然气电磁阀电路，油气混烧。另一个是“中间”位。气量显示器安装在燃料转换开关上，其相应的压力传感器安装在压力表上，用来定性指示气瓶余下气量多少，其选择油改气车用通用型气量显示器。

（3）装置分布设计。考虑到增设装置与原车辆安全使用及安装牢固性相协调、统一，要特别注重了装置布局的合理性和可行性。①高压管线采用意大利贝迪尼原装涂层无缝钢管，可靠性好，安全系数高，高压接头采用卡套管件，它由接头体、卡套和压紧螺母三部分组成，使用时拧紧压紧螺母，使卡套受力，由于接头体内锥面的作用，卡套的中部产生弯曲变形，两端则径向收缩变形，迫使前端内侧刃口切入钢管，形成密封和防止管体拔脱，同时，卡套后端外侧分别和接头体，螺母和内锥面形成锥面密封。②经过多方咨询气瓶选择，确定选择重庆益峰高压容器有限责任公司生产的8 0 L车用压缩气瓶，产品符合G B 1 7 2 5 8-1 9 9 8标准要求。③气路管线与气瓶布置设计原则，必须保证管线与气瓶不与任何部件产生干涉，同时远离汽车热源，在安装位置有足够的安装空间，冲装气方便。经过反复的选型论证，最终选择在日野车体后尾部，一边布置一只气瓶的方式，气路管线从大梁盒内侧，牢固引入前端减压器。

（4）改制符合车型的辅助备件及装置。由于柴油车油改气在国内应用非常少，选择的车型更无成熟的经验可以借用，部件选择好后如何合理安装，布置则成了一个摆在面前的难题，部件安装不合理，直接影响到产品使用的经济性、可靠性、安全性。①改制油气混烧替代率调节装置，这是整个系统中很重要的一环，该装置安装位置直接影响了油气混烧比例，直接影响产品使用的经济性与动力性，经过多次试验后，加工如下部件，固定在大梁上，当选择烧气时，将装置调整过来卡住高压泵油门，不烧气时，将装置回位。②需要固定合适的混合器位置，混合器需固定在进气道上，同时还需与水循环管线相通。混合器安装后，各连接处不得有窜漏现象。③需在发动机合适位置布置减压调节器、电磁阀等。