黨永浩

（中國(guó)石油集團(tuán) 濟(jì)柴動(dòng)力總廠，山東濟(jì)南250306）

隨著人們對(duì)氣候變暖化、環(huán)境污染等問題的日益重視，隨著全球石油天然氣工業(yè)的發(fā)展，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，各發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)化制造企業(yè)紛紛設(shè)計(jì)推出自己的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，是重要的系統(tǒng)之一。

綜述了當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的作用和組成，分別闡述了該系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)主要器件的作用、原理和典型結(jié)構(gòu)，對(duì)于不同特點(diǎn)的混合系統(tǒng)、混合器等做出對(duì)比，并對(duì)空燃比控制策略作了一些敘述。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的組成、主要器件以及作用

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)是在精確的時(shí)間里供給發(fā)動(dòng)機(jī)適量燃料氣的一套專用部件。一套設(shè)計(jì)良好的燃?xì)庀到y(tǒng)可使發(fā)動(dòng)機(jī)效率最大、排放最佳。

典型的燃?xì)庀到y(tǒng)包括幾個(gè)主要的部件，它們根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求提供可靠的空燃比混合物。

發(fā)動(dòng)機(jī)制造商一般推薦燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的主管線上至少包括3個(gè)主要的部件，即燃?xì)鉃V清器、調(diào)壓閥和安全切斷閥，圖1。

圖1 燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)配置

1.1 輸送管線

燃?xì)廨斔凸芫€的設(shè)計(jì)必須考慮到以最小的阻力傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)必需的燃?xì)饬髁俊Ｈ羧細(xì)廨斔凸芫€管徑過小和（或）管路彎道過多，發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況下，由于需求燃料氣的流量很大，則會(huì)造成燃?xì)鈿饬髯枇Α?/p>

即便是輸送管線在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)滿載時(shí)滿足燃料氣流量需求，仍然要進(jìn)一步考慮避免產(chǎn)生管道的瞬時(shí)阻力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)突加負(fù)載時(shí)，需要相應(yīng)的突增燃料氣流量。設(shè)計(jì)不合理的燃?xì)廨斔凸芫€將阻止燃?xì)饬髁康脑黾?，?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)很難適應(yīng)突加負(fù)載。

燃?xì)廨斔拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)和布置有以下的經(jīng)驗(yàn)，可供參考。

適當(dāng)位置設(shè)置若干個(gè)截止閥，當(dāng)燃?xì)庀到y(tǒng)部件需要維修或更換時(shí)，可以切斷該部件的氣流，從而減輕維修的困難。

在允許的情況下，壓力安全閥應(yīng)該沿著調(diào)壓閥的管路下游布置，需要在燃?xì)饴窂缴习惭b卸壓裝置和管道。

輸送管線的設(shè)計(jì)，與發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)口的連接尺寸相比，至少同規(guī)格或更大。

在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤苈飞?，特別是調(diào)壓閥后的管線上，盡量減少?gòu)濐^和變徑。

1.2 柔性連接

在燃?xì)廨斔凸苈泛桶l(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)口之間的柔性連接是必須的。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，燃?xì)膺M(jìn)口連接頭將相對(duì)于安裝的固定管道產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。如果在此連接處使用剛性連接，將迫使輸送管路自身承受振動(dòng)，有可能造成金屬疲勞損壞導(dǎo)致可燃?xì)怏w的泄漏。如果在發(fā)動(dòng)機(jī)和輸送管路之間采用柔性連接就很容易解決這個(gè)問題。

柔性連接要有便于維修，可靠性不受燃料氣中的碳?xì)漕惢衔锖推渌g性成分（如H2S、SO2等）的影響。不僅要有一定的耐溫能力，還要有防火特性。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用的大多數(shù)柔性連接都是不銹鋼材料的單壁波紋管。

1.3 切斷閥

安全切斷閥在燃?xì)庀到y(tǒng)里面是最重要的一套安全裝置。它可以是一套簡(jiǎn)單的像手動(dòng)球閥一樣的裝置。然而，大多數(shù)帶自動(dòng)化安全系統(tǒng)的當(dāng)代發(fā)動(dòng)機(jī)需要直接控制它，所以基于這個(gè)目的，大量采用了電控閥。啟動(dòng)這些閥的電力可以來自于發(fā)動(dòng)機(jī)自身（如自供電閥），也可以來自于外部電源，如蓄電池。

一般的，電控式安全切斷閥的默認(rèn)狀態(tài)為關(guān)閉，需要通電后開啟。

1.4 過濾器

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和很多發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，要求燃料氣不含污物和雜質(zhì)（包括水）。雜質(zhì)通過氣井進(jìn)入燃料氣是很普遍和容易理解的，但是即便是管道天然氣仍然會(huì)混入污物、金屬屑或管路鋪設(shè)時(shí)的焊接熔渣以及管道在使用時(shí)產(chǎn)生的水垢和鐵銹。這些留在燃?xì)饬骼锩娴念w粒物和液體將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能或加速發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件的磨損，導(dǎo)致壽命降低。通過使用過濾器來清除這些雜質(zhì)。

1.5 調(diào)壓閥

調(diào)壓閥控制發(fā)動(dòng)機(jī)上燃?xì)庀到y(tǒng)燃料氣的供給壓力。為了完成其在燃?xì)庀到y(tǒng)中的作用，調(diào)壓閥必須具備兩個(gè)條件：一是逐步降低燃?xì)鈮毫Φ饺細(xì)饣旌涎b置要求的范圍；一是緩沖燃?xì)夤┙o的壓力波動(dòng)，起到穩(wěn)定壓力的作用。

如果外部供給壓力太高，不能單步一次完成需要的降壓，或者外部供給的壓力波動(dòng)太大，則需要兩級(jí)或多級(jí)調(diào)壓。

1.6 混合器

這里所講的混合器是指燃?xì)夂涂諝獾幕旌掀鳎侨細(xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)的心臟?；旌掀髡_的計(jì)量燃?xì)饬髁?，使之適合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)工況，在考慮環(huán)境溫度、壓力、燃?xì)馄焚|(zhì)的影響下，同時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放要求。

目前使用最廣泛的混合器原理是用空氣進(jìn)氣流量來計(jì)量當(dāng)前工作狀態(tài)需要的燃?xì)饬?，比如IMPCO公司的膜片式混合器、海因茲曼公司的文丘里管混合器。

混合器是燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)混合系統(tǒng)的核心器件。關(guān)于混合系統(tǒng)將在后面的章節(jié)中做詳細(xì)介紹。

1.7 節(jié)氣閥

節(jié)氣閥是通過控制進(jìn)入氣缸的混合氣流量來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況的一種裝置，一般是安裝在靠近氣缸（或進(jìn)氣管）處的一個(gè)蝶形閥。因?yàn)楣?jié)氣閥調(diào)節(jié)混合氣流量，所以它是燃?xì)庀到y(tǒng)最重要的控制環(huán)節(jié)之一。

2 混合系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成和作用

混合系統(tǒng)的核心是混合器?；旌掀髟O(shè)計(jì)用來機(jī)械的檢測(cè)空氣流量，并按照一定比例控制燃?xì)獾牧髁侩S之變化，從而，來獲得發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)需要的空燃比。這需要通過使用文氏管或負(fù)壓膜片來完成。系統(tǒng)內(nèi)還包括一個(gè)負(fù)載調(diào)節(jié)閥（功率調(diào)整螺釘），允許對(duì)系統(tǒng)的混合特性進(jìn)行微調(diào)。如圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)的天然氣系統(tǒng)（渦輪增壓中冷式或者自然吸氣式）

2.2 各主要器件原理和結(jié)構(gòu)

（1）燃?xì)鈮翰铋y

在燃?xì)饣旌舷到y(tǒng)中，一般調(diào)壓閥設(shè)計(jì)為壓差閥。壓差閥不是維持一個(gè)恒定不變的燃?xì)鈮毫?，而是相?duì)于混合器進(jìn)口的空氣流量保持一個(gè)恒定不變的壓差。隨著進(jìn)入混合器的空氣流量在增加，燃?xì)鈮毫χ狄恢北３衷诳諝鈮毫χ导尤細(xì)鈮翰钪?。通過調(diào)整作用在壓差閥內(nèi)部膜片上彈簧，燃?xì)鈮翰钪狄话阍O(shè)定為1～3kPa。恒定不變的壓差可使混合器根據(jù)空氣需求量調(diào)整空燃比，適應(yīng)大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況。

典型的壓差閥如圖3。

圖3 典型的燃?xì)鈮翰铋y

（2）負(fù)載調(diào)節(jié)閥（功率調(diào)整螺釘）

負(fù)載調(diào)節(jié)閥是在壓差閥和混合器之間燃?xì)夤芫€中的流量調(diào)節(jié)裝置，如圖4。它的目的是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、氣質(zhì)狀況，提供微調(diào)燃?xì)庀到y(tǒng)的空燃比設(shè)置的一種手段。通過調(diào)節(jié)壓差閥送出的燃?xì)饬髁?，在混合器中降低燃料氣?duì)空氣的相對(duì)壓力，使混合物更稀薄，反之亦然。此閥只能在一定的調(diào)整范圍內(nèi)起作用。然而，特定的燃?xì)庀到y(tǒng)結(jié)構(gòu)所調(diào)節(jié)的特定范圍變化，可以通過更換混合器內(nèi)部零件來改變空燃混合特性。通過更換Impco混合器中的燃?xì)忾y和噴嘴結(jié)合體，或者更換Deltec混合器的文氏管，來實(shí)現(xiàn)空燃比的更大變化。

圖4 典型的Deltec混合器的橫截面

（3）混合器

如前所述，混合器的主要功能是在進(jìn)入燃燒室之前對(duì)燃料氣和空氣進(jìn)行計(jì)量和混合。能否正確混合，取決于混合器是否按照燃料氣進(jìn)行適當(dāng)選型，以及進(jìn)入混合器和燃料氣是否滿足壓力要求。目前普遍的應(yīng)用有兩種：Deltec和Impco混合器。

①Deltec混合器

圖4表示了典型的文氏管型（Deltec）混合器。文氏管型混合器為Deltec公司生產(chǎn)，用在某些低壓燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)上。文氏管型混合器的工作原理是文丘里效應(yīng)，簡(jiǎn)單來說是通過文氏管的空氣流，其在文氏管里的空氣壓力（圖4中P2）比其上游壓力（圖4中P1）?？諝饬髁吭酱螅瑝毫Σ顚⒃酱?。在此同時(shí)，如果到混合器的燃?xì)鈮毫Γ▓D4中P3），保持與P1一致的變化，壓力差P3－P2將隨著空氣流量增加而增加。這個(gè)壓差值的增加或者減少將造成燃?xì)饬髁肯鄬?duì)應(yīng)的變化。調(diào)壓閥用來保持P3與P1之間的壓差。

②Impco混合器

圖5是典型的Impco混合器的一個(gè)橫截面。這個(gè)系統(tǒng)用在所有的高壓燃?xì)饣旌虾筒糠值蛪喝細(xì)饣旌蠎?yīng)用中。當(dāng)空氣流經(jīng)過混合器膜片真空口時(shí)，建立了一個(gè)真空?？諝忾y膜片感應(yīng)到真空，隨著空氣流相應(yīng)的增大或者減小，依次升降燃?xì)忾y。這使得混合器調(diào)整可以根據(jù)空氣流量調(diào)整按比例調(diào)整燃?xì)饬髁俊Ｈ細(xì)忾y和噴嘴是根據(jù)特定的燃料氣和工況范圍來選型的。比如，燃?xì)忾y和噴嘴按天然氣選型的混合器在垃圾填埋氣中就不能正常工作。

圖5 典型的Impco混合器結(jié)構(gòu)圖

3 高壓燃?xì)庀到y(tǒng)和低壓燃?xì)庀到y(tǒng)的區(qū)別和各自特點(diǎn)

無論燃?xì)饣旌舷到y(tǒng)如何適應(yīng)于特定的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，其組成部件大部分是相同的。然而，設(shè)計(jì)的類型確定了燃?xì)庀到y(tǒng)的工作特性。其中一種特性是燃?xì)夤ぷ鲏毫Ψ秶８鶕?jù)混合器相對(duì)于空氣進(jìn)氣系統(tǒng)渦輪增壓器的布置，燃?xì)饣旌舷到y(tǒng)簡(jiǎn)單地劃分為高壓和低壓系統(tǒng)。

在高壓燃?xì)庀到y(tǒng)，空氣增壓后，空氣和燃?xì)庠跍u輪增壓器下游混合。見圖6。因?yàn)椴考呐判颍u輪增壓器在混合器之后），燃?xì)庀到y(tǒng)必須要能為混合器提供比增壓空氣壓力更高的燃料氣。高壓燃?xì)庀到y(tǒng)，根據(jù)機(jī)型的不同，工作的燃?xì)夤┙o壓力范圍在140～280kPa。

圖6 高壓燃?xì)庀到y(tǒng)

在低壓系統(tǒng)，部件的排序是相反的，混合器布置在渦輪增壓器上游。見圖7。在這種布置下（混合器在渦輪增壓器之前），混合器面對(duì)的不是增壓空氣，所以燃?xì)夤┙o壓力要求非常低。低壓燃?xì)庀到y(tǒng)根據(jù)機(jī)型的不同，工作燃?xì)夤┙o壓力范圍為7～70kPa。低壓系統(tǒng)經(jīng)常用于由于供氣工藝或氣源本身的原因燃料氣壓力受到限制的特定地點(diǎn)或用途。

圖7 低壓燃?xì)庀到y(tǒng)

4 空燃比控制系統(tǒng)

相比于簡(jiǎn)單的燃?xì)饣旌舷到y(tǒng)，空燃比控制的（AFRC）發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于燃?xì)夂涂諝獾幕旌仙细M(jìn)一步。雖然混合器能夠調(diào)整燃料氣混合率，來適應(yīng)不同的空氣流量，但是也只識(shí)別空氣和燃料氣的體積流量比，不能計(jì)算溫度對(duì)于空氣和燃料氣密度的影響，也不能計(jì)算其他因素，比如濕度或燃料氣熱值的變化。

空燃比控制系統(tǒng)（AFRC）不是監(jiān)測(cè)燃料氣和空氣的各種參數(shù)，而是監(jiān)測(cè)關(guān)鍵的輸出參數(shù)，這些輸出參數(shù)能夠直接反映燃燒能否達(dá)到期望工況的精確程度。這種方法叫做閉環(huán)反饋控制。在空燃比控制系統(tǒng)里，最常見的反饋參數(shù)是排氣里氧的含量，因?yàn)樗苯臃从吵鋈剂蠚馊紵罅粝铝硕嗌傺鯕?。因?yàn)槿紵覂?nèi)大部分的氧氣，或者說所有的氧氣，來自于空氣，所以排氣氧含量是空燃比的直接反映。

圖8反映了基于燃?xì)饣旌舷到y(tǒng)基礎(chǔ)上的空燃比控制系統(tǒng)。排氣管中的氧傳感器測(cè)量排氣口的氧含量。它作為空燃比控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，將實(shí)測(cè)的氧含量與為了達(dá)到預(yù)期排放設(shè)置的正確空燃比的氧含量相比較?？杖急瓤刂葡到y(tǒng)通過調(diào)整燃?xì)夤┙o管線上電驅(qū)動(dòng)的蝶閥來修正混合器中的燃料氣流量。

圖8 空燃比控制的簡(jiǎn)單實(shí)例

5 結(jié)束語

隨著天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，燃?xì)庀到y(tǒng)的技術(shù)將與時(shí)俱進(jìn)、不斷深化。近期的研究重點(diǎn)應(yīng)是多種氣源的適應(yīng)性、空燃比控制策略。

密切關(guān)注天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，不斷開發(fā)新的產(chǎn)品，是內(nèi)燃機(jī)工程師應(yīng)盡的責(zé)任。

［1］ 李光舉.煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比控制策略研究［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008，（7）：15－17，31.