◎文/呂雪軍（華菱星馬汽車<集團>股份有限公司）

一、目前的天然氣發(fā)動機的進氣裝置及其存在問題

隨著技術(shù)的發(fā)展和對環(huán)保要求的逐步提高，天然氣發(fā)動機由于在節(jié)能和環(huán)保等諸多方面優(yōu)于汽油和柴油發(fā)動機，被越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。天然氣發(fā)動機工作原理是，空氣經(jīng)過增壓器加壓，通過節(jié)氣門后進入混合器，在混合器內(nèi)氣體燃料與空氣混合后，通過進氣管等裝置進入燃燒室，最終帶動天然氣發(fā)動機的工作。

但發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)情況下突然減速時，節(jié)氣門已趨于關(guān)閉，增壓器壓氣機增壓后管路內(nèi)壓力驟升，在渦輪增壓器和節(jié)氣門之間會產(chǎn)生很大的背壓。并且由于排氣減少，增壓器無法提供足夠的動力來壓縮進氣，增壓器葉片降速甚至停轉(zhuǎn)，導(dǎo)致增壓器壓氣機增壓后管路內(nèi)的高壓氣體倒流回增壓器壓氣機增壓前管路；增壓器壓氣機增壓前管路內(nèi)壓力增大后，壓縮進氣的阻力變小，增壓器壓氣機會再次壓縮氣體，又會出現(xiàn)增壓器壓氣機增壓后管路內(nèi)壓力升高的情況。如此反復(fù)，氣體被激勵產(chǎn)生低頻高振幅的壓力脈動和氣流震蕩，這種現(xiàn)象被稱為喘振，由此引起的一系列振動噪音加大及損傷相關(guān)零部件等問題稱為天然氣發(fā)動機的喘振。

為了避免天然氣發(fā)動機的喘振，目前多通過既有的電子節(jié)氣門對喘振稍加控制，發(fā)動機引擎控制器根據(jù)減速觸發(fā)信號，激活燃料切斷功能，在切斷燃料供給的同時電子節(jié)氣門保持一定的開度，保證尚有部分氣體進入發(fā)動機氣缸，增壓器壓氣機增壓后管路內(nèi)氣體壓力不至于升得太快。但此種方法節(jié)氣門開度較小，氣流在通過節(jié)氣門時受阻，壓力依然有可能在短時間內(nèi)持續(xù)增大，依然可能使增壓器出現(xiàn)喘振。而喘振會引起發(fā)動機的振動加大、排氣溫度升高，造成超溫，嚴(yán)重時會發(fā)生放炮，氣流中斷而發(fā)生熄火停車。

目前，天然氣發(fā)動機多采用節(jié)氣門布置在混合器之后的布置方式。這種方式雖然可延長氣體混合時間,更好地保證發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能,但氣體燃料從混合器噴出后在進入燃燒室前必須經(jīng)過節(jié)氣門，低速時可燃氣體會溢滿整個進氣系統(tǒng)管道，不能保證全部進入燃燒室燃燒，造成燃料不完全利用，且由于燃料噴出點距離燃燒室太遠，易造成瞬態(tài)響應(yīng)的遲緩。

因此，如何有效地防止喘振的發(fā)生并在保證天然氣發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能的前提下提升瞬態(tài)響應(yīng)是目前亟待解決的技術(shù)問題。

二、天然氣發(fā)動機進氣裝置的設(shè)計開發(fā)

為解決上述問題，筆者設(shè)計了一種天然氣發(fā)動機的進氣裝置，這種進氣裝置可以根據(jù)增壓器壓氣機前后壓差控制防喘振閥的導(dǎo)通狀態(tài)。圖1是這種進氣裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。從節(jié)氣門和混合器連接處的空腔中引出第一防喘振閥連接管，第一防喘振閥連接管的另一端連通壓力感受頭。由于防喘振閥同時與增壓器壓氣機增壓后管路和空腔連接，能夠根據(jù)兩者之間的壓力差調(diào)節(jié)其自身的導(dǎo)通與關(guān)閉，壓力差的設(shè)定值可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

圖1 天然氣發(fā)動機進氣裝置結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)節(jié)氣門開啟時，空腔內(nèi)的正常壓力通過第一防喘振閥連接管反饋到壓力感受頭，控制防喘振閥保持關(guān)閉。當(dāng)發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)且節(jié)氣門趨于關(guān)閉時，節(jié)氣門后就會產(chǎn)生負(fù)壓，空腔內(nèi)低于正常壓力的壓力通過第一防喘振閥連接管反饋到壓力感受頭，當(dāng)空腔與增壓器壓氣機增壓后管路之間的壓力差達到設(shè)定值時,控制防喘振閥導(dǎo)通。

通過進氣裝置內(nèi)部氣體壓力的變化實現(xiàn)對防喘振閥的控制，能夠以較簡單方便的方式實時控制防喘振閥，因為喘振的發(fā)生是由于壓力的變化，通過壓力控制防喘振閥，能更好地實現(xiàn)對進氣裝置的控制。也可不使用壓力控制防喘振閥，直接對節(jié)氣門以及發(fā)動機運行狀態(tài)綜合進行檢測，根據(jù)發(fā)動機高速運行狀態(tài)下節(jié)氣門的開閉狀態(tài)控制防喘振閥[1]。

也可設(shè)置兩個防喘振閥（見圖1），每個防喘振閥均通過管路連接管連通增壓器壓氣機增壓前管路和增壓器壓氣機增壓后管路。在兩個防喘振閥的壓力感受頭之間連通有第二防喘振閥連接管，第二防喘振閥連接管的中部與第一防喘振閥連接管導(dǎo)通，從而實現(xiàn)空腔到壓力感受頭的導(dǎo)通。

空氣先通過節(jié)氣門再通過混合器，使混合器靠近進氣管的入口，并通過進氣連接彎管連通，混合氣體由進氣管進入天然氣發(fā)動機的燃燒室。進氣連接彎管經(jīng)過虛擬計算和實際驗證，使此種連接方式既能保證空氣與燃氣的良好混合，穩(wěn)態(tài)工作性能良好，也使得混合后的氣體不需經(jīng)過節(jié)氣門，進入進氣連接彎管與進氣管內(nèi)部，防止混合后的氣體在低速情況下擴散至整個進氣系統(tǒng)，提升燃料利用率，使燃氣合理經(jīng)濟的應(yīng)用[2]。同時混合器與燃燒室之間極短的距離還增強了發(fā)動機的瞬態(tài)響應(yīng)，加速或減速時都能迅速響應(yīng)，操縱性能良好。

節(jié)氣門、混合器和進氣管形成了懸臂，為了避免懸臂產(chǎn)生大幅振動，可在進氣管上安裝節(jié)氣門支架。節(jié)氣門支架的一端固定在進氣管的相應(yīng)安裝孔上，另一端與節(jié)氣門連接并支撐節(jié)氣門。通過將懸臂支撐起來避免了大幅振動產(chǎn)生，有效地保護了進氣裝置。

天然氣發(fā)動機工作時，一般情況下防喘振閥處于常閉狀態(tài)，增壓器壓氣機增壓前管路和增壓器壓氣機增壓后管路之間不導(dǎo)通，空氣在增壓器壓氣機內(nèi)增壓，由增壓器壓氣機增壓前管路進入增壓器壓氣機增壓后管路，然后通過節(jié)氣門進入混合器與可燃氣體混合，最后混合后的氣體通過進氣管進入燃燒室實現(xiàn)天然氣發(fā)動機的工作。當(dāng)發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)且節(jié)氣門趨于關(guān)閉時，防喘振閥導(dǎo)通，增壓器壓氣機增壓前管路和增壓器壓氣機增壓后管路之間導(dǎo)通，氣體能夠通過管路連接管從高壓的區(qū)域流向低壓的區(qū)域，而不是在兩區(qū)域內(nèi)往復(fù)地流動，實現(xiàn)管路內(nèi)各處壓力的平衡。由于在兩個管路內(nèi)的壓力平衡，就不會出現(xiàn)氣體被激勵產(chǎn)生低頻高振幅的壓力脈動和氣流震蕩現(xiàn)象，進而有效地防止喘振的發(fā)生。

三、結(jié)論

新開發(fā)的進氣裝置有效避免了氣體發(fā)動機的進氣波動，減小了對發(fā)動機性能和排放的影響。安裝有此種進氣裝置的天然氣發(fā)動機通過了試驗臺架的驗證，已經(jīng)批量生產(chǎn)并得到市場的良好反饋，能滿足新一代高功率、低排放氣體發(fā)動機的設(shè)計要求。