CN113250863A - 一种船用气体机高压-稳压喷射系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船用气体机高压‑稳压喷射系统及控制方法。采用的技术方案是：包括手动截止阀、双截止透气阀组件、过滤器、调压阀、双层壁燃气轨、吹扫电磁阀、燃气喷射阀、燃气喷嘴、气缸以及配套管路与多个传感器，所述双截止透气阀组件包括主气体燃料阀、自动截止阀与自动透气阀，用于配合调控高压燃气压力。本发明的有益效果：提高了发动机动态响应性，燃气高压喷射提高了甲烷在混合气内的平均摩尔稳定值，进一步提高了发动机稀燃上限，降低了污染物排放。采用燃气高压喷射，匹配小规格燃气喷射阀即可满足高功率需求，采用稳压喷射，保证了各喷射阀前供给压力一致性，提高各缸燃烧一致性和各缸空燃比控制精确性，避免单缸失火、爆震。
Description
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，特别涉及船用气体燃料发动机，具体涉及 一种船用气体机高压-稳压喷射系统及控制方法。
背景技术
国家环保和航运部门对船舶发动机排放提出了更高要求。我国内河、近 海船舶主动力主要为柴油机，其排放的NOx、SOx和颗粒物已经成为河流及周 边生态环境主要污染源之一。自2021年7月起，国家将按GB15097-2016《船 舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》第二阶段(以 下简称C2)执行排放限制，采用LNG代替传统的柴油燃料已经成为降低内河和 近海船舶发动机排放最现实、有效的方案。
船用气体机近年来发展较快，前期以预混合式气体机为主，实现了燃料 的清洁燃烧，但动态响应差、甲烷逃逸及HC排放浓度高，难以满足船用主推 动力对高动态响应性及C2排放标准要求。
现有技术中，专利201710409480.0一种LNG天然气发动机的燃气供给 系统，空气与燃气单独调节，经混合器混合后进入气缸，但该系统属于增压器 后单点喷射，无法实现单缸燃气量及空燃比精确控制，且混合气离气缸较远， 动态响应慢；专利201910116776.2公布了一种船用双燃料发动机燃气供给系 统，采用燃气阀组单元及双层管完成供气，仅是解决燃气泄漏带来的风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种船用气体机高压 -稳压喷射系统及控制方法，提高了发动机动态响应性，有效解决背景技术中 的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种船用气体机高压-稳 压喷射系统及控制方法，采用的技术方案是，包括手动截止阀、双截止透气阀 组件、过滤器、调压阀、双层壁燃气轨、吹扫电磁阀、燃气喷射阀、燃气喷嘴、 气缸以及配套管路与多个传感器；
所述双截止透气阀组件包括主气体燃料阀、自动截止阀与自动透气阀， 用于配合调控高压燃气压力，所述双截止透气阀组件运行由机旁控制箱发出的 启动、停机信号控制；
所述手动截止阀依次连通主气体燃料阀、过滤器、自动截止阀、调压阀 与双层壁燃气轨，高压天然气通过手动截止阀进入系统，由双层壁燃气轨进入 发动机进气歧管根部的燃气喷射阀，高压天然气经燃气喷射阀喷射进入进气歧 管，在进气歧管内与增压空气初步混合后进入气缸。
作为本发明的一种优选技术方案，所述手动截止阀、主气体燃料阀设置 于机舱舱壁外；所述主气体燃料阀和自动截止阀为常闭、得电打开型，所述自 动透气阀为常开、得电关闭型。
作为本发明的一种优选技术方案，所述过滤器后设置有燃气压力传感 器，用于采集燃气压力信号传递至机旁控制箱，进行调压阀前燃气压力高、低 报警及过高、过低停车。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高压燃气控制在6至9barg，经 调压阀向双层壁燃气轨提供5至7barg高压燃气，燃气高压喷射选用小规格燃 气喷射阀。
作为本发明的一种优选技术方案，所述调压阀后的燃气管路设有氮气吹 扫口，在发动机长时间停车或检修时对燃气管路进行氮气惰化；高压氮气经氮 气吹扫口进入燃气轨，完成双截止透气阀组件和燃气喷射阀之间燃气管路的吹 扫惰化，氮气经燃气轨末端吹扫电磁阀排至机舱外安全区域。
作为本发明的一种优选技术方案，所述双层壁燃气轨上安装有燃气压 力、温度传感器，用于控制燃气喷射阀的燃气喷射量；所述燃气喷射阀安装于 双层壁燃气轨内管与外管的空腔内，空腔内进行持续通风。
作为本发明的一种优选技术方案，所述燃气喷射阀后采用夹角多孔式燃 气喷嘴进入气缸盖进气道。
作为本发明的一种优选技术方案，所述双截止透气阀组件的控制逻辑如 下：
(1)当发动机不动车、双截止透气阀组件不工作时，自动透气阀打开， 主气体燃料阀和自动截止阀关闭；
当机旁控制箱供电后，双截止透气阀组件不得电；
当按下启动按钮时，双截止透气阀组件得电，并保持得电，打开自动截止 阀，关闭自动透气阀；
延时一段时间后给船舶燃气供应安保系统发送无源开关信号，使安保系统 打开主气体燃料阀，保证发动机动车用气需求。
(2)当发动机正常停机、控制箱触发报警停机信号或接到用户提供的报 警停机信号时，双截止透气阀组件失电，主气体燃料阀和自动截止阀关闭，自 动透气阀打开，完成燃气供给切断及管道内燃气的安全放散。
(3)双截止透气阀组件直至下次启动时再次得电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提高了发动机动态响应 性，经台架验证，发动机突加突卸稳定时间控制在5秒左右；燃气高压喷射提 高了甲烷在混合气内的平均摩尔稳定值，进一步提高了发动机稀燃上限，发动 机可在过量空气系数1.65以上稳定运行，大幅降低NOX排放量。缸内均质混合 气的充分燃烧降低了CH4、HC、CO排放，经台架排放测试，排放满足C2标准；
本发明采用燃气高压喷射，匹配小规格燃气喷射阀即可满足高功率需 求，降低成本，同时利用高压燃气缩短喷射持续期，避开多缸发动机发火间隔 角，有效避开多缸喷射阀同时开启工作时互相抢气，保证各喷射阀喷射一致性， 进而保证各缸工作均匀性。
本发明采用稳压喷射，保证了各喷射阀前供给压力一致性，提高各缸燃 烧一致性和各缸空燃比控制精确性，避免单缸失火、爆震。
附图说明
图1为本发明的系统图。
图中：1、手动截止阀；2、主气体燃料阀；3、过滤器；4、自动透气阀； 5、自动截止阀；6、调压阀；7、双层壁燃气轨；8、吹扫电磁阀；9、燃气喷 射阀；10、燃气喷嘴；11、气缸。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创 造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种船用气体机高压-稳压喷射系统及控制 方法，采用的技术方案是，包括手动截止阀1、主气体燃料阀2、过滤器3、自 动透气阀4、自动截止阀5、调压阀6、双层壁燃气轨7、吹扫电磁阀8、燃气 喷射阀9、燃气喷嘴10、气缸11及配套管路与多个传感器；
所述手动截止阀1、主气体燃料阀2布置在机舱舱壁外；所述主气体燃 料阀2和自动截止阀5为常闭、得电打开型，自动透气阀4为常开、得电关闭 型；主气体燃料阀2、自动截止阀5和自动透气阀4组成双截止透气阀组件， 双截止透气阀组件的动作由机旁控制箱发出的启动、停机信号控制。
进一步地，所述过滤器3后安装燃气压力传感器，采集燃气压力信号传 递至机旁控制箱进行调压阀前燃气压力高、低报警及过高、过低停车。
进一步地，船舶LNG储气罐中LNG气化后转化为高压天然气，经手动截 止阀1、主气体燃料阀2、过滤器3、自动截止阀5、调压阀6进入双层壁燃气 轨7。双层壁燃气轨中7的天然气进入安装在发动机进气歧管根部的燃气喷射 阀9，在燃气喷射阀9开启持续期内喷入进气歧管，在进气歧管内与增压空气 初步混合后进入气缸11。
进一步地，LNG气化后的高压燃气控制在6～9barg，经调压阀6向双层 壁燃气轨7提供5～7barg高压燃气，可保证高速大功率船用气体机良好的动 态响应，突加突卸能力强。利用燃气高压喷射选用小规格燃气喷射阀9即可满 足高功率需求，降低成本，同时利用高压燃气缩短喷射持续期，避开多缸发动 机发火间隔角，有效避开多缸燃气喷射阀9同时开启工作时互相抢气，保证各 燃气喷射阀9喷射一致性，进而保证各缸11工作均匀性。
进一步地，所述调压阀6后的燃气管路设有氮气吹扫口，在发动机长时 间停车或检修时对燃气管路进行氮气惰化。高压氮气经氮气吹扫口进入燃气 轨，完成双截止透气阀组件和燃气喷射阀9之间燃气管路的吹扫惰化，氮气经 燃气轨末端吹扫电磁阀8排至机舱外安全区域。
进一步地，所述双层壁燃气轨7上安装有燃气压力、温度传感器，用于 控制燃气喷射阀9的燃气喷射量。所述燃气喷射阀9安装在双层壁燃气轨7内 管与外管的空腔内，空腔内进行持续通风，满足本安型机舱要求。根据发动机 额定工况气耗量和燃气喷射压力精确计算燃气轨内管容积，避免某缸燃气喷射 阀9开启时导致腔内压力波动影响下一个发火缸燃气喷射阀9前供给压力波 动，以及突加突卸时造成的腔内燃气压力波动，从而保证各燃气喷射阀9前供 给压力一致性，提高各缸燃烧一致性和各缸空燃比控制精确性，避免单缸失火、 爆震。
进一步地，所述燃气喷射阀9后采用夹角多孔式燃气喷嘴10进入气缸 盖进气道，燃气的高压喷射在保证燃气快速进入燃烧室的同时产生强大气流扰 动促进燃气空气混合，加之燃烧室内湍流、滚流作用，提高混合气的混合均匀 性，实现均质燃烧。其次燃气高压喷射可提高甲烷在混合气内的平均摩尔稳定 值。如此，促进缸内燃气充分燃烧，提高热效率；充分燃烧降低CH4、HC、CO 排放量，同时混合气混合均匀性提高及高甲烷平均摩尔稳定值可进一步提高燃 烧系统稀燃上限，大幅降低缸内燃烧最高温度，从而大幅降低NOX排放量，保 证发动机整体排放满足C2标准。
所述双截止透气阀组件的控制逻辑如下：双截止透气阀组件不工作时 (发动机不动车时)，自动透气阀4打开，主气体燃料阀2和自动截止阀5关 闭。机旁控制箱供电后，双截止透气阀组件同样不得电。按下启动按钮时，双 截止透气阀组件得电，并保持得电，打开自动截止阀5，关闭自动透气阀4。 延时一定时间给船舶燃气供应安保系统一个无源开关信号，使安保系统打开主 气体燃料阀2，保证发动机动车用气需求。当发动机正常停机、控制箱触发报 警停机信号或接到用户提供的报警停机信号时，双截止透气阀组件失电，主气体燃料阀2和自动截止阀5关闭，自动透气阀4打开，完成燃气供给切断及管 道内燃气的安全放散。双截止透气阀组件直到下次启动再得电。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，所述调压阀后的高压燃气可根据发动机特 性需求进行调整匹配，在满足燃烧性能前提下实现燃气喷射阀9出口燃气声速 流动，此时燃气流量速率与调压阀6后的燃气压力线性相关，可满足燃气喷射 持续期的精确控制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多 种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种船用气体机高压-稳压喷射系统，包括：手动截止阀、过滤器、调压阀、双层壁燃气轨、吹扫电磁阀、燃气喷射阀、燃气喷嘴与气缸以及配套管路，其特征在于：还包括双截止透气阀组件与多个传感器；
所述双截止透气阀组件包括主气体燃料阀、自动截止阀与自动透气阀，用于配合调控高压燃气压力，所述双截止透气阀组件运行由机旁控制箱发出的启动、停机信号控制；
所述手动截止阀依次连通主气体燃料阀、过滤器、自动截止阀、调压阀与双层壁燃气轨，高压天然气通过手动截止阀进入系统，由双层壁燃气轨进入发动机进气歧管根部的燃气喷射阀，高压天然气经燃气喷射阀喷射进入进气歧管，在进气歧管内与增压空气初步混合后进入气缸。
2.根据权利要求1所述的一种船用气体机高压-稳压喷射系统，其特征在于：所述手动截止阀、主气体燃料阀设置于机舱舱壁外；所述主气体燃料阀和自动截止阀为常闭、得电打开型，所述自动透气阀为常开、得电关闭型。
3.根据权利要求1所述的一种船用气体机高压-稳压喷射系统，其特征在于：所述过滤器后设置有燃气压力传感器，用于采集燃气压力信号传递至机旁控制箱，进行调压阀前燃气压力高、低报警及过高、过低停车。
4.根据权利要求1所述的一种船用气体机高压-稳压喷射系统，其特征在于：所述高压燃气控制在6至9barg，经调压阀向双层壁燃气轨提供5至7barg高压燃气，燃气高压喷射选用小规格燃气喷射阀。
5.根据权利要求1所述的一种船用气体机高压-稳压喷射系统，其特征在于：所述调压阀后的燃气管路设有氮气吹扫口，在发动机长时间停车或检修时对燃气管路进行氮气惰化；高压氮气经氮气吹扫口进入燃气轨，完成双截止透气阀组件和燃气喷射阀之间燃气管路的吹扫惰化，氮气经燃气轨末端吹扫电磁阀排至机舱外安全区域。
6.根据权利要求1所述的一种船用气体机高压-稳压喷射系统，其特征在于：所述双层壁燃气轨上安装有燃气压力、温度传感器，用于控制燃气喷射阀的燃气喷射量；所述燃气喷射阀安装与双层壁燃气轨内管与外管的空腔内，空腔内进行持续通风。
7.根据权利要求1所述的一种船用气体机高压-稳压喷射系统，其特征在于：所述燃气喷射阀后采用夹角多孔式燃气喷嘴进入气缸盖进气道。
8.根据权利要求1所述的一种船用气体机高压-稳压喷射系统的控制方法，所述双截止透气阀组件的控制逻辑如下：
(1)当发动机不动车、双截止透气阀组件不工作时，自动透气阀打开，主气体燃料阀和自动截止阀关闭；
当机旁控制箱供电后，双截止透气阀组件不得电；
当按下启动按钮时，双截止透气阀组件得电，并保持得电，打开自动截止阀，关闭自动透气阀；
延时一段时间后给船舶燃气供应安保系统发送无源开关信号，使安保系统打开主气体燃料阀，保证发动机动车用气需求；
(2)当发动机正常停机、控制箱触发报警停机信号或接到用户提供的报警停机信号时，双截止透气阀组件失电，主气体燃料阀和自动截止阀关闭，自动透气阀打开，完成燃气供给切断及管道内燃气的安全放散；
(3)双截止透气阀组件直至下次启动时再次得电。
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