CN1269464A - 柴油－天然气发动机的燃料转换和省油方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柴油－天然气发动机的一种燃料转换和省油方法,其特征是,专用的发动机使用两个调速器和最小油量限制器的功能,在运转中,可实现两种燃料有效热能的等量自动转换;对供气系统的物理参数无需很高要求。在天然气供应充足时,能使发动机使用仅供点火用的柴油量。对于专用的柴油－天然气发动机,如果放弃燃料自动转换功能,可由人工取代某个调速器。例如运输机械用发动机可以由司机取代控制气量的调速器。本发明是简便易行、功能完善、天然气替代率较高的方法。

Description

柴油—天然气发动机的燃烧转换和省油方法

本发明涉及一种柴油—天然气发动机的燃烧转换和省油方法。

柴油—天然气发动机(以下简称发动机)有三种运转状态：全柴油运转；柴油—天然气混合运转；柴油点火天然气运转。追求两个特殊指标：一是可以实现上述三种运转状态相互转换，二是点火用柴油尽量省或者说天然气的替代率尽量高。现有的柴油—天然气发动机的燃料转换，是通过专用的转换装置来实现的。其特征是，在油量调节机构中，把喷油泵柱塞偶件上泵油区分为点火区和全柴油区；在气量调节机构中，设置气量控制阀，两套机构同时由一个调速器控制。在点火区工作时，全靠天然气调节运转；在全柴油区工作时，靠柴油调节运转。在两种燃料转换时，需要在液体和气体的当量数值下进行，因为天然气是可以压缩的，对压力变化很敏感。为了当量值稳定，必须对天然气系统的压力参数提出严格的要求。因此，其结构十分复杂，制造成本高，天然气替代率低，发动机功能不够完善。

本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提出柴油—天然气发动机的一种燃料转换和省油方法。使用该方法后，结构简化，成本降低，提高天然气替代率，达到提高效率、节约柴油的效果。

本发明的技术方案是：

1、在通用的柴油—天然气发动机主体上，安装一套油量调节机构和控制油量的调速器(以下简称油调速器)；一套气量调节机构和控制天然气量的调速器(以下简称气调速器)；两个调速器分别受各自的操纵机构控制，同时又都接受发动机的转速指令。

2、在油量调节机构就近，安装一个可以调整的油量限制器，用来限制油量调节机构减少供油量，而不限制停车机构断油。受限制的油量可以调到很小，但是不允许小于正常点火所需要的最小油量，以下简称最小油量G_min(g/冲次)。它的具体数值需要经过台架实验并经过耐久考核来确认。

3、上述具有两个调速器和油量限制器的柴油—天然气发动机，欲使用两种燃料自动转换功能时，需先设置一个予置转速：

      n_y＝n_qy-(G_o-G_y)(n_max-n_e)/(G_e-G_o)     (1)

其中：n_y——全柴油空载运转按用途预先设置的转速(r/min)；

      n_qy——发动机工作中的转速(r/min)；

     n_e——发动机标定转速(r/min)；

     n_max——全柴油12小时功率下，卸尽负载的空载稳定转(r/min)

     n_max-n_e——使柴油变化量为(G_e-G_o)时，所需转速变化量；

     G_e-G_o——转速变化量为(n_max-n_e)时，使柴油的变化量；

     (n_max-n_e)/(G_e-G_o)——每克/冲次柴油，需要的转速变化量；

     G_o——全柴油空载运转的油量(g/冲次)；

     G_e——全柴油12小时功率时的油量(g/冲次)；

     G_y——受油调速器控制的油量(g/冲次)。

经过台架试验的发动机，可以把n_e、n_max、G_o、G_e当作常数。当n_qY＝n_e，G_y＝G_min，n_y取得一个特定值，称最佳予置转速，用n_ye(r/min)表示，将n_qY＝n_e，G_y＝G_min，n_y＝n_ye代入(1)式整理得：

      n_ye＝n_e-(G_o-G_min)(n_max-n_e)/(G_e-G_o)       (2)

(2)式表示，当油调速器设置在最佳予置转速时，发动机在标定转速下运转，所用的油量正好是最小油量，而且与荷载无关。所谓正好是指油量限制器正待起作用。

从(2)式看，可以把n_ye当作常数，所以，已出厂的柴油—天然气发动机的转速n_qy和油量G_y的关系可用下列方程描述：

    n_qy＝n_ye+(G_o-G_y)(n_max-n_e)/(G_e-G_o)          (3)

从(3)式可以直观看出，两种燃料转换过程中，柴油—天然气发动机的下列运转状态：

a.G_y＝G_min时，n_qY＝n_e；柴油点火天然气运转状态。

b.G_y＝G_o时，n_qy＝n_ye；柴油—天然气混合运转状态。

c.G_y＞G_o时，n_qY＜n_ye；柴油—天然气混合运转状态。

d.G_y≥G_e时，n_qY≤n_ye-(n_max-n_e)；全柴油运转状态。

以上由a状态至d状态中，G_y值不断地增加，是用来补充天然气量不断地减少，以保证发动机不间歇地运转。此间，操作者并没有干涉。然而，当天然气量逐渐增加，发动机转速n_qY将逐渐升高，油调速器控制的油量G_y将逐渐减少；当天然气增加到原来的量，发动机将由d状态恢复到a状态，这个逆过程恕不详述。

以上就是柴油—天然气发动机在最佳予置转速下，两种燃料自动转换的过程。予置转速不同，发动机运转状态不同，即柴油和天然气的比例不同，应依据不同的目的选择不同的予置转速。

4、专用的发动机，不需要燃料自动转换，可以根据使用特性和场合，由人工取代其中一个调速器。如：运输机械用柴油—天然气发动机，主要在速度特性下运转转速随机改变，不需要调速器来稳定速度，因此，可以由司机取代气调速器，直接操纵气量调节机构。不过，予置转速需要设置在最低空载稳定转速下。采油抽油机上用的发动机，主要在柴油点火天然气运转状态下工作。可以由人工取代油调速器，短时间直接操纵油量调节机构全柴油运转；待伴生气出来之后，由人工转换成柴油点火天然气运转状态，把柴油限制在最小油量，完全由气调速器控制，使发动机在调速特性下运转。

5、最小油量有油量限制器作保证，其具体数值不是随意确定的，它和油量调节机构和喷油器中偶件的规格尺寸密切相关；一旦这些偶件确定下来，最小油量几乎是客观存在，不过需要经过试验确认。因为，偶件的规格尺寸越小，最小油量可以越少，为了省油可以选用比常规更小规格尺寸的偶件。不过，这样做会对发动机全柴油运转功能不利，因此，应依据不同用途作出选择。

本发明与有技术相比具有下列优点：

1、结构简单，专用零部件少，制造成本低，操作简便；

2、发动机在运转中，操作者可以随意转换两种燃料的比例；

3、在气源波动，或断续供气，操作者来不及处理时，将随时有调速器实现两种燃料自动相互转换，确保发动机不间歇运转；

4、燃料自动转换，是调速器的调速功能实现的，不是某物理量的当量转换，而是两种燃料有效热能的等量转换；其转换方程有确定的解；发动机的特性曲线将是圆滑的；而且，对供气系统的物理参数无需很高的要求；

5、油量限制器既确保发动机在各种运转状态中实现燃料转换时不会断油熄火，又保证在天然气充足时，使用允许的最小油量，达到尽量高的天然气替代率；

6、专用的柴油—天然气发动机，由司机取代某个调速器，直接操纵气量调节机构或油量调节机构，使其结构更简单，制造成本更低。

另外，本发明仍保证柴油—天然气发动机与电点火气体发动机相比，具有热效高，排放物有害成分少，排气温度低等优点，使其成为电点火气体发动机有力竞争对手。

下面结合一种具体实施例就该发明的方法作如下说明。

发动机使用的调速器，可分为机械、液压、电子三类，其基本功能都是稳定转速，调速率各有差异，都能为本发明所用。机械调速的调速功能虽然差，但是仍能满足一般用途发动机的需要，因为构造简单、便宜，所以应用十分广泛。下边，以全制式机械调速器为例，结合附图详述实施例内容。

附图为使用全制式机械调速器工作结构原理示意图。

附图中，油调速器2、油量调节机构3、气调速器4、气量调节机构5、油操纵机构6、油量限制器10、停车机构13、气操纵机构14都装在发动机主体1适宜的位置。油调速器2，有油飞铁组9、油杠杆8组成；气调速器4、有气飞铁组17、气杠杆16构成；两个调速器飞铁组，都按各自的传动比，随发动机曲轴转动。油量调节机构3，有齿条连接杆11、喷油泵12构成。气量调节机构5，有连接杆组18、节流阀19构成；它们都受控于各自的调速器和操纵机构。停车机构13、截止阀20，由操纵者控制。

按本发明工作原理装配完毕的发动机，装上试验台架初次开车之前，截止阀20应是关闭状态，气操纵机构14，应在左边使气调速弹簧15放松；把油操纵机构6向右扳转，拉紧油调速弹簧7，使油杠杆8向右摆，拨动齿条连接杆11向右移，使喷油泵12处于最大供油状态。

发动机起动成功后，立即调整油操纵机构6，使发动机在最低空载稳定转速下运转。此时，发动机是全柴油怠速运转状态。测取此时的油量即为G_o(g/冲次)。

为了在空载运转中就使用两种燃料，在以上全柴油怠速运转状态下，调整油量限制器10，使其与油杠杆8保留少量间隙；而后打开截止阀20，向右扳转气操纵机构14，拉紧气调速弹簧15，使气杠杆16向右摆，拨动气量调节机构5中的连接杆18，使节流阀19微微打开，让少量天然气进入燃烧室作功，使发动机转速有一定升高；发动机转速升高，油飞铁组9的离心增加，油杠杆8将向左摆，使喷油泵12减油。测取此时的油量Gy是否为允许的最小油量G_max。如果G_y＞G_min，原因有二，一是发动机转速还不够高；二是油量限制器10顶住了油杠杆8，那就需要进一步开大节流阀19，或再调油量限制器10，一直测取到G_y＝G_min为止。在调整油量限制10时，尽量不出现G_y＜G_min，因为发动机在这种状态下运转，可能会发生点不着火而停车。

经过初次开车，确定了油操纵机构6，使发动机全柴油空载最低稳定转速的位置，并调整好了油量限制器10，发动机就可以按程序进行各项试验了。

油操纵机构6固定不动，仅使用气操纵机构14，按程序可以一直作完柴油点火天然气运转状态的磨合试验和出厂性能试验。在各种试验中，可以随时测取油量，将会发现总是G_min；因为试验中发动机转速总大于初开车时设置的全柴油空载最低稳定转速；油调速器2控制的油杠杆8，一直处于减油态势，而又一直受到油量限制器10的限制。

然后把截止阀20关闭，把气操纵机构14扳转到标定负荷位置，仅使用油操纵机构6，按程序可以一直作完全柴油运转状态的各项出厂试验。在试验中应测取G_o、G_e、n_max具体数值。

达到出厂标准的柴油—天然气发动机，在使用其负荷特性或标定转速下的调速特性时，如果天然气供应不稳定或间歇供气，发动机可以实现两种燃料自动相互转换，保证发动机不间歇运转，其过程如下：

用油操纵机构6，把发动机设置在最佳予置转速n_ye(见(2)式)；而后，使用气操纵机构14，通过气调速器4和气量调节机构5，把发动机负荷加到需要的负荷，但一般不大于持久功率。此时，发动机是在标定转速下运转，不管功率大小，其油量必然是允许的最小油量。

发动机在以上工况运转中，出现气源压力下降，势必引起转速降低；那么气调速器的飞铁组17的离心力势必减少，使气杠杆16失去平衡，被气调速弹簧15拉动向右摆，通过气量调节机构5的连接杆18，使节流阀19的开度进一步加大，让更多的天然气通过，增加工质的能量，制止发动机转速下降。如果气压继续下降，节流阀19的开度已到最大，仍不能制止转速下降，证明气调速器4已无能力控制发动机运转。发动机转速低于原来转速的信息，作为指令传给油调速器2，那么，油调速器2将开始接替气调速器4，执行控制发动机负载运转的职能。因为，在n_qy＜n_e时，将(3)式变成不等式，求解得G_y＞G_min是不等式的解；从附图上看，当n_qy＜n_e，油调速器2中，油飞铁组9的离心减小，使油杠杆8失去平衡，被油调速弹簧7的收缩力拉动向右摆，通过油量调节机构3中的齿条连接杆11，使喷油泵12加油，增加工质能量，制止发动机转速下降；而且下降的转速越多，喷油泵12增加油量越多，以相等的有效能力，补充天然气量的减少。

根据(3)式可以得到燃料转换过程的下列运转状态：

a.n_qY＝n_e时，G_y＝G_min；柴油点火天然气运转状态。

b.n_qY＝n_ye时，G_y＝G_o；柴油—天然气混合运转状态。

c.n_qy＜n_ye时，G_y＞G_o；柴油—天然气混合运转状态。

d.n_qY≤n_ye-(n_max-n_e)时；全柴油运转状态。

如果天然气逐渐恢复正常压力，那么，发动机将逐渐恢复到正常转速，油量也将逐渐减少到最小油量G_min，这个燃料转换过程恕不详述。

以上所述的最佳予置转速n_ye，表现在发动机只要在标定转速n_e运转，不管负荷大小，所使用的柴油总是最小油量；如果n_y＜n_ye，当天然气供应不足，需要由柴油自动补充时，其转换转速不是n_qY＜n_e，而是n_qY＜n_e-(n_ye-n_e)；当天然气断绝，发动机变成全柴油运转所保持的最低转速不是n_qY＜n_ye-(n_max-n_e)；而是n_qy＜n_ye-(n_max-n_e)-(n_ye-n_y)。所以，在n_y＜n_ye时，在燃料自动转换时，发动机的转速变化是增大。同理，如果n_y＞n_ye，发动机在核定转速下运转，其油量不是G_min，而是G_y＞G_min。所以说n_y＝n_ye为最佳。

以上所述的最小油量G_min的具体数值，是经过反复台架试验并经过耐久试验考核确定的，要想求得比该值更小，那只有在油量调节机构和喷油器中，选用比常规更小规格尺寸的偶件。但是比常规更小的偶件会影响发动机全柴油运转时的性能。所以，是否选用更小的偶件，应根据发动机的使用场合来决定。

运输机械用发动机转速随时变化，因为主要在速度特性下运转，没有必要稳定发动机转速，所以，可以由司机取代气调速器4，直接操纵气量调节机构5。不过，油调速器2应设置在全柴油空载最低稳定转转速，确保运输机械驻车时，发动机仍能够在低转速下怠速。

油田采油抽油机上用的柴油——天然气发动机，可以由人工取代油调速器2，直接操纵油量调节机构3，短时间使发动机全柴油运转。待伴生气出来后，由人工转换成柴油点火天然气运转状态；把柴油限制在最小油量，完全由气调节器4控制发动机在调速特性下运转。

如果发动机需要熄火停车，可由司机扳转停车机构13，拨动油量调节机构3中的齿条连接杆11，使油喷泵12断油，发动机立即熄火停车。

关于由司机操纵进行燃料转换的过程恕不赘述。

Claims (5)

1、一种柴油—天然气发动机的燃料转换和省油方法，其特征在于：在通用的柴油—天然气发动机主体上，安装一套油量调节机构和控制油量的调节器；一套气量调节机构和控制气量的调速器，两个调速器分别受各自的操纵机构控制，同时又都接受发动机的转速指令。

2、按照权利要求1的柴油—天然气发动机的燃料转换和省油方法，其特征在于：在油量调节机构就近装一个可以调整的油量限制器，用来限制油量调节机构减油的量，而不限制停车机构断油，但限制量不小于正常点火所需要的最小油量_Gmin(g/冲次)。

3、按照权利要求1或2的柴油—天然气发动机的燃料转换和省油方法，其特征在于：在两种燃料欲实现自动转换，需先设置一个予置转速：

        n_y＝n_qY-(G_o-G_min)(n_max-n_e/(G_e-G_o)

其中：n_y——全柴油空载运转按用途予先设置的转速(r/min)；

      n_qy——发动机工作中的转速(r/min)；

      n_e——发动机标定转速(r/min)；

      n_max——全柴油12小时功率下，卸尽负载后的空载稳定转速(r/min)；

      G_o——全柴油空载运转的油量(g/冲次)；

      G_e——全柴油12小时功率时的油量(g/冲次)。

      G_y——受油调速器控制的油量(g/冲次)。

4、按照权利要求1或2的柴油—天然气发动机的燃料转换和省油方法，其特征在于：专用的柴油—天然气发动机的燃料转换过程中，根据使用特性和场合由司机取代控制气量的调速器或控制油量的调速器。

5、按照权利要求1或2的柴油—天然气发动机的燃料转换和省油方法，其特征在于：在油量调节机构和喷油器中，使用比常规更小规格的偶件，可以达到省油的目的。