微油引燃双燃料发动机组合喷射阀设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

长期以来,发动机主要燃用液态石油燃料,然而随着石油储量的不断减少,节能减排受到广泛关注,可替代燃料的研究渐渐成为一项重要的课题。天然气作为一种储量丰富的优质燃料,将迅速成为石油的主要替代品,引领气体燃料的时代。

天然气自燃温度高、抗爆性好、排放性能优良,非常适合作为发动机的代用燃料使用,但是需要对原发动机进行特别的设计或改造,天然气发动机技术呈现出多样化的特点。

早在上世纪90年代,世界柴油机巨头瓦锡兰便首次在陆地动力装置上采用了双燃料技术。并在十年后推出第一台船用双燃料发动机50df,该双燃料发动机可釆用天然气、轻质燃油或重油作为燃料^[1]。同时,该双燃料发动机可以在不影响功率或者速度的前提下对燃料进行无缝切换,且不管使用何种燃料,并不影响其输出功率。2011年2月，瓦锡兰公司对rtx5新型低速双燃料发动机进行了全面测试,并在这一年9月,取得了重要突破,使得nox排放性能达到了 imo tierlll标准。现在,瓦锡兰公司仍在对rtx5发动机进行更细致的测试和技术改进^[2]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容及目标

（1）以Z6170ZLC船用柴油机（技术参数见表一）为研究对象，确定以微油引燃为主要技术特征的柴油/LNG双燃料发动机改造技术方案；

（2）按照要求对柴油-天然气组合式喷射阀进行结构选型、计算设计、绘图。

通过自主设计柴油-天然气组合式喷射阀，为将Z6170ZLC船用柴油机改造为柴油/LNG双燃料发动机提供技术支持。

表一 Z6170ZLC柴油机部分技术参数

2.2拟采用的技术方案及措施

2.2.1天然气供给系统的方案的确定

天然气燃料供给系统主要有以下3种方案。

（1）电控单点喷射供气技术

该技术的原理是将汽化稳压后的天然气通过高压电磁燃气喷射器喷入进气总管，然后在混合器中形成可燃混合气以供发动机燃烧。虽然系统浓度控制精度高、各缸浓度均匀性好，但是其瞬态适应性较差，同时必须保证稳压后的喷射压力要高于增压中冷后的空气压力，而且组成部件制造成本较高。

（2）电控多点喷射供气技术

该技术是在单点喷射供气系统基础上去掉了混合器，同时在每个气缸的进气道上设置了电控燃气喷射器，便于按照各缸点火顺序控制发动机的燃料量。此供气系统虽然有效地提高了燃料控制系统的动态响应性能，燃料不占用进气道，使得发动机的功率密度提高，但是发动机各缸内燃料的浓度均匀性较差且不易控制，这样也就使得发动机失火和爆震得不到有效的控制，不利于做稀薄燃烧发动机。

（3）缸内直喷供气技术

缸内直喷进气方式是利用安装在汽缸盖上的专门的喷射阀将天然气直接喷入气缸。此项进气技术的优点是完全实现天然气供给量的质调节,且对空气充量影响非常小,拥有电控多点喷射的所有优点。

British Columbia 大学和加拿大西港创新公司（Westport Research）联合开发出了柴油微引燃双重共轨高压直喷供气系统。该系统需要先后向气缸内喷入两种不同的燃料，因而这种技术的燃料供给系统需要 ECU 根据发动机的工况精确控制柴油和天然气的喷射量和喷射时间。该系统采用油气共用高压喷射器，喷射器中有两个同心的针型阀，分别控制引燃柴油和天然气，在压缩行程中，当活塞运动到接近上止点时，柴油与天然气先后通过同一个燃料喷射孔，以很高压力（通常的喷射压力在 16～25MPa）直接喷入气缸，引燃柴油热量保持为全负荷时燃料总能量的 5%^[7]。

为实现双燃料模式各个工况下，引燃油的替代率不超过5%的目标，本次课题采用的改装方法是，增加一套天然气供给装置并且重新设计喷射阀，实现缸内喷射。如图1所示是天然气供给示意图。该系统先后向气缸喷入两种不同燃料（天然气和柴油），因而该供给系统需要ECU根据发动机的工况精确控制柴油和天然气的喷射量和喷射时间。同时该系统采用油气共用的喷射器，喷射器中有两个同心的针型阀，分别控制引燃柴油和天然气。喷油器的安装条件与原柴油机的喷油器安装条件相同，因此，不用改变气缸盖结构就能实现改装，大大的降低了成本。

图1 天然气供给示意图

2.2.2天然气组合喷射阀的设计

柴油-天然气双燃料发动机的技术方案是：在压缩冲程末期，预先喷入少量柴油作为引燃源，引燃柴油喷束着火后，在燃烧室内不同位置形成多个火核，点燃气缸内的预混天然气和空气混合气，使天然气和空气混合气可以尽量短的时间内完成燃烧放热过程。这种发动机的关键技术在于对引燃油量控制。根据发动机运行工况的不同，柴油的替代率差别较大，特别是纯柴油模式和替代率较高的工况，需要喷射阀可以适应较宽广的流量范围，在整个运行范围内可以达到较好的喷射效果。

为实现上述要求，本次喷射阀设计采用如图2所示方案。

图2 柴油-天然气组合喷射阀

1、柴油控制电磁阀 2、泄油口 3、天然气进口 4、紧帽 5、滑动密封圈

6、储气室 7、滑动式针阀套 8、喷嘴口 9、喷油嘴 10、针阀 11、储油室

12、天然气控制电磁阀 13、喷射体 14、控制活塞 15、柴油进口

图中所示柴油控制电磁阀包括控制柴油电磁阀体和安装在控制柴油电磁阀体里的控制柴油电磁阀电磁线圈、弹簧、弹簧座、球阀、球阀座、控制阀芯、衔铁、控制阀芯复位弹簧、电磁铁；天然气控制电磁阀包括控制天然气电磁阀体、动铁芯、动铁芯复位弹簧和安装在控制天然气电磁阀体里的电磁铁、控制天然气电磁阀电磁线圈，电磁铁、动铁芯均安装在针阀外面，控制天然气电磁阀电磁线圈安装在控制天然气电磁阀体和电磁铁之间，动铁芯复位弹簧一部分绕在电磁铁上，一部分绕在动铁芯上。

上诉柴油-天然气组合喷射阀的基本工作原理：采用双针阀设计的喷油器，柴油进口15与高压油管相连通，控制柴油电磁阀1通过通断电控制衔铁，拉动阀芯实现对控制室内柴油的泄流，从而使针阀10抬起实现柴油的喷射。天然气进口3与天然气管路相连通，控制天然气电磁阀12通过电磁铁控制动铁芯升降带动滑动式针阀套7起落，进而控制天然气的喷射。通过两个高速的电磁阀分别控制柴油和天然气的喷射，既可实现纯柴油模式，又能实现纯柴油模式运行，并能实现较高的天然气替代率。

柴油-天然气组合喷射阀设计关键技术分析：

（1）与喷射阀匹配的双燃料发动机最高转速为1000r/min，发动机转过一圈的时间为60ms，压缩行程持续时间在15ms左右，因此发动机的天然气喷射持续时间应小于15ms，本次设计必须保证在最短的时间内完成最大天然气流量的喷射。这就要求电磁阀的响应时间足够短以及喷射阀的喷射压力足够高；

（2）电磁铁要有足够快的响应速度，它的动作频率应在100Hz以上；

（3）电磁阀工作状态稳定，可重复性好，以保证喷油定时和喷油量的稳定性要求；

3. 研究计划与安排

第一周，熟悉课题任务，并通过查阅资料，熟悉lng的主要理化特性以及了解lng在柴油机上的应用技术现状及其特点；

第二周，查阅外文文献，并完成文献检索报告和外文翻译；

第三周，针对z6170zlc船用柴油机，提出微油引燃双燃料发动机的初步改造方案，并初步完成柴油-天然气组合喷射阀的结构设计；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]thijssen.barend.duafuel-electriclngcarriers[j].transactions-sociey of naval architccts and marine engineers. 113,492-500,2006

[2]彭雪竹.国内外双燃料发动机发展状况分析[j].船舶与设备.2012(3):16-21

[3]王温和.双燃料发动机技术简介[j].中国科技信息.2011(15):114