天然气发动机基础培训.

燃气发动机基础培训威斯特（北京）机械设备有限公司2009年9月2日概要•柴油发动机VS燃气发动机•G3500/G3600基本原理•G3600操作保养•卡特彼勒NGEO&NGEC介绍柴油发动机vs.燃气发动机DIESELGAS柴油发动机vs.燃气发动机4-strokeDieselcycle四冲程德塞尔循环(compressionignition压燃)–进气冲程将新鲜空气吸入气缸–压缩冲程压缩气缸内空气，并使气缸内温度升高超过燃油的燃点温度；燃油在适当时候喷如气缸并立即燃烧–气缸内燃油与空气充分混合燃烧，体积膨胀，推动活塞下行，完成做功冲程–排气冲程将废气排除气缸柴油发动机vs.燃气发动机4-strokeOttocycle四冲程奥托循环(sparkignition点燃)–进气冲程即将燃料和空气混合，吸入气缸–压缩冲程压缩气缸内混合气体，并提升温度(低于燃料燃点温度)接近上止点时，由火花塞点燃混合气体–混合气体膨胀燃烧，推动活塞下行，完成做功冲程–排气冲程将废气排出柴油发动机vs.燃气发动机Dieselenginedemands–structural柴油机受结构限制–发动机整体结构必须坚固以承受高气缸压力–燃油喷射系统需具备:提供很高的喷射压力精确计量喷有量在恰当时刻喷入燃油(点火时间=喷射时间)柴油发动机vs.燃气发动机Spark-ignitedenginedemands–thermal点燃式发动机受热力（温度）限制–混合气的压缩温度必须受控以避免爆燃–发动机相关部件必须能够承受很高的排气温度–火花塞点燃系统需具备:产生足够高的点火电压在恰当时刻产生电火花(ignitiontiming=sparktiming)CylinderPressure缸内压力比较LOAD负荷DIESELPEAKCYLINDERPRESSURELIMITGASENGINEDIESELENGINECYLINDERPRESSURE缸内压力PREIGNITION,DETONATIONCylinderPressure缸压Diesel柴油机–受发动机结构限制；相同排量的发动机，缸压越高，功率输出也越多Gas燃气发动机–受制于燃料的燃点温度；气缸内的压缩比不能太高，限制了发动机的功率输出OperatingTemperatureRelativeCombustionTemp.0.450.50.550.60.650.70.750.81014182226Air/FuelRation(V/V)GASOPERATIONRANGEDIESELOPERATIONRANGEEXHAUSTTEMP.20406080100102030405060708090100Load(%)GASENGINEDIESELENGINE排气温度负荷空燃比相应的燃烧温度排气温度Diesel柴油发动机–排气温度相对较低。过量的空气使燃烧更加充分致使排气温度较低Gas燃气发动机–排气温度高。气缸内的混合气空燃比必须严格控制以保证电火花能够迅速点燃TurboBoost增压压力GASENGINEDIESELENGINE010203040506070809010010203035404550606570758090100AIRFLOW(LOAD)BOOST,TURBOSPEEDTURBOSPEEDLIMIT增压器速度限制WASTEGATEOPENING气流（负荷）增压压力增压器转速涡轮增压Diesel–燃油直喷在较宽的范围内均能提供快速的负荷响应；增压压力受发动机结构和增压器转速Gas–较长的燃料通道限制了负荷相应速度；废气门结构优化了增压器对“增压过量”的响应速度，但是却限制了增压器效率IgnitionTiming点火正时TDC0100200300400500600-40-36-32-28-24-20-16-12-8-404812162024283550CRANKANGLECYLINDERPRESSURE曲轴转角缸内压力IgnitionTiming点火正时Diesel柴油发动机–由燃油的喷射时刻决定；压力升高不能超过发动机的结构限制Gas燃气发动机–由火花塞的点火时刻确定；点火提前角对控制爆燃起到非常关键的作用NormalCombustion正常燃烧过程NormalCombustion正常燃烧过程电火花点燃压缩可燃混合气燃烧从火焰内核向外缘延伸，扩展到整个燃烧室燃烧气体的火焰前锋不断推进，压缩“未燃气体”并推动活塞下行Detonation爆震Detonation爆震燃烧Oneormorecontrollingparametersexceedsnecessarylimits:一个或多个控制参数超出限制–cylinderpressure/temperature缸内压力/温度–ignitiontiming点火时间–rateoffuelburning燃烧速率Endgasreachescriticaltemperaturebeforebeingignitedbyflamefront;secondarycombustioncausesrapidlocalpressure/temperaturerise在火焰前锋到达之前，未燃气体达到临界着火温度发生自燃，第二点的燃烧导致温度和压力的极剧升高。FactorsInfluencingDetonation影响爆震的因素Compressionratio压缩比–风险：过度压缩会使气缸内温度升高而超过可燃混合气体燃点–控制：设计–压缩比的选择必须适合期望的燃烧特性FactorsInfluencingDetonation影响爆震的因素Inlettemperature/pressure进气温度/压力–风险：过高的进气初始温度和压力将会导致压缩混合气的温度超过其燃点温度–控制：设计-中冷器控制进气温度；废气门控制增压压力应用–中冷器散热水箱必须足够大；废气门必须调教适当FactorsInfluencingDetonation影响爆震的因素Ignitiontiming点火正时–风险：点火正时提前过多导致过早燃烧，气缸压力升高过快引起爆震–控制措施：应用–基于燃料特性和发动机负荷，安装时正确调定点火正时FactorsInfluencingDetonation影响爆震的因素Load负荷–风险：负荷过高将影响燃烧气体对活塞的推动能力，废气压力过高而引起爆震–控制：应用-必须事先分析现场燃气参数，确保所售发动机能够达到其功率等级FactorsInfluencingDetonation影响爆震的因素Air/fuelratio空燃比–风险：混合气越浓，发动机发生爆燃的可能性越大–控制：设计-AFRC允许发动机可以因外界条件的变化而调整混合气的浓度应用–根据负荷范围选择相应功率等级和类型的发动机(富氧燃烧、化学当量燃烧、稀薄燃烧)FactorsInfluencingDetonation影响爆震的因素Fuelcharacteristics燃气性质–风险：重烃（大分子碳氢化合物）燃气的燃烧速度比甲烷更快，压力升高也会更快，容易引起爆震–控制：应用–发动机压缩比以及空燃比、正时等参数必须适合现场燃气的类型和性能K-1G3500/G3600基本原理燃气发动机燃烧特性•CH4+2O2=2H2O+CO21M32M3标准状态下氧在空气中的容积百分比为21%可计算出燃烧1M3甲烷所需的空气量，2M3÷0.21=9.52M3空气空燃比•化学理论空燃比＝理论所需空气量/燃烧单位可燃气•实际空燃比＝实际供给空气量/供给燃料量•过量空气系数＝实际供给空气量/理论所需空气量空燃比燃烧•当量燃烧(Stoichiometry)CH4+2O2=2H2O+CO2•富氧燃烧(RichBurn)--排氧量:2%--氮氧化合物排放高(12-20g/bhp-hr)•稀薄燃烧(LeanBurn)--排氧量:6—12%--氮氧化合物排放低(2g/bhp-hr)判断气体可燃性的指标•辛烷值–从汽油机演变而来–∑燃气各组分的容积百分比X该组分的辛烷值当量–缺点：1）未计入惰性气体的影响2）线性关系不准确•甲烷值（1980年后采用）–以两种参考气体的甲烷值为基准：•甲烷：抗爆性最佳，定义为MN＝100•氢气：抗爆性最差，定义为MN＝0–未知燃气的MN（抗爆性）先是在发动机上作对比试验，以后发展可查图表或理论计算影响燃烧的因素项目趋势影响压缩比增大促成爆燃混合气浓度加浓促成爆燃发动机负载增大促成爆燃火焰传播距离增大促成爆燃进气温度升高促成爆燃进气压力升高促成爆燃冷却水温度升高促成爆燃点火正时提前促成爆燃燃气甲烷值减小促成爆燃发动机转速提高促成爆燃富氧燃烧和稀薄燃烧的比较稀薄燃烧的优缺点•排放好•燃烧温度低•功率高•易爆燃G3508发动机控制G3512/16发动机控制G3500空燃比控制G3600发动机控制G3600发动机控制•ECM功能--速度控制:调速器,速度信号闭环控制.--点火控制:ECM发出108V脉冲电压至点火初级线圈.--空/燃比控制:阶段控制-通过空气进气阀,燃气进气阀,废气排放阀.--起/停控制:控制逻辑.--运行监控:保护,报警,显示.G3600发动机控制发动机起/停控制逻辑ECM接到启动信号后:1.预润滑马达启动.预润滑达到一定压力,压力开关闭合,通知ECM盘车.2.设定逻辑确定盘车,ECM对起动马达提供+V盘车.发动机转动,驱动液压泵,以提供压力给三个电液执行器.3.发动机扫气—根据参数设定.3.盘车转速达到50RPM以上,ECM通电至GSOV阀打开.4.GSOV打开1S后,ECM监视燃气/空气压差小于0.5Kpa,加+V于燃气电液执行器,燃气进入发动机并点火.5.发动机起动转速达到起动结束设定值,ECM切断给起动马达的+V,起动小齿轮退出.6.当编辑逻辑判断要停车时,ECM关断GSOV-燃气中断,但继续点火.停车后,后润滑启动,以保证增压器等运动部件有足够的润滑.7.紧急停车时,GSOV和点火同时切断,无后润滑.G3600发动机空燃比控制G3600发动机空燃比控制G3600发动机空燃比(AFR)控制•发动机启动阶段--启动初始,发动机进气控制蝶阀保持在一固定位置10S.--通常设定在关闭60—80%.--设定值太大会进气不足,发动机转速迟迟达不到设定转速,控制软件会接管控制,逐步打开进气蝶阀,使转速达到设定值.•无反馈控制模式--达到设定转速10S后,AFR交AFR控制MAP控制.此时不考虑反馈的影响因素,无任何修正.--通常MAP计算的AFR为低空燃比,目的是在发动机低温状况下保持较浓的燃气.G3600发动机空燃比(AFR)控制•排气温度控制模式--发动机根据理想的排温来控制AFR.混合气浓,排温升高,反之则降低.该阶段发生的条件:a.实际排气温度超过理想排气温度.b.排气温度停止增长,发动机负荷小于40%.c.无反馈控制时间过期.G3600发动机空燃比(AFR)控制•燃烧反馈控制模式--发动机根据理想燃烧时间来控制AFR.该阶段的发生条件:--发动机负荷40%,进气蝶阀全开,AFR由废气放气阀控制.•预燃室校验模式--该模式用于预燃室的针阀,目的是达到理想的排放值.--该模式中,燃料的校正系数被认为是100%.G3600发动机燃料供给系统几个重要的参数的理解•燃料修正系数(FC)：100±2%•燃烧时间(BT）：Desire±0.2ms•加载50%以上时油水温度要求:50度•BT在滤波前9ms不超过4次/分钟,否则就认为该缸失火.进、排气系统发动机的进排气系统1.排气管.2.中冷器.3.进气蝶阀.4.排气端.5.气缸.6.进气端.7.进气涡轮.8.排气涡轮.9.废气排放阀发动机的润滑系统发动机冷却系统1.节流孔板.2.节流孔板.3.放气管.4.节流孔板.A.增压器.B.机体和缸盖.C.机体水泵.D.缸套水节温器.E.膨胀水箱.F.散热器.G.机油冷却器.H.中冷器.I.混水箱.J.辅助水泵.K.中冷水节温器.L.膨胀水箱.M.散热器.点火系统•(1