SC6HT天然氣發(fā)動機的研發(fā)與應用

王黎明

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

SC6HT天然氣發(fā)動機的研發(fā)與應用

王黎明

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

介紹了SC6HT單燃料天然氣發(fā)動機燃燒系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、燃氣供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)的設計及技術特點，簡述了性能優(yōu)化結果及開發(fā)中解決的問題。市場應用表明，SC6HT天然氣發(fā)動機性能優(yōu)異，完全能夠滿足城市公交客車的使用要求。

天然氣發(fā)動機稀燃排放

1 前言

能源危機和環(huán)境污染已經(jīng)成為我國面臨需要迫切解決的問題之一。在城市大氣環(huán)境污染方面，車用柴油和汽油內燃機是大氣環(huán)境污染的主要來源。我國北京、上海等大城市車用內燃機排出的CO、NOx、HC、微粒等污染物對大氣環(huán)境污染的分擔率都在50%以上，其中CO和NOx的分擔率在70%～90%。天然氣發(fā)動機的開發(fā)與應用是減少有害氣體排放的有效途徑之一[1]。

自1998年以來，上柴公司通過國內外合作方式一直進行天然氣發(fā)動機的研究與開發(fā)，逐步建立起自己的天然氣發(fā)動機研究開發(fā)平臺。先后完成了D系列、E系列、G系列和H系列天然氣發(fā)動機的開發(fā)，在天然氣發(fā)動機技術、研發(fā)、應用方面始終走在國內同行的前列。H系列發(fā)動機是上柴公司吸收歐美先進設計理念而打造的新一代節(jié)能環(huán)保型發(fā)動機，其排放指標達到國Ⅴ標準要求。2010年11月，上柴SC6HT天然氣發(fā)動機通過國Ⅳ排放認證，2012年9月，升級到國Ⅴ排放水平，在公交客車上批量使用。其動力性、經(jīng)濟性及可靠性獲得了整車廠和用戶的良好評價。

2 燃氣發(fā)動機設計方案

SC6HT天然氣發(fā)動機是在柴油機基礎上通過對發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)的重新設計，采用均質稀燃、增壓中冷、電控預噴、高能電子點火等先進技術研制而成。其動力性、經(jīng)濟性及可靠性都能夠滿足設計要求。

SC6HT天然氣發(fā)動機的設計目標為在標定工況功率達到155 kW，燃氣消耗率小于210 g/(kW·h)，排放指標達到國Ⅴ標準要求，需要滿足7～11 m中型城市公交客車的配套需求。主要技術參數(shù)見表1。

2.1 燃燒系統(tǒng)

由于天然氣燃料的化學特性，發(fā)動機采用火花點火及較低的壓縮比（壓縮比由原柴油機17.5降到10左右）。采用稀薄燃燒技術提高發(fā)動機熱效率，遠離爆燃，且可以降低HC、CO和NOx排放和排氣溫度等；采用氧化催化后處理措施，廢氣排放指標可達到國Ⅴ標準。

表1 天然氣發(fā)動機主要技術參數(shù)與規(guī)格

根據(jù)經(jīng)驗及模擬計算，壓縮比分別取9.5、10.5和11.5設計燃燒室。燃燒室設計主要考慮活塞的結構強度和熱負荷。與原柴油機相比，由于壓縮比大幅度降低，燃燒室容積則會增大很多。設計燃燒室時，燃燒室口徑不能太大，燃燒室口徑與活塞直徑比值一般不大于0.7。如果該比值過大，將造成活塞外圓與燃燒室之間溫度過高。燃燒室深度也不宜過大，因為受到燃燒室容積的影響會使活塞內腔頂過薄，活塞內腔頂厚度一般不小于0.12倍活塞直徑[2]。

活塞部分燃燒室設計成淺盆型，可降低缸內渦流的強度，且有利于火核形成和火焰?zhèn)鞑?，如圖1所示。由于天然氣發(fā)動機熱負荷相對較高，活塞設計時增加了振動冷卻油腔，加強了活塞冷卻能力。缸蓋部分燃燒室設計成球面型（圖1），具有導流作用，同時缸蓋部分燃燒室分擔了燃燒室總容積，使活塞部分燃燒室容積減小，活塞內腔頂不會過薄。

經(jīng)臺架試驗驗證，考慮熱效率及爆震因素，SC6HT天然氣發(fā)動機壓縮比為10.5。

2.2 進氣系統(tǒng)

通過控制增壓器的廢氣閥、電子節(jié)氣門可以達到精確控制進氣流量的目的。采用增壓中冷技術可使天然氣發(fā)動機性能達到接近于原柴油機的水平。

圖1 燃燒室結構

SC6HT天然氣發(fā)動機進氣系統(tǒng)如圖2所示?？諝饨?jīng)過空濾器、增壓器、中冷器、節(jié)氣門、混合器，經(jīng)進氣管進入氣缸。

圖2 發(fā)動機進氣系統(tǒng)

天然氣發(fā)動機增壓系統(tǒng)具有增壓比低、流量范圍廣、熱負荷高等特點。這要求增壓器體積小、耐高溫性能好、效率高。根據(jù)經(jīng)驗，柴油機改成天然氣發(fā)動機，其動力性降低10%～15%，且天然氣發(fā)動機排溫比柴油機排溫高100～200℃[3]。SC6HT天然氣發(fā)動機采用均質稀燃燃燒方案，有利于降低排氣溫度及NOx排放。其過量空氣系數(shù)最大達到1.5，怠速時空氣流量約50 kg/h，全負荷時空氣流量約850 kg/h?？諝饬髁康淖兓秶笥谕扰帕康牟裼蜋C。

SC6HT天然氣發(fā)動機的增壓器匹配時，在滿足基本性能要求的情況下，采取對多個增壓器進行比較（不同壓氣機、渦輪），得到匹配不同增壓器時的發(fā)動機性能，從而優(yōu)選出最合適的增壓器。SC6HT天然氣發(fā)動機選用上海菱重增壓器公司的TE06H4型渦輪增壓器。此增壓器采用水冷中間殼體，帶有防喘振閥和廢氣旁通閥；渦輪最高允許承受溫度為760℃。

經(jīng)臺架試驗驗證，在此增壓器可控范圍內，SC6HT天然氣發(fā)動機動力性達到預期目標，且發(fā)動機運轉線處于壓氣機高效率區(qū)，離壓氣機喘振線有一定裕度，排氣溫度最高695℃，不超過渦輪允許承受范圍，發(fā)動機運行范圍內增壓器轉速不超過極限值，如圖3所示。

圖3 壓氣機流量特性曲線

SC6HT天然氣發(fā)動機的負荷調節(jié)通過電子節(jié)氣門開度來控制。通過電子節(jié)氣門開度直接控制空氣流量的變化，同時通過燃氣噴射閥控制天然氣噴射量來達到標定時所確定的空燃比（怠速時空燃比約19，全負荷時空燃比約25）[4]。SC6HT天然氣發(fā)動機采用偉世通Φ45 mm喉徑的電子節(jié)氣門。試驗結果表明該電子節(jié)氣門滿足發(fā)動機性能控制要求。

混合器設計利用文丘里原理，通過觀測各缸一致性，認為此混合器可達到較好的混合效果。

2.3 燃氣供給系統(tǒng)

SC6HT天然氣發(fā)動機采用進氣總管預混合供氣方式，以燃氣供給系統(tǒng)取代柴油機的燃油噴射系統(tǒng)。燃氣供給系統(tǒng)包括氣瓶、高壓截止閥、高壓濾清器、減壓器、低壓截止閥、低壓濾清器、燃氣噴射閥器等部件，如圖4所示。進氣總管預混供氣可以確保天然氣與空氣的良好混合，使得每個氣缸獲得相同濃度的可燃混合氣[5]。

減壓調節(jié)器采用METATRON的M型號兩級減壓器，可滿足最大流量45 kg/h的要求；減壓器出口壓力穩(wěn)定在約850 kPa。

燃氣噴射閥由6個博世NGⅠ2型噴嘴和燃氣軌集成為整體。根據(jù)噴嘴的流量特性及試驗證明，6個噴嘴噴射燃氣流量滿足SC6HT天然氣發(fā)動機的需求，燃氣軌道也有足夠的容積保證壓力平穩(wěn)。

圖4 燃氣供給系統(tǒng)

2.4 點火系統(tǒng)

SC6HT天然氣發(fā)動機采用高電壓、高能量的直接火花點火方式。每缸設有獨立的馬歇爾點火線圈、NGK銥金火花塞，點火能量達到45 mJ?；鸹ㄈ惭b在缸蓋上原安裝柴油噴射器的孔位。

3 SC6HT天然氣發(fā)動機性能優(yōu)化

通過大量的優(yōu)化匹配試驗工作，對各種典型運行工況的空燃比、點火正時等MAP進行詳細標定，使SC6HT天然氣發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性都達到滿意的折中。

圖5 SC6HT天然氣發(fā)動機外特性曲線

標定工況功率155 kW，最大扭矩650 N·m，如圖5所示。按CJ/T 162－2002《城市客車分等級技術要求與配置》規(guī)定的大中型城市公交客車的分級及其對發(fā)動機功率的要求，滿足7～11 m中型城市公交客車對動力的需求?？紤]使用空調，盡量提高了低速扭矩。發(fā)動機最高熱效率可達到37%，最低燃料消耗率為195 g/(kW·h)。缸內最高燃燒壓力均小于12 MPa，工作十分柔和，噪聲比同等功率柴油機低3～5 dB。采用氧化型催化器，其廢氣排放可滿足歐Ⅴ標準。

4 開發(fā)過程解決的主要問題

4.1 可靠性問題

通過臺架試驗驗證，天然氣發(fā)動機和其原型機柴油機相比，缸內最高溫度要高200℃之多，而且燃燒持續(xù)的時間較長；由于采用了增壓強化和稀薄燃燒，燃燒持續(xù)時間會進一步加長，這就需要發(fā)動機的部分受熱零件能夠承受更高的熱負荷。

為了解決這一問題，主要從改進結構設計和選用更高耐熱材料兩方面考慮。對活塞、缸蓋、增壓器等的結構做了優(yōu)化改進，以利于散熱和冷卻；對火花塞、排氣管、增壓器渦輪、傳感器線束護套、氣門、氣門座圈等零部件的材料提高了要求，使其更耐高溫、耐磨損。

4.2 使用性問題

因城市公交車行駛路況的特殊性，車輛大部分時間在低速運行且頻繁停車，發(fā)動機大部分時間處于怠速狀態(tài)。怠速狀態(tài)下的發(fā)動機進氣管及缸內負壓大，容易使機油被過量吸進燃燒室燃燒，造成燃燒困難、動力不足、排放污染加劇及機油耗過高；且機油燃燒結焦會對氣門、活塞等壽命有很大影響。

在石家莊公交公司的協(xié)作下，采集了5輛搭載SC6HT天然氣發(fā)動機的不同路線公交車運行路譜，如圖6所示。路譜MAP為發(fā)動機進氣管壓力，其值小于曲軸箱壓力時，對曲軸箱機油有倒吸的作用。MAP值在0～30 kPa時，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，怠速時間約占整個運行時間的43%以上；MAP值在30～100 kPa時，車輛處于低速低負荷運行狀態(tài)，約占20%～45%的運行時間；MAP值大于100 kPa時，僅約占整個運行時間的20%。

圖6 公交車運行路譜

在解決燒機油問題中，從多個方面進行了研究改進。一方面提高加工工藝，進一步提高對氣門導管同軸度、氣門座圈跳度、氣門桿與氣門導管間隙等的要求；另一方面，對活塞環(huán)、氣門油封進行了優(yōu)化設計，在保證各工況活塞和氣門桿潤滑足夠的條件下，減少機油進入燃燒室。經(jīng)臺架耐久試驗及公交實際運行證明，SC6HT天然氣發(fā)動機機油耗達到柴油機的同等水平。

5 結論

自2010年11月上柴成功開發(fā)出SC6HT天然氣發(fā)動機產品以來，先后在石家莊公交、大連公交和漳州公交獲得了批量使用。經(jīng)整車性能測試及3年多的用戶使用表明，上柴SC6HT天然氣發(fā)動機的可靠性良好，故障率和維修成本很低，燃料經(jīng)濟性居中，總體的性價比好。

1王奉雙.在用汽油車排氣污染物檢測方法和標準研究[D].長安大學碩士學位論文，2008.

2吳義民.壓縮天然氣發(fā)動機活塞開發(fā)[J].內燃機與動力裝置，2009.

3蘇展望，龐志偉等.渦輪增壓器與燃氣發(fā)動機的匹配及主要增壓參數(shù)的計算[J].內燃機與動力裝置，2008（6）.

4李朝陽，陸靜安等.天然氣發(fā)動機的渦輪增壓器喘振研究[J].柴油機設計與制造，2013（1）.

5劉凱.單一燃料液化石油氣發(fā)動機的開發(fā)[J].汽車技術，2002（10）.

6孫濟美主編.天然氣和液化石油氣汽車[M].北京：北京理工大學出版社，1999.

Development and Application of SC6HT Natural Gas Engine

Wang Liming
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

This paper expounds the technical features of the combustion system,intake system,fuel delivery system and ignition system of the SC6HT natural gas engine,and outlines engine performance optimization results and problems to be solved during the development process.Market applications show that the SC6HT engine has excellent performance and perfectly meets the requirements of city bus.

natural gas engine,lean combustion,emission

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.002

來稿日期：2013-12-19

王黎明（1984-），男，工程師，主要研究方向為天然氣發(fā)動機設計開發(fā)。