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LNG汽车发动机的合理使用与故障分析

时间:2014-08-12  www.yanglihui.com  来源:网络  作者:佚名
天然气主要存在于油田和天然气田中,主要成分是烷烃,其中甲烷占绝大多数,沸点-161.5℃,在20MPa压缩储存为压缩天然气【CNG】,在-62℃以下隔热状态呈液态保存为液化天然气(LNG)。

   

    天然气主要存在于油田和天然气田中,主要成分是烷烃,其中甲烷占绝大多数,沸点-161.5℃,在20MPa压缩储存为压缩天然气【CNG】,在-62℃以下隔热状态呈液态保存为液化天然气(LNG)。天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少,燃烧后无废渣、废水产生,具有使用安全、热值高、洁净等优势。随着我国对排放标准的不断提高和能源配置的合理使用,LNG发动机在大型客车和重型货车上已开始应用。国家西气东输和东海油气田天然气上岸工程,也为LNG发动机的推广应用提供了能源保障。随着LNG发动机不断进入市场,结合LNG发动机的构造特点和实际工作经验,谈一下LNG发动机的合理使用与几种故障分析。

 

    一、LNG发动机燃料供给系的主要部件及其功用


    2、储液罐


    天然气以液态形式储存于低温低压的储罐内,其内部温度低于-162℃,气瓶充满气的公称工作压力为1.6MPa,使用时气瓶最小压力不能低于0.65MPa,否则会引起发动机供气不足,动力性下降并且导致催化转化器烧结。储罐采取双层真空绝热结构,储罐由内胆、外壳、内夹层绝热件和阀件舱等组成。内胆用于盛装燃料,外壳支撑整个罐体,并保护内胆,他在内胆间构成了密闭的真空空间,两壳夹层间填充了具有隔热性能的玻璃棉和铝箔材料。阀件舱布置在储罐的一端,包括储液阀、安全阀、手动放空阀、压力调节器、压力表和液位显示器等。驾驶室仪表板设置有气量指示和漏气报警装置。

 

    3、汽化器


    LNG需要经汽化器升温膨胀后汽化成气态天然气,才能供给发动机燃烧,LNG在汽化过程中会吸收较多的热量,汽化器利用发动机冷却液提供热量,促使低温液态的天然气变成气态的天然气。气态天然气的温度高低取决于冷却液的温度和流量,实际工作过程中,进入发动机的可燃混合气的温度要求比较宽松,而发动机冷却液的正常温度一般为60-85℃。

 

    4、低压电磁阀


    低压电磁阀安装在电控调压器天然气入口处,控制天然气的供给量。平时应注意对该电磁阀的清洁,视供给燃料的清洁度,一般每行驶5万km清洗一次。清洗时,应拆除电磁阀线圈,取出阀芯阀座,并将他们浸泡在汽油中,再用干压缩空气吹干后使用。

 

    5、电控调压器【EPR阀】


    电控调压器是电子控制的压力调节器,内部有控制芯片接受ECM的指令,根据发动机运行工况控制天然气量及压力,从而有效控制空燃比。电控调压器内部有一个微处理器控制的高速电机,通过CAN总线接收ECM信息,保证天然气压力在0.55~1.35MPa之间。电控调压器内有压力传感器用于测量调压器出口和混合气入口处的气压差,将电控调压器的燃气温度控制在-40℃~105℃范围内。

 

    6、混合器


    混合器的作用是将增压器中冷后的空气与天然气充分混合。气态天然气气压大于中冷后的空气,按比例喷入与空气混合,使燃烧更充分、柔和,可有效降低NOx的排放和排气温度。混合气相当于单点喷射装置,安装在进气道的喉管处,其内有一个被弹簧控制的膜片,可根据空气的流入量,决定其内部膜片的开度,进而在发动机运转工况下,混合器能精确控制空燃比。

 

    7、电子控制节气门


    驾驶员通过油门踏板,将动力需求传给ECM,ECM接收到油门踏板信号后,根据发动机运行工况控制电子节气门的开度。通过控制电子节气门蝶阀的开度,调节进入气缸内混合气量的多少,从而控制发动机的转速和适应负荷变化。在安装电子节气门时,驱动电机轴线必须保持水平。

 

    二、LNG汽车发动机的特点及合理使用

 

    LNG发动机具有以下特点一、是天然气抗爆性能好,辛烷值可达130RON,发动机的压缩比可达11-12,介于汽油机和柴油机之间。二、是进气系统适合安装涡轮增压装置,LNG发动机采用电控高压点火系统,与汽油机相同。三是发动机燃用天然气不会在进气管壁形成油膜,发动机在暖机时排放污染较小。以上特点使得LNG发动机与汽油机、柴油机相比,在使用上具有一定差别,主要表现在以下几个方面。

 

    (1)应注意LNG的品质。天然气中除含有烷烃外,还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气等。LNG发动机用天然气,每标准立方米(101.325kPa,20℃)硫化氢的含量不能超过15mg/m3,车辆长时间使用含硫量高的天然气可能会导致燃烧室组件腐蚀,进一步影响热交换和热平衡。固体小颗粒的直径应小于5μm。

 

    (2)LNG发动机需用专门的高品质低灰分润滑油。天然气发动机燃烧的主要是高纯度的气态甲烷,其燃烧温度比柴油机高,产生的发动机热负荷比柴油机高。此外,气态甲烷燃烧不会产生碳烟,有效防止了润滑油的油灰沉积在火花塞上。但这样一来,碳灰的润滑作用也会消失,因此燃气发动机的润滑性能比燃油发动机的润滑性能大为降低。因此,LNG发动机需要使用低硫酸盐灰分、高抗耐磨、抗氧化,且低硫含量的专用机油。

 

    (3)LNG发动机配备高能量点火装置。天然气的辛烷值高于汽油,因而发动机的压缩比可以做得比汽油机高,热效率相应提高。天然气的自燃温度在632℃,发动机压缩过程中缸内混合气的温度达不到这个温度,必须采用火花塞强制点火,再加上天然气的燃烧范围较窄,因此要求点火能量较大,传统的点火装置不适用于LNG发动机,需高能量点火装置。天然气发动机缸内燃烧温度比较高,进气对火花塞的冷却效果较燃油发动机要差,点火电压高于常规汽油机,超过40kV。但火花塞间隙比汽油机要小,铂金NGK火花塞间隙为0.33±0.005mm,铱金火花塞间隙为0.4±0.005mm,每行驶2万km必须检查火花塞电极烧蚀情况,以及高压线胶套是否老化开裂,同时清理火花塞电极间杂质和点火线圈接线柱的氧化物,并涂导电膏。

 

    (4)需用高品质软化的发动机防冻冷却液。在汽化器中,液态天然气升温蒸发成气态天然气,在燃气系统的热交换器中,还要对气化后的天然气进一步加热,这些加热介质均是发动机冷却液所以,LNG发动机的冷却液除原有的冷却保温功能外,还有加热天然气的作用。若冷却液品质不好易产生结垢现象,就会降低热交换能力,导致汽化器和燃气热交换器效率下降,直接影响发动机的燃气供给,使发动机功率下降,进而影响燃气系统的下游装置。因此,应绝对保证发动机冷却液的品质,应用凝点更低,防腐功能更好,不结垢的软质防冻液。

 

    三、LNG汽车发动机几种故障分析与对策

 

    活塞烧熔及缸套破碎故障分析2009年,某公司装有LNG发动机的客车,曾先后几次出现活塞烧熔及缸套破碎的严重故障,机体解体后进行检查分析。经分析,导致故障的主要原因是发动机工作过程中产生了爆震燃烧。可燃混合气在压缩终了时利用火花塞点燃。在正常燃烧情况下,火焰从火花塞端一直传播到远离火花塞的末端。若火焰传播过程中,末端混合气自行发火燃烧,这时气缸内压力急剧增高,并发生强烈的震荡,在气缸内发出清脆的金属敲击声,这种不正常燃烧现象,被称之为爆燃。严重的爆燃将使发动机过热,功率下降,发动机磨损加剧,甚至损坏发动机零件,尤其在发动机低转速高负荷工况下产生爆燃所造成的破坏最严重。
LNG发动机产生爆燃的原因分析如下:

 

    (1)用的LNG燃料品质较差,或抗爆性能下降;

 

    (2)点火正时不准,点火提前角过大;

 

    (3)混合气过浓,超过设定浓度的5%以上;

 

    (4)涡轮增压异常,不能限制进气增压,产生过增压现象;

 

    (5)进气的中冷器严重污染,进气温度过高;

 

    (6)润滑油品质选择不当,使用了过高灰分的机油,导致气缸内积碳过多,压缩比相对增大。

 

    该公司车辆是刚投入使用不久的LNG客车,可暂先排除严重污染、堵塞、积碳过大等引起爆燃的原因。因而引起爆燃的原因可能是点火提前角严重过大,进入气缸的混合气温度过高,或是储罐中LNG的储存时间过长,气态燃气中的甲烷成分下降,抗爆性能下降。

 

    在燃气供给系统中,已气化的天然气温度不能太高,应控制经过燃气缓冲罐及热交换器的天然气温度,温度过高会导致发动机爆震。

 

    储罐中原带有的LNG燃料,经过新车运输、交接及检查等过程后,其实际储存时间过长。当储罐吸收外界热量而使内压力增大超过1.6MPa,安全阀会自动排除超压的天然气,加速罐内天然气的蒸发。由于抗爆性较好的甲烷的蒸发,液态LNG中的甲烷含量逐渐降低,直接影响发动机的抗爆性能,易使LNG发动机产生爆震,严重时可造成发动机的损坏。

 

 

    一般产生爆震的部位在燃烧室,易造成气缸上部烧熔损坏,但不至于引起整个缸体破碎。从整体破碎的情况看,缸套的材质、淬火热处理不当也与缸体破碎有直接关系。

 

    2、产生拉缸现象分析


    有几辆客车发动机出现类似敲击声和窜气声,加大油门后发动机发抖且动力下降,甚至出现熄火,排气管冒黑烟现象。经分析可能是发动机拉缸现象,解体后证实了判断,在纵向缸壁有深浅不一的垂直沟纹及拉毛划痕。这是因为当活塞或活塞环与缸壁滑动接触面积过小时,摩擦产生高温,活塞或活塞环与缸壁间发生金属烧熔,冷却后硬化物将缸壁拉出沟痕,即拉缸。

 

    拉缸常见的原因有:发动机过热,点火正时严重失准,活塞和缸套配合间隙过小,或活塞冷却不够导致过热膨胀,活塞环开口端隙过小或断裂,润滑油品质不良或油膜承压不够,空气滤清器滤清效果不良导致杂质进入气缸,及驾驶员在低温起动后猛踏油门踏板等。

 

    LNG发动机属于燃气式发动机,其压缩比比汽油发动机高,缸内燃烧温度高,需采用耐高温的润滑油,选择合适的气缸套和活塞材质,并采用相应的热处理,严格控制气缸套与活塞的装配间隙,以及活塞环的开口端隙。

 

    3、火花塞出现污损、裂纹损坏故障分析


    LNG发动机正常工况时,火花塞的绝缘体出现轻微黄或棕色沉淀物,也会出现轻微的电极腐蚀现象。

 

    火花塞用氧化铝陶瓷制成,其工作环境极为恶劣,不但要承受缸内温度及压力频率极高的急剧交替冲击,还要保证在40kV高电压下的绝缘性能和耐化学腐蚀性。一般来说,造成绝缘体破损的主要原因是爆裂震动。LNG发动机由于燃料的差别,混合气的空燃比和气缸的压缩压力均高于汽油机,点火电压在40kV以上,而火花塞间隙比汽油机小得多,所以,安装火花塞和点火线圈时,必须保证火花塞间隙在规定值,并应在点火线圈与火花塞电极涂抹导电胶,在火花塞陶瓷体上涂绝缘脂,以防止因胶套老化引发火花塞与缸套间漏电。

 

    4、发动机动力不足原因分析


    LNG发动机动力不及柴油机,有时提速困难。LNG燃料自身特性和发动机构造是造成动力不足的主要原因。进入燃油发动机的是燃油和气体的混合气,而LNG则是天然气和空气的混合气,前者进气量与燃油的体积比为58:1,燃油体积可以忽略不计,但后者进气量与天然气的体积比为9.5:1,燃气体积上升6倍,这必然导致相对进气量减少,会导致发动功率下降,尤其在热态工况下,发动机的功率会有明显地下降。


 



(责任编辑:慧眼看车)
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