12V190电喷焦炉煤气机组的研制

12V190电喷焦炉煤气机组专门以高含氢气体为燃料。高含氢气体主要包括焦炉煤气、炼化尾气等含氢量较高的可燃气体。高含氢气体与天然气的燃烧性质有较大的差别。氢气与空气混合，火焰传播速度比甲烷与空气混合物快很多，甲烷的最大火焰传播速度是37.3cm/s，氢气的最大火焰传播速度是291-310cm/s，其点火能量仅为 15.1～20.OuJ，而-般火化塞的点火能量不低于50mJ，点火持续时间不低于0.5ms，点火能量比氢气大 3300倍以上。

因此，点火后，氢气立即燃烧。高含氢气体的燃烧持续时间短，点火时几乎没有滞燃期。另外着火浓度极限(体积百分数)范围为4.2% ～74.2%，是甲烷的3倍。这些性质决定了高含氢气体燃料的易燃易爆性。普通燃气发动机对高含氢气体燃料的适应性较差，进气管回火、排气管放炮等问题非常严重。特别是大功率发动机，如果没有有效的技术手段，安全作者简介：康磊(1981-)，男，安徽毫州人，工程师，本科，主要从事燃气发动机的研究与开发。

收稿 日期 ：2013-01-30· 12· 内燃机与动力装置 2013年 8月问题非常突出。

因此，为适合当前该领域的发展需求，在现有的理论基础上，研制出-套利用计算机控制大型发动机工作的控制系统，全面改进其工作性能，使其能够回收利用氢量较高的工业废气，是-项利国利民、大有可为的研究，具有较好的先进性 、应用价值和研究成果推广价值。

I 主要研究内容12V190电喷焦炉煤气燃气发电机组是-种由电子控制燃气喷射的燃气发电机组，适用于含氢量在70%以下的焦炉煤气等高含氢可燃气体。该项目通过设计质量可靠功能先进的电喷阀、研制开发电子控制多点燃气喷射控制系统(简称控制系统)，对燃气发动机的进气系统进行改进，研制出-种全新的内燃机发电机组，提高燃料燃烧的经济性和动力性。其主要内容有：(1)研究高含氢气体燃烧技术。研究高含氢气体在气缸内的燃烧方式，其燃烧速度和压力、温度、发动机转速、压缩比、点火提前角的关系，为试验12V190电喷焦炉煤气燃气发电机组最佳点火提前角提供理论依据。

(2)燃气与空气的混合控制技术研究。没计-种进气系统，使燃气与空气分两路增压后单独进气。

燃气进气部分的控制系统主要由中央处理控制器、转速采集部分、点火信号采集部分、点火传感器设计、温度及功率采集部分、空气流量采集部分等组成。该控制系统通过对转速、点火信号、缸温 、空气流量等信号的采集与分析，对电喷阀的动作进行精确控制，电喷阀根据控制系统的命令定时定量的向各缸供气，减少各缸的进气阻力，降低各气缸进气的相互影响，避免混合可燃气体因氢气燃烧速度快带来的回火放炮问题。采用电控喷射缸内混合方式对解决发动机爆振问题将起到重要的作用，并提高了发电机组的排放标准。

(3)研究 进气 和排 气大 重叠 角技 术。对12V190天然气的配气系统进行改造，增加进气和排气重叠角〉低机组排温，减少排气管放炮的可能性。通过以上技术的应用，提高电喷焦炉煤气发电机组的动力性、可靠性、排放性，使机组稳定运行。

2 12V190电喷焦炉煤气燃气发电机组的试制2.1 电喷控制系统的设计12V190电喷发动机由WI2V190Z 发动机、电喷控制系统等组成。在电喷机组中，燃气进气控制部分是该机组的核心。为了保证燃气进气的准确性，我们对燃气进气部分采用了闭环控制系统，它由电喷阀、电喷阀控制器、信号采集部分等组成。其中电喷阀是执行器，信号采集部分是反馈部分，电喷阀控制器是比较器。在设计出质量可靠的电喷阀基础上，开发其控制系统∝制系统对反馈信号进行处理判断，并和理论设定值进行比较，根据比较的偏差对电喷阀的开启和关闭进行有效可靠的控制。其控制方块图如图1所示。

电喷阀控制器是该系统的核心，它的中央处理器是高速单片机，能够完成大量数据的高速处理，并实时控制电喷阀的动作、完成与远程显示器的通讯等。

电喷阀为执行机构，主要由气门、线圈、复位弹簧、限位系统、润滑系统、驱动机构等组成，并对其主要部件进行设计改进。电喷阀在激励电流的作用下控制电喷阀的开启与关闭，为了保证电喷阀动作的瞬时性，我们采用大电流吸合、小电流保持、动作限位等技术。

作为系统反馈部分的信号采集部分，它采集发动机转速、缸温、排温、点火时间、功率等参数，为控制器提供相关的控制信息，控制器根据这些信息，计算出电喷阀的开启时刻、开启保持时间等。从而定时定量的向各个气缸喷射燃气，控制各个气缸在合适的空燃比下工作。

设图 1 燃气进气系统控制方块图2.2 配气机构及进气系统的设计为了降低发动机排温，提高排放标准和提升功率，我们增加了电喷机组的排气扫气过程。为了实现上述功能，我们采用了进气和排气大重叠角的12V190柴油发动机的凸轮轴。采用这种配气机构加大了进气门和排气门的重叠角，延长了排气门的开启时间，增加发动机扫气过程，提高了发动机废气的排气率和新鲜空气的充气率，从而降低发动机的排温，提高发动机的排放标准，提升了发动机的输出2013年第 4期 康 磊： 12V190电喷焦炉煤气机组的研制功率。

对空气进气管路进行设计改造，在空气进气管上增加受电喷阀控制的燃气进气管线，在气缸排气门关闭前，提前开启进气门，增压中冷后的新鲜空气对气缸的残余废气进行清扫，提高新鲜空气的充气率，并降低排气温度；扫气终了时，气缸排气门关闭，电喷阀定时打开，定量将燃气喷射到气缸内。对燃气管路进行设计改造，利用空气管路的压力反馈信号控制燃气管路上的调压器，使燃气压力 自动跟踪空气的压力，实现了空气压力与燃气压力的连锁自动控制。

2.3 发电机组控制系统的设计设计制造了电喷机组专用控制屏，它具有 自动准同步、综合参数报警、机组参数集中显示等功能。

它能够和工控机等上位机和现池制柜下位机进行通讯，能够修改报警等控制参数。它完成对发电机组电量参数的测量和控制、发动机运行参数的报警与保护，保证机组的安全运行。

设计制造了专用现池制柜，它是电喷阀控制系统的主要载体。专用现池制柜 由电喷阀控制器、参数采集部分、调速器执行器部分等组成。它具有机组启动、电喷阀控制、发动机参数采集等功能。

2.4 燃气增压处理系统的设计焦炉尾气的管道压力-般情况下比较低，大概在 1-5 kPa之问，无法直接应用于电喷机组。在这种情况下，需增加燃气增压处理系统，它由活塞式压缩机、泄压阀、过滤装置、除水装置、冷却装置等组成，如图2所示。

燃气由总管首先进入过滤装置，进行初步过滤，然后进行除焦油，再进入压缩机进行压缩，提高压力；压力提高后，有饱和水蒸气析出，然后进入脱水装置进行脱水，随后进行除尘，由于压缩后燃气温度很高，夏天时能够达到85度左右，因此需将其冷却。

电喷发电机组需要的燃气压力为 0.12～0.25MPa，压缩机出口压力可以达到 0.7MPa，因此加-旁通闸阀进行控制，当气源压力波动或发电机组负荷发生变化时，自动泄压阀自动调节系统工作燃气压力，使其保持在0.2MPa。

2.5 机组的试制(1)对w12V190zL发动机的配气机构重新进行改造，更换 12V190柴油发动机的凸轮轴。

(2)对空气进气管路进行改造，在空气进气管上增加受电喷阀控制的燃气进气管线。

(3)对燃气管路进行改造，安装燃气增压以及图2 燃气增压系统压力控制回路。

(4)制作电喷阀润滑系统，对电喷阀的高温部件进行冷却，同时对电喷阀的运动部件进行润滑，提高电喷阀的寿命与可靠性。

(5)对机组 自动控制系统进行试制，设计制造电喷机组专用控制屏、现池制柜、电喷机专用走线槽等。

3 12V190焦炉尾气机组的试验通过现场试验，确定电喷机组的最佳压缩比、点火提前角、电喷阀开启提前角度，并进行增压器、压缩机匹配试验。

3.1 压缩比的确定通过现场反复的试验，确定了机组的最佳压缩比，在这个压缩比下，机组不发生回火、爆震 ，运行平稳，排温适中。

3.2 点火提前角的确定3.2.1 点火提前角与发动机性能的关系3.2.1.1 点火提前角与发动机燃烧过程的关系点火时间和燃烧过程如图3所示，从图中缸内压力变化来看，由点火到压力开始上升这-时期称为点火延时期。火焰传播-开始立刻上升，不久达到最大值，火焰也扩大到整个燃烧室。气缸内最高压力大约在上止点后 15-20度时产生。点火过早，混合气压力尚未充分上升，着火延迟期变大，压缩功增加，热损失增大。反之，点火过迟，因混合气紊流减弱，火焰传播速度降低，后燃增加，排气温度上升，热损失增大。由上可见，对燃烧过程来讲，点火提前角过大或过小，都会产生不良后果。因此，必须根据发动机的实际工作情况，确定合适的点火提前角。

3.2.1.2 点火提前角与排气成分的关系随着点火提前角的增大，排气中的碳氢和氮氧化物的浓度都在增加，燃烧废气温度越高，燃烧后残留的氧气浓度越大，氮氧化物的生产量越多。推迟点火时间，燃烧废气的最高温度下降，氮氧化物的生成物明显减少，这是因为膨胀行程后期，气体温度升高，可燃烧混合气继续燃烧，使排气中的碳氢化合物内燃机与动力装置l .缸 冈压 力f。

ft 、～ J、 - - 轴转角F止 点 上止 点 F止 点A：点火点，B：着火点，AB：点火延时期，Bc：燃烧期间图3 缸内压力点火变化浓度降低。但减小点火提前角会导致热效率下降，因此，减小点火提前角是有限的。

3.2.1.3 点火提前角与发动机爆震的关系爆震引起的爆震声(敲缸)，是由于燃烧室内末端混合气被压燃而产生的-种异常燃烧现象。正常的火焰传播速度为每秒几十米，爆震时的传播速度可达每秒上千米，可产生几千赫兹以上的高频压力波。点火过早，由于上止点附近压力升高率增大，使末端混合气的压缩压力上升，容易导致爆燃，输出功率和热效率都有所增加。但爆燃过剧时，会影响发动机的寿命号l生能，适当减小点火提前角是避免产生爆燃的有效手段。

3.2.2 发动机对点火提前角的要求假设发动机在某-点点火提前角度开始点火，发动机完成工作后，能够发出最大功率，而燃气消耗率最低，此时的点火提前角称为发动机的最佳点火提前角。偏离最佳点火提前角，会影响发动机的动力性、经济性和排放标准。不同工况下的发动机具有不同的最佳点火提前角。影响点火提前角的主要因素有以下几点：(1)发动机的最佳点火提前角随发动机转速的提高而增大。假设发动机燃烧室内混合气的燃烧速率不变，那么发动机转速较低时，在某-时间内，活塞移动的距离较小，曲轴也相应转过的角度较小，因此最佳点火提前角应相应小些；此时，如果点火提前角大，由于活塞运动到上止点需要较长的时间，在活塞尚未到达上止点之前，就会产生爆发压力，从而引起点火过早或产生爆燃等不良后果。相反，当发动机转速较高时，最佳点火提前角应大些，否则，活塞很快就移过上止点，在活塞下行太多时产生爆发压力 ，而出现点火滞后的毛玻(2)发动机转速不变时，随着负荷的增加，最佳点火提前角应相应减小，这是由于发动机负荷加大时，需要的空气量较多，在压缩终了时，气缸内的压力和温度会急剧增高，使混合气的燃烧加快。因此最佳点火提前角应相应小些。

(3)发动机压缩比增大则最佳点火提前角减校当压缩比增大时，压缩行程终了时压力和温度增高，使混合气燃烧速度加快。

3.2.3 本机组点火提前角的确定在上述理论知识的指导下，通过对不同点火提前角下的试验比较，确定了该电喷机组在当时试验工况下的最佳点火提前角。

3.3 电喷阀喷射提前角的确定电喷阀喷射提前角通过试验，确定了电喷阀喷射提前角。当电喷阀喷射提前角过大或过小时，发动机开始出现进气管回火和排气管放炮等现象；当喷射提前角合适时，上诉现象可以杜绝。

4 结 论1000转 的 电喷焦炉煤 气机组 运行 功率为500kW，缸温为 300±10摄氏度，最高排温不超过500度，不回火，不放炮。电喷机组 自动化程度较高，易于启动，解决了内燃机行业在高含氢燃气领域的应用难题。

12V190电喷焦炉煤气机组是电喷技术在大型燃气内燃机领域的首次应用。通过试验证明，该技术在国内处于领先水平，各项技术指标均已达到设计目标。说明了电喷机组在焦炉煤气行业具有不可估量的潜力。