新型燃气发动机燃气混合器 - 优化空燃比与可忽略的压力损失

Tetsuro Naganuma, Tatsuo Sakonji, and Fujio Shoji
Tokyo Gas Co., Ltd.

摘要

用于燃气体发动机的现有空燃比控制系统相当复杂。 为了开发小型燃气体发动机，有必要开发一种气体混合器，其在各种负载下提供所需空燃比的混合物，而无需任何反馈控制。

使用文丘里型气体混合器，因为它们在宽范围的流动条件下具有简单的结构和相对恒定的空气—燃料比特性。 各种文丘里混合器，具有不同的喉部直径，不同的喉部位置，燃料气体入口的不同位置，燃料气体入口的不同形状，通过稳定流动试验安装。

基于这些测试结果，设计了用于40kw预混合涡轮增压开放室稀燃气体发动机的原型气体混合器通过稳流测试安装和真实的燃气发动机进行测试。 结果，显然与常规文丘里混合器相比，混合器的压力损失显着改善，并且燃料—空气比特性得到优化。

1.介绍

气体混合器是产生燃料气体和空气的混合物并且显着影响燃气发动机性能的发动机部件。

由气体混合器产生的空气—燃料混合物的空燃比必须在由燃气发动机的操作条件确定的范围内。 使用空气燃料运行燃气发动机混合物的空燃比在该范围之外时，会产生不能满足环境的不稳定运转和废气排放等问题达不到环境标准。此外，气体混合器中的压力损失阻止了大开节气门发动机输出并且可能降低热效率; 气体混合器中的压力损失越小越好。

在日本，同代天然气发动机市场仍然很小，并且很少对气体发动机（例如气体混合器和调节器）的混合物供应系统的研究。混合物供应系统中有许多未确定的因素。因此，我们对气体混合器进行了基础研究为燃气发动机和开发了一个小型尺寸的气体混合器，预混合涡轮增压贫燃气体发动机。

需要用于燃气发动机的气体混合器来执行以下功能。

1. 生成用于燃气发动机的具有合适的空气燃料比的空气 ，燃料混合物的空燃比必须在此范围内使燃气发动机在运行中有稳定的较高热效率和实现低NO_x排放。
2. 产生均匀的空气— 燃料混合物对于每个气缸产生不同的空气—燃料比增加了给定气缸中发生不发火或较高NO_x排放的可能性，这不利地影响发动机的整体性能。另外，即使在单个气缸内，空气燃料混合物也必须是均匀的。否则，燃气发动机受到不利影响的结果会导致不良的燃烧稳定性和增加的NOx排放。
3. 气体混合器引起的小压力损失由于进气系统压力损失直接决定大开节气门发动机输出，大的压力损失将导致低的气体发动机输出。此外，对于涡轮增压燃气发动机，进气系统中的低压力损失允许在相同输出处的较少的涡轮增压压力，这提高了发动机效率。
4. 负载变化的跟踪当气体发动机负载变化时，由气体混合器产生的混合物的适当空燃比的偏差导致爆震或不规则旋转。有各种类型的气体混合器。在我们的研究中，我们采用文丘里气体混合器，其构造简单，并且在宽泛流量范围内提供几乎恒定的空燃比。

使用稳流测试设备， 我们进行了改变文丘里规格以研究文丘里规格对空气-燃料比和压力损失的影响的实验。我们也研究了气体供应压力对气体混合器的影响。此外，基于所获得的结果，我们构建了一种原型气体混合器，其被认为对于小尺寸，预混合涡轮增压燃气体发动机是最佳的，原型气体混合器在燃气发动机上显示出非常好的性能。

1.1发展目标

气体发动机-我们开发了表1所示的燃气发动机气体混合器。 图1示出了燃气发动机的进气路线。空气通过空气过滤器供给气体混合器;使用调节器调节燃料气体的压力，然后通过主调节螺钉（MAS）将气体供给到气体混合器。气体调节器用于消除由空气通过空气过滤器的空气引起的压力损失并改变空燃比。MAS用于调节由气体混合器产生的空气燃料混合物的空燃比。气体混合器产生的混合物被a压缩涡轮增压器，并用中间冷却器冷却，还有流量在供给之前是通过节流阀来控制每个气缸的。

表1.发动机规格

风门

中冷器

涡轮增压器

压力调节器

平衡线

气体混合器

空气过滤器

空气

燃气（低压）

图1 气体和混合气流图

气体混合机要达到小型化的要求，特别是先进的涡轮增压燃气发动机 ，用于小型预混涡轮增压稀燃燃气发动机的气体混合器需要具有以下特征。

（1）良好的空燃比

图2所示的是发动机性能图的示例。 该图示出了改变平均有效压力和空燃比的发动机性能（NOx和热效率）。在图 2，显示了燃烧的极限，在WOT显示输出的限制在开口节奏变化下获得，燃气发动机只能在这些限度内正常运行。如果燃气发动机必须在NOx小于200ppm的条件下运行，则空燃比应根据NOx = 200ppm的线路改变，以获得较高的发动机效率。也就是说，由气体混合器产生的空气 - 燃料混合物必须作为发动机变得更稀输出（由气体混合器产生的混合物的体积）增加。 由于与本研究相关的燃气发动机尺寸小，因此空燃比控制装置应尽可能简单且便宜，即，气体混合器必须能够实现所需的空燃比而无需任何其他装置。

lambda;

有效压力值

1. 小的压力损失

降低由气体混合器引起的压力损失可以改变风门开度节流引擎的输出和热效率。特别是对于预混合涡轮增压燃气发动机，压力损失会大幅影响发动机的输出。

1. 简单结构

简单的气体混合器结构降低了气体混合器的成本并提高了其可靠性。

1. 加载跟进

考虑到这些项目，我们决定使用简单构造的文丘里气混合器，在大流量下实现几乎恒定的空燃比，原则上是一个很好的负载跟踪能力。

我们并不关心气体混合器通常需要的“混合好”。这是因为在本研究中使用的燃气发动机在气体混合器中产生空气 - 燃料混合物和每个气缸的供应点之间具有足够的混合长度（如图1所示）并且当混合物通过鼓风机和中间冷却器时，混合可以合理地预期发生。

1.2气体混合器测试设备

文丘里气混合器使用通过减小流路面积而引起的压降，作为将气体混入空气流的驱动力。由于文丘里规格可能对气体混合器的特性有很大的影响，我们研究了文氏管的形状，气体入口的位置以及气体入口的几何形状是否会影响单个文丘里管的特性。

图3显示了测试设备。在本实验中，用鼓风机A保持稳定的流量，而使用空气代替燃料气。通过补偿每个流量下的温度和压力，然后补偿空气和气体之间的密度来计算空燃比。事实上，在稳定流量测试中“气体”的表达实际上意味着空气（在实际的燃气发动机运行中，燃料气体流动）。在文丘里气混合器中，由于气体供应压力和气体入口位置处的压力之间的压力差引起气体流动，混合气的空燃比受气体供应压力的影响。在燃气发动机中，气体供应压力由调节器（如图1所示）调节。由气体混合器产生的混合物的空燃比由气体混合器和调节器的特性决定。一些燃气发动机通过利用调节器特性来确定混合物的空燃比。由于进行了试验以研究气体混合器的特性，所以我们调节供气压力P2，施加与供应给气体混合器的空气压力P I相等的气体压力控制阀。稳流测试结果总结为在气体混合器中流动的空气的速率。 在速率约200 Nm3 / hr的流量相当于相关发动机的满载。

图3 稳定流量测试安装图

2文丘里气体混合器的基本性能

我们改变了文丘里气混合器文氏管规格（文氏管形状，气体位置入口和气体入口狭缝的宽度）进行各种测试。以下说明了文丘里规格对空燃比和压力损失的影响以及每次变化的原因，我们还表明了如何预测空燃比。

2.1试验结果

测试文丘里喉口位置变化，图4示出了当文丘里喉部位置改变时在测试中使用的气体混合器的结构形状。我们改变文丘里喉部的位置，以延长压力恢复距离，这是为了减少压力损失。但是，图5中显示，在用于这种尺寸的气体混合器时没有观察到预期的效果。相反，试验证明喉部的位置极大地影响了空燃比（如图6所示），也就是说，改变喉咙位置可以控制空燃比。

图4. 具有不同喉口位置的混合器

图5. 喉口位置造成的压力损失 图6. 喉口位置对空气燃料比的影响

图8.气体入口位置造成的压力损失 图9.气体入口位置对空燃比的影响

2.2测试气体入口的位置改变

图7显示了所用的文丘里管的形状当气体入口位置发生变化时进行测试，图8所示，气体入口位置对压力损失有显著的影响。有趣的是气体入口的位置进一步从喉部向下游侧移动，压力损失变得越低。一定条件下的空燃比在图9显示，在较低的流量范围内，空燃比显示出很大的差异。

图7.混合器气体入口的不同位置 图10.混合器气体入口的不同宽度

图11.气体入口宽度对空燃比的影响 图12. 气体入口宽度造成压力损失

2.3测试对气体入口狭缝的宽度的改变

图10中显示，在测试中使用的文氏管的形状，改变气体入口狭缝的宽度。图11和图12中显示的是空燃比和压力损失。压力损失不受狭缝宽度的影响; 当狭缝宽度窄时，空气 - 燃料混合物在较高流动范围内变得更稀。

1. 空燃比变化的原因

由图13显示，空气和气体的模型在气体混合器中流动。 对于空气流动，通过其流动的通道的面积减小导致静压从P I降至P3。气流利用上游气体压力P2和P3之间的压差作为其驱动力，在图中的阴影区域，压力值为P3。在这里，我们考虑文丘里管内的气流和气体如图14所示。在该图中，假设上游压力为P _i，上游速度V₁，喉部A处的面积，喉部P₂处的压力，喉部V₂处的速度和体积流量Q。基于伯努利方程式，

(2-1)

(2-2)

(2-3)

(2-4)

k定义为流量系数，其由流体密度和流动通道的横截面面积确定,假设密度和横截面积是恒定的，通过文氏管的流体的流量与上游侧的总压力和给定部分的静压之间的压力差的平方根成比例。在文丘里气混合器中产生的混合物的空气比可以表示为以下（我们天然气的理论空气量为10.95）,“a”表示空气，“g”表示气体。

（2-5）

图13.空气和燃气流动模型 图14.文丘里管流量符号

图15.燃气入口位置对燃气流量系数的影响 图17.压力分配测量的混合器

图16.燃气入口位置对空气流量系数的影响

只要进入气体混合器的气体和空气的总压力保持彼此相等，空燃比必须保持恒定，而与流量无关。事实上，当流量变化时，空燃比不保持恒定。通过获得空气流量系数和燃气流量系数来检查空燃比变化的原因。在气体入口位置变化的情况下显示图7，气体流量系数如图15所示和图16中的气流系数。气体流量系数几乎不受气体入口位置变化的影响，气流系数受到显着影响。这种差异被认为是导致图7中的气体混合器的空燃比的大的变化，

2.3文丘里管压力测量的测量

使用文丘里并测量压力分布，如图17所示。进行压力分布测量的解释，当气体入口的位置向文丘里喉部的下游侧移动时，压力损失变小。在这种压力分布实验中，我们还形成了文丘里气混合器空燃比的预测。图18显示三个文丘里压

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