天然气发电机组用自吸式发动机
技术领域
本实用新型涉及发动机技术领域，尤其涉及一种天然气发电机组用自吸式发动机。
背景技术
目前，随着排放法规的升级，现有稀燃自吸天然气发动机很难适应更严格的排放法规要求，需要将发动机更改为理论空燃比加三元催化器，理论空燃比技术路线对发动机热负荷要求很高，在整个稀燃发动机上需要做全新的材料和设计需要，花费成本巨大，并且发动机长时间使用可靠性也会受降低。
通过研究发现，现有稀薄燃烧排放瓶颈主要是NOx超标，如果可以通过某种方法降低NOx排放，会大大增加发动机的改造成本。例如目前降低NOx较为成熟的方案是使用脱硝设备，这种产品由于产品价格高，一般用于大型的发电机组项目，很少用于单一的小型发电机组(例如200kW以下的机组)。
据分析NOx生产的主要因素是N2和O2在高温、高压下产生化学反应，因此降低发动机的缸内温度可有效地降低NOx的生成。具体可以通过提高发动机空气的进气量，来降低发动机的缸内温度，目前提高发动机进气量常采用增压进气的方法，即提高气缸内的过量空气。若采用提高增压能力的方法来增加空气，由于空气量的增加，在进入气缸的氧气量增加的同时氮气也随之增加，使NOx的降低幅度受限严重，且增压空气量不好控制，因此改善效果不明显。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种在进气管路中喷入纯氧，增加进入气缸中氧气的含量，同时又不改变发动机的排气量，实现发动机的强化燃烧，快速提高发动机热效率的天然气发电机组用自吸式发动机。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：天然气发电机组用自吸式发动机，包括设有空气进气口的第一混合器，所述第一混合器的另一进气口连接有燃气供气装置，所述第一混合器的出气口通过管路连接至第二混合器的进气口，所述第二混合器的另一进气口连接有氧气喷射装置，所述第二混合器的出气口通过进气管路连接至发动机本体，所述进气管路上安装有进气控制装置，所述发动机本体上布置安装有参数检测装置，所述燃气供气装置、所述氧气喷射装置、所述进气控制装置和所述参数检测装置分别连接至安装于所述发动机本体上的电控单元ECU，所述电控单元ECU还连接至安装于所述发动机本体上的点火线圈。
作为优选的技术方案，所述氧气喷射装置包括高压储氧器，所述高压储氧器通过送氧管连接至所述第二混合器，所述送氧管上沿氧气行进方向依次串接有氧气调压阀、单向阀、氧气温度压力传感器和氧气喷射控制阀，所述氧气温度压力传感器和所述氧气喷射控制阀分别连接至所述电控单元ECU。
作为优选的技术方案，所述燃气供气装置包括连接在天然气气源与所述第一混合器之间的送气管，所述送气管上沿天然气行进方向依次串接有燃气控制阀和燃气温度压力传感器，所述燃气控制阀和所述燃气温度压力传感器分别连接至所述电控单元ECU。
作为优选的技术方案，所述进气控制装置包括在所述进气管路上沿气体行进方向依次串接的电子节气门和进气温度压力传感器，所述电子节气门和所述进气温度压力传感器分别连接至所述电控单元ECU。
作为优选的技术方案，所述参数检测装置包括安装于所述发动机本体排气端的氧传感器、检测所述发动机本体水温的水温传感器、检测所述发动机本体转速的转速传感器和检测所述发动机本体内机油压力的机油压力传感器，所述氧传感器、所述水温传感器、所述转速传感器和所述机油压力传感器分别连接至所述电控单元ECU。
由于采用了上述技术方案，本实用新型具有以下技术有效果：发动机作为常用动力设备，平均负荷较高，一般在70％～80％的负荷下24h运转，通过在进气管路中喷射纯氧气，增加了进入气缸中的氧气含量，同时又不改变发动机的排气量，在提高发动机动力性和经济性的同时又不恶化排放，而且此方法比单纯增加空气量，在保持相同气缸压力情况下动力性更强，使发动机在大负荷运行的情况下可以进行富氧、低氮燃烧，可以有效降低发动机的NOx排放，并且富氧燃烧条件下可以进一步增大发动机的点火提前角，来提高发动机的燃烧效率，并且喷氧量要根据发动机负荷来控制供给，从而达到快速提高发动机热效率的目的，同时也可以有效地降低发动机低排放的改造成本。
附图说明
以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：
图1是本实用新型实施例的结构示意图；
图2是本实用新型实施例的工作流程图；
图中：1-空气滤清器；2-第一混合器；3-第二混合器；4-天然气气源；5-送气管；6-燃气控制阀；7-燃气温度压力传感器；8-高压储氧器；9-送氧管；10-氧气调压阀；11-单向阀；12-氧气温度压力传感器；13-氧气喷射控制阀；14-进气管路；15-发动机本体；16-电子节气门；17-进气温度压力传感器；18-电控单元ECU；19-氧传感器；20-水温传感器；21-转速传感器；22-机油压力传感器；23-排气管；24-点火线圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图1所示，天然气发电机组用自吸式发动机，包括设有空气进气口的第一混合器2，即所述第一混合器2的空气进气口连接有空气滤清器1，用于向所述第一混合器2内输送新鲜的空气，所述第一混合器2的另一进气口连接有燃气供气装置，所述第一混合器2的出气口通过管路连接至第二混合器3的进气口，所述第二混合器3的另一进气口连接有氧气喷射装置。所述第一混合器2和所述第二混合器3分别设有两个进气口和一个出气口，其中所述第一混合器2用于空气与天然气的混合，所述第二混合器3用于向空气与天然气的混合气体内喷射纯氧，以提高气体燃料内的含氧量。
具体地，所述燃气供气装置包括连接在天然气气源4与所述第一混合器2之间的送气管5，所述送气管5上沿天然气行进方向依次串接有燃气控制阀6和燃气温度压力传感器7。所述燃气控制阀6受发动机的控制部件控制，通过阀的开启大小来控制天然气的送入量，所述燃气温度压力传感器7用于实时测量天然气温度和压力，并将信号传递给发动机运行的控制部件。所述氧气喷射装置包括高压储氧器8，所述高压储氧器8可以设置为储氧瓶、储氧罐等，所述高压储氧器8通过送氧管9连接至所述第二混合器3，所述送氧管9上沿氧气行进方向依次串接有氧气调压阀10、单向阀11、氧气温度压力传感器12和氧气喷射控制阀13，其中所述氧气调压阀10、所述氧气喷射控制阀13受发动机的控制部件控制。所述氧气调压阀10用于调整氧气的输送压力，使氧气输送压力控制在允许范围内，所述单向阀11可以防止氧气管路发生回气，所述氧气喷射控制阀13可以控制氧气的送入量。
所述第二混合器3的出气口通过进气管路14连接至发动机本体15，所述进气管路14上安装有进气控制装置。所述进气控制装置包括在所述进气管路14上沿气体行进方向依次串接的电子节气门16和进气温度压力传感器17。通过所述电子节气门16可以控制发动机工作负荷，所述进气温度压力传感器17用于测量所述进气管路14中混合气体的温度和压力，并传送至发动机的控制部件，用于发动机工作负荷控制或调整。
所述发动机本体15上布置安装有参数检测装置，所述燃气供气装置、所述氧气喷射装置、所述进气控制装置和所述参数检测装置分别连接至安装于所述发动机本体15上的电控单元ECU18，所述电控单元ECU18即所述发动机的控制部件，因此所述燃气控制阀6、所述燃气温度压力传感器7、所述氧气温度压力传感器12、所述氧气喷射控制阀13、所述电子节气门16和所述进气温度压力传感器17分别连接至所述电控单元ECU18。所述参数检测装置包括安装于所述发动机本体15排气端的氧传感器19、检测所述发动机本体15水温的水温传感器20、检测所述发动机本体15转速的转速传感器21和检测所述发动机本体15内机油压力的机油压力传感器22，所述氧传感器19、所述水温传感器20、所述转速传感器21和所述机油压力传感器22分别连接至所述电控单元ECU18。所述发动机本体15的排气端设有排气管23，所述氧传感器19安装于所述排气管23上，用于检测所述排气管23中的氧浓度，所述水温传感器20检测所述发动机本体15内冷却水的温度，所述转速传感器21用于测量所述发动机本体15的转速，所述机油压力传感器22用于测量所述发动机本体15内机油压力。所述电控单元ECU18还连接至安装于所述发动机本体15上的点火线圈24，用于控制所述发动机本体15点火。
在所述进气管路14中喷射纯氧气，氧气喷射量由所述电控单元ECU18控制，增加进入所述发动机本体15气缸内的氧气含量，同时又不改变所述发动机本体15的排气量，在提高发动机整体动力性和经济性的同时又不恶化排放，而且此方法比单纯增加空气量，在保持相同气缸压力情况下动力性更强。即用非增压发动机的“增氧”，实现发动机的强化燃烧效果，从而达到快速提高发动机热效率的目的。本实施例专适用于200kW以下自吸天然气发动机品，在发动机低排放控制上可以有效的降低NOx的排放，提高发动机大负荷燃料的经济性，并且也可以有效的降低发动机低排放的改造成本。
在正常环境条件下，控制发动机排放的最关键的两个因素是发动机的空燃比和发动机的点提前火角，点提前火角是由所述电控单元ECU18根据发动机的实际负荷、转速、水温等参数的不同来进行调节和控制。空燃比是通过调节燃气和空气进入发动机的比例来进行控制，本实施例空燃比调节是通过控制所述燃气控制阀6和所述氧气喷射控制阀13来实现的。因此本实施例中，所述燃气控制阀6和所述氧气喷射控制阀13的开度、所述点火线圈24的点火角大小，是使发动机达到低排放控制的关键。
本实施例还公开了该天然气发电机组用自吸式发动机的低排放控制策略，结合图2所示，包括以下步骤：
步骤一、标准参数形成
在所述电控单元ECU18内设定所述氧气喷射控制阀13的关闭速率，所述送氧管9内氧气输送的最小压力值Ymin，发动机运行过程中的水温高限值、机油压力低限值和机油压力高限值，作为参考标准值，用于与检测值进行比较，根据比较结果采取相应的调整措置，调整发动机的工作状态。
利用台架试验，与所述电控单元ECU18配合，获取发动机异常运行时，发动机的闭环修正表A1和所述点火线圈24的点火角设定表Z1；另外获取所述发动机正常运行时，发动机的闭环修正表A0和所述点火线圈24的点火角设定表Z0，利用台架试验获取空燃比闭环表及点火提前角表的方法为本技术领域普通技术人员所熟知的内容，在此不再详细描述。
步骤二、发动机状态判断
所述电控单元ECU18实时接收所述燃气温度压力传感器7、所述氧气温度压力传感器12、所述氧传感器19、所述水温传感器20、所述转速传感器21、所述机油压力传感器22和所述进气温度压力传感器17的测量值及状态信息，实时接收所述燃气控制阀6、所述氧气喷射控制阀13和所述电子节气门16的开度值及状态信息，实时接收所述点火线圈24及所述电控单元ECU18自身的状态信息；所述电控单元ECU18能够接收到上述各信息，并且信息判断有效，则判断发动机运行正常；上述任一信息所述电控单元ECU18无法接收，或者信息判断无效，则判断发动机运行异常。通过所述电控单元ECU18判断发动机运行状态的正常与否，采取相应的措施。
步骤三、发动机运行异常控制策略
所述电控单元ECU18触发相应的报警信息，提示报警故障代码，并根据故障代码判定非停机故障或停机故障，所述电控单元ECU18根据故障性质运行相应的策略。
非停机故障：所述电控单元ECU18不能下达控制指令到所述氧气喷射控制阀13、所述电控单元ECU18不能接收到所述氧气喷射控制阀13的反馈信号、所述电控单元ECU18不能接收到所述氧气温度压力传感器12的检测信息、所述氧气温度压力传感器12检测的所述送氧管9内氧气的实际输送压力值＜最小压力值Ymin、所述氧传感器故障时，所述电控单元ECU18判定为非停机故障。
非停机故障策略：所述电控单元ECU18控制所述氧气喷射控制阀13不开启，若发生故障时所述氧气喷射控制阀13处于开启状态，则所述电控单元ECU18控制所述氧气喷射控制阀13按照设定的所述关闭速率关闭；所述氧传感器19检测所述发动机本体15排气中的氧离子浓度，并传送至所述电控单元ECU18，通过电控单元ECU18实现空燃比闭环控制，并使所述燃气控制阀6按照所述闭环修正表A1执行开启度，同时所述燃气温度压力传感器7实时检测所述送气管5内天然气的温度和压力信号，并传送至所述电控单元ECU18，由所述电控单元ECU18处理形成所述燃气控制阀6的开度修正信号，对所述燃气控制阀6的开启度进行修正，若所述氧传感器19故障，所述电控单元ECU18进行空燃比开环控制，所述燃气控制阀6按照所述电控单元ECU18内部设定的数据执行开度，另外所述电控单元ECU18根据上述信息控制所述点火线圈24按照所述点火角设定表Z1执行点火动作。
停机故障：所述电控单元ECU18接收所述水温传感器20和所述机油压力传感器22的检测信号，并与预先设置的所述水温高限值、所述机油压力低限值和所述机油压力高限值对应比较，当水温检测值高于所述水温高限值、机油压力检测值低于所述机油压力低限值或/和机油压力检测值高于所述机油压力高限值时，所述电控单元ECU18判定为停机故障。
停机故障策略：所述电控单元ECU18控制所述燃气控制阀6、所述氧气喷射控制阀13和所述点火线圈24分别关闭，发动机停机。
所述发动机控制过程中，最终通过所述电控单元ECU18的控制，所述燃气控制阀6的实际开度为K2，所述氧气喷射阀13的实际开度为J2、所述点火线圈24的实际点火角为Z2，且上述三个值为发动机根据实际运行条件最终形成的参数。
步骤四、发动机运行正常控制策略
通过所述进气温度压力传感器17检测所述进气管路14的温度和压力信息，所述电控单元ECU18将接收到的信息进行处理计算，获得发动机的负荷，并根据负荷选择运行控制策略。
发动机负荷＜70％时，所述电控单元ECU18控制所述氧气喷射控制阀13不开启，控制所述燃气控制阀6开启，即所述氧传感器19检测所述发动机本体15排气中的氧离子浓度，并传送至所述电控单元ECU18，通过电控单元ECU18实现空燃比闭环控制，并使所述燃气控制阀6按照所述闭环修正表A0执行开启度，同时所述燃气温度压力传感器7实时检测所述送气管5内天然气的温度和压力信号，并传送至所述电控单元ECU18，由所述电控单元ECU18处理形成所述燃气控制阀6的开度修正信号，对所述燃气控制阀6的开启度进行修正，另外所述电控单元ECU18根据上述信息控制所述点火线圈24按照所述点火角设定表Z0执行点火动作；
70％≤发动机负荷≤100％时，所述电控单元ECU18控制所述氧气喷射控制阀13开启，控制所述燃气控制阀6开启，即所述电控单元ECU18根据计算获得的发动机的实际负荷，控制所述氧气喷射控制阀13的开度，且负荷与所述氧气喷射控制阀13的开度成正比，即负荷越大，所述氧气喷射控制阀13的开度越大，负荷越小，所述氧气喷射控制阀13的开度越小，转速越高所述氧气喷射控制阀13的开度越大，转速越低，所述氧气喷射控制阀13的开度越小。且通过所述水温传感器20、所述氧气温度压力传感器12的检测信息，在所述电控单元ECU18的配合下，形成所述氧气喷射控制阀13的开度修正信号，对所述氧气喷射控制阀13形成开度修正。所述氧传感器19检测所述发动机本体15排气中的氧离子浓度，并传送至所述电控单元ECU18，通过电控单元ECU18实现空燃比闭环控制，并使所述燃气控制阀6按照所述闭环修正表A0执行开启度，同时所述燃气温度压力传感器7实时检测所述送气管5内天然气的温度和压力信号，并传送至所述电控单元ECU18，由所述电控单元ECU18处理形成所述燃气控制阀6的开度修正信号，对所述燃气控制阀6的开启度进行修正，另外所述电控单元ECU18根据上述信息控制所述点火线圈24按照所述点火角设定表Z0执行点火动作。
在本步骤中所述氧传感器故障时，所述燃气控制阀的开度、所述氧气喷射控制阀的开度、所述点火线圈的实际点火提前角的确定方式与步骤三相同。
发动机作为常用动力设备，平均负荷较高，一般在70％～80％的负荷下24h运转，本实施例针对此类发动机的运行特点，针对特定运行时间较长的负荷(70％以上负荷)做氧气的供给控制，使发动机在大负荷运行的情况下可以进行富氧、低氮燃烧，可以有效降低发动机的NOx的排放，并且富氧燃烧条件下可以进一步增大发动机的点火提前角，提高发动机的燃烧效率，并且根据发动机的实际负荷来控制供给量。本实施例中氧气的使用仅是在发动机运行中大负荷时使用，若发动机运行在小负荷，则不进行氧气供给。当发动机氧气压力不足的情况下，发动机同样可以正常工作，在以lambda闭环修正表A1及点火角设定表Z1为基准条件下进行闭环运行，完全不会因更换氧气瓶或供养设备故障而导致停机。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
