卡車(chē)司機必知的LNG 供給系統知識匯集

天然氣主要存在于油田和天然氣田中，主要成分是烷烴，其中甲烷占 絕 大 多 數 ， 沸 點(diǎn) -161.5℃ ，在20MPa 壓 縮 儲 存 為 壓 縮 天 然 氣（CNG），在-162℃以下隔熱狀態(tài)呈液態(tài)保存為液化天然氣（LNG）。天然氣在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的能影響人類(lèi)呼吸系統健康的物質(zhì)極少，燃燒后無(wú)廢渣、廢水產(chǎn)生，具有使用安全、熱值高、潔凈等優(yōu)勢。隨著(zhù)我國對排放標準的不斷提高和能源配置的合理使用，LNG 發(fā)動(dòng)機在大型客車(chē)和重型貨車(chē)上已開(kāi)始應用。國家西氣東輸和東海油氣田天然氣上岸工程，也為L(cháng)NG發(fā)動(dòng)機的推廣應用提供了能源保障。隨著(zhù)LNG發(fā)動(dòng)機不斷進(jìn)入市場(chǎng)，結合LNG發(fā)動(dòng)機的構造特點(diǎn)和實(shí)際工作經(jīng)驗，談一下LNG 發(fā)動(dòng)機的合理使用與幾種故障分析。

       一、LNG 發(fā)動(dòng)機燃料供給系的主要部件及其功用

       1.工作原理

       ECI EFR 系統增壓 LNG 發(fā)動(dòng)機。LNG 從液態(tài)氣罐到進(jìn)入發(fā)動(dòng)機氣缸。

       2.儲液罐

       天然氣以液態(tài)形式儲存于低溫低壓的儲罐內，其內部溫度低于-162℃，氣瓶充滿(mǎn)氣的公稱(chēng)工作壓力為1.6MPa，使用時(shí)氣瓶最小壓力不能低于 0.65MPa，否則會(huì )引起發(fā)動(dòng)機供氣不足，動(dòng)力性下降并且導致催化轉化器燒結。低溫氣瓶儲罐采取雙層真空絕熱結構，儲罐由內膽、外殼、內夾層絕熱件和閥件艙等組成。內膽用于盛裝燃料，外殼支撐整個(gè)罐體，并保護內膽，他在內膽間構成了密閉的真空空間，兩殼夾層間填充了具有隔熱性能的玻璃棉和鋁箔材料。閥件艙布置在儲罐的一端，包括儲液閥、安全閥、手動(dòng)放空閥、壓力調節器、壓力表和液位顯示器等。駕駛室儀表板設置有氣量指示和漏氣報警裝置。

       3.汽化器

       LNG 需要經(jīng)汽化器升溫膨脹后汽化成氣態(tài)天然氣，才能供給發(fā)動(dòng)機燃燒，LNG 在汽化過(guò)程中會(huì )吸收較多的熱量，汽化器利用發(fā)動(dòng)機冷卻液提供熱量，促使低溫液態(tài)的天然氣變成氣態(tài)的天然氣。氣態(tài)天然氣的溫度高低取決于冷卻液的溫度和流量，實(shí)際工作過(guò)程中，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機的可燃混合氣的溫度要求比較寬松，而發(fā)動(dòng)機冷卻液的正常溫度一般為60～85℃。

       4.低壓電磁閥

      低壓電磁閥安裝在電控調壓器天然氣入口處，控制天然氣的供給量。平時(shí)應注意對該電磁閥的清潔，視供給燃料的清潔度，一般每行駛5萬(wàn)km清洗一次。清洗時(shí)，應拆除電磁閥線(xiàn)圈，取出閥芯閥座，并將他們浸泡在汽油中，再用干壓縮空氣吹干后使用。

       5.電控調壓器（EPR 閥）

      電控調壓器是電子控制的壓力調節器，內部有控制芯片接受 ECM的指令，根據發(fā)動(dòng)機運行工況控制天然氣量及壓力，從而有效控制空燃比。電控調壓器內部有一個(gè)微處理器控制的高速電機，通過(guò)CAN 總線(xiàn)接收ECM 信息，保證天然氣壓力在0.55~1.35MPa 之間。電控調壓器內有壓力傳感器用于測量調壓器出口和混合氣入口處的氣壓差，將電控調壓器的燃氣溫度控制在-40℃~105℃范圍內。

       6.混合器

      混合器的作用是將增壓器中冷后的空氣與天然氣充分混合。氣態(tài)天然氣氣壓大于中冷后的空氣，按比例噴入與空氣混合，使燃燒更充分、柔和，可有效降低 NOx 的排放和排氣溫度?；旌蠚庀喈斢趩吸c(diǎn)噴射裝置，安裝在進(jìn)氣道的喉管處，其內有一個(gè)被彈簧控制的膜片，可根據空氣的流入量，決定其內部膜片的開(kāi)度，進(jìn)而在發(fā)動(dòng)機運轉工況下，混合器能精確控制空燃比。

       7.電子控制節氣門(mén)

      駕駛員通過(guò)油門(mén)踏板，將動(dòng)力需求傳給ECM，ECM接收到油門(mén)踏板信號后，根據發(fā)動(dòng)機運行工況控制電子節氣門(mén)的開(kāi)度。通過(guò)控制電子節氣門(mén)蝶閥的開(kāi)度，調節進(jìn)入氣缸內混合氣量的多少，從而控制發(fā)動(dòng)機的轉速和適應負荷變化。在安裝電子節氣門(mén)時(shí)，驅動(dòng)電機軸線(xiàn)必須保持水平。

       二、LNG 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的特點(diǎn)及合理使用

       LNG 發(fā)動(dòng)機具有以下特點(diǎn)：一是天然氣抗爆性能好，辛烷值可達130RON，發(fā)動(dòng)機的壓縮比可達 11~12，介于汽油機和柴油機之間。二是進(jìn)氣系統適合安裝渦輪增壓裝置，LNG 發(fā)動(dòng)機采用電控高壓點(diǎn)火系統，與汽油機相同。三是發(fā)動(dòng)機燃用天然氣不會(huì )在進(jìn)氣管壁形成油膜，發(fā)動(dòng)機在暖機時(shí)排放污染較小。以上特點(diǎn)使得 LNG 發(fā)動(dòng)機與汽油機、柴油機相比，在使用上具有一定差別，主要表現在以下幾個(gè)方面。

（1）應注意LNG 的品質(zhì)。天然氣中除含有烷烴外，還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水氣等。LNG發(fā)動(dòng)機用天然氣，每標準立方米（101.325kPa，20℃） 硫化氫的含量不能超過(guò)15mg/m3，車(chē)輛長(cháng)時(shí)間使用含硫量高的天然氣可能會(huì )導致燃燒室組件腐蝕，進(jìn)一步影響熱交換和熱平衡。固體小顆粒的直徑應小于 5μm。

（2）LNG 發(fā)動(dòng)機需用專(zhuān)門(mén)的高品質(zhì)低灰分潤滑油。天然氣發(fā)動(dòng)機燃燒的主要是高純度的氣態(tài)甲烷，其燃燒溫度比柴油機高，產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機熱負荷比柴油機高。此外，氣態(tài)甲烷燃燒不會(huì )產(chǎn)生碳煙，有效防止了潤滑油的油灰沉積在火花塞上。但這樣一來(lái)，碳灰的潤滑作用也會(huì )消失，因此燃氣發(fā)動(dòng)機的潤滑性能比燃油發(fā)動(dòng)機的潤滑性能大為降低。因此，LNG發(fā)動(dòng)機需要使用低硫酸鹽灰分、高抗耐磨、抗氧化，且低硫含量的專(zhuān)用機油。

（3）LNG發(fā)動(dòng)機配備高能量點(diǎn)火裝置。天然氣的辛烷值高于汽油，因而發(fā)動(dòng)機的壓縮比可以做得比汽油機高，熱效率相應提高。天然氣的自燃溫度在 632℃，發(fā)動(dòng)機壓縮過(guò)程中缸內混合氣的溫度達不到這個(gè)溫度，必須采用火花塞強制點(diǎn)火，再加上天然氣的燃燒范圍較窄，因此要求點(diǎn)火能量較大，傳統的點(diǎn)火裝置不適用于LNG 發(fā)動(dòng)機，需高能量點(diǎn)火裝置。天然氣發(fā)動(dòng)機缸內燃燒溫度比較高，進(jìn)氣對火花塞的冷卻效果較燃油發(fā)動(dòng)機要差，點(diǎn)火電壓高于常規汽油機，超過(guò) 40kV。但火花塞間隙比汽油機要小，鉑金NGK 火花塞間隙為 0.33±0.005mm，銥金火花塞間隙為 0.4±0.005mm，每行駛 2 萬(wàn) km 必須檢查火花塞電極燒蝕情況，以及高壓線(xiàn)膠套是否老化開(kāi)裂，同時(shí)清理火花塞電極間雜質(zhì)和點(diǎn)火線(xiàn)圈接線(xiàn)柱的氧化物，并涂導電膏。

（4）需用高品質(zhì)軟化的發(fā)動(dòng)機防凍冷卻液。在汽化器中，液態(tài)天然氣升溫蒸發(fā)成氣態(tài)天然氣，在燃氣系統的熱交換器中，還要對氣化后的天然氣進(jìn)一步加熱，這些加熱介質(zhì)均是發(fā)動(dòng)機冷卻液；所以，LNG 發(fā)動(dòng)機的冷卻液除原有的冷卻保溫功能外，還有加熱天然氣的作用。若冷卻液品質(zhì)不好易產(chǎn)生結垢現象，就會(huì )降低熱交換能力，導致汽化器和燃氣熱交換器效率下降，直接影響發(fā)動(dòng)機的燃氣供給，使發(fā)動(dòng)機功率下降，進(jìn)而影響燃氣系統的下游裝置。因此，應絕對保證發(fā)動(dòng)機冷卻液的品質(zhì)，應用凝點(diǎn)更低，防腐功能更好，不結垢的軟質(zhì)防凍液。

      三、LNG 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機幾種故障分析與對策

      1．活塞燒熔及缸套破碎故障分析

2009年，某公司裝有LNG發(fā)動(dòng)機的客車(chē)，曾先后幾次出現活塞燒熔及缸套破碎的嚴重故障，機體解體后進(jìn)行檢查分析。經(jīng)分析，導致故障的主要原因是發(fā)動(dòng)機工作過(guò)程中產(chǎn)生了爆震燃燒?？扇蓟旌蠚庠趬嚎s終了時(shí)利用火花塞點(diǎn)燃。在正常燃燒情況下，火焰從火花塞端一直傳播到遠離火花塞的末端。若火焰傳播過(guò)程中，末端混合氣自行發(fā)火燃燒，這時(shí)氣缸內壓力急劇增高，并發(fā)生強烈的震蕩，在氣缸內發(fā)出清脆的金屬敲擊聲，這種不正常燃燒現象，被稱(chēng)之為爆燃。嚴重的爆燃將使發(fā)動(dòng)機過(guò)熱，功率下降，發(fā)動(dòng)機磨損加劇，甚至損壞發(fā)動(dòng)機零件，尤其在發(fā)動(dòng)機低轉速高負荷工況下產(chǎn)生爆燃所造成的破壞最嚴重。

  LNG 發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生爆燃的原因分析如下：

（1）用的 LNG 燃料品質(zhì)較差，或抗爆性能下降；

（2）點(diǎn)火正時(shí)不準，點(diǎn)火提前角過(guò)大；

（3）混合氣過(guò)濃，超過(guò)設定濃度的5%以上；

（4）渦輪增壓異常，不能限制進(jìn)氣增壓，產(chǎn)生過(guò)增壓現象；

（5）進(jìn)氣的中冷器嚴重污染，進(jìn)氣溫度過(guò)高；

（6）潤滑油品質(zhì)選擇不當，使用了過(guò)高灰分的機油，導致氣缸內積碳過(guò)多，壓縮比相對增大。

      該公司車(chē)輛是剛投入使用不久的 LNG 客車(chē)，可暫先排除嚴重污染、堵塞、積碳過(guò)大等引起爆燃的原因。因而引起爆燃的原因可能是點(diǎn)火提前角嚴重過(guò)大，進(jìn)入氣缸的混合氣溫度過(guò)高，或是儲罐中 LNG 的儲存時(shí)間過(guò)長(cháng)，氣態(tài)燃氣中的甲烷成分下降，抗爆性能下降。

      在燃氣供給系統中，已氣化的天然氣溫度不能太高，應控制經(jīng)過(guò)燃氣緩沖罐及熱交換器的天然氣溫度，溫度過(guò)高會(huì )導致發(fā)動(dòng)機爆震。

      儲罐中原帶有的 LNG 燃料，經(jīng)過(guò)新車(chē)運輸、交接及檢查等過(guò)程后，其實(shí)際儲存時(shí)間過(guò)長(cháng)。當儲罐吸收外界熱量而使內壓力增大超過(guò)1.6MPa，安全閥會(huì )自動(dòng)排除超壓的天然氣，加速罐內天然氣的蒸發(fā)。由于抗爆性較好的甲烷的蒸發(fā)，液態(tài)LNG中的甲烷含量逐漸降低，直接影響發(fā)動(dòng)機的抗爆性能，易使LNG 發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生爆震，嚴重時(shí)可造成發(fā)動(dòng)機的損壞。

      一般產(chǎn)生爆震的部位在燃燒室，易造成氣缸上部燒熔損壞，但不至于引起整個(gè)缸體破碎。從整體破碎的情況看，缸套的材質(zhì)、淬火熱處理不當也與缸體破碎有直接關(guān)系。

      2．產(chǎn)生拉缸現象分析

      有幾輛客車(chē)發(fā)動(dòng)機出現類(lèi)似敲擊聲和竄氣聲，加大油門(mén)后發(fā)動(dòng)機發(fā)抖且動(dòng)力下降，甚至出現熄火，排氣管冒黑煙現象。

      經(jīng)分析可能是發(fā)動(dòng)機拉缸現象，解體后證實(shí)了判斷，在縱向缸壁有深淺不一的垂直溝紋及拉毛劃痕。這是因為當活塞或活塞環(huán)與缸壁滑動(dòng)接觸面積過(guò)小時(shí)，摩擦產(chǎn)生高溫，活塞或活塞環(huán)與缸壁間發(fā)生金屬燒熔，冷卻后硬化物將缸壁拉出溝痕，即拉缸。

      拉缸常見(jiàn)的原因有：發(fā)動(dòng)機過(guò)熱，點(diǎn)火正時(shí)嚴重失準，活塞和缸套配合間隙過(guò)小，汽車(chē)維修技術(shù)網(wǎng)或活塞冷卻不夠導致過(guò)熱膨脹，活塞環(huán)開(kāi)口端隙過(guò)小或斷裂，潤滑油品質(zhì)不良或油膜承壓不夠，空氣濾清器濾清效果不良導致雜質(zhì)進(jìn)入氣缸，及駕駛員在低溫起動(dòng)后猛踏油門(mén)踏板等。

       LNG 發(fā)動(dòng)機屬于燃氣式發(fā)動(dòng)機，其壓縮比比汽油發(fā)動(dòng)機高，缸內燃燒溫度高，需采用耐高溫的潤滑油，選擇合適的氣缸套和活塞材質(zhì)，并采用相應的熱處理，嚴格控制氣缸套與活塞的裝配間隙，以及活塞環(huán)的開(kāi)口端隙。

       3．火花塞出現污損、裂紋損壞故障分析

       LNG發(fā)動(dòng)機正常工況時(shí)，火花塞的絕緣體出現輕微黃或棕色沉淀物，也會(huì )出現輕微的電極腐蝕現象。

       火花塞用氧化鋁陶瓷制成，其工作環(huán)境極為惡劣，不但要承受缸內溫度及壓力頻率極高的急劇交替沖擊，還要保證在40kV 高電壓下的絕緣性能和耐化學(xué)腐蝕性。一般來(lái)說(shuō)，造成絕緣體破損的主要原因是爆裂震動(dòng)。LNG 發(fā)動(dòng)機由于燃料的差別，混合氣的空燃比和氣缸的壓縮壓力均高于汽油機，點(diǎn)火電壓在40kV 以上，而火花塞間隙比汽油機小得多，所以，安裝火花塞和點(diǎn)火線(xiàn)圈時(shí)，必須保證火花塞間隙在規定值，并應在點(diǎn)火線(xiàn)圈與火花塞電極涂抹導電膠，在火花塞陶瓷體上涂絕緣脂，以防止因膠套老化引發(fā)火花塞與缸套間漏電。

       4．發(fā)動(dòng)機動(dòng)力不足原因分析

       LNG 發(fā)動(dòng)機動(dòng)力不及柴油機，有時(shí)提速困難。LNG 燃料自身特性和發(fā)動(dòng)機構造是造成動(dòng)力不足的主要原因。進(jìn)入燃油發(fā)動(dòng)機的是燃油和氣體的混合氣，而 LNG 則是天然氣和空氣的混合氣，前者進(jìn)氣量與燃油的體積比為 58:1，燃油體積可以忽略不計，但后者進(jìn)氣量與天然氣的體積比為 9.5:1，燃氣體積上升 6 倍，這必然導致相對進(jìn)氣量減少，會(huì )導致發(fā)動(dòng)功率下降，尤其在熱態(tài)工況下，發(fā)動(dòng)機的功率會(huì )有明顯地下降。