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摘要：介绍将在单缸柴油机基础上开发为天然气发动机，针对天然气发动机的特点，改进主要零部件的设计，增加点火系统和可燃气体混合系统，使其适应天然气的燃烧，整机性能达到要求。
关键词：天然气发动机；研制
1.前言
随着社会的快速发展，能源危机越来越严重（国际市场原油价格日益攀升，另外石油产品的燃烧造成了大气环境的严重污染。地球的温室效应越来越呈现出来。）综合这两方面，天然气的合理利用就提到议事日程上来了。就中国天然气与石油蕴藏量而言，气多油少，所以在动力机械上推广使用天然气势在必行。这为天然气发动机的开发及生产提供了良好的机遇。由于部分小发电机组及井口伴生气利用的需要，为单缸天然气发动机的开发提供了良好的平台，为此，我们决定开发单缸天然气发动机，所选机型缸径定在φ125mm上。
2.开发设计原则
①有针对性地对主要零件进行改进设计，使改装后的发动机性能能够满足设计任务书的要求。纯天然气与液化石油气等可燃性气体能够通用，并通过前置处理器后井口伴生气能正常工作。
②产品运行可靠、耐久性好，最大限度地满足生产加工设备通用化要求。做到多数零件与原机型通用，使产品工艺具有很好的继承性和生产性，具备流水线作业的能力。
单缸天然气发动机的功率与同样排量的柴油机功率相比下降不大于20％。
3.单缸柴油机改天然气发动机燃料供给系统图及说明
目前单缸柴油机用混合器较为简单，作为混合动力的个体自己改装的一般没有混合器，直接把天然气接在进气管上，作为纯天然气的单缸柴油机，混合器一般用472化油器式其它化油器改进的，但其有许可缺点，且价格较贵，现专门有人设计出了专供单缸柴油机改天然气发动机用的混合器，并申报了国家发明专利，相信这一产品将会带动单缸机改天然气机的发展。
4.设计与试验过程
活塞是发动机的心脏部件，同样也是设计的重点。根据理论推算，燃气发动机的压缩比应该在11～14之间，过高会产生爆震燃烧，过低会使平均有效压力降低，造成人为设计功率不足。为稳妥起见，根据目前压缩天然气的组成部分，我们把压缩比定在了12。根据计算缸径×行程为125×120mm的发动机燃烧室容积应为113.3ml。我们制作了缩口型燃烧室和浅盆型燃烧室进行了试验，结果浅盆型燃烧室略优。对于燃烧室的位置，我们进行了两种方案试验。一种是中心偏左上方4×9mm。一种是放在正中央。结果燃烧室偏左上方的性能略优，但由于批量不大，加工较困难，精度难以保证，所以我们所用的活塞还是燃烧室在正中央未偏置的。偏置式待批量生产后再实行。
气缸盖的设计也是天然气发动机的重点之一。因为燃气发动机排温较高，极易造成发动机过热，所以我们在冷却水道中重新进行了布置，使排气管四周水流更加通畅。另外在气道设计方面，由于混合气和纯空气有一定的区别，所以为了保证充气效率，我们适当加大了最小流通截面，同时调整了气流角度，使混合气在火花塞点火后能迅速扩散，充满气缸。
改进了原有柴油机凸轮轴设计，减小了气门重叠角，同时取消了油泵凸轮。
设计了专用天然气混合器。以往厂家单缸机混合器均是用472化油器或其他化油器修改而成，没有专门的混合器。这次我们专门设计了适应天然气的混合器，确保四周均匀进气。使空气与天然气有效混合，充分燃烧，同时保证制作成本较低，并申报了国家专利。
点火系统也是我们此次设计的重点。这次我们设计两种方案。一种是在飞轮上装一块永久磁铁，并在上止点前29°位置装一点火线圈，当飞轮运转起来后实施点火。这一方案同汽油机的CDI点火。另外一种方案，我们利用原来发动机就有的飞轮发电机的能量，在上止点前29°左右设一触发信号点，接受信号后，传递到点火线圈，再到火花塞点火。我们比较了两种方案试验后，认为第二种方案点火能量大且稳定，更能适合天然气发动机需要。所以我们选择了利用飞轮发电机的能量点火。
调速系统，我们与相关厂家协作重新设计开发了一种能够替代高压油泵，并能控制供气量的新型气泵。利用柴油机自身的装置解决了调速问题，使发动机在全程转速下稳定运行且额定功率突卸负荷后转速不大于2400r/min，稳定调速率＜8％。
点火控制电路系统是天然气发动机必须具备的系统，与原机的电起动系统配套使用，增加了信号触发装置、点火线圈、火花塞、信号放大装置、高压点火缆线，线路也作了部分调整以满足天然气发动机的需要。
5.改装后发动机的性能试验结果
在完成上述各项设计与改进设计零部件加工及安装后对ZH1125天然气发动机进行性能调试与测定各项性能指标均能达到当初的设计要求。
附图1
性能调试后进行了200小时超负荷（110％）试验。试验后拆检，所有新设计的零部件均完好，能够继续使用。
6.结论
1）ZH1125天然气发动机功率达到原定设计的指标，在转速2200r/min、功率20ps工况下平稳运行。发动机改装后排放低，在标定工况超负荷工况及最大扭矩工况下排放中几乎看不到碳烟，明显优于原柴油机。
2）根据天然气的特性，优化天然气发动机结构、提高压缩比、调整点火线路等措施，充分满足天然气的燃烧要求，从而获得更好的动力性、经济性和排放性。
论文作者:崔运磊
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第23期
论文发表时间:2018/2/26
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