卡車司機必知的LNG供給系統知識匯集
發表時間：2020-11-11
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 -161.5℃ ，在20MPa 壓 縮 儲 存 為 壓 縮 天 然 氣（CNG），在-162℃以下隔熱狀態呈液態保存為液化天然氣（LNG）。天然氣在燃燒過程中產生的能影響人類呼吸系統健康的物質極少，燃燒后無廢渣、廢水產生，具有使用安全、熱值高、潔凈等優勢。隨著我國對排放標準的不斷提高和能源配置的合理使用，LNG 發動機在大型客車和重型貨車上已開始應用。國家西氣東輸和東海油氣田天然氣上岸工程，也為LNG發動機的推廣應用提供了能源保障。隨著LNG發動機不斷進入市場，結合LNG發動機的構造特點和實際工作經驗，談一下LNG 發動機的合理使用與幾種故障分析。
一、LNG 發動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 發動機。LNG 從液態氣罐到進入發動機氣缸。
2.儲液罐
天然氣以液態形式儲存于低溫低壓的儲罐內，其內部溫度低于-162℃，氣瓶充滿氣的公稱工作壓力為1.6MPa，使用時氣瓶最小壓力不能低于 0.65MPa，否則會引起發動機供氣不足，動力性下降并且導致催化轉化器燒結。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 需要經汽化器升溫膨脹后汽化成氣態天然氣，才能供給發動機燃燒，LNG 在汽化過程中會吸收較多的熱量，汽化器利用發動機冷卻液提供熱量，促使低溫液態的天然氣變成氣態的天然氣。氣態天然氣的溫度高低取決于冷卻液的溫度和流量，實際工作過程中，進入發動機的可燃混合氣的溫度要求比較寬松，而發動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km清洗一次。清洗時，應拆除電磁閥線圈，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，根據發動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微處理器控制的高速電機，通過CAN 總線接收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。混合氣相當于單點噴射裝置，安裝在進氣道的喉管處，其內有一個被彈簧控制的膜片，可根據空氣的流入量，決定其內部膜片的開度，進而在發動機運轉工況下，混合器能精確控制空燃比。
7.電子控制節氣門
駕駛員通過油門踏板，將動力需求傳給ECM，ECM接收到油門踏板信號后，根據發動機運行工況控制電子節氣門的開度。通過控制電子節氣門蝶閥的開度，調節進入氣缸內混合氣量的多少，從而控制發動機的轉速和適應負荷變化。在安裝電子節氣門時，驅動電機軸線必須保持水平。
二、LNG 汽車發動機的特點及合理使用
LNG 發動機具有以下特點：一是天然氣抗爆性能好，辛烷值可達130RON，發動機的壓縮比可達 11~12，介于汽油機和柴油機之間。二是進氣系統適合安裝渦輪增壓裝置，LNG 發動機采用電控高壓點火系統，與汽油機相同。三是發動機燃用天然氣不會在進氣管壁形成油膜，發動機在暖機時排放污染較小。以上特點使得 LNG 發動機與汽油機、柴油機相比，在使用上具有一定差別，主要表現在以下幾個方面。
（1）應注意LNG 的品質。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發動機用天然氣，每標準立方米（101.325kPa，20℃） 硫化氫的含量不能超過15mg/m3，車輛長時間使用含硫量高的天然氣可能會導致燃燒室組件腐蝕，進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 發動機需用專門的高品質低灰分潤滑油。天然氣發動機燃燒的主要是高純度的氣態甲烷，其燃燒溫度比柴油機高，產生的發動機熱負荷比柴油機高。此外，氣態甲烷燃燒不會產生碳煙，有效防止了潤滑油的油灰沉積在火花塞上。但這樣一來，碳灰的潤滑作用也會消失，因此燃氣發動機的潤滑性能比燃油發動機的潤滑性能大為降低。因此，LNG發動機需要使用低硫酸鹽灰分、高抗耐磨、抗氧化，且低硫含量的專用機油。
（3）LNG發動機配備高能量點火裝置。天然氣的辛烷值高于汽油，因而發動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℃，發動機壓縮過程中缸內混合氣的溫度達不到這個溫度，必須采用火花塞強制點火，再加上天然氣的燃燒范圍較窄，因此要求點火能量較大，傳統的點火裝置不適用于LNG 發動機，需高能量點火裝置。天然氣發動機缸內燃燒溫度比較高，進氣對火花塞的冷卻效果較燃油發動機要差，點火電壓高于常規汽油機，超過 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 km 必須檢查火花塞電極燒蝕情況，以及高壓線膠套是否老化開裂，同時清理火花塞電極間雜質和點火線圈接線柱的氧化物，并涂導電膏。
（4）需用高品質軟化的發動機防凍冷卻液。在汽化器中，液態天然氣升溫蒸發成氣態天然氣，在燃氣系統的熱交換器中，還要對氣化后的天然氣進一步加熱，這些加熱介質均是發動機冷卻液；所以，LNG 發動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。若冷卻液品質不好易產生結垢現象，就會降低熱交換能力，導致汽化器和燃氣熱交換器效率下降，直接影響發動機的燃氣供給，使發動機功率下降，進而影響燃氣系統的下游裝置。因此，應絕對保證發動機冷卻液的品質，應用凝點更低，防腐功能更好，不結垢的軟質防凍液。
三、LNG 汽車發動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發動機的客車，曾先后幾次出現活塞燒熔及缸套破碎的嚴重故障，機體解體后進行檢查分析。經分析，導致故障的主要原因是發動機工作過程中產生了爆震燃燒。可燃混合氣在壓縮終了時利用火花塞點燃。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。若火焰傳播過程中，末端混合氣自行發火燃燒，這時氣缸內壓力急劇增高，并發生強烈的震蕩，在氣缸內發出清脆的金屬敲擊聲，這種不正常燃燒現象，被稱之為爆燃。嚴重的爆燃將使發動機過熱，功率下降，發動機磨損加劇，甚至損壞發動機零件，尤其在發動機低轉速高負荷工況下產生爆燃所造成的破壞最嚴重。
LNG 發動機產生爆燃的原因分析如下：
（1）用的 LNG 燃料品質較差，或抗爆性能下降；
（2）點火正時不準，點火提前角過大；
（3）混合氣過濃，超過設定濃度的5%以上；
（4）渦輪增壓異常，不能限制進氣增壓，產生過增壓現象；
（5）進氣的中冷器嚴重污染，進氣溫度過高；
（6）潤滑油品質選擇不當，使用了過高灰分的機油，導致氣缸內積碳過多，壓縮比相對增大。
該公司車輛是剛投入使用不久的 LNG 客車，可暫先排除嚴重污染、堵塞、積碳過大等引起爆燃的原因。因而引起爆燃的原因可能是點火提前角嚴重過大，進入氣缸的混合氣溫度過高，或是儲罐中 LNG 的儲存時間過長，氣態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，應控制經過燃氣緩沖罐及熱交換器的天然氣溫度，溫度過高會導致發動機爆震。
儲罐中原帶有的 LNG 燃料，經過新車運輸、交接及檢查等過程后，其實際儲存時間過長。當儲罐吸收外界熱量而使內壓力增大超過1.6MPa，安全閥會自動排除超壓的天然氣，加速罐內天然氣的蒸發。由于抗爆性較好的甲烷的蒸發，液態LNG中的甲烷含量逐漸降低，直接影響發動機的抗爆性能，易使LNG 發動機產生爆震，嚴重時可造成發動機的損壞。
一般產生爆震的部位在燃燒室，易造成氣缸上部燒熔損壞，但不至于引起整個缸體破碎。從整體破碎的情況看，缸套的材質、淬火熱處理不當也與缸體破碎有直接關系。
2．產生拉缸現象分析
有幾輛客車發動機出現類似敲擊聲和竄氣聲，加大油門后發動機發抖且動力下降，甚至出現熄火，排氣管冒黑煙現象。
經分析可能是發動機拉缸現象，解體后證實了判斷，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與缸壁滑動接觸面積過小時，摩擦產生高溫，活塞或活塞環與缸壁間發生金屬燒熔，冷卻后硬化物將缸壁拉出溝痕，即拉缸。
拉缸常見的原因有：發動機過熱，點火正時嚴重失準，活塞和缸套配合間隙過小，汽車維修技術網或活塞冷卻不夠導致過熱膨脹，活塞環開口端隙過小或斷裂，潤滑油品質不良或油膜承壓不夠，空氣濾清器濾清效果不良導致雜質進入氣缸，及駕駛員在低溫起動后猛踏油門踏板等。
LNG 發動機屬于燃氣式發動機，其壓縮比比汽油發動機高，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，并采用相應的熱處理，嚴格控制氣缸套與活塞的裝配間隙，以及活塞環的開口端隙。
3．火花塞出現污損、裂紋損壞故障分析
LNG發動機正常工況時，火花塞的絕緣體出現輕微黃或棕色沉淀物，也會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腐蝕性。一般來說，造成絕緣體破損的主要原因是爆裂震動。LNG 發動機由于燃料的差別，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，安裝火花塞和點火線圈時，必須保證火花塞間隙在規定值，并應在點火線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火花塞與缸套間漏電。
4．發動機動力不足原因分析
LNG 發動機動力不及柴油機，有時提速困難。LNG 燃料自身特性和發動機構造是造成動力不足的主要原因。進入燃油發動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，這必然導致相對進氣量減少，會導致發動功率下降，尤其在熱態工況下，發動機的功率會有明顯地下降。
