（动力机械及工程专业论文）天然气柴油双燃料发动机性能研究.pdf

摘要 发动机燃用天然气一柴油双燃料取代纯柴油是解决能源短缺和降低排 放污染的有效措施。本文分析了双燃料发动机的发展水平与现状，研制了 进气管混合器式燃料供给系统、进气管阀喷射式燃料供给系统及阀喷射式 电子控制喷气系统，并分别装机进行了性能试验。在整机性能特别是废气 排放方面将混合器式和阀喷气式双燃料发动机与原柴油机进行了全面的试 验分析对比，特别对双燃料发动机采用不同混合器、不同供气方式以及废 气再循环时的排放特性进行了分析，对供油提前角、引燃油量等参数对双 燃料发动机排放特性影响以及发动机燃用双燃料和纯柴油时的经济性和热 效率进行了剥比。并采用二维燃烧模型模拟计算双燃料发动机的燃烧过 程，从发动机燃烧特性和排放特性等方面揭示双燃料发动机的燃烧规律， 预测运行参数及结构参数变化对双燃料发动机的性能及排放特性的影响。 关键词：双燃料发动机；试验研究j 二维数值模拟 ，? h 。”( ， a b s t r a c t a b s t r a c t s u b s t i t u t i n gd u a lr u e lo fn a t u r a lg a s d i e s e lo i lf o rp u r ed i e s e lo i li nd i e s e l e n g i n e si s a ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e m so ne n e r g ys h o r t a g ea n dt o r e d u c ee m i s s i o np o l l u t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p i n gl e v e la n ds t a t u sq u oo f d u a lf u e le n g i 【n e sa r ea n a l y z e d ：i no r d e rt or e d u c et h ee m i s s i o n so fd i e s e le n g i n e s ， f u e l - s u p p l ys y s t e mo fi n l e tg a sm i x e r ，f u e l s u p p l ys y s t e mo fi n l e tv a l v ei n j e c t i o n a n de l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e dn a t u r a lg a si n j e c t i o ns y s t e mo fv a l v e - i n j e c t i o na r e d e v e l o p e d a n dt h e i rp e r f o r m a n c ea r er e s p e c t i v e l ye x p e r i m e n t e di nd i e s e le n g i n e s t h eg e n e r a lp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l ye m i s s i o n so fe x h a u s tg a so fd u a lf u e le n g i n e o fg a sm i x e r ，d u a lf u e le n g i n eo fv a l v ei n j e c t i o na n dp r i m a r yd i e s e la r e e x p e r i m e n t a l l ya n a l y z e d a n d c o m p a r e dc o m p r e h e n s i v e l y , t h ee m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c so fd u a lf u e le n g i n ea r es p e c i a l l ya n a l y z e dw h e na d o p t i n gd i f f e r e n t m i x e r s ，d i f f e r e n tg a s s u p p l ym o d e sa n de g r ( e x h a u s tg a sr e c y c l i n g ) ，t h e i n f l u e n c c so fa d v a n c e da n g l ei 1 3 o i l s u p p l ya n dp a r a m e t e r so f 试l o tf u e lo i lt h e e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd u a lf u e le n g i n ea r ea n a l y z e d a n dt h ee c o n o m ya n d t h e r m a le f f i c i e n c yo fd i e s e le n g i n ew h e nb u r n i n gd u a lf u e la n dp u r ed i e s e lo i la r e a l s oc o m p a r e d f u r t h e r m o r e ，t w o - d i m e n s i o nc o m b u s t i o nm o d e lh a sb e e na d o p t e d t os i m u l a t et h eb u r n i n gp r o c e s so fd u a lf u e le n g i n e ，d i s c o v e r i n gt h eb u r n i n gr u l e s o fd u a lf u e le n g i n et h r o u g ht h ee n g i n e sb u r n i n ga n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， p r e d i c t i n gt h ei n f l u e n c e so fc h a n g e si no p e r a t i n ga n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c ea n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f d u a lf u e le n g i n e k e yw o r d s ：d u a lf u e l e n g i n e ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ；t w o d i m e n s i o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 北方交通大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 天然气发动机研究现状 天然气作为汽车发动机燃料的历史可以追溯到内燃机研制初期，使用 压缩天然气( c n g ) 作为汽车燃料始于三十年代意大利，后来主要由于其储 存携带及补充不方便才逐步让位于液体燃料柴油和汽油。在经历了7 0 年代 中东石油危机和近年来环境的持续恶化事件后，许多国家依照可持续发展 战略，加快了n g v ( 天然气汽车) 技术的发展进程。天然气资源丰富的俄 罗斯、意大利、阿根廷、新西兰、巴西、印度尼西亚等国家和地区，以及 受到环境保护法规和国家政策制约的美国、日本等工业发达国家，都针对 n g v 制定了发展规划和政策法规。据不完全统计，截止1 9 9 7 年底，全世 界4 0 多个国家和地区共有c n g 汽车1 0 4 万辆，l p g ( 液化石油气) 汽车4 0 1 万辆n 儿“。 国内对n g v 的研究起步较晚，与世界水平相比，尚存在很大差距， 但已取得了一定的进展。我国开展有关天然气作为汽车发动机代用燃料的 研究始于5 0 年代，6 0 年代初在国家科委和汽车局组织下，在四川完成了 两辆c a l o h 型c n g 汽车的2 5 万公里运行试验及其它试验，后因各种原因 试验站于1 9 7 8 年撤消。随着汽车工业的发展，能源的日益紧张，我国从 8 0 年代中期重新开始c n g 汽车的研究开发与推广工作。8 0 年代末四川石 油管理局从新西兰引进了c n g 充气装置和n g v 的改装件，在南充建立了全 国第一家c n g 加气站，并于9 0 年代初完成了加气站设备与汽车改装部件 国产化的开发工作阻】。1 9 9 7 年底，全国c n g 汽车发展到4 5 9 4 辆，l p g 汽 车1 3 2 3 辆”1 ，在天然气资源比较充足的四川和重庆，n g v 的发展已初具 规模。最近几年，n g v 已成为社会上一个研究热点，北京、上海、深圳等 大城市都提出了相应的研究发展计划。 目前，汽油机燃用天然气技术非常成熟，国外已经发展到了电子控 制、稀燃等前沿技术。由于天然气的燃料特性最适宜替代汽油，国内 外把天然气应用到车用发动机上都是首先从汽油机开始的。在天然气用做 第一章绪论 发动机燃料的初期，由于加气站不多，燃用天然气的汽油车多采用两用燃 料系统，即在原汽油机基础上增加天然气储存、供给和燃料转换系统，为 兼顾使用汽油时的性能，对原发动机燃烧室、压缩比、进排气道等均未改 变，因此使用天然气时发动机的工作过程并非最佳。在天然气发动机使用 过程中，人们发现天然气不如液体燃料稳定，随温度的影响变化较大，导 致混合气空燃比变化，不能充分发挥天然气的优势，为此许多国家相继研 制了电控气体混合器，实现了对空燃比以及点火提前角的自动调节。现在 国外已开发出专烧天然气的单一燃料发动机，并采用电控气体喷射系统， 根据不同工况，控制气体喷射器喷射脉宽，以控制空燃比。这类发动机选 用较高的压缩比或增压技术并采用三元催化反应器，改善排放性能，如日 本研制的n i s s a na dv a n 小型超低污染天然气汽车将原汽油机压缩比9 5 提高到1 2 8 ，其排放结果n 0 。为0 0 2 9 k m ，c o 为0 1 5 9 k m ，t h c 为 0 0 7 9 k m ，低于限定值( 日本汽油机排放限定值：n 0 ，为0 4 8 9 k m ，c o 为 2 7 9 k m ，t h c 为0 3 9 9 k m ) 。 近来天然气在柴油机上应用也得到迅速发展。柴油机改烧c n g 的方 法有两种：全用c n g 做燃料和采用天然气一柴油双燃料。前者一般采用火 花塞点火，这类发动机的开发比较多，如c u m m i sl i o 型天然气发动机、 伊维柯8 2 2 0 型及8 4 6 0 型天然气发动机、日本的4 b e i 型天然气发动机、 我国济南柴油机厂研制的1 2 v 1 9 0 z d t - 2 天然气发动机等，其共同特点： 选择合适的压缩比。因为压缩比过高会引起爆震，而压缩比降低又会使循 环热效率下降，废气温度升高，因此应综合考虑性能和排放等因素，选择 压缩比；去掉原柴油机燃油喷射系统，增加天然气供给系统、点火系统 和空燃比控制系统。采用三元催化排放后处理器可以降低排放性能。 对于后者，这种双燃料发动机以天然气作为主燃料，少量柴油作为引 燃燃料，在压缩行程的活塞接近上止点时，天然气被压燃的柴油点燃。这 种双燃料发动机具有以下优点： 第一，燃料使用灵活。既可用柴油引燃天然气工作，又可完全转换到 燃用纯柴油工况，并且燃用双燃料后可保持或超过原机功率。这就克服了 天然气资源供应不充足或加气站过少而给车辆运行带来的不便。 第二，经济性较好。大多数柴油机只需增加一套燃气供给系统，就可 北方变通大学硕士研究生学位论文 燃用天然气替代大量的柴油，与改装成火花点燃的发动机相比可节省大量 的改装费用；而且气体燃料燃烧充分，不积碳，从而减少了发动机的磨损， 延长了发动机和机油的寿命；另外全球范围内油气差价及政府税收优惠政 策是发展天然气汽车的效益基础，燃用天然气时运行费用降低。 第三，有害排放低。与柴油机相比，燃用天然气一柴油的双燃料发动 机最大的优点是有害排放降低。排放废气中的烟度、固态微粒和n 0 。排放 较少，发动机噪声降低。 现阶段，在我国可实现天然气对汽油、柴油的替代，但普遍缺乏对 该项技术的系统研究与实验。特别对双燃料发动机的研究，国内这项工作 仍停留在以天然气对柴油的简单替代阶段，并未发挥天然气作为发动机燃 料的真正技术潜力，与国外所达到的技术水平比较，已存在较大差距。例 如对双燃料发动机燃气供给方式的研究，国外已设计并试验完成缸内直接 喷射技术，完全实现了对燃料供给的质调节，为进一步完善和优化发动机 各项性能提供有利条件 5 。而国内对双燃料发动机的研究处于起步阶段， 还有待解决爆燃所限制的平均有效压力的提高，低负荷时c 0 和h c 排放量 增加以及燃烧效率降低等问题妇 。因此，开展对天然气发动机基础工作的 研究，赶超国外先进水平，已成为我国天然气发动机研究中迫在眉睫的任 务。 1 2 天然气的特性 熟悉燃料性质，了解天然气与柴油的燃料性质差别是使用好燃料的 基础。天然气是一种优质的气体燃料，它产于石油产区或单纯的天然气田。 和石油产在一起的天然气中含有石油蒸气，被称为伴生气或石油气，它含 有较多的重碳氢化合物。纯粹气阳产的天然气因不合石油蒸气被称为干天 然气，其主要成分为甲烷，其次为乙烷等饱和碳氢化合物。各种碳氢化合 物在天然气中的含量约为9 0 以上，除了碳氢化合物以外，天然气中还 含有少量的c o ：、n ：、o ：、h ：s 等。表1 1 比较了天然气和柴油以及其它 柴油机代用燃料的物理和化学特性“。 第一章绪论 如表中所示，天然气作为发动机燃料有以下特点： 1 甲烷分子结构中只有c h 键，没有c c 键，有利于减少燃烧生 成的烟度和微粒：同时，它可以使用更大的废气再循环( e g r ) 率，降低n o ， 排放浓度。 2 尽管质量低热值比柴油高，但由于天然气的相对分子质量小，比 柴油混合气的理论空燃比大，因此天然气比柴油的理论混合气热值低。为 了达到柴油机的动力性，必须增大天然气的循环供气量 5 。 表1 1 天然气、柴油以及其它柴油机代用燃料的物化特性对比 特性天然气柴油二甲醚丙烷甲醇 分子式c h c 。h 。c 叱，0 一c h 3c 3 h 8 c h ，- o h 分子量 1 60 41 9 0 2 2 0 4 6 0 7 4 4 1 13 2 0 4 拂点1 6 1 51 8 0 3 6 02 494 26 5 液态密度gc m 3 0 4 2 4 0 8 4 0 6 6 80 5 0 107 9 低热值m jk 9 1 5 0 0 54 2 52 8 4 34 6 3 61 9 5 着火极限5 1 5 06 6 5 3 4 1 72 1 9 46 3 65 着火温度 c 5 3 72 5 02 3 54 7 04 5 0 十六烷值 4 0 5 5 5 5 6 0 理论空燃比1 7 2 51 4 6901 5 6 6 65 汽化潜热k jk g “5 1 0 2 5 0 4 1 0 ( 一2 0 )3 7 01 1 1 0 辛烷值r o n 1 3 05 01 1 1 5 3 抗爆震性能高。天然气的辛烷值高，约为1 3 0 ，具有采用高压缩比 从而提高汽车动力性和经济性的潜力。 4 混合气发火界限宽。天然气与空气混合后的工作混合气具有很宽 的发火界限，其过量空气系数的变化范围为0 6 1 8 n ，可在大范围内 改变混合比提供不同成分的混合气。通过采用稀薄燃烧技术，可进一步提 高汽车的经济性和环保效益。 5 天然气比柴油着火温度高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点 火能量。 6 使用性能好。以天然气为燃料的发动机，冷启动性能好，运转平 稳，天然气中不含柴油中存在的胶质，因而在燃烧时不会产生如柴油燃料 中胶质生成的积碳，同样由于其硫含量和机械杂质均远低于柴油，对气缸、 活塞、活塞环和气门等零部件的危害较小。气体燃料不会对机油产生稀释， 4 因此发动机寿命长，汽车大修里程可提高2 0 以上，并且比使用常规燃 料节约5 0 以上的维修费用。 6 有害排放降低。由于天然气燃烧温度低，n 0 ，生成少；与空气同 为气相，混合均匀，燃烧较完全，c o 和微粒的排放值极低。采用天然气 柴油双燃料工作，烟度值很低，约为纯柴油的1 l o 左右，几乎呈无烟状 态运行。同时，由于以甲烷为主要成分的天然气是碳氢原子比最小的烃类 化合物，以产生相同热量计算甲烷产生的c o 。也可比柴油降低1 5 以上口。 未燃烧甲烷等成分性质稳定，在大气中不会形成有害的光化学烟雾，但它 对大气温室效应影响比c 0 ，严重，应在柴油机缸内烧掉或选用新的催化剂 在机外处理，这是当前应研究解决的主要问题。 就燃料特性而言，天然气作为发动机燃料存在以下缺点： 1 天然气的携带性差。天然气在常温下极难液化，只有采用先进的 膨胀制冷技术将其冷却到一1 6 2 。c 才能液化，这就造成无论是液化设备还 是车上储罐的造价都会很高。目前广泛采用的压缩天然气均采用高压( 2 0 2 5 m p a ) 存储在高压气瓶内，这些气瓶导致汽车重量加大，空间减少，同时 限制了汽车的续使里程。另外，若天然气输气管线、加气站没有形成网络， 天然气在发动机上的应用将会受到限制。 2 由于天然气本身是气态，当采用缸外预混合方式时，就会占据部 分进入气缸的空气量，充气系数比使用液体燃料大约低1 0 左右，同时， 气体燃料的理论混合气热值也较低，与同排量的汽油机相比，使用天然气 将使发动机功率有所下降。 3 若天然气以双燃料或两用燃料形式应用于汽车，则需要增加天然 气的储存和供气系统，使车身质量加大，整车成本提高。 1 3 双燃料发动机的发展状况 1 3 1 双燃料发动机供气系统方案研究 双燃料发动机的燃气供给方式主要有混合器式和阀喷射式两种。柴油 机燃用天然气的供气系统方案选择如框图1 1 所示。 笙二兰堕堡 l 柴油机l 圈1 1 柴油机燃用天然气的方案 目前国内外由厂家直接生产的燃气柴油机较少，大多对现有的柴油机 进行改装而成心 ，由于前述双燃料发动机的优越性，本文选用c n g 柴油双 燃料方式。 混合器进气方式是利用气流流动在喷管形成的真空度，来抽吸天然 气，其中混合器具有混合气量控制及空燃比控制两项功能。混合器方式主 要采用进气管供气和缸盖气道供气。前者只对进气管进行改动，改装比较 简单，后者的燃气是在缸盖进气道的根部与空气进行混合，汽缸盖要做较 大改动，混合气的空燃比控制较为复杂。 机械控制混合器方式是双燃料发动机发展的初期产品。用这种方式 改装的双燃料柴油机是把空负荷最低稳定转速下的燃油供应量作为双燃料 运行时的引燃油量，当负荷或转速增加，需要加大燃油供应量时，都靠增 加进入混合器的气体燃料量来满足。这种早期产品的最大优点是技术难度 低，改装简单。存在的主要问题是低负荷状态下热效率偏低，废气排放中 的h c 和c o 浓度较高。电控气体混合器是在机械式双燃料供给系统基础上 发展而成。其特点是引燃油仍由机械式喷油泵来提供，天然气则通过电磁 阀来控制。e c u ( 电控单元) 接受的只是几个基本的传感器信号，如发动 机转速信号、排气温度信号等。机械式喷油泵的齿条由e c u 通过电磁阀来 北方交通大学硕士研究生学位论文 控制，气体燃料供给量则由e c u 直接通过电磁阀控制。 电控喷气技术是双燃料发动机先进的燃料供给形式，正处在研制和 开发阶段。这种发动机的柴油和天然气供给量和供给时刻都用电子喷射 阀实时控制。它根据双燃料发动机的各种运行工况，如启动、怠速、加速、 制动以及环境温度、天然气温度的变化，实现最佳空燃比的控制，使发动 机优化运行。与混合器供气相比，阀喷气可实现缸内的定时定量供气，易 于实现层状进气和稀薄燃烧，并可以减轻和消除由于气门重叠造成的燃气 直接逸出、恶化排放等不良影响，从而取得良好的节能和排放净化效果。 双燃料发动机缸内直喷是当前新的研究发展领域，可以提高充气效率和消 除爆燃趋势，但它对燃气系统的要求较高，需要综合考虑调整燃烧参数( 如 空燃比和喷油提前角等) ，而且燃烧系统的改动较大。 1 3 2 双燃料发动机研究热点 发动机不同发展时期，对双燃料发动机的研究侧重点有所不同。在 早期，由于技术水平和应用范围有限，研究双燃料发动机主要目的是以气 代油，节约石油燃料。这一时期的技术研究主要是解决实用性问题，如起 动性、运行的可靠性等，同时缩小与传统燃料发动机的各种性能差别，特 别是动力性差距。6 0 年代以后，人们逐渐开始认识到发动机的排气污染 问题。而7 0 年代爆发的中东石油危机，使西方国家特别重视能源问题， 发动机节能一度成为研究热点。这样，天然气在世界范围内的丰富储量就 成为一种战略资源，开发天然气发动机成为调整能源结构的重要一环。目 前，由于日益突出的环境保护问题。满足严格的排放法规是双燃料发动机 最主要的追求目标。 近年来，人们认识到发动机燃用天然气代替传统的石油产品具有清 洁、经济的突出优点，于是纷纷加快了对天然气发动机的研究，从而大大 促进了天然气汽车的技术进步。如何更充分发挥天然气作为车用燃料的优 势，实现发动机最佳燃烧，提高双燃料发动机动力性、经济性、排放性及 可靠性等综合指标，并迅速使用化是人们所关注的。 研究双燃料发动机的热点包括： 第一，双燃料发动机燃烧特性的研究。由于空气与天然气已在缸外 预先混合，因而天然气一空气混合气的着火与燃烧，与火花点燃发动机相 第一章绪论 似；引燃油被压燃着火，与在柴油机中的情形类似。这种双燃料复合燃烧 情况某些独特性质，需待进一步研究。 第二，双燃料发动机排放特性的研究。 第三，双燃料发动机稀燃技术的研究。与火花点燃式发动机相比， 引燃柴油提供的分布广、高能量的点火源，可使天然气充量在很稀的空燃 比下更可靠地着火和更迅速地燃烧。因此，双燃料发动机可以成功地在较 稀的混合比情况下工作。在发动机部分负荷条件下进行稀薄燃烧的技术还 待研究。 第四，影响双燃料发动机性能的专用部件的研究。例如混合器和电 控喷射阀的研究。 1 4 选题意义及主要研究内容 随着现代城市环境污染的日趋加剧和可持续发展思想的日渐成熟， 人们对天然气作为发动机一种燃料的重视程度得到极大提高，对车用发动 机燃用天然气己远远不满足于简单的替代，而是针对天然气发动机存在阀 题进行深入细致的研究，探讨天然气发动机的燃烧特性，揭示气体燃料的 燃烧规律。从国内外的研究现状来看，进一步降低双燃料发动机的有害排 放是大家关注的新热点，人们在对混合器式双燃料发动机进行研究的同 时，对电控喷气技术也开始研究，但对天然气燃烧特性尚缺乏系统性研究。 本文以降低双燃料发动机排放为目标，对混合器技术、阀喷射技术进行了 系统的分析与实验研究，并将两者实验结果与原柴油机进行了分析对比， 此外对双燃料发动机的燃烧与排放特性进行理论分析。力图在双燃料发动 机硬件( 燃料供给系统、控制系统) 和理论分析( 双燃料发动机燃烧过程 模拟计算) 上进行一些更深入的研究工作，为推动我国天然气汽车技术的 发展奠定理论和实验基础。 具体工作内容如下： 1 确定双燃料发动机的总体设计方案。 2 双燃料发动机燃气供给系统的设计，包括混合器式和阀喷气式各 北方交通大学硕士研究生学位论文 部件的设计以及废气再循环系统的设计。 3 电控阀喷气双燃料发动机控制系统的设计。控制系统的设计包括 硬件、软件以及监控系统的设计，本文主要对控制软件和懿控系统进行设 计。 4 将混合器式及阀喷气式双燃料发动机与原柴油机的性能试验结果 进行分析比较，主要对排放试验结果进行了分析。 5 建立双燃料发动机燃烧模型，对双燃料发动机燃烧特性进行分析。 9 第一章天然气，柴油双燃料发动机燃气供给系统及控制系统的设过 第二章天然气柴油双燃料发动机 燃气供给系统及控制系统的设计 2 1 概述 在发展和应用双燃料发动机的过程中，最关键技术是天然气供给方 式，它在很大程度上影响发动机的动力性、经济性、安全可靠性以及排放 性能儿。为此，本章以试验原机t y l l 0 0 单缸柴油机为设计对象，采用 两种缸外供气方式：混合器式和进气管阀喷射式，对其进行改装设计。并 对供气系统各部件的选型和优化匹配进行了设计。对进气管阀喷射式控制 系统的设计，本章在资料n 2 1 的基础上，完善了控制系统的硬件设计，并 开发了控制系统的软件和监控系统的软硬件。最后，为研究废气再循环对 双燃料发动机的性能影响，设计了废气再循环系统。 2 2 混合器式双燃料发动机供气系统的设计 2 2 1 供气系统的结构 燃气供给系统包括天然气的储存、调节和供给三部分。天然气储存部 分主要用于发动机储存气体燃料，包括c n g 气瓶、气瓶充气阀、截止阀、 管接头以及压力表等；天然气调节部分包括c n g 高压减压阀、低压减压阀、 过滤器及开关阀、加热器等，为发动机能提供满足不同工况需求的天然气； 天然气供给部分包括混合器和供气量控制阀。 混合器式供气系统的工作特性如图2 i 所示。当打开阀门2 时，气瓶 中的c n g 首先流过高压减压阀7 减至适当的中压，在过滤器9 中滤去其 中杂质，再经低压减压阀1 0 减至所要求的压力，最后通过天然气流量调 节阀1 1 进入混合器1 2 ，与空气混合均匀后经进气道吸入气缸内，被柴油 引燃后燃烧作功。天然气与柴油的混合比和空燃比都根据发动机工况不同 有所变化。本文设计的供气系统特点如下： o 北方交通大学硕士研究生学位论文 供气管路中采用了预热装置。c n g 在气瓶中的最大压力为2 0 2 5 m p a ，在供给发动机减压过程中有一个膨胀过程，需要吸收大量的热， 容易造成供气管路及其零部件的冻结，特别是低压减压阀易出现冰冻现 象，使供气系统不能正常供气。因此，必须加热供气管路，提高天然气温 度，保持天然气温度在凝点以上。循环水可由发动机的冷却水提供，也可 由附加水源提供，考虑到管路设计的方便性，本文采用后者。 345 图2 1 混合器式双燃料发动机燃气供给系统示意图 1 c n g 储气瓶2 截止阀3 接头4 充气手动阀门5 充气阀6 总控阀7 高 压减压阀8 预热器9 过滤器1 0 低压减压阀1 1 调节阀1 2 混合器1 3 发动 机1 4 节气门 1 5 喷油嘴1 6 螺旋微调阀 采用多级减压。高压减压阀将气瓶输出的c n g 减至较为安全的中 压，用来降低管路系统密封性：低压减压阀的出1 3 压力一般略低于大气压， 以减少供气管路出1 3 的天然气外泄，增强供气系统使用时的安全性。由于 混合器的背压变化较大，减压阀出1 3 压力波动很大，并且随着低压减压阀 进出1 2 1 压差的增大，进入混合器的天然气压力越不稳定，因而流入发动机 的天然气流量波动范圉加大，不易实现对天然气的精确控制。因此，本文 采用多级减压来降低低压减压阀的进出口压力差。 第二章天然气，柴油双燃料发动机燃气供给系统及控制系统的设计 实行多级调节。对发动机空燃比的控制，是通过改变碟阀1 1 的流 通截面，从而调节天然气的流量来实现。实际调节过程中，天然气流量调 节线性度很差，灵敏性也太高，单独使用碟阀调节天然气量，难以满足发 动机各种工况对天然气量的需求。为此，本文采用碟阀和螺旋微调阀1 6 共同对天然气流量进行调节，经试验证明，可以满足发动机整个转速和负 荷的要求。 节气门是一个安装在进气管内的另一个蝶形阀，它用来调节不同工况 下的空气进气量，从而实现对空燃比的控制。 2 2 2 供气系统主要部件设计 1 混合器的设计 供给系统最关键的部件是混合器，它是预混合式双燃料发动机特有的 装置。混合器将经过减压的天然气和进入发动机的空气较均匀的混合后供 给发动机。本次设计的混合器中采用文丘里喷管形式，在喷管中间形成较 高的进气流速，从而在该处的真空度较大，形成对天然气的抽吸作用。 2 3 45 6 空气 圈2 2 混合器示意图 1 法兰盘2 定位销3 燃气通道4 蜂窝孔5 混合器6 进气管7 喉口 混合器的示意图如图2 2 所示，混合器安装在进气管根部，通过定位 北方交通大学硕士研究生学位论文 销固定，它的后端为发动机进气道连接法兰，翦端进气口是空气滤清器， 在该端进入的是经过空滤器过滤的纯净空气。当空气流经喉管7 时，喉管 中部空气流速增加，压力降低，形成一定的真空度，由于喉管中部腔为一 蜂窝孔状腔体，喉管中部产生的真空度传递到天然气供气量控制阀的燃气 通道3 ，形成对供给混合器的天然气的抽吸作用，吸入的天然气经过喉管 中部蜂窝孔进入喉管内，与流经喉管的空气混合，然后经进气道进入气缸。 不同喉口直径的混合器对发动机性能影响不同。为了获得较低的有害 排放值，并且保持或提高原柴油机的最大功率，我们对混合器结构、参数 进行了多次调整，并装机进行优化试验，最后在实验基础上，确定了混合 器的喉口直径及其它参数值。 2 天然气储气瓶选型 主要考虑气瓶的容量与价格，选用北京市天然气汽车普遍使用的w g a 一2 2 9 i 型压缩天然气钢瓶。该瓶重量为6 5 1 公斤，水容积为4 9 1 升， 气 瓶的水压试验压力为3 0 m p a ，气压试验压力为2 0m p a ，工作压力为2 0 m p a ( 2 l 标准气温条件下的额定压力) 。其调质热处理后材料机械性能如 表2 一l 所示。 抗拉强度屈服限延伸率 n m m 2n m m 2 c b 8 7 5c r e 7 4 06 6 1 4 3 减压阀选型 减压阀的功能是把储气瓶流出的高压气体减压至所需压力。选择减压 阀的要求：安全无泄漏。压力可调。本文选用四川省西恩基机电责任 有限公司的产品，其型号为c y t z 1 0 0 一j a 型可调式减压阀，最大输入压力 为2 5 m p a ，最小输出压力为1 2 k p a ，该减压阀还设有安全阀，并有水加 热通道口。此外，供气管路中的高压截止阀、充气阀、过滤器及高压表也选 用了该公司产品。 第二章天然气柴油职燃料发动机燃气供给系统及控制系统的设计 2 3 电控阀喷气式双燃料发动机供气系统的设计 本文在进行电控阀喷射式双燃料发动机设计时，将天然气喷射阀安装 在进气管报部，采取进气管处喷射。这样，喷射器不直接受气缸内高温和 高压的作用，使其设计与制造容易进行。同时，喷射器易于安装，不需对 发动机结构做大的改动，易于实用化且成本低。如果采用缸内喷射方式， 喷射器装于气缸盖上对其耐高温和高压性能要求很高，这就为喷射阀的设 计和制造带来一定的困难，并且将天然气喷入气缸内，气缸盖需要做较大 改动。因此，采用进气管喷射方式，比较适合我国现阶段柴油机的改装技 术。 缸外进气阀处喷射是一种较混合器供气方式更进一步的供气方式。该 供气方法可实现定时定量供气，并可以减轻和消除由于气门重叠角造成的 燃气直接逸出、恶化排放和燃料浪费等不良影响。 过滤器、碱压阀 传感器信号 图2 3 阀喷射式供气系统示意圈 阀喷射供气系统如图2 3 所示，打开总控阀，c n g 过滤后流入减压阀 北方交通大学硕士研究生学位论文 压力被减至0 2 0 4 k p a ，当电磁阀线圈通电时，电磁阀的c n g 通道打开， 实现供气。当电磁线圈断电，关闭燃气通道，停止供气，电磁阀的开、关 时刻由e c u 来控制。 阀喷射需要解决两个问题：天然气喷射量和天然气喷射定时。前者由 气体喷射器性能( 主要是流通截面) 决定，对后者的控制如图2 4 所示，喷 射阀开启时刻最早为进气行程初期，排气门刚关闭之时，喷射阀关闭时刻 最晚在进气门关闭时。 上止点参考信号 进气门开启时刻 排气门关闭时刻 进气门关闭时刻 排气f 1 开启时刻 单片机读入基本输入量 计算、查表 0 天然气喷射器开始喷射时刻 1 8 0 天然气喷射器最晚关闭时刻 3 6 0 5 4 0 7 2 0 曲轴转角( 。c a ) 图2 4 控制时刻示意图 这种控制有如下特点：第一，喷射阀开启时间约占曲轴转角1 8 0 。，c n g 和空气有充足的时间进行混合，形成的混合气可看作均匀混合气。第一， 喷射阀的背压为进气管的压力( 约为0 1 m p a ) ，只要喷射量能满足发动机 最大耗气量的要求，喷射阀供气压力可大大降低，这就提高了供气系统的 安全性，降低了对喷射阀质量要求。 阀喷射式供气系统最关键的部件是天然气喷射器，它的性能优劣直接 第二章天然气柴油双燃料发动机燃气供给系统及控制系统的设计 影响到天然气喷射质量，从而影响到发动机性能。近年来，人们对天然气 喷射器进行了广泛的研究，其中研制开发出的典型天然气喷射器有两种： 低压喷射器和高压喷射器( 2 。前者结构比较简单，类似于汽油喷射器；后 者结构比较复杂，类似于柴油喷射器。天然气喷射器与汽油和柴油喷射器 的最大差别是需要较大的流通截面，以保证多的气体流量通过。根据双燃 料发动机的工作工况，本文依据以下几点选择气体喷射器： 良好的可靠性、耐久性及安全性。 合适的天然气供给压力。 满足发动机动力性、经济性和排放要求的天然气流量及相应的流 量特性。 合适的电磁阀线圈电压和功率。 阀体开关响应时间短，良好的动态响应特性。 本论文选用的是贵航集团红林机械公司的h s v 系列s p 0 2 1 螺纹插装式 两通常闭型开关式高速电磁阀，图2 5 是其工作原理示意图。 进气口 出气口 图2 5 天然气喷射阀工作原理示意图 1 球阀座2 球阀3 阀体4 推杆5 极靴6 电磁线圈7 衔铁8 导线 当电磁线圈通电时，衔铁靠电磁力通过顶杆使球阀向左运动，使c n g 通道打开，实现供气。当电磁线圈断电，球阀在进气i z l 和出气口气体压差 北方交通大学硕士研究生学位论文 的作用下向右运动，靠在其密封座上，关闭燃气通道，停止供气。该喷射 器特点如下： 结构简单、紧凑、寿命长。与普通滑阀相比，该喷射器具有阀芯 质量小、结构简单紧凑、便于加工等优点。由于球阀开启靠的是电磁推力， 关闭靠的是进出口的气体压差，取代了普通喷射阀中的回位弹簧，使得该 天然气喷射器的寿命大大提高，设计寿命为l i 0 9 次，试验寿命已超过2 1 0 9 次。 响应速度快。该喷射器的小质量球阀为提高其响应速度创造了条 件。 工作范围广，实用性强。该喷射器的性能参数：额定电压1 2 v ，额 定气体压力2 o m p a ，内泄漏为0 ，最大工作频率不小于2 0 0 h z ，最大功率 为i o 5 0 w ，平均功率为3 1 5 w ，重复精度为o 0 5 m s ，使用温度范围为 一4 0 + 】3 5 。 2 4 阀喷气式双燃料发动机控制系统的设计 2 4 1 控制方式 设计控制系统需要解决的问题是根据控制对象的特性及要求，合理的 选择控制方式 。 以双燃料发动机作为控制对象，从控制的角度进行分析，它具有如下 特点： 1 在整个使用工况范围内，输出与输入具有严重的非线性关系，难于 进行线性处理： 2 系统参数变动范围大，且为时变系统； 3 多输入多输出： 4 存在响应滞后时间。 对这样复杂的系统进行控制，若采用动态在线最优控制方式，依据现 有的控制理论，难于设计出实用的控制系统m 。 本次设计的双燃料发动机电子控制天然气喷射系统采用静态预定最优 第二章天然气柴油双燃料发动机燃气供给系统及控制系统的设计 控制方式。这种控制方式依据预先对双燃料发动机控制参数进行离线优化 而得的脉谱( m a p ) ，采用开环结构实现对空燃比和供气提前角等参数的 实时控制。在双燃料发动机运行过程中，由传感器检测其工况信息，查取 脉谱中预定的控制量，通过控制天然气喷射器使其得以实现。 这种控制方式的最大特点是控制的实时性强，响应速度诀。当双燃料 发动机工况发生变化时，无需寻优调节过程，直接作出控制决策，迅速将 空燃比控制为设定的最佳值。因此，这种方式对于工况不断快速变化的车 用双燃料发动机尤为适用。 由于双燃料发动机工作过程中所要求的最佳空燃比和供气提前角是根 据对各项性能指标的要求均衡优化而得的，因此根据发动机不同用途和使 用环境对各项性能要求侧重点的改变，相应调整优化准则，得到不同的脉 谱存于微机中，即可以满足不同的要求。同样，通过改变脉谱数据，也可 适应在一定范围内双燃料发动机结构和机型的改变。在具体实现上，无需 对控制系统做大的改动，只要更换存贮脉谱的r o m 芯片即可，因此，这 种控制方式也具有定的适应性。 本控制方法是以保证原发动机所具有的动力性，追求最佳的净化排放 为目标，测取发动机脉谱图。具体方法见资料“”。 2 4 2 硬件设计 2 5 】 2 6 4 3 1 e c u 微机芯片的选择 作为电控燃气喷射系统的核心，e c u 要实现的功能有：读取各个传 感器测得的信号。根据输入信号对发动机的工况进行分析、判断，并依 据综合脉谱图计算最佳喷气脉宽。根据计算出的喷气脉宽，定时向喷射 器发出喷气信号。 检测发动机的转速、节气门位置信号以及发出喷气脉宽信号均需要有 很强的实时性，因此要求单片机具有实时中断的功能。随着控制系统功能 的不断改善，e c u 要检测的信号以及控制信号越来越多，对中断资源的要 求也不断提高。对空燃比的精确控制又要求单片机的计算既迅速又准确。 总之，作为e c u 的微机芯片，必须满足以下条件： 北方交通大学硕士研究生学位论文 丰富的实时中断资源： 较高的指令执行速度； 高速的输入输出能力； 足够的数据空间。 根据国内市场上各类单片机的性能与价格情况，本设计选用具有高性 能价格比的8 0 c 1 9 6 k b 单片机作为电控单元的c p u ，如附图l 所示。8 0 c 1 9 6 k b 单片机的特性如下： 1 6 位c p u ； 4 8 根i o 线； 6 4 k 的外部数据寻址空间； 两个1 6 位定时器计数器； 8 个l o 位的a d 转换器； 2 3 2 字节r a m ； 1 个同步异步串行口 有较强的指令系统。8 0 c 1 9 6 k b 芯片经2 分频后形成时钟频率，在同 样的振荡器频率下，它的运算速度比8 x 9 x 芯片快5 0 t 川】。 因为8 0 c 1 9 6 k b 单片机片内无程序存储器，存储器配制外扩的8 k 程序 存储器芯片2 7 6 4 e p r o m 。 2 数据采集部分 在本文的电控燃气喷射系统中，用于反映发动机工况的数字信号为凸 轮轴转角信号，模拟信号有节气门位置信号( 节流阀转角信号) 、蓄电池电 压信号、气瓶压力信号、空气温度信号、空气压力信号以及天然气温度信 号。 ( 1 ) 凸轮轴转角信号的采样 凸轮轴转角信号由霍尔传感器给出，根据喷气时刻的需要，设置凸轮 轴转角信号为凸轮轴每转3 6 0 。出现一个下降沿，如图2 6 示，也就是说， 曲轴转7 2 0 。得到一个脉冲信号。 在整个系统中，凸轮轴转角信号一方面用于转速计算，另一方面用做 喷气起始时刻的基准，因此，对它的处理有很强的实时性要求。在硬件设 计中，将凸轮轴转角信号接至8 0 c 1 9 6 k b 的h s i 0 脚上，相应的软件处理 笙三兰垂签墨! 鐾垫翌塑型垄垫塑塑墨垡丝墨竺墨塑型至竺塑堡生一 结果是：每当一个凸轮轴转角信号的下降沿到来时，h i s 0 向c p u 申请中 断，即凸轮每转3 6 0 。就申请一次中断。 图2 6 凸轮轴转角信号示意图 曲轴转速计算过程如下 转速= 6 0 ( s )6 0 ( s ) 一转所需时间计数值x 计数周期2 计数值由转速中断中的定时器t 1 计数差值给出，定时器t 1 每8 个状 态周期计数一次，计数周期为8 ( 6 x 1 0 1 ) 秒。 ( 2 ) 模拟信号的采样 对于节气门位置传感器来说，它的测量范围是0 。9 0 。转角，假如 精确到0 5 。，则整个测量范围的分辨率为l 1 8 0 。单片机采用十位a d 转换，这样的分辨率能够满足节气门开度a d 转换的要求。8 0 c 1 9 6 k b 单 片机在1 2 m h z 的晶振下，完成一次a d 转换时间为2 2 u s ，采样速度很高。 其它五路模拟信号的测量值对分辨率要求也不是很高，所以本方案是可行 的。 模拟信号经隔离电路接至a d 转换器a c h l 通道进行测量。读取转换 值的操作非常简单： l d b a d c o m m a n d ，# o a h；立即启动a c h l 通道转换 n o p ；等待8 个状态周期 l d b a d h i ，a dr e s u l t h i ： 北方交通大学硕士研究生学位论文 l d ba d l o a dr e s u l t l o ；读取a o 转换结果 a d 转换在主程序采用查询方式处理。 3 喷气脉宽输出控制部分 本文将8 0 c 1 9 6 k b 的高速输出口h s o 0 接到喷射阀驱动电路上，驱动 电路为峰值一保持电路，电流波形如图2 7 所示。这种驱动电路的优点为： 喷射器打开期间可加大驱动电流，使喷射器迅速开启；喷射器打开以后供 给较小的维持电流，这样既减小了喷射器的负荷，又降低了喷射器的电能 消耗，同时能使喷射器关闭的响应特性得到改善。 啪。 厂厂厂 电流波形几几几 图2 7 喷射阀驱动电流波形图 4 硬件抗干扰措施 干扰对控制系统的可靠性产生不良影响，主要表现在三个方面：传 输信号失真。这主要通过干扰信号叠加在正常传输信号之上引起，造成数 据采集误差加大，输出信号混乱。程序运行失常。微机系统的强干扰会 造成程序计数器p c 值的改变，使程序运行偏离正常轨道。控制状态失 灵。表现在受输出信号控制的执行结构得不到正确的动作。由此可知，硬 件电路良好的抗干扰能力是实现控制功能的前提条件。本文电控系统在硬 件上采取以下抗干扰措施： ( 一) 、外部抗干扰措施 ( 1 ) 电源干扰 为了防范喷射器在开启和关闭时