（光学工程专业论文）电控柴油cng双燃料发动机燃烧过程二维数值模拟及性能试验研究.pdf

北 方 交通 大 学 博 士 学位 论 文 s t u d y o n t w o - d i m e n s i o n a l c o m b u s t i o n s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t i n t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l d i e s e u c n g d u e l f u e l e n g i n e ab s t r a c t i n re c e n t y e a r s , t h e r e s e a r c h o n c l e a n a l t e rn a t i v e f u e l s i s b e c o m i n g a n im p o r t a n c e d i r e c t i o n o f e n g i n e t e c h n i q u e s d u e t o t h e s h o r t a g e o f t h e g lo b a l p e t ro l e u m r e s o u r c e a n d t h e s e r io u s a i r p o ll u t i o n . d i e s e u c n g d u a l f u e l e n g i n e s w i l l h a v e e x t e n s i v e l y a p p li c a t i o n , b e c a u s e o f i t s h i g h e f f i c i e n c y , l o w e m i s s i o n a n d w i d e a p p ly in g s c o p e . i n o r d e r t o m e e t t h e i n t e r n a t i o n a l d e v e l o p i n g tr e n d o f g a s e n g i n e t e c h n i q u e s a n d p r o m o t e t h e d e v e l o p m e n t o f o u r n a t u r a l g a s v e h i c l e t e c h n i q u e s , i t is v e ry i m p o r ta n t t o c a r ry o u t t h e r e s e a r c h o n t h e b a s a l t h e o ry a n d e x p e r i m e n t s o n e l e c t ro n i c c o n tr o l d i e s e u c n g d u a l f u e l e n g i n e s . t h i s p a p e r h a s d e v e l o p e d t h e n e w t y p e n a t u r a l g a s f u e l i n g s y s t e m , a n e le c tr o n i c c o n tr o l c n g i n j e c t i o n s y s t e m , a n d r e b u i l t t h e t y1 1 0 0 e l e c t r o n i c c o n t r o l d u a l f u e l e n g i n e . i t s c h a r a c t e r i s a d v a n c e s t r u c t u r e a n d re l i a b l y o p e r a t i o n . t h e d i s s e rt a t i o n d e s i g n s t h e e l e c t ro n ic c o n tr o l c n g i n j e c t io n s y s t e m o f a d i e s e u c n g d u a l f u e l e n g i n e a n d a c h i e v e s t h e s tr i c t c o n tr o l o f n a t u r a l g a s q u a n t i ty a n d i n j e c t i o n t i m i n g c o n tr o l , w h i c h h a s f a s t r e s p o n s e a n d h ig h c o n tr o l a c c u r a c y . t h e h a r d w a r e s t r u c t u r e o f e c u i s s y s t e m a t ic a l l y d e s i g n e d , t h e m o d e m s o f t w a r e e n g i n e e r i n g m e t h o d i s a p p l i e d t o d e s i g n t h e c o n tr o l s o ft w a r e , w h i c h a d o p t o f a r c h i t e c t u r e w i t h l a y e r e d a n d m o d u l e s t r u c t u r e . f u r t h e r m o re , a m u l t i - w in d o w g r a p h i c a l e x p e r i m e n t a l m o n i t o r in g m a n a g i n g s y s t e m i s d e v e lo p e d . a t w o - d i m e n s i o n a l c o m b u s t i o n m o d e l f o r a d i e s e u c n g d u a l f u e l e n g i n e i s e s t a b l i s h e d . t h e s i m u la t i o n r e s u l t s a r e a g r e e m e n t w i t h t h e e x p e r i m e n t a l re s u l t s f a i r l y w e l l . i t i s c o n f i r m e d t h a t t h e m o d e l i s s u i t a b l e t o d e s c r ib i n g t h e c o m b u s t i o n p r o c e s s o f a d u a l f u e l e n g in e , a n d p r e d ic t i n g t h e in fl u e n c e o f p a r a m e t e r s o n t h e d u e l f u e l e n g i n e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h s h o w s t h a t , c o m p a r e d w it h o r i g i n a l e n g i n e , t h e e l e c tr o n i c c o n tr o l d u a l f u e l e n g i n e h a s s a t i s f a c t o ry p o w e r a n d e c o n o m y . i t s l a r g e s t p o w e r i s h i g h e r 1 0 % t h a n t h a t o f t h e d i e s e l e n g i n e e x h a u s t n o a n d s o o t e m i s s i o n d e c r e a s e s i g n i f i c a n t l y . t h e i g n i t i o n d e l a y p e r i o d i s l o n g e r , p e a k p r e s s u r e d e c r e a s e s , t h e d e r iv a t i o n r a t e o f p r e s s u r e l e v e l o f f . f u rt h e r m o r e , t h e a p p l i c a t i o n o f _-一 一 一 一 - - - 种 - - - - - - e g r i n t h e d u a l f u e l e n g i n e c a nd e c r e a s e e x h a u s t no c o n t r o l l i n g e x h a u s t g a s t e m p e r a t u r e c a n b e b e n e f i c i a l i n c r e a s i n g s m o k e e m i s s i o n a n d e x h a u s t g a s t e m p e r a t u r e e mi s s i o n e ff e c t i v e l y . t o s o l v e t h e p r o b l e m o f c a u s e d b y e g r k e y w o r d s : d u a l f u e l e n g in e ; e l e c t r o n i c c o n t r o l ; c o m b u s t i o n ; t w o - d i m e n s i o n a l s im u l a t i o n ; e x p e r im e n t a l i l l 北方 交通 大 学 博 士 学 位 论 文 第 1 章绪论 1 . 1选题背景 汽车工业的出现是现代人类文明的重要标志，在相当长的一段时间内汽 车及其运输业成为整个社会发展的重要推动力。而在其发展进程中，车用发 动机带来的大气环境污染、能源危机等问题正在成为制约各国经济发展和社 会进步的主要障碍。因此，如何不断改善发动机的排放特性，以满足日益严 格的排放法规要求，探索新型车用发动机代用嫩料，以维护生态平衡，走可 持续发展之路，正在成为世界各国所追寻的目标。 目 前世界各国都以汽车发动机与空气质量为主题，深入研究汽车尾气排放 可能给公众健康带来的危害。 国外最新的研究表明: 在西方工业发达国 家的大中 城市的大气污染物中， 大约5 4 %的一氧化碳、 2 8 % 的碳氢化合物和4 1 %的 氮氧化 物均来自 汽车尾气。美国南加州地区大气质量管理局的初步研究调查结果指出， 该地区因有害气体诱发的癌症中，由发动机排放物中有害微粒引诱发为 7 2 %, 丁二稀为1 0 %、 苯为1 2 % 0 然而， 近几年来随着我国 经济建设的飞速发展， 环 境污染问 题也已 成为我国经济发展和社会进步进程中急待解决的问 题。 在我国的 5 0 0多座城市中，大气质量达到一级标准的不到 1 %;在世界十大污染最严重的 城市中我国就占据了一半， 其中包括北京、 沈阳、 西安、 上海和广州等五座城市 7 7 。我国有关环境监测数据表明， 在北京地区， 机动车尾气排放对大气污染物 中c o , h c , n o x 的分担率分别为6 3 .4 %, 7 3 . 5 % 和 4 6 %，北京市在 1 9 9 8 年前 5 0 周内，“ 市区空气污染指数”四级周数从上一年的1 4 周增加到2 0 周，城市 中的个别地区己出 现光化学污染的 前兆. 在上海市中 心地区c o , h c 和n o x 的 分担率也分别达到 8 6 % , % 和 5 6 % 7 6 ，由 此可见， 发动机尾气排放问 题已 成 为我国许多地区急待解决的问 题。 自从七十年代爆发世界性石油危机以来，石油资源的短缺以及由于限制性 资源开采带来的石油价格波动就成为各国政府都十分关注的问题。 目 前地球上己 探明的石油储量约为1 3 7 0 亿吨左右，以现有的开采生产能力，上述探明的储量 仅够全球开采使用5 0 年。 我国也是一个石油相对短缺的国家， 从1 9 9 4 年起， 我 国就由一个石油出口国变成为石油进口国， 2 0 0 0 年我国石油缺口3 0 0 0 万吨以上， 预计到2 0 1 0 年缺口8 0 0 0 万吨以 上7 5 1 。 这给依赖石油为动力的 汽车发展带来巨 大的威胁。 为应付已 经出 现的能源紧张局势，解决汽车带来的空气污染、酸雨、地球 . _. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一一，.护， 臼. . .，.， 北方 交通 大学博 士学位论 文 变暖和臭氧层变薄等一系列问题。 从节约能源和可持续发展战略出发， 世界各国 都将大量的人力和资源用于开发和探索新的发动机代用燃料。先后开发出以醇 类、 二甲 醚、 压缩天然气 ( c n g , c o m p re s s e d n a t u r a l g a s ) 、 液化石油气 ( l p g , l i q u e fi e d p e t r o l e u m g a s ) 、 液化天然气 ( l n g , l i q u e fi e d n a t u r a l g a s) 、以 及用 氢和电作燃料或动力的汽车。 而许多专家和研究学者指出: 天然气将成为二十一 世纪 最具 有实用前 景的 汽车发 动 机代用燃料9 天然气作为汽车发动机燃料的历史可以追溯到二十世纪三十年代，当时在 一些天然气储存和产量较大的国家中， 例如俄罗斯、 意大利等国， 为了节约石油 燃料， 因地制宜地利用天然气资源， 这些国家开始发展c n g和l g p 汽车及发动 机， 并使天然气发动机的应用具有了一定规模。 我国在五十年代末国家科委就制 定了“ 天然气综合利用规划”，并在四川省建立了天然气汽车试验站，进行了 c n g汽车改装和试验工作.但这之后的相当一段时间内，国内外天然气汽车及 发动机的研究发展十分缓慢。 直到本世纪八十年代中期，由于全球性大气污染和石油资源短缺等问题日 益威胁着人类的生存环境， 天然气燃料发动机才开始真正在全球范围内 受到高度 重视。 许多国 外工业发达国 家针对天然气汽车制定了发展规划和政策法规。 美国 在 1 9 9 0年颁布了最有影响的 清洁空气修正法 ( c c a a, c l e a n a i r a c t a m e n d m e n t ) 之后， 在 1 9 9 2 年又颁布了 能源政策法 ( e p a c t )， 在 e p a c t 中规定私人拥有和营运 5 0 辆汽车以上者，必须购买一定数量清洁燃料汽车，并 授权能源部在必要的情况下可强制执行;同时对采用包括c n g在内的清洁燃料 车的使用者和经营者给予税收减免，1 9 9 5年美国又推出了 美国天然气汽车工 业战略计划，依照此计划到2 0 1 0 年美国的c n g汽车将由1 9 9 4 年的4 . 1 万辆 增加到2 0 0 万辆。日 本政府在1 9 9 0 年委托日 本燃气协会开展 “ 天然气汽车实用 化”的 研究，此项研究的大部分经费由通产省补贴，在1 9 9 2 年日 本政府又制定 了“ e c o s t a t i o n 2 0 0 0 ” 发展计划， 决定对天然气及其它低污染汽车实行税收优惠， 并对加气站的建设及运行给予财政补贴，计划提出到2 0 0 0 年要使日本的天然气 汽车生产达到 2 0万辆。加拿大政府于 1 9 8 6年建立了天然气汽车研究与开发基 金， 到1 9 9 4 年已 为各类天然气汽车项目 提供了1 5 0 0 万加元的 基金8 0 ) 我国政府为缓解日 趋严重的城市环境污染，综合利用能源资源，改善汽车 燃料结构，自“ 八五” 先后设立了甲醇汽车，电 动汽车及c n g , l p g汽车的 研 究项目 ， 在1 9 %年底科技部组织了 %国际电动汽车及代用燃料汽车研讨会暨 展览会， 会上研讨了我国应重点发展何种类型代用燃料汽车等代用嫌料发展战略 问题， 并在 1 9 9 8 年由8 个政府部门联合组成了全国燃气汽车协调领导小组， 1 9 9 9 一2 一 北 方 交 通 大 学 博 士 学 位 论 文 年4 月又召开了全国清洁汽车行动工作会议，会上确定了 “ 清洁汽车重大科技 产业工程” 一 “ 九五”国家重点 科技攻关计划。 在各国政府的积极推动下， 截止到1 9 9 7 年全世界的天然气汽车( 包括c n g , l p g和l n g) 近5 7 0 万辆。到1 9 9 9 年上半年我国已改装的c n g , l p g汽车有 1 0 0 3 7 辆，建设加气站7 6 座。尽管目 前全世界的天然气汽车在数量上还不足以 影响到柴油和汽油作为车用燃料的“ 霸主” 地位， 但天然气是所有清洁燃料汽 车中推广应用数量最多和应用范围最广的代用燃料。 天然气汽车的发展足迹正逐 步遍及每一个拥有天然气资源及汽车的地区。 从火焰形成方式上看，燃用天然气的发动机可分为两类:电火花点燃式和 柴油引燃式天然气发动机。 电火花点燃式天然气发动机是通过点火系统将缸内预先混合均匀的天然气/ 空气馄合气点燃。 为实现天然气的稳定着火和充分燃烧， 电点火式天然气发动机 需要改变原机的压缩比， 同时要增加空燃比控制系统和天然气供给系统， 设计和 采用适宜天然气特性的高能点火系统。这类点燃式天然气共同的特点是: 1 ) 根据天然气的特点，重新确定发动机的压缩比。与同样结构的汽油机相 比， 单一燃料天然气发动机的压缩比可适度增加， 如日本日 产公司的n i s s a n a d v a n 小型超低污染的天然气汽车将原型汽油机压缩比从9 .5 提高到1 2 .8 ; 而改装 同类型的柴油机，天然气发动机需降 低压缩比。如意大利依维柯公司的8 4 6 0 t c 型c n g发动机压缩比 从原柴油机的1 6 降 低到1 1 14 1 。国 外的 研究结果表明， 非 增压发动机的合理压缩比 为1 2 左右， 容许的最高压缩比为1 5 1 1 6 。 因 此大功率点 燃式天然气发动机与同等结构的柴油发动机相比，发动机的动力性指标下降。 2 ) 设计采用高能点火系统，优化火花塞位置，选择点火正时以及点火系统 形式。由于天然气中的甲烷分裂 c - h键，生成中间活性物质所需的能量大于其 他烷类和长键烃第一位碳的c - h键能，所以天然气着火所需的能量比汽油和柴 油高; 另外，天然气的过量空气系数的变化范围为。 .6 1 . 8 ，因而要求点火系统 确保天然气在以理论空燃比和稀混合气燃烧时均不失火， 形成稳定的火源。 所以， 点燃式天然气发动机对点火系统的火花塞布置、 点火线圈 选配及点火正时控制等 提出较高的性能要求。 3 ) 以天然气供给系统取代原有的燃油喷射系统， 并增加空燃比控制系统。 空燃比 控制是保证单燃料 c n g发动机性能的重要手段，目 前的天然气供给系 统或空燃比控制方式中普遍采用节气门，使得天然气发动机节流损失增加， 充气效率下降。并且影响到发动机动力性能。 柴油i c n g双燃料发动机 ( d u a l f u e l e n g i n e ) 是以 天然气为主燃料， 天然气 一 北方交 通 大学博 士 学位论 文 与空气在缸内均匀混合， 当活塞到达压缩上止点时， 少量喷入的引燃油在缸内混 合气体压缩放热能量的 作用下， 经历焰前的加热、 蒸发、 扩散、 与空气混合、 分 解和氧化等物理化学准备过程后自 燃着火，并迅速引燃气缸中剩余空勺天然气 的热混合充量，混合气全面燃烧放出大量热量并推动活塞作功。 从1 9 2 6 年美国n o r d b e r c公司 研制出第一台 双燃料发动机起， 双燃料发 动机的性能逐渐被人们了解和掌握， 双燃料应用领域从最初的以固定式发动机为 主， 到近些年来， 双嫩料发动机被广泛地应用于车辆交通运输领域， 在使用的过 程中，双燃料发动机显露出一些特有的优势: 1 ) 双燃料发动机保持了柴油机的高压缩比，因而具有类似柴油机高热效率 的良 好特性。 通常柴油机的压缩比较高， 而天然气的辛烷值也很高， 这样可充分 利用天然气良好抵抗爆展性能，获得满意的动力性能。 2 )柴油引燃的点火能量远远高于火花点火时的能量，使双燃料发动机与汽 油机相比循环变化率小。 同时， 引燃油的多火核使发动机能在较宽的空燃比范围 内工作， 从而有利于实现稀薄燃烧， 加快火焰传播速度， 降低未燃甲 烷和总碳氢 ( t h c )的排放量。 3 )双燃料发动机的柴油用量一般为全柴油运行方式下满负荷工况的 2 0 0/ 6 - 1 0 % 或更少些， 这可使其发挥预混合燃烧的长处。 与柴油机相比 双燃料发动机的 排气烟度普遍减少了2 / 3 - 4 / 5 ;并可改善发动机微粒和n o x 的 排放。 在着火延 迟期中双燃料发动机积聚的燃油量少，因而发动机工作更加柔和、噪声降低。 4 ) 柴油机的改动小、 运行可靠性指标好， 同时发动机整机价格与原机持平。 与点燃式天然气发动机相比， 双燃料发动机减少了 高能点火系统的成本投入， 另 外，其改动及添加的另部件少，与原机型之间有良 好的互换性关系，从而制造、 负载配套和维修的附加投资低，并减少了专用改装件在运行中所占的失效比例。 5 ) 双燃料发动机可根据不同排放法规和运行燃料成本的要求，灵活选用主 燃料。即可柴油引 然天然气工作，又可转换到嫩用 1 0 0 % 纯柴油，使用范围内 不 受加气供应状况的局限， 在现今加气站尚不普及， 以及燃油价格不断飞涨的情况 下，双燃料发动机显示出宽广的实用前景。 双燃料发动机在推广应用和不断发展的过程中，充分显示出其良 好的经济 性、 排放性和动力性， 这无疑为双燃料发动机的未来开 拓了 广阔的发展空间， 但 同时双燃料发动机也暴露出一些缺陷， 诸如低负荷时气体燃料燃烧不完全， 排气 中碳氢和一氧化碳浓度较高; 高负荷时可能出 现工作粗暴或敲缸倾向 等问 题。 这 些问 题一方面妨碍了双燃料发动机在车辆交通行业的全面推广实用， 成为其快速 发展进程中的障碍， 但从另一方面， 这些急待解决的问 题又成为推进双燃料发动 一a 一 a 匕 方 交 通 大 学 博 士 学 位 论文 机研究工作的动力。 因此， 近些年来， 寻求上述问 题的切实有效解决途径和方法， 进一步完善双燃料发动机性能成为新型代用燃料和气体发动机研究领域的重要 研究方向。 1 .2国外双燃料发动机的研究状况 自8 0 年代以来，国外天然气发动机的研究与开发异常活跃， 柴油i c n g双 燃料发动机的发展引起各国的共同关注，也使得双燃料发动机的先进改装应用 技术、燃烧过程和燃烧系统合理组织优化、及双燃料燃烧机理等方面的研究 成为热点研究问题。与其他代用燃料及相关发动机的 研究不同，目 前不仅专家 学者积极投身到双燃料发动机的研究工作中 来， 其巨大的市场前景也吸引众多的 知名发动机和汽车制造厂商， 如g m公司、 c u m m ins 公司和t o y o t a等公司 参与 到此 领域的 研究 3 ,4 ,1 ， 使 得近十 年来双燃 料发动 机的 研究工作向 前推进一大 步，并取得了一些重要的研究成果。 1 .2 . 1双燃料发动机改装应用技术的发展方向 就目 前来讲，柴油i c n g双燃料发动机绝大多数是由燃油发动机改装成的， 有些是由发动机制造厂家在生产流水线上， 通过少量部件的改装设计或变更调整 完成的， 而有些是由改装厂在现有车用发动机的基础上改造组装的。 因此， 从某 种意义上说，现代改装技术是双燃料发动机发展的基础. 改装技术发展初期，多数改装机型是通过安装在进气总管上的混合器将空 气/ 天然气的混合气送入柴油机，通入混合器的燃气压力被一与加速踏板相连的 机械装置控制， 使满负荷时天然气压力最大， 低负荷时天然气压力几乎为零; 柴 油泵设置在怠速状态后， 以少量的柴油作为引燃油， 由于这种改装后的双燃料发 动机的天然气替代率偏低， 在城市汽车运行工况排放性能和经济性较差， 因而这 种改 装技术被称为l t ( l o w - t e c h n o l o gy c o n v e r s i o n s ) 改装。 到了九十年代初，国外推出的双燃料发动机开始采用先进的电子控制技术。 这时期双燃料发动机的共同特点是采用天然气电控供给系统， 即在进气总管安装 电控混合器或天然气喷射阀， 双燃料发动机被相应称之为电控混合器式和天然气 单点喷射式 ( c e n t r a l p o i n t i n j e c t i o n ) 双燃料发动机。 比较典型的电控混合器式双燃料发动机如美国 c a t e r p i l l a r公司的 c a t e r p il la r 3 2 0 8 柴 油 / 天 然气 双 燃 料 发 动 机19 1 。 图1 . 1 为c a t e r p il la r 3 2 0 8 自 然 吸 气 式双燃料发动机燃料供给系统示意图。 整个系统由3 个子系统组成: 即天然气供 给系统、引燃柴油供给系统和电 子控制单元( e c u ) 。其中e c u联系和管理两个 燃料供给系统。 一5 一 北 方 交 通 大 学 博 士 学 位 论 文 该发动机的燃料供给是通过电控 单元实现的，电控单元根据发动机的 运行工况确定柴油泵调节齿杆和天然 气流量控制阀的位置。电控单元测定 发动机的一系列参数，如司机油门踏 板位置、发动机转速、柴油或双燃料 选择开关的状态、发动机的冷却水温 等。其中，司机油门踏板的位置是通 过油门位置传感器输入的，冷却水温 传感器只显示高、低两个状态。e c u 接收并处理这些输入信息后，将给出 图1 . 1 c a t e r p i l l a r 3 2 0 8 双燃料发动机示意图 天然气通路电磁开关、 天然气流量控制阀的位置开度大小及引燃柴油齿杆执行器 的位置等信号。 燃料量和燃料供应时刻的电子控制是这类双燃料发动机采用的核心技术。 与机械式控制相比， 燃料供给系统在软件程序控制下， 可根据不同发动机最佳性 能和排放指标的要求， 灵活地调整天然气、 引燃柴油的喷射时刻和喷射量，因而 它更能满足双燃料发动机在不同的工况下空燃比的控制要求。 但这种改装方式的 问题是不能精确控制进入各缸的天然气量， 工况变化响应迟缓， 发动机进气系统 充满可燃混合气， 存在回火等不安全隐患。 另外， 对增压机型的碳氢排放量的控 制十分困难。 随着电控燃油喷射技术在内 燃机行业中的广泛应用， 双燃料发动改装技术 机进一步向 天然气多点顺序喷射、 柴油和天然气的 综合电 子控制等方向 发展(6 这类发动机被称为电 控多 点喷 射式( m p i , m u lt i - p o i n t i n j e c t i o n ) 双燃料发动 机， 其天然气供给系统采用开关式高速电磁阀作为气体喷射器， 天然气喷射器安装在 每一气缸进气歧管根部， 燃油系统采用电控喷油泵或将原机械控制直列式喷油泵 改造成电控式喷油泵。 当双燃料状态工作时， 天然气喷射阀依照电 控单元的指令 定时定量向相应缸的进气歧管喷射天然气， 喷射出的天然气与进入发动机的空气 混合进入气缸内。 同时， 引燃柴油的供给也可通过电控单元控制油泵齿条驱动器， 依照发动机的m a p图 供给各缸合理的引燃柴油量。 发动机进气温度和压力、 水 温、 喷油器齿条位置、 天然气供给压力、 发动机转速及上止点等信号全部输入到 电控单元中。 电 控单元依据这些传感条件和驾驶员的操作要求， 综合输出引燃油 和天然气供给控制量。美国s p i 公司为奔驰公司改装的o m3 5 2 双燃料发动机就 是此类中比较典型的一种， o m 3 5 2 双燃料发动机的系统构成如图工 .2 所示” 3 6 北方 交通 大学 博士学位 论文 图1 .2 电控多点喷射式o m 3 5 2 双燃料发动机系统构成 如图所示， o m3 5 2 双燃料发动机燃油控制和天然气控制共用一个电控单元。 电控单元中软件的控制功能有: 启动、 喷射定时、 怠速控制、 空燃比控制、引燃 油量控制、速度调节控制等。 在电控单元中 储存有全柴油、柴油 / 天然气双燃料 两种情况下的m a p图， 其中包括过量空气系数ma p图、 天然气喷射定时ma p 图等。 这类双燃料发动机的优点是:天然气供气可从进气过程的后期开始。这样 不仅避免了扫气过程中未燃h c随排气排出， 而且有利于天然气一空气棍合气层 状进气， 燃料的稀薄燃烧， 并可大大改善燃烧和排放性能， 扩大发动机的双燃料 使用工况范围。 电控多点喷射是当今最先进的气体燃料发动机燃料供给方式，它也代表了 天然气改装技术的最新发展趋势， 因此， 天然气电控多点喷射也被称为第三代改 装新技术。 采用这新一代改装方案的 其它双燃料发动机还有: 法国p i e ls t i c k公 司正式推出的p i e l s t i c k p a 5 双燃料发动机， 美国g m公司的me d 1 6 - 6 4 5 e 3 b双 燃料 机车发动 机， 德国n a n - b 但不同的是双燃料发动机预混合充量的点 火能量不是来自于电火花，而是依赖于引燃柴油自燃后的热量，另外，双燃 料发动机是通过改变预混合充量中天然气的浓度，变化混合气的空燃比值， 达到控制工况功率的目的。 这种调节控制方式又类似于扩散燃烧式的柴油机。 因此，从缸内火焰形成过程及运行工况的控制形式上，双燃料发动机又与压 燃式柴油机类似。 从本质上说， 柴油/ 天然气双燃料发动机的燃烧是扩散燃烧 和预混合燃烧的组合过程，是一种非常特殊的复合燃烧方式。 随着改装技术的不断完善和进步，人们愈来愈意识到双燃料燃烧过程研究 的重要性。 国外的一些专家指出: 由于双燃料燃烧过程的特殊性， 即使将当前最 先进的内 燃机技术聚合在双燃料发动机上， 也不一定能达到预想的效果。 美国西 南研究院的 研究报告就曾指出 4 3 1 :为达到预期的排放目 标，在重型天然气发动 机采用当前最流行的闭环燃烧控制、 尾气催化和高紊流燃烧室稀燃等技术可能是 不合适的。 揭示双燃料发动机其工作过程的内在规律和燃烧特性，深入地探寻适应气 体燃料的燃烧系统， 成为近一时期国外双燃料发动机研究的主题， 并在转换双燃 料发动机燃烧方式、 微量引燃油喷射及双燃料发动机排放控制等方面取得了一些 一8 一 北 方交通 大学 博士学位 论文 研究进展。 1 .双燃料发动机 h p d燃烧方式的研究 为了 追求双燃料发动机高负荷工况更完善的动力性， 避免爆燃， 并且使其能 与柴油机较高的热效率相媲美， 同时避免双燃料发动机在一个工作过程中两种不 同燃烧方式的相互千扰和影响，克服双燃料发动机燃烧过程组织调节的复杂性， 人们提出了 天然气缸内扩散燃烧的新理念， 并在此基础上开发了 双燃料发动机缸 内直喷式燃烧系统。 加拿大b r i t i s h c o l u m n b i a 大学p h i l i p h i l l 教 授率先 提出t 天然 气缸内 高 压 喷射( h p d , h i g h p r e s s u r e d i re c t ) 喷射 和缸内 扩散燃烧的 理论， 加拿大w e s t p o rt 公司在此基础上于1 9 9 7 年4 月向外界推出世界上第一辆采用h p d燃烧系统的天 然气公共汽车， 发动机的缸径x 冲程为1 2 3 x 1 2 7 m m ， 压缩比为1 7 ， 排量为9 .0 5 升，发动机转速为2 1 0 0 r p m时功率为2 2 4 k w， 其独特的 燃烧系统如图1 . 3 所示， 该系统采用一油气共用高压喷射器， 喷射器中有两个同心的针型阀， 一个控制引 燃柴油， 另一个控制天然气。 另外， 引燃柴油同时也是喷嘴的 液压驱动液体、 润 滑油、 冷却液和密封液。 该喷射器采用电 磁阀控制和液压系统控制相结合的方式 实现喷射时刻和喷射持续时间的控制， 因其与原柴油喷嘴的形状、 尺寸完全一致， 所以 无需对柴油机缸盖作任何改动 2 0 1 在压缩冲程接近终点时，喷射器喷入微量的引燃柴油作为点火燃料，点燃 随后高压喷入的天然气， 通常气体喷射压力控制在 1 2 - 1 6 mp a 。引燃柴油量在任 何时候都是固定的， 使柴油占总燃料量的比 例在低负荷时高于在高负荷时， 在高 负荷时引燃油量为5 %，该机的热效率与原柴油机相同。 挪威t r o n d h e i m大学在 wa rt s i l a 柴油机上的试验也表明，采用 h p d喷射技 术的双燃料发动机的特点是高热效率、高功率输出，其引燃油量最低可降至 2 % 1 3 。 另外， 芬兰wa r ts i l a 柴油公司也将采用h p d喷射燃烧的双燃料发动机投 入商业化生产 13 1 以h p d天然气喷射为核心内 容的上述燃烧系统摒弃了以 往双燃料发动机的 复合式燃烧的形式， 以扩散燃烧贯穿燃烧过程的始终， 建立了双燃料燃烧的全新 燃烧概念。这一改变燃烧过程的重要突破为双燃料发动机带来如下显著的优点: 对气体燃料无节流影响，使供气特性稳定; 天然气采用缸内h p d喷射，消除了天然气爆燃的倾向; 两燃料 ( 柴油和天然气) 实现完全质调节和缸内 扩散燃烧，提高了发动 机的热效率; 大幅度降低或消除燃料供气对空气充量的影响。便于提高双燃料发动机 一9 一 一一 - 分 币. 目 . 一一， 门 . . . ， . . . . 月 . 月 ， 均 门一一一 北 方交通 大 学 博士 学 位 论文 的动力性; 有利于使用蒸发类 ( l p g . l n g ) 气体燃料; 易于实现稀薄w烧和对燃烧过程 的控制，便于完善和优化发动机 的工作性能; 消除气门重叠角造成的气体燃料 直接逸出，便于增压机型的应用; 可进一步降低未燃甲 烷的排放。 实现天然气缸内扩散燃烧除采用上 述油气共用高压喷射器的方式外， 双喷射 器也是一种有效的 手段。e in a n g 和k o re n 等人在一缸径为 3 0 0 m m的二冲程发动机 图1 .3 h p d然烧系统工作原理示意图 上采用了双喷射器的方式， 即引燃油用原柴油喷嘴， 而采用安装在缸盖上的另一 喷射器将天然气以1 5 -1 6 m p a 的 压力喷入气缸， 研究结果表明 p 7 1 ， 天然气替换 率为7 3 % 时，发动机热效率略高于柴油机， n o x 下降2 4 %。日 本m i t s u i 造船工 程 公司 的m iy a k e 在一 个 缸径 为4 2 0 m m的 四 冲 程发 动 机 通过 双 喷 射 器的 形 式， 进 行了缸内 天然气喷束速度场等一系列的研究， 研究的结论是双燃料发动机的 热效 率和原机基本相同。另外， w a k e n e ll o n e a l 和h a k e r 在一缸径为2 1 6 n im的二 冲程发动机上也进行了类似的研究工作。 2 .双燃料发动机微量引燃喷射燃烧系 统的研究 引燃油量是影响双燃料发动机低负荷排放和性能指标的重要因素。 为了减 少污染物的排放和柴油的使用，希望双燃料发动机尽可能地减少引燃燃料的数 量。但对于大部分柴油机的燃油喷射系统，当每循环的喷油量降至额定工况的 5 % 1 5 % 时， 喷油系统的工作不稳定，喷出柴油的雾化质量和燃烧过程都较差， 事实上， 喷油系统存在一个引燃油量的最低有效喷射值。 所以 常规的喷油系统特 性难以 满足双燃料发动机在小负荷时良 好的喷射和燃烧特性的要求。 而采用微量引燃喷射器替换原燃料喷射系统，能得到良 好的喷射雾化、可 靠着火和小于满负荷柴油工作时1 %的引燃油量。 但是， 微量引燃喷射器的最大 燃料喷射能力不能满足发动机工作的全部工况。 这将使双燃料发动机以 牺牲纯柴 油在1 0 0 %功率下工作能力为代价。因此， 近年来国外大力开展了 双燃料发动机 微量引燃喷射系统的研究。 1 0 北 方 交 通 大 学 博 士 学位 论文 美国c o o p e r 公司 在其c o o p e r l s v b 系列四 冲程柴油机的基础上设计开发了 具有引燃柴油微量喷射功能的c o o p e r c l e a n b u m双撰料发动机。该发动机改变 了燃烧室结构和进气道， 并增加了被称为“ 火焰隔板”( t o r c h c e i l ) 的预燃室， 此预燃室是安装在缸盖上的、 包含有喷油器的集合部件。 当发动机以双燃料方式 工作时， 非常稀的空气/ 天然气混合气仍通过进气门进入主燃烧室， 但引燃柴油 是喷射到预燃室中， 柴油在预燃室中气化着火燃烧并以火焰喷束的形式射入主燃 烧室， 同时快速和大面积的点燃主燃室的稀混合可燃气体。 这种燃烧火焰喷射所 产生的缸内气体流动， 有助于在主燃烧室中混合气的充分、 迅速混合并促使其完 全燃烧。 c o o p e r c l e a n b u m双燃料发动机仍保留了 原机的喷油系统， 使其在纯柴 油方式时仍可正常工作。该机在1 3 8 0 b me p时仅燃用0 .9 %的柴油，并且消除了 碳 烟 排 放; 在 额 定 转 速 和 负 荷 下 ， n o x 比 原 机降 低了9 2 % 达 到1 .2 g / k w .b 1 3 1 。 另 外， 芬兰c o l t e c 公司e n v i r o d e s i g n p c 2 .5 双燃料发 动机的 结构 大部分与c o o p e r c l e a n b u m双燃料发动机相同， 在增加预燃室的同时保留了原机的柴油喷射系统， 其燃烧系统结构如图 1 .4所示， 微量引燃系统并不是绝对需要 两个嫩油喷射器， 特别是采用先进的 电控喷射技术， 柴油机微量引燃系统 可不依赖于发动机凸轮控制和驱动 燃料喷射器。 电控技术的引入使微量 引燃系统的研究产生了较大的飞跃。 美国b k m公司在其双燃料发动 机上研制和开发了引燃柴油微量喷 射系统，利用该公司的 s e r v o j e t 电控共轨蓄压式喷油系统取代了原 _ _， 二 _ 二_ _ 、 一_、 ， _. ， 一，、图 1 . 4 柴油机的直列式高压油泵， 以实现每“ ” 个循环引燃油量只占全负荷油量 1 % e n v i r o d e s ig n p c 2 .5 燃 烧系统示 意图 的微量喷射，并且喷油量获得了更精确的控制。s e r v o j e t共轨蓄压式喷油系 统由 一个共轨输油泵、 调压系统、 蓄压式喷油嘴、燃油增压器、 h s v高速电 磁 阀等组成。该系统的主要技术特点是:供油压力低，喷油压力非常高 ( 可达 1 5 0 mp a )，柴油的喷射过程与发动机转速无关，喷油量由 共轨燃油压力决定， 喷油定时由高速电磁阀的开启时刻决定，喷油量和喷油定时均可以进行调节。 美国 b k m 公司的微量引燃系统的特性还在于其采用符合现代车用发动机 发展方向的先进电控喷射技术， 对柴油喷射系统进行全面的改造， 在改善双燃料 . i 一 a 七方 交 通 大 学 博 士 学 位 论文 发动机性能的同时， 改善了 发动机纯柴油特性; 无需重新设计缸盖和采用两套燃 油喷射器， 减少双燃料发动机的改装工作量。 随着柴油机电 控普及和更广泛的应 用，采用电 控喷射技术的引燃喷射系统是实现引 燃油全面精确控制的最佳途径， 这也是实现双燃料发动机引燃油和天然气综合控制的最佳方法。 3 .双燃料发动机排放控制技术的 研究 天然气燃料发动机是一种清洁燃料发动机，但它并非是 “ 零污染”，随着 对天然气燃料发动机完善和优化性能的要求不断提高， 特别是环保方面的法规日 益强化， 天然气燃料发动机不再满足于低排放， 而是朝着追求超低排放的方向 迈 进。 在努力从燃烧过程内部改善排放的同时， 寻求采用机外排放控制技术， 以实 现进一步降低排放。 因此， 近些年国外正在开展包括双燃料发动机在内的天然气 发动机后处理排放控制问题的 研究。 从目 前文献检索结果来看， 双燃料发动机尾 气净化研究主要集中在两个研究方向:开发专用催化剂和采用e g r技术。但这 方面的研究还处于起步阶段，还有许多问题有待深入研究。 双燃料发动机排气净化的主要问题是降低未燃碳氢和一氧化碳，一般催化 剂只有在5 0 0 以 上温度才起作用， 而双燃料发动机的排温一般较低， 碳氢化合 物中主要成分甲 烷为对称分子结构， 热力学稳定性非常好， 所以， 普通催化剂的 甲 烷转化率很低，并且普通催化剂在天然气物质中的稳定性差。德国 d e g u s s a 公司在发动机厂家大力协作下， 开发出在3 0 0 左右就能起作用的天然气发动机 专用催化剂， 这种新型催化剂可降低天然气发动机排气中排放污染物的 8 0 %, 使 用测试结果 表明， 该催 化剂有 较好的 使用耐久性 和控 制排 放的 效果 5 4 . 5 0 日 本wa s e d a 大学正在进行了废气再循环对双燃料发动机工作过程和排放性 能影响的 研究 1 9 . 研究中将四缸i s u z u b d i 柴油机改装为双燃料发动机，该机 压缩比为1 7 ， 转速为3 2 0 0 r / m in 时最大功率为1 1 0 马力， 天然气由机械混合器吸 入气缸。其具体研究内容包括:天然气燃料比例、e g r率、引燃油喷射定时等 参数变化情况下双燃料发动机排放性能的研究和采用铂氧化催化剂后双姗料发 动机排放特性对比 试验。 试验结果表明: 氧化催