（动力机械及工程专业论文）cng发动机多点顺序喷射电控系统开发.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 他；献 、 v i1 年6 月fv 日 指导教师签名： 晋谝 ， 幻 年5 只调 c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 d e v e l o p m e n t o fam u l t i p o i n ts e q u e n t i a l i n j e c t i o ns y s t e mo nac n g e n g i n e 专业名称动力扭趟壁王猩 指导教师 墅福强 姓名 陆三查 2 0 1 1 年0 6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着全球经济快速发展，全球范围内汽车保有量不断增加，导致 能源危机和环境污染也日益加剧，为缓解这两个主要问题，在全世界 范围内掀起了寻找内燃机清洁燃料的热潮。天然气以其资源丰富、容 易开采、价格便宜，天然气发动机尾气中n o x 较低，且无p m ( 固体 微粒) ，被认为是2 1 世纪首选推广的清洁燃料。电控多点顺序喷射燃 气系统，是实现天然气发动机高效、低能耗、低排放运转的可靠手段。 本文研究开发了一套c n g 发动机用的多点顺序喷射系统和相应的控制 策略，并通过发动机的标定试验，研究了部分控制参数对发动机性能 的影响。 对原柴油机进行了改造，使其适应c n g 燃料，便于电控系统的安 装。进气总管上加装了电子节气门，各进气歧管上加装了燃气喷射阀。 选择碗形燃烧室，使原机压缩比降低到1 2 。加装了点火系统，完成了 多点顺序喷射系统的总体结构设计、线束设计和关键零部件的选型。 利用上海格令公司的a u t o b a s e 电控系统快速开发平台，开发了 本系统的核心控制单元。采用f r e e s c a l e 3 2 位单片机p o w e r p c 作为内核， 具有5 1 2 k bf l a s h 和3 2 k bc a l 删，并具有强大的硬件接口能力。 a u t o b a s e 软件结构包括数据库、消息库、底层程序、应用程序和诊 断程序，并具有丰富的底层函数库。同时完成了c n g 发动机多点顺序 喷射电控系统控制策略的开发，在每个控制策略中加入了相应的保护 和自学习功能，使得该电控系统更加安全稳定。 采用自主开发的标定软件，完成了c n g 发动机过量空气系数、节 气门开度、喷气脉宽、点火提前角等主要m a p 的标定工作。将电控 c n g 发动机与原柴油机数据对比分析得出，改装后的c n g 发动机由 于采用了稀薄燃烧，经济性明显比原机优越，同时排温也较低，但功 率下降了4 左右。完成了点火提前角和过量空气系数对发动机动力性 c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 和排放特性的研究。研究表明，过量空气系数对发动机的动力性影响 较大，而点火提前角相对影响较i x ；两者对排气温度影响一致；随着 点火提前角的增大，n o x 排放逐渐增多，而h c 和c o 排放变化较小； 随着过量空气系数的增大，h c 排放逐渐增加，而n o x 排放先增大后减 小，这与c o 排放趋势正好相反。 关键词：天然气，发动机，电控系统，标定，点火提前角，过量空气 系数 u 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h eq u i c kg r o w t ho fg l o b a le c o n o m i c ，t h e r ea r em o r ea n dm o r e a u t o m o b i l e si nt h ew o r l d t h e e n e r g y c r i s i sa n de n v i r o n m e n t a l c o n t a m i n a t i o na r ei n c r e a s i n g l ys e v e r e t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ew o r l d s t r i v et of i n dt h ec l e a n e n e r g yu s e di n t h e e n g i n e s n a t u r a lg a s i s c o n s i d e r e da st h eb e s tc l e a ne n e r g yi nt h e2 1 s tc e n t u r y ，d u et oi t sa b u n d a n t r e s e r v e s ，e a s i l ya c c e s s i b l ea n d l o wc o s t t h e r ei sf e wn o x e m i s s i o na n dn o p me m i s s i o nc a nb ef o u n di nt h ee x h a u s to fn a t u r a l g a se n g i n e s e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dn a t u r a lg a sm u l t ip o i n ts e q u e n t i a li n j e c t i o ni s a g o o dw a yt og e th i g he f f i c i e n c y 、l o w f u e lc o n s u m p t i o na n dl o we m i s s i o n s a ne l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dm u l t ip o i n ts e q u e n t i a li n j e c t i o ns y s t e ma n dt h e c o n t r o ls t r a t e g yw e r ed e v e l o p e df o ran a t u r a lg a se n g i n e t h ec a l i b r a t i o n e x p e r i m e n tw a sf i n i s h e d ，a n ds o m ep a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c e o fn a t u r a lg a se n g i n ew e r ei n v e s t i g a t e d ad i e s e lw a sc h a n g e df o ri n s t a l l i n ge l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e m f o re x a m p l e ，a ne t ca n ds o m en a t u r a lg a si n j e c t o r sw e r ei n s t a l l e di na i r i n t a k es y s t e m ab o w lc o m b u s t i o nc h a m b e rw i t hc o m p r e s s i o nr a t i o1 2 ：1 w e r eu s e di nt h i sc n g e n g i n e i na d d i t i o n ，a ni g n i t i o ns y s t e mw a sa d d e d o nt h ee n g i n e t h eo v e r a l ls t r u c t u r ed e v e l o p m e n to fm u l t i p o i n ts e q u e n c e e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e di n je c t i o ns y s t e m ，w i r eh a r n e s sd e s i g na n dk e y c o m p o n e n t sc h o i c ew e r ef i n i s h e d b a s e do nar a p i dd e v e l o p m e n te l e c t r o n i cs y s t e ma u t o b a s em a d e b y s h a n g h a ig e l i n g ，t h ec y b e r n e t i c sc o r ee c uw a sd e s i g n e d i tu s e s p o w e r p co ff r e e s c a l e 3 2a si t s c o r e ，a n di t o w n s5 1 2 一k b y t e sf l a s h ， 3 2 一k b y t e sc a l r a m a n dm a n yh a r d w a r ei n t e r f a c e s a u t o b a s es o f t w a r e s t r u c t u r ec o n t a i n sd a t ap o o l ，m e s s a g ep o o l ，a p p l i c a t i o np r o g r a m ，d i a g n o s e p r o g r a m ，s y s t e mp r o g r a ma n dal o to ff u n c t i o n s c o n t r o ls t r a t e g yw i t h i l l c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 s o m ef u n c t i o n so fp r o t e c t i o na n ds e l f - l e a r n i n gw a sd e v e l o p e d ，t h es y s t e m b e c o m e sm o r es a f e t ya n dr e l i a b i l i t y b yt h ec a l i b r a t i o ns o f t w a r e ，t h em a p so fe x c e s sa i rc o e f f i c i e n t ，e t c ， n a t u r a lg a si n j e c t i o n ，a n ds p a r ka d v a n c ea n g l ew e r ec a l i b r a t e d c o m p a r i n g t h ed a t ao fc n ge n g i n ew i t hd i e s e l ，t h er e s u l t ss h o wt h a td u et ol e a n c o m b u s t i o n ，t h ec n ge n g i n ee c o n o m i ci sb e t t e r ，e x h a u s tt e m p e r a t u r ei s l o w e rt h a nt h ed i e s e l ，b u tt h ep o w e ro fc n g e n g i n ed e c r e a s e s4 b a s e d o nt h ei n v e s t i g a t i o no fe x c e s sa i rc o e f f i c i e n ta n ds p a r ka d v a n c ea n g l e ，i ti s f o u n dt h a te x c e s sa i rc o e f f i c i e n th a sg r e a ti n f l u e n c eo ne n g i n ep o w e r ，t h e s p a r ka d v a n c ea n g l eh a sl o w e ri n f l u e n c e o nt h e e n g i n ep o w e r t h e i n f l u e n c e so ft h e mt oe x h a u s tt e m p e r a t u r ea r et h es a m e w h e ns p a r k a d v a n c ea n g l ei n c r e a s e s ，t h en o xe m i s s i o ni n c r e a s e s ，t h eh ca n dc o e m i s s i o n sc h a n g e sal i t t l e w h e ne x c e s sa i rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ，t h eh c e m i s s i o ni n c r e a s e s ，t h en o xe m i s s i o ni n c r e a s e sa tf i r s t ，t h e nd e c r e a s e s t h e t r e n do fc oe m i s s i o ni so p p o s i t e k e yw o r d s ：n a t u r a lg a s ；e n g i n e ；e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ；c a l i b r a t i o n ； s p a r ka d v a n c ea n g l e ；e x c e s sa i rc o e f f i c i e n t 江苏大学硕士学位论文 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 第三章 3 1 3 2 3 3 第四章 4 1 4 2 4 3 目录 绪 论1 ：；i 言1 能源环境现状与对策1 天然气发动机介绍及研究概况6 1 3 1 天然气燃料特性6 1 3 2 天然气发动机研究概况。9 1 3 3 天然气发动机分类和各自性能1 0 论文主要内容及选题意义1 3 天然气发动机电控系统总体设计方案1 5 发动机改造1 5 2 1 1 进排气系统改造1 5 2 1 2 燃烧室改造1 6 2 1 3 点火系统改造1 7 电控系统总体设计方案研究1 8 2 2 1 多点顺序喷射系统的总体结构及线束设计1 8 2 2 2 关键零部件的设计及选型2 2 本章小结2 9 c n g 发动机多点顺序喷射系统e c u 及控制策略开发3 0 a u l l o b a s e 电控系统快速开发平台3 0 3 1 1 硬件系统3 2 3 1 2 软件系统3 3 顺序多点喷射c n g 发动机控制策略开发。3 7 3 2 1 多点顺序喷射控制策略3 7 3 2 2 各工况控制策略3 8 本章小结4 3 电控多点顺序喷射c n g 发动机标定及实验分析4 4 天然气发动机实验系统4 4 天然气发动机的标定4 6 4 2 1 标定软件4 6 4 2 2 标定方法4 8 4 2 3m a p 的标定。5 0 试验结果及分析5 1 v f c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 4 3 1 与原机试验数据对比5 1 4 - 3 2 点火提前角试验分析5 3 4 3 3 过量空气系数试验分析5 6 4 4 本章小结5 9 第五章全文总结及工作展望6 1 5 i 全文总结6 1 5 2 工作展望6 2 参考文献。6 3 致谢6 t ； 攻读硕士学位期间发表的论文6 7 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 进入2 1 世纪，能源安全和环境保护已成为全球化的问题，随着全球经济快速 发展，人类社会现代化程度的不断提高，全球范围内汽车的保有量在不断增加， 汽车给人类带来巨大便利的同时也带来了严重问题【1 | 。汽车尾气排放已逐渐成为城 市空气的主要污染源之一，且近年来呈现不断恶化的势头。1 9 9 8 年，全国1 4 0 个 城市( 占全国城市总量的4 3 5 ) 的空气质量超过国家三级标准，属于严重污染城 市，近年来这个比例正逐步扩大。按照国家环保中心预测，2 0 1 1 年我国汽车尾气 排放量将占空气污染物总量的6 4 。城市环境的恶化已对我国国民经济持续发展 和人民身体健康产生了极大的负面影响。因此，节能和环保已经成为世界汽车工 业面临的两大关键问题【2 】o 为缓解全球能源危机和环境污染这两个主要问题，在全 世界范围内掀起了寻找内燃机清洁燃料的热潮，世界各国都投入了大量的人力和财 力，积极开发新能源，寻找可替代石油产品的代用燃料。到目前主要的研究方向有 电动汽车、混合动力汽车、天然气汽车、醇类燃料汽车、氢燃料汽车和太阳能汽车 等，天然气以其资源丰富、容易开采、价格便宜，天然气汽车尾气中n o 。排放量较 低，且无p m ( 固体微粒) ，被认为是2 1 世纪首选推广的清洁汽车【3 】o 而且天然气 汽车技术相对成熟，使用时间也相对较长，具有一定的经验。近年来，天然气作为 一种清洁的汽车代用燃料，在全球范围内已经得到了比较广泛的应用【4 1 。 1 2 能源环境现状与对策 能源是可以直接或通过转换提供人类所需的有用的资源。人类利用自己体力 以外能源是用火开始的。太阳的热核反应释放出巨大的能量，太阳能的热效应在 大气、土地与海洋三者之间的界面，产生风能、波浪能和洋流等动能。煤炭、石 油、天然气等化石能源是间接来自太阳的能源。植物通过光合作用吸收太阳能转 化成生物质能。太阳系行星的运行产生潮汐能【5 1 。中国是一个富煤贫油的国家，石 油资源不足，有关统计资料表明，到2 0 0 1 年底止，我国石油探明可开采储量为3 3 亿吨，年产量为1 6 亿吨左右，储采比为2 0 1 ，而全世界石油的平均储采比也仅为 4 0 1 左右，表1 所示为世界主要能源资源情况。从表1 1 中可以看出我国天然气可 采年限比石油可采年限长得多，而且我国能源使用，天然气所占比重很小，因此， c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 进行车用燃料调整，以气补油，减轻我国车用燃料对单一石油能源的依赖已经成 为国家能源政策的指导方针。 表1 1 世界主要能源资源情况【6 1 t a b 1 1m a i ne n e r g yr e s o u r c g si nt h ew o r l d 现阶段世界能源消费呈现以下特点： ( 1 ) 受经济发展和人口增长的影响，世界一次能源消费量不断增加。 随着世界经济规模的不断增大，世界能源消费量持续增长。1 9 9 0 年世界能源 生产总值为2 6 5 万亿美元( 按1 9 9 5 年不变价格计算) ，2 0 0 0 年达到3 4 3 万亿美元， 年均增长2 7 。根据( ( 2 0 0 4 年b p 能源统计，1 9 7 3 年世界一次能源消费量仅为 5 7 - 3 亿吨油当量，2 0 0 3 年已达到9 7 4 亿吨油当量。2 0 0 9 年，国际能源机构( i e a ) 在京发布了2 0 0 9 世界能源展望报告，报告回顾并展望了世界能源市场发展状 况，认为2 0 0 7 年到2 0 3 0 年，全球一次能源需求量会以每年1 5 的速度增长，从 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 0 亿吨油当量增长到1 6 8 亿吨当量，总体增幅达4 0 ，发展中的亚洲国家是这一 需求增长的主要驱动因素，其次是中东国家。报告同时指出，化石能源在未来仍 然是世界范围内的一次能源的主导来源，占2 0 0 7 年到2 0 3 0 年间总体能源消费增 长的3 4 强1 7 o l 。由于电力行业对能源需求的坚挺，煤炭和天然气仍然是预测期内 需求增长最大的化石能源品种。 ( 2 ) 世界能源消费呈现不同的增长模式，发达国家增长速率明显低于发展中国 家。 过去3 0 年来，北美、中南美洲、欧洲、中东、非洲及亚太等六大地区的能源 消费总量均有所增加，但是经济、科技与社会比较发达的北美洲和欧洲两大地区 的增长速度非常缓慢，其消费量占世界总消费量的比例也逐年下降，北美由1 9 7 9 年的3 4 6 下降到2 0 0 9 年的2 4 ，欧洲地区则由1 9 7 9 年的4 0 8 下降到2 0 0 9 年的 2 6 5 。o e c d ( 经济合作与发展组织) 成员国能源消费占世界的比例由1 9 7 9 年的 6 5 下降到2 0 0 9 年的5 0 6 。其主要原因，一是发达国家的经济发展已进入到后 工业化阶段，经济向低能耗、高产出的产业结构发展，高能耗的制造业逐步转向 发展中国家；二是发达国家高度重视节能与提高能源使用效率【1 1 , 1 a l 。 ( 3 ) 世界能源消费结构趋向优质化，但地区差异仍然很大。 自1 9 世纪7 0 年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长。初期主要 是以煤炭为主，进入2 0 世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油和天然气的 生产与消费持续上升，石油于2 0 世纪6 0 年代首次超过煤炭，跃居一次能源的主 导地位【1 3 1 。虽然2 0 世纪7 0 年代世界经历了两次石油危机，但世界石油消费量却 没有丝毫减少的趋势。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气的比例上升。 同时，核能、风能、水力、地热等其他形式的新能源逐渐被开发和利用，形成了 目前以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的能源结构格局。到2 0 0 9 年底， 化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占8 0 ，其中，石油占 3 3 1 、煤炭占2 3 2 、天然气占2 3 7 。非化石能源和可再生能源虽然增长很快， 但仍保持较低的比例，约为1 2 3 【1 4 1 。 由于中东地区油气资源最为丰富、开采成本极低，故中东能源消费的9 7 左 右为石油和天然气，该比例明显高于世界平均水平，居世界之首旧。在亚太地区， 中国、印度等国家煤炭资源丰富，煤炭在能源消费结构中所占比例相对较高，其 中中国能源结构中煤炭所占比例高达6 8 左右，故在亚太地区的能源结构中，石 油和天然气的比例偏低( 约为4 7 ) ，明显低于世界平均水平。除亚太地区以外， 3 c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 其他地区石油、天然气所占比例均高于6 0 。2 0 0 9 年，全球天然气产量增加3 8 ， 高于过去十年3 的平均水平。如此强劲的增长势头得益于美国连续几年引领全球 天然气产量增幅榜。美国天然气产量增加7 5 ，达到过去1 0 年平均水平的十倍， 创有记录以来的最大增幅。图1 1 为近几年天然气价格及生产和消费趋势。 天然气价格2 0 0 9 年对 l 2 0 0 8 年 2 0 2 0 0 22 0 0 4 o 纪锣与凝 4 0 2 0 0 62 0 0 82 0 1 0潲镏鲑生产奄耋 图1 1 天然气价格走势及天然气生产和消费情况 f i g 1 1p r i c et r e n d ，p r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o no fn a t u r a lg a s ( 4 ) 世界能源资源仍比较丰富，但能源贸易及运输压力增大。 图1 2 数据来源于( ( 2 0 1 0 年b p 世界能源统计，图中可以看出总的石油和天 然气探明储量在稳步上升，近两年天然气的探明储量有大幅增加，尤其中东地区。 通过对比各地区石油产量与消费量可以发现，中东地区需要向外输出大量石油， 非洲和中南美洲的石油产量也大于消费，而亚太、北美和欧洲产消缺口却很大。 煤炭资源的分布也存在巨大的不均衡性。欧洲、北美和亚太三个地区是世界煤炭 主要分布地区，三个地区合计占世界总量的9 2 左右。中东和欧洲是世界天然气 资源最丰富的地区，两个地区占世界总量的7 5 5 ，而其他地区的份额仅分别为 5 7 。随着世界一些地区能源资源的相对枯竭，世界各地区及国家之间的能源 贸易量将迸一步增大，能源运输需求也相应增大，能源储运设施及能源供应安全 等问题将日益受到重视。 能源是人类社会发展的重要基础资源。但由于世界能源资源产地与能源消费 中心相距较远，特别是随着世界经济的发展、世界人口的剧增和人民生活水平的 不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环 境污染加重和环保压力加大。近几年我国出现的“油荒”、“煤荒 和“电荒” 4 o 0 0 o o 0 o 2 乏 4 击 名 伧 江苏大学硕士学位论文 以及近来国际市场超过1 0 0 美元桶的原油价格加重了人们对能源危机的担心，促 使我们更加关注世界能源的供需现状和趋势，也更加关注中国的能源供应安全问 题【1 6 1 。 石油天然气 5 j 亿锈 2 o ：篓篓塞织蹰家：冀慧联随家 拥拿大油砂 1 5 0 5 0 0 馨 鐾篓 孔沈奄携幕 2 0 0 _ 约台维织翻家 一廷饱 一中东地区 瀚苏联戮家 1 5 0 1 0 0 5 0 o 1 9 8 9 1 9 9 3 1 9 9 7 2 0 0 12 0 0 5 2 0 0 9 1 9 8 9 1 9 9 3 1 9 9 72 0 0 12 0 0 5 2 0 0 9 图1 2 石油与天然气探明储量， f i g 1 2d e m o n s t r a t e x ir e s e r v e so fp e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a s 中国有自己的国情，中国能源资源储量结构的特点及中国经济结构的特色， 决定在可预见的未来，我国以煤炭为主的能源结构将不大可能改变，我国能源消 费结构与世界能源消费结构的差异将继续存在，这就要求中国的能源政策，包括 在能源基础设施建设、能源勘探生产、能源利用、环境污染控制和利用海外能源 等方面的政策应有别于其他国家。鉴于我国入口多、能源资源特别是优质能源资 源有限，以及正处于工业化进程中等情况，应特别注意依靠科技进步和政策引导， 提高能源利用效率，寻求能源的清洁化利用，积极倡导能源、环境和经济的可持 续发展。针对石油资源危机和大气污染日益严重的问题，天然气发动机以其清洁 的燃烧特性和良好的经济性受到了中国政府的关注，自“九五以来，中国政 府开展了清洁汽车行动，对天然气发动机进行研究开发。到目前为止，我国1 6 个 示范城市内有公交车3 万多辆，出租车6 万多辆，其他用途车辆超过3 万辆，还 育1 0 余个省市正在启动天然气汽车的发展计划【1 7 1 。同时，2 0 1 0 年国家能源局表示， “十二五 期间，我国将发挥价格杠杆作用，鼓励以气代油，促进天然气产品发 展，使目前天然气在我国能源消费结构中的比重由4 提高到8 。为保障能源安 全，我国一方面应借鉴国际先进经验，完善能源法律法规，建立能源市场信息统 5 曩玖瓣蕤噩曩誓曩露缁蓼圈圈曩 翰譬鞠朔缓髓豳翻缓翰嘲麟协翰掰置缓翰缓後翳玢沥後翰溯嘲珏 f c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 计体系。建立我国能源安全的预警机制、能源储备机制和能源危机应急机制，积 极倡导能源供应在来源、品种、贸易、运输等方式的多元化，提高市场化程度； 另一方i f l f 应加强与主要能源生产国和消费国的对话，扩大能源供应网络，实现能 源生产、运输、采购、贸易及利用的全球化。 随符世界人口迅速的增长，资源和能源的消耗量也在迅速增加，从而生活和 生产排放出的种种化学物质，给自然净化作用造成了巨大负担。这不仅使区域性 环境问题的范围明显地扩大，而且由于氟利昂、二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮 等物质大量排放到大气中，导致了臭氧层破坏，大气气温上升及酸沉降等全球性 大气环境问题，这些问题由于其影响面大，已被提升到国际议事日程上，引起了 全世界的关注。一方面，我们可以调整能源战略去缓和环境问题，利用绿色或相 对清洁的能源替代现有能源；另一方面，控制污染物的排放，比如交通运输业， 随着我lk j 工业的迅速发展，据预测，到2 0 2 0 年，我国汽车保有量将达到13 0 0 0 万辆，交通道路用油将达到2 1 0 0 0 万吨，超过石油需求量的5 0 ，其中8 0 依靠 进口。i 丽汽车尾气排放物成为城市空气污染的主要污染源，全世界空气污染最严 重的10 个城市中9 个是中国城市【1 7 1 ，因此，必须继续加强车辆的排放管理，日益 严格排放标准；其次，增强人们的环保意识，限制毁林，加强绿化。 1 3 天然气发动机介绍及研究概况 1 3 1 天然气燃料特性 天然气是一种优质的气体燃料，它常常产于开采石油的油田或天然气田。油 田伴生的天然气中含有石油蒸汽，被称为伴生气或者石油气，它含有较多的重碳 氢化合物。纯粹气田产的天然气因不含石油蒸汽被称为干天然气，其主要成分为 甲烷( c h 4 ) ，还包括少量乙烷( c 2 h 6 ) 、丙烷( c 3 h 8 ) 和丁烷( c 4 h 1 0 ) 等饱和碳氢化合 物，其中甲烷含量约为9 0 以上。除碳氢化合物以外，天然气中还含有少量的c 0 2 、 n 2 、0 2 、h 2 s 等【1 8 】。天然气常温下为气体形态与汽、柴油的性质有着显著的区别。 天然气与汽、柴油相比燃点高，工作温度高，燃烧速度慢。天然气发动机的工作 性能与汽油、柴油发动机的工作性能相比也有着较大的区别【1 9 】。 6 江苏大学硕士学位论文 表1 2 天然气与汽油、柴油性能的比较 t a b 1 2n a t u r a lg a sp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t hp e t r o la n dd i e s e lf u e l 表1 2 比较了天然气与汽油、柴油性能的差异。天然气作为内燃机燃料，有着 如下的显著优点： ( 1 ) 天然气以甲烷为主，一般占9 0 以上，只含少量其它成分，h c 值高达4 左右，且有较高辛烷值，约为1 3 0 ，所以不需要加抗爆剂【捌。 ( 2 ) 天然气安全性高。它是一种高燃点的低密度气体，在正常的温度和压力下， 易于扩散，比柴油、汽油更加安全。而且，天然气的主要成分甲烷具有与其他烃 不同的氧化特性，要破坏c h 4 中第一个c h 键，所需能量大于其它烃的键能，故 自燃着火温度高达5 3 7 7 3 0 ，在空气中可燃极限范围很窄。这一特性决定了当 汽车发生碰撞、翻车等事故时，燃料在容器内激烈震荡、摩擦、温度剧升，达到 自燃点起火爆炸的可能性要比汽油小很多。 ( 3 ) 天然气汽车比较清洁，对环境危害比较小。天然气和石油的组成均为碳、 氢。氢含量越多者，燃料燃烧产生的二氧化碳就越少。这就是为什么燃烧天然气( 碳 原子数为一个) 比燃烧汽油( 碳原子数为5 1 2 个) 清洁的原因。天然气在常温下为 气态，以气态进入发动机，与空气混合，混合气均匀，燃烧比较完全，因此，当 用天然气作为内燃机燃料时，尾气污染显著减低( 见表1 3 和图1 3 ) 。 7 c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 表1 3 天然气和汽油燃烧排放污染物比较【2 1 1 t a b 1 3e m i s s i o no fn a t u r a lg a sc o m b u s t i o nc o m p a r e dw i t hp e t r o lc o m b u s t i o n n o x , c o h c 【g k w n p a r t i c u l a t e s 瞻删 h ccon o x p a r t i c u l a t e s 图1 3 天然气发动机和柴油机排放物比较【2 2 j f i g 1 3c n ge n g i n ee m i s s i o nc o m p a r e dw i t hd i e s e le m i s s i o n ( 4 ) 发动机燃用天然气时，冷起动性能良好，运转平稳。天然气中不含柴油中 存在的胶质，在燃烧过程中不会产生焦油，无积碳，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，因此发动机寿命长，汽车大修里程可以提高2 0 以上。与 燃用常规燃料相比，可节约5 0 以上维修费用。此外，发动机运转平稳，噪声小( 比 汽油机低4 0 ) ，发动机使用寿命为汽油车的3 倍【珏2 5 1 。 ( 5 ) 燃料经济，费用低。天然气储量丰富，开采运输方便，使用天然气的价格 比汽油、柴油便宜。同时从热能含量上看，1 立方米的天然气相当于1 1 3 升汽油 的当量。根据目f i 市场价格，使用天然气汽车费用要比使用汽油节省。从经济性 看，这对车主是个很有吸引力的因素。 8 露 怎 辱 4 2 o 1 o o o n n 江苏大学硕士学位论文 ( 6 ) 柴油机改为天然气发动机相对容易改装。只需要增加一套天然气供给系统 和点火系统，改变原柴油机的压缩比，其它改动相对较小。 1 3 2 天然气发动机研究概况 由于对发动机日益严格的节能和排放等多方面的要求，除了采用代用燃料外， 对发动机的调节控制也提出了高精度、多参数的要求，采用传统的机械式燃料喷 射系统及点火系统是无法满足上述要求的，而采用发动机电子控制技术可以突破 传统机械系统控制的弱点，使发动机处于最佳工况运转，从而全面提高发动机的 经济性、动力性，降低排放污染，大大增加了天然气发动机的竞争力。随着微电 子技术的发展，在柴油机机械式燃油喷射及电子点火系统逐渐为电子控制系统所 代替的趋势下，天然气发动机的燃料喷射及点火系统也以采用电子控制技术为新 的研究热点【凋。 天然气发动机的燃料供给与控制系统大致经历了混合器机械控制式、混合器 机电控制式、电控单点喷射式、电控多点喷射式等阶段【2 7 1 。天然气发动机燃料供 给方式以及空燃比控制方式在很大程度上影响发动机的动力性、经济性和排放性， 国外对天然气发动机喷射系统的电控技术研究较多，已经开发出以天然气为单一 燃料的电控燃料发动机，其在动力性和经济性方面均有显著提高，而且排放性能 也很优越，如美国c u m m i n s 公司的c 系列天然气发动机和日本本田汽车公司推 出的c i v i c 系列天然气汽车等。尤其是进入二十世纪九十年代后，国外天然气汽 车发展呈现出专业化、规模化的趋势，许多国外汽车生产厂纷纷推出装配大功率 电控c n g 发动机的天然气汽车( n g ，其发动机采用先进的电控技术，具有强劲 的动力和优良的排放性能。例如i v e c o 公司开发的6 缸9 5 升8 4 6 0 t cc n g 发动 机采用了电控多点喷射系统，功率为1 6 2 k w ( 采用涡轮增压) ，广泛用于公交车和 垃圾车；美国c u m m i n s 公司的b 5 9 1 9 5 g 型、日本的4 b e i 型、美国卡特彼勒的 3 3 0 6 型及福特3 8 0 型、底特律柴油机公司的5 0 g 系列等单燃料c n g 发动机也都 具有上述技术特点，而底特律柴油机公司的d d e c 天然气发动机和美国西南研究 院研制的h d d n g e 中型天然气发动机等则采用天然气缸内直喷技术( n g d i ) 2 8 ，2 9 1 。 本田公司研制的n i s s a nq d l 8 d e n 天然气发动机由于采用了顺序多点喷射技术， 发动机排放性能的改善非常显著。 国外天然气发动机由于不断采用先进电控技术，不仅有强劲的动力，而且排 放性能得到了很大的改善，表1 4 所示为国外部分c n g 发动机的技术指标。 9 c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 由于我国对天然气发动机及其电控技术的研究起步较晚，无论在理论基础研 究方面还是技术应用水平上与国外相比都有很大的差距。但是在环境保护成为社 会共识后，国家加大了对天然气发动机研究的投入，从而促进了国内天然气发动 机电控技术的开展。其中开展研究较早的有天津大学、北京交通大学、吉林大学、 北京理工大学和清华大学等科研院所。北京理工大学开展了由汽油机改造的顺序 多点喷射天然气发动机的研究，北京交通大学自1 9 9 7 年起开展了天然气电控喷射 技术和燃气发动机燃烧系统的研究工作，1 9 9 9 年开始进行公交车用柴油机改为单 燃料c n g 电喷发动机的研究工作【删。虽然这些研究工作取得了一定的实验研究成 果和开发经验，但总体来说国内对天然气发动机电控技术的研究还处于基础的研 究和完善阶段，单燃料天然气的整体电控技术，特别是大功率天然气发动机电子 控制技术方面与国外同行水平相比尚有较大的差距。 1 3 3 天然气发动机分类和各自性能 天然气燃料发动机的最关键的技术是天然气供给方式，其影响发动机的动力 性、经济性、安全可靠性以及排放性能。现代车用发动机正在普及电控喷射技术， 以完善发动机的工作过程和实现最佳的动力性、经济性以及低排放性能。电控喷 气技术是天然气发动机先进的燃料供给形式。目前天然气发动机供气形式有两大 类：缸外供气方式和缸内供气方式【3 1 】。前者主要包括进气道混合器预混合供气和 缸外进气阀处喷射供气；后者主要包括缸内高压喷射供气和低压喷射供气。 目前，技术成熟、使用广泛的天然气发动机都属于缸外供气方式，按照发动 机燃料的使用方式分为三类：天然气单燃料，天然气一汽油双燃料，天然气一柴 油双燃料发动机【3 2 1 。 1 0 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 1进气道混合器预混供气方式 进气道混合器预混合供气方式是应用较早的方案，具有汽油机的供气特征， 以及供气装置简单，在点燃式发动机和压燃式天然气一柴油双燃料发动机上得以应 用。但是该供气方式具有明显的不足之处，天然气占据空气充气量一般可达1 0 1 5 ，影响发动机燃烧过程及其升功率。图1 4 为进气道混合器预混合供气方式示 意图。 低压减压隧 高压减压蟪 图1 4 进气道混合器预混合供气方式 f i g 1 4g a ss u p p l yt y p eo fg a sm i x e rf r o ma i ri n l e t 1 3 3 2 缸外进气阀处喷射供气方式 缸外进气阀处喷射是一种较进气道混合器预混合供气方式更进一步的供气方 式。方法是将天然气喷射器布置在各缸进气道接近进气门处，实现对每一缸的定 时定量供气，通常称为电控多点气体喷气系统。它可以减轻和消除由于气门重叠 角存在造成的燃气直接逸出、恶化排放和燃料浪费等的不良影响。进气阀处喷射 可由软件严格控制天然气喷射时间与进气门及活塞运动的相位关系，易于实现定 时定量供气和层状供气，根据发动机转速和负荷，更准确的控制对发动机功率、 排放和经济性有重要影响的空燃比指标，实现稀薄燃烧，可以更进一步的提高发 动机的动力性、经济性和排放性。缸外进气阀处喷射，虽可以降低供气对空气充 量的影响，但该影响仍然在一定程度上存在。进气阀处喷射的高速燃气喷嘴是基 本部件，同时配备电控e c u 实施控制，且要控制整个发动机电子系统，控制主体 是根据发动机的各个工况，控制调节天然气量、电子节气门开度和点火提前角。 图1 5 是缸外进气阀处喷射的本田天然气发动机的供气系统示意图。 j c n g 发动机多点顺序喷射电控系统开发 至燃料表 压缩天然气 充气口 图1 5 本田c n g 发动机供气系统 f i g 1 5h o n d ac n ge n g i n eg a ss u p p l ys y s t e m 1 3 3 3 缸内喷射供气方式 缸内喷射有高压喷射和低压