（农业机械化工程专业论文）发动机双燃料控制系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着空气污染和石油短缺的加剧，使用代用燃料一液化石油气( l p g ) 作 为一种有效的应对策略，越来越受到人们的重视。柴油机被广泛应用于国民经济 各个领域，以柴油机为基础实现发动机的双燃料工作，是代用燃料发动机发展的 一个重要方向。 本文在前人开发的l p g 喷射装置基础上，提出了利用对油泵齿条的直接控 制的电子调速器实现喷油量精确控制的解决方案。该方案系统结构紧凑，零件数 量少，加工要求低，能够实现执行器与齿条的无间隙连接，有利于提高控制品质， 具有工程实用价值。 提出了基于发动机气缸示功图的发动机动态物理模型，该模型能够很好地 反映发动机的瞬时转速波动和p i d 控制器工作周期对控制效果的影响，从而实现 了部分关键参数的仿真。该模型的仿真结果对发动机电控系统的开发具有重要参 考价值。 完成了对发动机原有油泵的改装，加装了线性比例电磁铁执行器及相应传 感器；采用江奎集团的e c u 装置，以p i d 算法为基础，实现了柴油机的数字电子 调速，提高了发动机控制系统的柔性，扩展了发动机的适用范围。 在柴油机电子控制的基础上实现了双燃料模式下的全电控工作，能够根据 驾驶员的意图和发动机工况的变化自动实现燃料比例的调整，为双燃料发动机的 实用化奠定了基础。 实现了发动机的电子油门控制。该功能可针对发动机匹配主机的工作特性通 过标定进行优化，减少发动机实际运行的有害排放物并提高主机运行的经济性、 动力性。 发动机性能测试数据表明，除双燃料工作模式外，该系统使柴油机性能也实 现了较大改善。该研究成果不仅可用于双燃料发动机的开发，也可用于柴油机的 改进。 最后，对论文工作进行了总结并分析了存在的问题，提m , t 下一步的工作方向。 关键词：液化石油气：柴油：发动机；电控；电子调速器 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew o r s e n e dt h ea i rp o l l u t i o na n dp e t r o l e u ms h o r t a g e ，ak i n do fa l t e r n a t i v e f u e l - - l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) a sav a l i ds o l u t i o n , i sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n d i e s e le n g i n eh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d sa n di sp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei n p e o p l e sl i f e ，s ot od e v e l o pad u a lf u e le n g i n ef r o mt h eb a s eo fd i e s e li sac o n c e r n f u l r e s e a r c hd i r e c t i o nf o re n g i n e sw h i c hc o n s u m ea l t e r n a t i v ef u e l b a s e do nt h ep a p e r 1 5 ，as o l u t i o nf o rd u a lf u e le n g i n ew a sp r o v i d e d ，w h i c h c o n t r o lt h eq u a n t i t yo fd i e s e lf u e li n j e c t e di n t ot h ec y l i n d e rp r e c i s e l yb ya ne l e c t r o n i c g o v e r n o r i nt h i ss o l u t i o n ，t h i sg o v e r n o rc o n t r o lt h er a c kd i r e c t l y , t h es t r u c t u r ei sv e r y c o m p a c tw i t has m a l lq u a n t i t yo f m e c h a n i c a lp a r t sa n dt h ep a r t sa l ee a s yt ob em a c h i n e d , t h ea c t u a t o rc a l ll i n kt h er a e kw i t h o u ta n yc l e a r a n c ea n dt h i si sa d v a n t a g e o u st oi m p r o v e q u a l i t yo f c o n t r 0 1 t h i ss o l u t i o n i sv e r yv a l u a b l ei ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n b a s e do nt h ee n g i n ei n t e r n a ld i a g r a mad y n a m i c a lp h y s i c a lm o d e l w a sb u i l t t h i s m o d e lc a nr e f l e c tt h ef l u c t u a t i n go f t r a n s i e n ts p e e da n dt h ee f f e c to f p a r a m e t e r so f p i d c o n t r 0 1 s ow i t ht h i sm o d e l ，s i m u l a t i o nf o rs o m ek e yp a r a m e t e r sw a sr e a l i z e d t h e r e s u l to ft h es i m u l a t i o nc a nd i r e c tt h er e s e a r c hw o r ko fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mf o r e n g i n e t h ej e r kp u m pw a sr e d e s i g n e da n dt h eo r i g i n a lm e c h a n i c a l g o v e r n o rw a s r e p l a c e dw i t ha ne l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o ra n di t ss e n s o r w i t hj i a n g k u i se c ua n d b a s e do np i d ，ad i g i t a le l e c t r o n i cg o v e m o rw a sd e v e l o p e d w i t ht h i sg o v e m o r , t h e c o n t r o ls y s t e mi sm o r ef l e x i b l et h a nm e c h a n i c a lo n e ，a n de n g i n ec a nb eu s e di nm a n y f i e l d sw i t h o u ta n ym o d i f y i n g t h ec o n t r o lo fq u a n t i t yo fd u a lf u e li n j e c t e dw a sr e a l i z e db a s e do nt h ee l e c t r o n i c g o v e r n o r t h i ss y s t e mc a na d j u s tt h er a t i ob e t w e e nt h e s et w of u e l sa c c o r d i n gt ot h e d r i v e r sm e a n i n ga n dt h ec u r r e n tl o a do fe n g i n e w i t ht h i ss y s t e m ，t h ed u a lf u e le n g i n e c a nb ep u ti n t op r a c t i c e w i r ep e d a lw a sr e a l i z e di nt h i ss y s t e m w i t ht h i sf u n c t i o n , e n g i n ec a r tb eo p t i m i z e d b yc a l i b r a t i o na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fm a i ne q u i p m e n t ，a n dt h i si sa l s ob e n e f i c i a l t or e d u c et h eh a r m f u lg a se x h a u s t e da n dm a k et h em a i ne q u i p m e n tm o r ee c o n o m i c a l a n dp o w e r f u l t h er e s u l to ft h ee n g i n ep e r f o r m a n c et e s ts h o w e dt h a tt h i ss y s t e mc a r ln o to n l y c o n t r o lt h eq u a n t i t yo f l p ga n dd i e s e lf u e li n j e e t e da u t o m a t i c a l l y , b u ta l s oc a no p t i m i z e t h ep e r f o r m a n c eo f t h ed i e s e le n g i n e a tt h ee n do f t h i sp a p e r , as u m m a r i z a t i o nw a s p r e s e n t e da n dt h ew o r kd i r e c t i o no f n e x ts t e di sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：l i q u e f i e dp e 仃o l e u mg a s ，d i e s e lf u e l ，e n g i n e ，e l e c t r o n i cc o n t r o l ；e l e c t r o n i cg o v e m o r i i 学位论文版权使用授权书 y 8 2 81 3 9 4 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 学位论文作者签名：才龟宝如 够年6 月占日 舻 参 彳1 日 锄 毛 签 月 师 6 教 f 黜 啤 指 时h 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本、完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：名匆氲 日期：0 5 年多月多日 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 内燃机的出现、发展已有百余年的历史。这一百年来内燃机工业不仅其自身 得到了巨大发展，而且推动了其它产业特别是汽车产业的发展，使人类文明进入 了高速发展的轨道。虽然内燃机对人类生活和社会发展起到了巨大推动作用，但 我们也必须看到它消极的一面，特别是大量消耗能源和对人类生存环境产生的不 良影响。 内燃机是汽车、工程机械、农业机械以及小型电站的主要动力。由于机械装 备的广泛使用，特别是汽车保有量的剧增，其排出的有害物质对环境造成的污染 越来越严重。汽车废气中主要有害成分是c 0 、h c 、n o , 、s o 。，柴油机还包括颗粒 排放；另外还有醛类和苯类。自上世纪六十年代美国洛杉矶发生严重的汽车尾气 污染事件( 光化学烟雾) 以来，世界各工业发达国家都把降低汽车废气污染作为 一项国策。进入九十年代以来，由于汽车保有量剧增，我国汽车废气污染问题日 益突出。据统计，北京市c o 、h c 、n o , 三种污染物的6 1 、5 5 、8 7 来自于汽车。1 ， 上海市中心城区c 0 、h c 、n o , 三种污染物的8 6 、9 6 、5 6 来自于汽车。1 。基于此， 我国对汽车废气污染的控制越来越严格。目前，国内执行的排放法规已相当于欧 洲i i 号的标准，并将于2 0 0 7 年执行更加严格的国3 标准。 汽车在破坏环境的同时还是现代社会能源消耗大户。1 。目前，我国石油需求 总量巨大，2 0 0 2 年为2 4 1 2 3 万吨，2 0 0 3 年已成为世界第二大石油消费国。据世界 石油大会公布的资料，目前世界人均占有石油可采资源6 8 吨，天然气可采资源7 万立方米。我国人均占有石油可采资源1 2 吨，天然气可采资源l 万立方米，仅分 别相当于世界平均水平的1 6 和1 7 。自1 9 9 3 年以来，我国已是一个净石油进口 国；2 0 0 3 年我国石油的进1 ：3 量已高达8 2 9 9 万吨，石油对外依赖程度达到3 9 9 2 ( 2 0 0 4 年1 一1 1 月统计数据) “”。因此，缓解石油短缺、对能源结构进行合理 配鼍是一个富有长远意义的课题。 随着能源结构、环境污染等问题的日益凸现，合理地利用资源及开发“清洁 燃料”将是人类面l | 缶的首要问题之一。目前开发的代用燃料主要有“1 ：液化石油 气l p g ( l i q u e f i e d p e t r o l e u m g a s ) 、压缩天然气c n 6 ( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ) 、 醇类合成燃料、氢燃料等。在这些燃料中液化石油气和压缩天然气以其来源广泛 可靠、技术可行、低排放而受到世界各国的重视和推广，特别是液化石油气，在 常温下略加压就可液化，便于存储，因此得到更广泛的应用。 丰富的燃气资源为发展燃气动力提供了可靠的资源保证，因此，研制及生 产l p g 、c n g 发动机为代表的低排放燃气动力对减少环境污染、优化能源结构、 江苏大学硕士学位论文 促进我国汽车和内燃机工业的持续健康发展具有十分重要的意义”“”。1 。 1 2 燃气发动机发展现状 1 2 1 燃气发动机分类“”“” 目前l p g 汽车发动机从燃烧方式上可分为以下三种： 第一种为两用燃料发动机。汽油与l p g 之间相互转换，互不影响。此方式简 单易行，改装方便，适合各种汽油机，目前被普遍采用。但显而易见，由于兼顾 汽油的燃用，因此在燃用气体燃料时发动机性能有所下降，不能充分体现气体燃 料的优势。并且，从汽油机的适用范围来看，此方式多应用于轻型车辆。 第二种为纯气体燃料发动机，燃烧单一气体燃料。此工作方式需针对气体燃 料的特点进行专门的设计，需要对原有发动机作较多改进。单一气体燃料工作均 以火花塞点火的方式进行，虽然发动机改装可以选择汽油机为原型机，也可以选 择柴油机为原型机( 加装火花塞) ，但汽油机的改装工作量相对较少。l p g 辛烷 值高，可在较高的压缩比下工作：为进一步发掘l p g 的潜力，提高发动机的经济 性、可靠性，近年来出现了许多以柴油机为基础改装的单一气体燃料发动机，如 美国康明斯c 系列、上海柴柴油机股份有限公司的6 1 1 4 等”1 。以该种方式工作的 发动机，其动力范围广泛适用于车辆、发电机组、工程机械、农业机械等多个领 域。 第三种为双燃料发动机，柴油与l p g 混烧，此种燃烧方式主要针对柴油机。 该工作方式控制系统复杂，还有很多技术问题( 如燃料的搀烧比例、燃料供给系 统的设计等) 需要解决，基本处于试验阶段。国内外很多研究机构都在开展这方 面的工作。但以该种方式工作，发动机改动量小，可柴油、柴油l p g 两用，对现 有产品的改进具有积极意义。 柴油机排放的可视性污染物( 颗粒) 较多，因此如何降低柴油车排放、适应 越来越严格的排放法规始终是一个重要的研究课题。有效办法就是在柴油机中使 用替代燃料，这也正是很多研究机构研究柴油与l p g 混烧的燃烧方式的原因所在。 柴油机具有扭矩大、可靠性好、燃油消耗率低、有害排放物少、使用安全及 无挥发性气味等特点，在日本3 5 吨以上的卡车大部分采用柴油机，欧洲的卡车 采用柴油机的约占9 0 ，世界上柴油机的需求量仍以每年2 0 左右的速度增长。近 年柴油机的应用已延伸到汽油机占绝对优势的轿车、城市客车和轻卡领域，据资 料表明德国柴油轿车的销售量占汽车市场的2 5 以上，在法国已有一半的轿车用 柴油机为动力，我国城市公交车柴油机使用率为3 5 左右，北方城市高达4 0 ，并 且有递增趋势。因此研究柴油与l p g 混烧的燃烧方式也很有现实意义。 由于在柴油机上掺烧l p g 、实现l p g 柴油双燃料运行，可有效地降低排放。 采用压喷引燃的技术方案，即向气缸内喷入少量柴油、柴油的自燃引燃l p g 。发 江苏大学硕士学位论文 动机以柴油l p g 双燃料运行，其燃烧过程具有压燃和点燃的特点。采用这样的技 术方案，发动机改动简单，结构参数调整少，可大大降低柴油的低速烟度和自由 加速烟度，改善增压柴油机的低速性能。目前美国西南研究院、德国d e u t z 公司、 b e n z 公司及日本h o n d a 公司等均在进行这方面的研究。但柴油机是靠柴油压燃 进行工作的，在柴油机上燃用l p g 燃料不能象汽油机那样靠火花塞来点燃l p g ，因 此在柴油机上燃用l p g 要比在汽油机上使用难度大得多“4 儿。 1 2 2 燃气发动机在汽车上的应用 当前，燃气发动机的主要为各种车辆而开发，燃气汽车的使用状况代表了燃 气发动机的应用水平。 1 2 2 1国外燃气汽车发展状况吲 以天然气( n g ) 和液化石油气( l p g ) 作为汽车燃料在世界上已有7 0 多年 的历史，但直到1 9 7 3 年第一次石油危机之后，基于合理配置能源结构的观点， 世界备国才给予了足够的重视。八十年代后随着对环境污染的日益关注，l p o 被 视为清洁燃料在世界各国得到大力提倡。据有关资料不完全统计，目前全世界已 有4 0 多个国家总计使用燃气汽车5 0 0 万辆以上，约占汽车总保有量的o 7 左右。 其中l p g 约4 0 0 万辆，c n g ( 压缩天然气) 约1 0 0 万辆，l n g ( 液化天然气) 近万辆，其中意大利、美国、日本、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、韩国、荷兰等 国家发展较快。澳大利亚、荷兰、日本、韩国等国的以l p g 居多，美国、意大 利、俄罗斯等国则l p g 和c n g 两种类型并重。全世界为天然气汽车充装然料的 加气站约5 5 0 0 多座，l p g 加气站数量约2 8 万座“。据估算，目前全世界每年 用于汽车燃料的天然气大约在4 0 5 0 亿立方米之间“。 意大利是当今世界l p g 汽车拥有量最多的国家：的阿根廷则是天然气汽车 的发展的排头兵n “。 美国有4 3 万辆以上的代用燃料汽车，其中9 0 是l p g 和n g 汽车“。据美国 企业市场机构”t h ef r e d o n i ag r o p e ”的调查，美国大约有6 百万人使用过l p g 汽 车，年消耗l p g 量约为0 5 亿寸。美国的能源政策法规( e p a c t ) 对美国代用燃 料汽车的发展提出了要求，目标是到2 0 1 0 年代用燃料汽车将达到3 0 。 目前在德国，天然气汽车已有1 万辆。根据预测，副2 0 1 0 年，德国境内的 天然气汽车数量将会达到1 0 万辆至4 0 万辆。为促进c n g 汽车发展，德国有关部 门及企业准各加强加气站网络建设。据悉，在未来两年里，德国汽车用天然气加 气站将由目前的1 8 0 座增加到至少3 0 0 座，即每年至少新增6 0 座加气站。 1 9 9 0 年，全日本共有天然气汽车2 1 辆，快充站4 座，到1 9 9 9 年已拥有天 然气汽车8 3 1 5 辆，快充站1 1 6 座。使用天然气的汽车种类包括：公交车3 6 4 辆、 垃圾清运车2 6 3 辆、卡车2 4 6 1 辆，其它类型车5 2 2 7 辆。日本的天然气汽车品种 江苏大学硕士学位论文 是所有清洁能源汽车中最多的，共9 0 多种，几乎所有的日本汽车厂都有产品。 日本投入使用的天然气汽车主要是作为在市中心行驶频率很高的出租汽车、公共 汽车及送货上门服务的车辆。液化石油气汽车保有量较多，约3 5 万辆，其中出 租车约2 4 万辆，年消耗l p g 近2 0 0 万吨。l p g 整车生产厂商有丰田、日产、马 自达、三菱、五十铃、日野等，均为1 5 吨至3 吨的轻型卡车或以轻卡为基础的 专用车，如厢式车、垃圾车等。 巴西是天然气汽车大国，到2 0 0 2 年3 月，巴西有2 3 万辆天然气汽车分布 于全国1 5 个州的首府，其中里约热内卢占总数的4 2 ，圣保罗占1 8 ，在全国 2 8 4 个加气站每天的天然气售气量为2 3 5 万立方米。 从2 0 0 0 年1 0 月至今，韩国的l p g 车已达1 1 4 万辆，占总注册车辆1 2 0 0 万辆的 2 0 ，其中，轿车占6 4 4 、客货两用车1 9 1 、货车1 6 5 。韩国l p g 需要量约为 6 0 0 万吨，其中国内生产量占3 0 - - 4 0 ，其余6 0 一7 0 主要从中东地区进口“”“”。 1 2 2 2 国内燃气汽车发展状况 早在建国初期，由于石油供应短缺，由煤发生的燃气是当时汽车的主要燃料。 随着石油供应条件的改善，笨重的煤气包汽车已退出历史舞台。我国c n g 汽车的 开发较早，但由于技术问题、供应商和汽车厂商参与问题，c n g 汽车发展还有待 时日4 “。 我国l p g 汽车从上世纪9 0 年代中期起步。最先在上海、广州等少数大城市提 倡和推广使用，以减轻燃油机动车迅猛增加所造成的城市大气环境污染。为支持 燃气汽车的发展，1 9 9 9 年4 月由科技部、国家环保总局、国家计委、国家经贸委、 教育部、国家机械局和各省市政府及部分大型汽车企业集团组成的清洁汽车行动 协调领导小组召开会议，制定了关于实施空气净化工程清洁汽车行动的若 干意见和清洁汽车行动实施办法草案，决定启动“清洁汽车行动”，其中 燃气汽车被作为减少汽车排气污染的重要内容。 近几年，l p g 车辆在上海、北京、广州、重庆等大城市得到迅速发展，已初 具规模。上海1 9 9 7 年正式启动l p g 推广工作，至1 j 2 0 0 3 年底已商业运营的l p g 2 f i 气站 有1 0 5 座，l p g 双燃料出租车3 7 0 0 0 辆( 占出租车总量的9 2 5 ) “”“。 在推行清洁汽车行动的同时，为保证燃气汽车的良性发展，我国还于1 9 9 8 年制定了7 项国家标准和4 项行业标准。 我国很多城市都制定了l p g 汽车发展计划，如表1 1 所示。由于这些计划得 到了政府支持，使得l p g 汽车发展迅速。预计到2 0 1 0 年我国l p g 汽车总保有量 可达4 0 一5 0 万辆。按我国l p g 汽车发展的趋势来看，l p g 汽车在短期内将有较 大的发展。表1 2 给出了我国上海市1 9 9 6 至2 0 1 0 年的l p g 汽车在出租车和公 交车中的推广计划“5 】f i ”。 4 江苏大学硕士学位论文 表1 1 国内部分城市l p g 汽车发展计划 城市年份 2 0 2 0 0 52 0 1 0 北京l 上辩 5 76 5 深圳 1 55 畸尔滨 l3 ( 单位：万辆) 表1 2 上海市出租车行业l p g 汽车推进计划 年份 1 9 9 6 1 9 9 t 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 52 0 l o 出租车保育t3 8 5 5 44 0 5 0 34 1 1 1 04 1 7 2 74 2 3 5 34 5 6 2 64 9 1 3 9 l p g 汽车保有重 5 02 5 02 7 0 06 2 5 0 1 6 2 5 04 5 6 2 64 7 6 6 5 l p g 汽车占有率。， 0 67 81 53 841 0 09 7 客车保有重 1 2 7 1 5 1 3 0 9 61 3 4 8 91 3 8 9 41 4 3 l i1 5 0 4 i1 5 4 2 0 l p g 轻型客车保有量 5 0 1 0 02 4 0 09 0 02 2 5 63 0 s 4 l p g 大客车保有量oo5 02 5 04 5 0 l p g 客车占有率，o 81 94 7941 52 0 ( 单位：辆) 1 2 3 燃气发动机控制技术发展状况o ” 将柴油机改为双燃料发动机( d u mf u e le n g i n e ) 应该达到以下目标：发 动机改动小：与原机相比，动力性基本保持不变；碳烟排放指标应有大幅度的改 善：具有良好的安全性和可靠性。 美国和欧洲利用他们在电控技术上的优势，开发了一系列气体燃料发动机。 在这些技术中，按气体燃料供应方式分，主要有混合器法和阀喷射法。混合器法 是将空气和气体燃料在混合器内先混合好，然后一起进入气缸，通过早先压燃的 柴油使燃气着火燃烧。例如，新西兰t f s 公司及荷兰t n 0 公司开发的双燃料发动 机，采用电控油泵齿条实现对引燃油量的调节。阀喷射法则是采用专用的喷气阀， 可以由软件严格控制气体燃料喷射量和喷射始点，有利于空燃比的控制，如美国 s p i ( s e r v o j e tp r o d u c t si n t e r n a t i o n a l ) 公司生产的阀喷射双燃料系统。 改装后的双燃料发动机怠速工况一般在柴油单燃料状态运行，中小负荷工 况柴油替代率较小，而在高负荷工况可达到较大的替代率。乌克兰科学院天然气 研究所和基辅汽车公路研究所曾将一台柴油机改装成双燃料发动机，燃气与柴油 采用联动控制机构，试验中达到了4 5 的替代率。美国c l e a na i rp a r n t e r 公司与 加拿大阿尔伯达州卡尔加里市代用燃料系统( a f s ) 公司联营，共同开发出多点 喷射的双燃料系统，并应用在l o 3 l 卡特彼勒3 1 7 6 b 重型发动机上，在发动机压缩 比不变的情况下，两种燃料均采用电子控制，柴油替代率可达6 0 一9 0 ，发动机 可根据需求转换为单柴油燃料的工作方式。美国b l ( m 公司研制了具有先进水平的 江苏大学硕士学位论文 表1 1 国内部分城市l p g 汽车发展计划 城市年傍 2 0 0 02 0 0 5 2 0 1 0 北戒 1 i ：沲 5 76 5 襁蜘5 畸尔滨 ( 单位：万辆) 表1 2 上海市出租车行业l p g 汽车推进计划 年酱 i 蜘6、9 9 7t d 9 9t 9 9 92 2 52 0 1 0 出租车保育蕾3 8 5 5 4 4 0 5 0 3 4 1 7 2 74 2 3 ”4 5 6 2 64 9 1 3 9 l p g 车保有量 2 5 02 7 0 06 2 5 01 6 2 5 04 5 6 2 64 7 6 6 5 l p g 汽车占肯翠尚o57 81 59 7 客车保有罱 1 2 7 1 51 3 0 9 6l 1 91 3 8 9 41 4 3 1 li $ 0 4 l1 5 4 2 0 l p g 轻型客车攮有量5 0 1 口 9 0 02 2 5 63 0 s 4 l p g 夫客车倮有量4 5 0 l p g 客车占育牢， ( 单位辆) 1 2 3 燃气发动机控制技术发展状况”“ 将柴油机改为双燃料发动机( d u a lf u e le n g i n e ) 应该达到以下目标：发 动机改动小；与原机相比，动力性基本保持不变；碳烟排放指标应有大幅度的改 善；具有良好的安全性和可靠性。 美国和欧洲利用他们在电控技术上的优势，开发了一系列气体燃料发动机。 在这些技术中，按气体燃料供应方式分，主要有混合器法和阁喷射法。混合器法 是将空气和气体燃料在混合器内先混合好，然后一起进入气缸，通过早先压燃的 柴油使燃气着火燃烧。例如，新西兰t 。f s 公司及荷兰t n o 公司开发的双燃料发动 机，采用电控油泵齿条实现对引燃油量的调节。阀喷射法则是采用专用的喷气阀， 可以由软件严格控制气体燃料喷射量和喷射始点，有利于空燃比的控制，如美国 s p i ( s e r v o j e tp r o d u c t si n t e r n a t i o n 札) 公司生产的阀喷射双燃料系统。 改装后的双燃料发动机怠速工况一般在柴油单燃料状态运行，中小负荷工 况柴油替代率驶小，而在高负荷工况可达到较大的替代率。乌克兰科学院天然气 研究所和基辅汽车公路研究所曾将一台柴油机改装成双燃料发动机，燃气与柴油 采用联动控制机构，试验中达到了4 5 的替代率。美国c l e a na i rp a r n t e r 公司与 加拿大阿尔伯达州卡尔加里市代用燃料系统( a f s ) 公司联营，共同开发出多点 喷射的双燃料系统，并应用在l o 3 l 卡特彼勒3 1 7 6 1 3 重型发动机上，在发动机压缩 比不变的情况下，两种燃料均采用电子控制，柴油替代率可达6 0 - - 9 0 ，发动机 可根据需求转换为单柴油燃料韵工作方式。美国8 硒公司研制了具有先进水平的 可根据需求转换为单柴油燃料的工作方式。美国b 硒公司研制了具有先进水平的 江苏大学硕士学位论文 “微引燃”双燃料系统，用接近1 的引燃柴油为双燃料发动机提供所需要的点火 能量。这一系统的核心是采用s e r v o j e t 电控液压泵喷嘴、天然气多点电子控制顺 序喷射装置和专用的计算机软件，这一系统采用增压空气旁路、废气再循环及优 化引燃喷油正时等措施降低小负荷时的未燃h c 排放及提高燃油替代率，从而在所 有工况范围内使柴油替代率达n 9 5 。 国内在二十世纪九十年代开始通过引进国外产品在汽油机上使用气体燃 料；近年来，国内几个主要柴油发动机制造厂开始与国外合作共同开发双燃料发 动机，例如广西玉林柴油机厂与加拿大c i c 公司的y c 6 1 0 8 z q n 增压双燃料发动机、 一汽无锡柴油机厂的c a 6 1 1 0 双燃料发动机。目前，国内的在用的双燃料发动机控 制方式以机械方式为主，电控双燃料发动机尚处于研究阶段：其中电控双燃料系 统又分为机电联合控制系统( 保留全部或部分机械燃油控制系统) 和全电控系统， 国内的双燃料电控系统多为机电联合控制系统。 1 3 本课题研究的主要内容和意义 本课题是国家教育部中青年骨干教师资助计划项目“电控l p g 柴油机工作过 程的研究”( 项目编号9 9 0 3 0 ) 的组成部分，是对以往研究的进一步深化，改机 械式供气系统为全电控双燃料控制系统；同时，该课题也是江苏大学与镇江江奎 集团的合作项目。课题主要研究内容有： 1 对e c u 控制程序的硬件仿真和软件仿真，硬件仿真包括控制逻辑仿真和滤 波程序仿真，软件仿真包括建立发动机动态物理模型和在其基础上进行的控制参 数仿真。 2 柴油机电子调速器的开发，包括电子调速器执行机构和传感器部件的选 型、设计、安装，以及控制程序的编写。 3 电控柴油l p g 双燃料控制系统软件的开发，主要为控制策略的制定和控 制程序的编写。 4 发动机的电控系统的参数标定和性能测试，包括调速器工作参数的标定、 双燃料发动机m a p 图的测定，以及装备新调速器的柴油机性能测试和双燃料发动 机性能测试。 课题以研制开发一种可供试验但具有产品潜力的双燃料调节与控制系统、并 改善单柴油燃料运行的排放性和动力性为目的。课题的研究不仅对提升我国l p g 汽车技术水平和推动l p g 汽车的发展有帮助，并且实现柴油机电子调速、改善发 动机动力特性，便于发动机与不同用途的工作装置匹配并降低实际运行的排放。 6 江苏大学硕士学位论i 第二章燃料成分、特性以及播放机理 2 1液化石油气( l p g ) 的理化特性“5 m 3 2 1 1 液化石油气的主要成分 l p g 是一种具有三至四个碳原子的烃类低分子量化合物，其成分随产地、生 产工艺不同而不同。液化石油气分为油田液化石油气和炼油厂液化石油气。油田 液化石油气主要来源为石油伴生气天然气，其主要成分由丙烷( c 3 。) 、丁烷 ( c m 。) 组成；炼油厂生产的l p g 由石油裂解产生，其主要成分除丙烷和丁烷外， 还含有大量的烯烃。值得注意的是，因为烯烃为不饱和烃，燃烧后结焦、积碳严 重，并且抗爆性差，对汽车发动机火花塞、气门、活塞环等零件有较大的破坏作 用。故而，炼油厂的液化石油气不适宜直接用做发动机燃料，必须对其进行去烯 烃处理”。 2 1 2 l p 6 气质标准 针对油田液化石油气和炼油厂液化石油气成分的不同，我国制定了相应的质 量技术标准。其中，g b 9 0 5 2 1 8 8 适用于油田液化石油气，g b i l l 7 4 8 9 适用于 炼油厂液化石油气。 液化石油气的主要控制指标有： 1 饱和蒸气压。饱和蒸气压是液化石油气最主要的指标之，一般根据安 全和使用要求，规定其指标最高值为保证在正常使用允许的最高环境温度条件 下，液化石油气的饱和蒸气压即储气瓶内压力在储气瓶允许的范围内。最低值应 保证在使用允许的最低环境温度下，液化石油气饱和蒸气压能满足正常使用的要 求。 2 液化石油气的主要成分。车用液化石油气的主要成分是丙烷或以丙烷为 主的c a 成分和丁烷或以丁烷为主的c 。成分。不同成分在热值和沸点上有较大差别。 丙烷沸点低极易汽化，作为汽车燃料，发动机冷起动性能好，特别适合低温条件 下使用，但热值低；丁烷沸点商，低温下汽化困难，发动机冷起动困难，但热值 较高。 丙烷以下成分其饱和蒸气压高、含量多时高温条件下不安全，且热值低：r 烷以上成分难以汽化，混合不均匀，对上述成分应予限制。g b l l l 7 4 8 9 规定了 残留物指标，以限制难以汽化成分的含量。 3 硫化和腐蚀性。液化石油气中硫化物的主要成分有硫化氢等，容易形成 酸雨，污染环境。硫化氢溶于水形成酸溶液对钢铝部件进行腐蚀，缩短部件寿命， 7 江苏大学硕士学位论文 车用还易导致催化剂中毒。标准中采用铜腐蚀等级对其进行评价。 表2 1 油气田液化石油气技术要求( g b 9 0 5 2 1 - - 8 8 ) 商品用丙、丁烷混合物 项目试验方 圭 迸用l 冬周l 豆用 摩尔舟觳， s o l 3 0 c i 盈c | 以下，斗 2 o s y 2 0 8 1 c i 殷c i 以上，斗 3 ois 。 3 7 8 蒜气压( 寝压，k p a 斗 1 4 3 01 3 6 0 c 8 6 8 0 2 腐蚀，铜片腐蚀等擐堰牛 1 s y 2 0 6 3 总硫体积磺釜n g u ， 3 4 0 s y 7 0 5 8 辩离承无 日潮 注群嵩木应甩耐压曩啊量曩寮 表2 2 炼油厂液化石油气技术要求( g b l l l 7 4 8 9 ) 瑶日质量标准试齄方靛 3 7 5 1 2 蒸气压表压) ，k h 牛 1 3 g b 6 2 密馥c 1 5 ) ，k 口，- | 报告”z s e 4 g 0 1 c 盈c l 吼上体轵丹美，斗3 o$ y 2 0 8 1 箍盛钧 s y 7 5 0 9 l o o m l 蒜盘残留糟_ i报告 油渍曩塞位，- l 报告 庸蚀，锕片庸垃肆擐，囊牛 s y 2 0 0 3 簋硫体积质量tm g m ，斗 3 4 3珀h 6 2 辩膏永 无日翻。 以上两个标准均未对烯烃的含量作出明确限制，并且硫含量较高，不适合做 车用燃料标准。为促进我国的l p g 汽车产业发展。于1 9 9 8 年制定了车用液化石油 气质量标准s y 7 5 4 8 - - 9 8 ，如表2 3 所示。 表2 3 车用液化石油气技术要求( s y 7 5 4 8 - - 9 8 ) 履量描标 项目车用丙烷事用丙丁靛摄古试验方法 糖 3 7 5 ie 气压( 袁压) k p a 牛 1 3 0 1 3 0g b t6 6 0 2 9 丙靛卡6 0 丁靛厦以上坦分牛 2 s 蛆分，l s h t0 2 3 0 度蟪噩以上组分丰 2 丙烯牛55 残冒舫 1 0 0 m l 黧篮氇宙镌牛 a 0 5d a 5 s y t7 5 0 9 m l 油渣趣翻迅垃丑过 砖度( 2 0 跛1 5 ) k g i l l s ) 实蜜铡s h 1 0 2 2 1 0 一片膏蚀，量牛 11s h ，t0 2 3 2 总靠音量u ，x 1 0 牛 1 2 31 4 0s y t7 5 0 8 辞膏水无无日 盎io 蒸气压力允许用g i i r 1 2 5 7 6 方最计算，诅在件赣对必须用g 5 t 6 5 0 2 宣i 密度允许用g b t 1 2 5 7 6 方法计算，但在仲裁时盛复用g b t 0 2 2 1i i i 定 2 1 3l p g 的物理化学特性 l p g 的物理化学特性以及与其它燃料的特性对比如表2 4 所示。 1 l p g 的比重。在1 5 以下，液态丙烷密度为5 2 8 k g m 3 ，丁烷为6 0 2 k g m 3 ， 比汽油稍轻。l p g 的密度一般按5 6 0 k g m 3 计。在同样条件下，气态的l p g 密度比 空气要大。因此，l p g 如在大气环境下泄漏，其不容易扩散，易发生事故。 2 l p g 的沸点。在大气压下丙烷为一4 2 0 7 ，丁烷为一0 5 0 。l p g 在常 江苏大学硕士学位论文 温下为气态，很容荔与空气很好地混合形成均匀的可燃混移气。汽油需要雾化后 才能同空气混合燃烧，故与汽油相比，其c 0 排放较少；与柴油相比，混和气更 加均匀，颗粒排放更少。 表2 4l p g 与其它代用燃料物性参数比较僻l 一汴竺 u 崦 天端气蕾单醇 性质、再瘟t 炷 化学分子式 c 地傩_ a l g 医c 也嗽 分子量m “5 81 6l 曩卜- 毖o3 岂0 4 沸点 叫1 2 1吨5- 1 6 2l 铷卜喝6 s 液卷密度虹一3 5 钨6 吆匏l影吣蕾钧0 理论空燃比l 鬈耋毒 1 5 71 5 1 7 31 4 6& 5 2 3 8 l3 0 诣 9 5 2 9 1 1 7 汽化潜热i d k g 2 6鞠5 5 1 0蛹 l l 低热 l t k j k s 4 6 3 5 0t 5 3 0 铽d 船8 1 3 0 理论捏合气热癌【耵k r 2 7 9z 7 9 2 7 s2 儡 2 6 7 5 理论泓古气热值町i i 3 4 93 匏3 3 93 符 十六烧值6 53 辜娩位r 甜 1 1 1 5筋l 2 0 3 09 l 爆炸极限 2 9 51 9 - - 55 1 50 6 6 56 3 6 s 白煅温度( 常压下) 5 1 01 3 06 瑚l o 辐 粘度_ s 4 ( 2 0 ) 4 5 矗4 ) 最大火焰传播蕙度锄乍1 让91 63 7 3 5 2 ，3 c ( 馐量) 8 1 87 0 56 08 6 3 7 5 化学成分h ( 埙量) l8 22 孽54 01 4 1 2 。s 0c 蜘t 量)0oo0 5 0 3 l p g 的汽化潜热。l p g 在汽化过程中从周围环境中吸收一定的热量，这 种被吸收的热量叫汽化潜热。丙烷为4 2 6 k j k g ，丁烷为3 8 5 k j k g 。所以发动机上 需要预热装置以防止冷冻，保证正常工作。 4 l p g 的蒸气压。将液态l p c = b n 注到钢瓶里，一部分液体经蒸发变成气体， 形成气液两相共存，并产生压力，但达到一定压力后，这种蒸发就自然停止，使 得瓶内压力保持一定，这时的压力即为l p g 的蒸气压。这个压力是随温度变化而 变化的。在2 0 时，丙烷的蒸气压为0 8 1 4 p a ，丁烷为0 2 m p a 。在发动机上使用l p g 时气态喷射时，可利用瓶内l p g 蒸气压，无需再使用燃料泵。 5 i ，p g 着火温度。在无火的条件下，燃料开始自燃的温度叫着火温度。柴油 为2 5 0 ：丙烷为5 1 0 ，丁烷为4 3 0 。由于l p g 的自燃温度比柴油高很多，一方 面提供燃料的安全性，但另一方面给l p g 在压燃式发动机上的使用造成困难。 6 l p g 的热值。单位体积或重量的燃料在燃烧时所发出韵热量叫低热值，按 重量单位熟值计柴油为4 2 5 0 0 k j k g ，烷为4 6 3 5 0 k j k g ，丁烷为4 5 4 3 0 k j k g 。 7 l p g 的燃烧范围及空燃比a f 。空燃比a f 是燃烧单位质量体积燃料所需 江苏大学硕士学位论文 空气的质量体积。为使可燃性气体和空气混合能够着火，燃