（动力机械及工程专业论文）进气加氢柴油机实验系统的开发及应用研究.pdf

中文摘要 中文摘要 面对环境问题和能源问题的双重压力 新能源在内燃机发展道路上的重要作用 日渐凸显 氢能作为新能源中较为有发展潜力的一种也受到广泛重视 然而 在 一定时期内传统发动机仍将在内燃机领域占据主导地位 因此将传统内燃机与新 能源结合起来的双燃料发动机在这一新旧能源的过渡时期很有研究价值 所以 本论文以进气加氢柴油机为研究对象 在对进气加氢柴油机性能进行 分析的基础上 开发了一套电控氢燃料供给系统 系统以a t m e l 公司生产的 a t m e g a 3 2 单片机为控制核心 利用高速电磁开关阀作为执行元件 采取合理的 控制策略来实现氢气喷射时间的精确控制 并使用f l u e n t 软件对喷氢嘴的安装 方式进行了分析 得出合适的安装方案 同时本文利用l a b v i e w 软件平台开发了一套进气加氢柴油机的数据采集和 分析系统 该系统可以实时采集试验系统中各参数 如 缸压 上止点位置等 将采集的数据进行处理得到迸气加氢柴油机的示功图 并计算出一些重要的发动 机燃烧参数 如 最高压力点对应的曲轴转角 最大压力升高率对应的曲轴转角 等 利用l a b v i e w 开发的数据采集和分析系统灵活方便 测试精度较高 界面 友好 用户操作方便 充分体现了虚拟仪器的特点 最后 本文就开发出来的电控系统对高速喷氢阀进行了标定实验 验证了电 控系统的稳定性与可行性 同时 进行了测量系统的实验 将测量系统采集分析 的数据进行进一步分析比较 得较为合理的分析结果 验证了测量系统的可行 性 关键词 新能源 氢燃料 进气加氢柴油机 测控系统 分类号 a bs t r a c t a b s t r a c t a st h ed u a lp r e s s u r eo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa n dt h ee n e r g yi s s u e n e w e n e r g ys o u r c e si sp l a y i n gai n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to ft h ee n g i n e h y d r o g e na san e we n e r g yi nad e v e l o p m e n tp o t e n t i a lh a sg o tp e o p l e se x t e n s i v e a t t e n t i o n i nac e r t a i np e r i o do ft i m et h et r a d i t i o n a le n g i n ew i l lr e m a i na c c o u n tf o rt h e d o m i n a n tp o s i t i o no fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s s ot h er e s e a r c ho nt h ed u a l f u e l e n g i n ew h i c hc o m b i n et h et r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew i t ht h en e we n e r g yi s v a l u e i nt h i s p a p e r t h es u b j e c ti n v e s t i g a t e d i st h e m i x i n gf u e l h y d r o g e n c o m b u s t i o no nd i e s e le n g i n e b a s eo nt h er e s e a r c ho nt h ee n g i n e t h ep a p e r p r o v i d e da l le l e c t r o n i cc o n t r o lh y d r o g e ns u p p l ys y s t e m t h ea t m e g a 3 2s i n g l e c h i p m i c r o p r o c e s s o rw a s u s e da st h ek e r n e lo fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t t h eh i g h s p e e dd i g i t a l s o l e n o i dv a l v ea st h ea c t u a t o r t h ep a p e ra l s ou s e st h ec f ds o f t w a r et or e a c ho nt h ea d j u s t m e n to ft h ev a l v e t h e p a p e ru s et h es o f t w a r el a b v i e w t od e v e l o p e dan e w s t y l em e a s u r es y s t e m t h em e a s u r e s y s t e mc a l la c q u i r et h ei n d i c a t o rd i a g r a mo f t h em i x i n gf u e l h y d r o g e nc o m b u s t i o n o nd i e s e le n g i n e a n da n a l y z e do u tas e r i e so fi m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r ss u c ha s m a x i m a lp r e s s u r ew i t hc o r r e s p o n d i n gc r a n ka n g l e m a x i m a lr a t eo fp r e s s u r er i s ea n d d r o pw i t hc o r r e s p o n d i n gc r a n ka n g l ea n ds oo n t h em e a s u r i n gs y s t e mh a sp l e n t yo f m e r i t s s u c ha sh i g h p r e c i s i o n s t a b l ep e r f o r m a n c e s t r o n ga n t i d i s t u r ba b i l i t ya n d f r i e n d l yi n t e r f a c e a tl a s tw eu s et h ee l e c t r o n i cc o n t r o lh y d r o g e ns u p p l ys y s t e mt o s c a l i n gt h eh i g h s p e e dd i g i t a ls o l e n o i dv a l v e t h i sv m f yt h es t a b i l i t ya n dt h e e f f e c t i v e n e s so ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o lh y d r o g e ns u p p l ys y s t e m a tt h es a t n et i m e b y a n a l y s i st h ed a t ea c q u i r e db yt h ee n g i n ep e d e s t a l t h er e s u l tt u r no u tt ob ea p p r o p r i a t e f e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s n e we n e r g yt e c h n o l o g y h y d r o g e n m i x i n gf u e l h y d r o g e n c o m b u s t i o nd i e s e le n g i n e e l e c t r o n i cc o n t r o la n dm e a s u r e s y s t e m c i a s sn 0 v l l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 壬聪 签字日期 2 口 c 1 年6 月3 d 日 9 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 学位论文作者签名 王谣台 导师签 签字日期 刎口 年6 月2 口日 签字日期 年衫月二口日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘建华老师的悉心指导下完成的 刘老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两年来导师 对我的关心和指导 导师悉心指导我完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给予了我很 大的关心和帮助 在此向导师表示衷心的谢意 宁智教授对于我的科研工作和论文都进行了无私的指导和帮助 在此表示衷 心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间 姜大海师兄 曹哲 马冠钦等同学对我论文 中的实验研究工作给予了热情帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的父母和女友 他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业 1 绪论 1 1 课题研究背景 1 绪论 以发动机为动力源的汽车 是现在最主要应用最广泛的交通工具 其排出的 尾气是大气污染的主要来源 1 1 环境是人类赖以生存的基本条件 是社会稳定发 展的物质基础 在诸多的环境问题中 大气污染是一个十分严重的问题 也越来 也受到人们的重视 从近年来汽车产业的发展看 清洁动力汽车是未来发展的趋 势 1 2 内燃机的代用燃料 要降低汽车尾气污染物的排放量 一方面要对发动机采用一系列清洁燃烧技 术 如废气再循环技术 三元催化器技术等 另一方面要进一步提高汽油和柴油 的油品 还有就是采用清洁排放的代用燃料 积极地推进代用燃料汽车的应用 对于我国来说 一方面环境污染问题对发展发动机的代用燃料提出要求 这 种要求主要是 清洁 方面的要求 即发动机使用代用燃料的尾气排放所造成的 污染 跟汽油 柴油相比 越小越好 最理想的状态是实现 零排放 另一方 面 大力发展代用燃料也是由我国的能源现状决定的 我国的能源总体结构是 煤多油少 2 从战略安全的角度来看 发展来源稳定的代用燃料也刻不容 缓 然而 就目前的情况而言代用燃料有很多种类 比如目前在国内已经广泛应 用的c n g l n g l p g 等代用燃料 使用这些燃料的汽车 尾气排放中不含 铅 基本上不含硫化物 确实有很大的优点 可是 石油气和天然气毕竟也是不 可再生资源 总有枯竭的一天 并且由于它们分子式中c s 的存在 使用这些 代用燃料的汽车也不可能做到零排放 因此 为了彻底从能源危机和环境保护的 双重压力下解放出来 寻找新的 清洁的 可长期使用的替代能源一直受到世界 各国的关注 目前 已被开发的能源有太阳能 海洋能 生物能 风能 水能 核能等 但是这些能源都不具备石油燃料那种突出的优点 它们或是受地理 气 候 季节 时间等条件限制 或是不具备能量比较集中 可储 可输 可以分散 使用的优点 或是本身存在放射性问题 对环境造成新的污染 总之都不是理想 北京交通大学硕士学位论文 的能源 而氢能作为一种理想的替代能源 已经取得了科学家们的共识 氢能是一种可以再生的永久性的能源 它可以用各种一次性能源 特别是核 能和太阳能将水直接分解来获得 氢燃烧后产生的水蒸气又可以重新恢复为水 这种水 氢 氧 水之间的永久性循环 使氢成为最理想的能源 氢是一种清洁的新能源 氢和氧燃烧时生成清洁和无污染的水 由于氢中 不含c s 及其他有害杂质 因此它在空气中燃烧时不会产生c 0 2 c o s 0 2 和 致癌物质 它燃烧后产生唯一的有害物为n o 由于抑制单一有害物要比抑制多 种成因复杂的有害物容易得多 更何况氢燃料内燃机的单机n o 排放量要比传统 石油燃料的单机排放量低得多 3 氢是一种有效的用途广泛的能源 更加难能可贵的是现有燃烧石油燃料的汽 车发动机 稍加改动就可以燃烧氢或掺烧氢 它也是一种高效的能源 若以储量 丰富的煤为例 1 吨煤可以经过不同途径产生燃料 当它分别产生氢 甲醇 电 汽油用于驱动汽车时 可以使汽车分别行驶1 0 3 0k m 8 7 3 k m 7 7 2k i n 7 0 8 k i n 由此可见 氢燃料汽车发动机的效率可高于汽油机4 5 5 当氢能传输 时 它的长距离管线输送能耗仅为电力超高压输送能耗的5 0 e 4 氢燃料用于汽 车时性能优越 氢的发热量为约为汽油发热量的2 8 倍多 这对各种运输车辆也 是个突出的优点 氢燃烧后的生成物具有更高的温度 氢的火焰传播速度比石油 燃料的火焰传播速度快得多 氢还有一些特点 它比煤油或汽油有更宽的着火界 限 氢混合气最小点火能量只为汽油混合气点火能量的1 1 0 0 氢能是未来最理 想的能源 表1 1 比较了柴油 氢气和天然气的相关物理化学性质差异 2 1 绪论 表1 1 氢气与柴油 天然气的物理化学特性对比f 5 燃料车用柴油氢气天然气 c 1 2 c 2 3 化学分子式以c i6 h 3 4 为代h 2主要成分c h 4 表 沸点 c l8 0 3 3 0 2 5 2 8 1 6 1 5 标准状态 密度 k g m 3 标准状态 o 0 8 9 9标准状态 8 6 0标准沸点液体密o 7 2 度7 0 7 7 汽化潜热 k j k g 3 0 15 0 64 4 7 一个大气压 质量低热值4 2 5121 5 0 7 m j k g 自燃点 c 2 0 0 2 2 05 4 04 4 7 最小点火能量 0 0 20 2 8 m j 空气中火焰传播 极限 v 空1 5 7 64 7 5 5 3 1 6 气 空气中的层流火 焰传播速度 4 0 5 03 0 04 1 c m s 氢气与天然气 柴油 汽油等燃料相比具有以下的特点 1 氢气发动机具有良好的排放特性 燃烧时从理论上讲只产生氮氧化物 和水 2 氢气与空气的燃烧范围较宽 因此氢气在气缸内的燃烧浓限和稀限两 侧都相应较宽 因此氢燃料发动机从理论上讲 具有较强的稀燃能力 3 氢气的质量热值很高 因此对于汽车来说 如果使用了氢气作为车载 燃料 将会大大减轻车载燃料的质量 但是同时由于氢气密度小 所以其装载体 积将会相对较大 3 北京交通大学硕士学位论文 4 由于氢气的密度小 所以其扩散系数较大 容易形成均匀一致的混合 气 且氢气的燃烧速度快 这些特点都有利于氢气和空气的快速混合和燃烧 因 此 氢燃料发动机一般都具有较高的热效率 5 氢气的自燃温度较高 因此燃氢发动机可以采用较大的压缩比 从而 使发动机有较高的热效率和功率 6 氢气所需的点火能量低 当发动机在部分负荷下工作时 使用氢燃料 是有利的 但同时 氢气的这一性质也决定了燃氢发动机容易产生早燃 回火等 不正常燃烧 7 由于氢气的稀薄燃烧特性 如果发动机使用废气再循环的话 可以使 用较大的废气再循环率 8 在各种燃料在内燃机的燃烧过程中 氢的滞燃期最短 所以燃氢发动机 的点火提前角可以用到最小 由于氢气燃烧速度快 其放热速度 压力升高速度 都是常用燃料中最快的 因而燃氢发动机在燃烧过程中等容度最好 过后燃烧最 少 排气温度较低 1 2 1 双燃料发动机的发展状况 内燃机的出现己有一百多年 其间 内燃机以其种种优点一直在各个领域中被 广泛使用 尤其在交通工具方面 内燃机始终处于其它动力装置无法替代的位置 6 柴油机因具有良好的动力性 经济性和耐久性 在内燃机的发展中占据着重 要的地位 柴油机广泛应用于船舶 机车 工程机械和其他稳定的动力输出设 备 尤其是大功率的输出环境 柴油机更是表现出良好的综合性能 7 1 可是柴油 机由于对于石油的依赖 不可避免的遇到了上面所分析的环境问题和能源问题 柴油机排放的可视性污染物 颗粒 较多 因此 如何降低柴油机的排放 适应越 来越严格的排放法规始终是一个重要的研究课题 其中一个有效的办法就是在柴 油机中使用替代燃料 这也正是很多研究机构研究柴油与其他混烧的燃烧方式的 原因所在 在对柴油机与其它燃料的混烧的研究中 一方面希望可以改善发动机的排放 性能 以适应越来越严格的排放法规 另一方面希望可以使得发动机的动力性能 维持在原有的水平之上 想要满足以上两点要求 就必须采用先进的发动机电控 及相关数据采集系统 随着排放法规的日益严格和电控系统的不断发展 发动机电控系 统的控制功能得到增强 但是同时需要进行控制的变量也越来越多 4 1 绪论 如燃油喷射量 喷射正时 预喷量 预喷间隔 e g r 以及其它各种控 制和修正参数等等 对于双燃料发动机来说更是如此 因此 对双燃 料发动机的电控系统的研究就显得尤为重要 同时 传统的发动机检 测设备由于成本高 灵活性差 升级困难等问题而受到种种发展限 制 目前 基于p c 机的数据测量系统成为目前应用最为广泛的数据 采集系统之一 广泛应用于如电力设备监控 汽车等测控领域 其 中 数据采集电路完成信号的获取与控制 p c 机完成信号的处理 存储与显示功能 由数据采集电路 p c 机 测试系统软件即可构成 一台虚拟仪器 v i r t u a li n s t r u m e n t 简称v i 可替代传统仪器完成测 量测试功能 8 1 1 国外的发展状况 将柴油机改装为双燃料发动机 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 9 可是我们谈到的这种混燃的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 产品化的程度还不是很深 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 其它燃料两用 对现有产品的改进具有积极意义 美国和欧洲利用他们在电控技术上的优势 开发了一系列双燃料的混燃发 动机 在这些与汽油或柴油混燃的燃料中 大多数为气体燃料 在这些技术中 按气体燃料供应方式分 l o l 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 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 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由原燃料单燃料状态运行 中小负荷工 况原燃料替代率较小 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 实验中达到了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1 0 3 l 卡特彼勒3 1 7 6 8 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 0 0 9 0 发 动机可根据需求转换为单柴油燃料的工作方式 1 2 1 美国b k m 公司研制了具有先 北京交通大学硕士学位论文 进水平的 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到9 5 而对于虚拟仪器搭建的检测 系统 国外的很多大学特别是一些企业已经开发出了很多相关产品 如美国的斯 坦福大学的机械工程系将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中 美国圣 地亚哥大学开发出了用于混合动力汽车燃油消耗和排放的模拟和优化系统 1 3 虚 拟技术在汽车行业中的应用有以下几个方面 1 4 1 发动机检测 利用虚拟技术可以完成发动机运行参数的检测和对测功机的控制 如 a d v a n c e de n g i n et e c h n o l o g i e s 公司的内燃机运行状况连续监测系统 v i e n g i n e e r i n gi n c 的测功机控制系统 电控单元检测与模拟 现在大多数汽车使用的都是电控燃油喷射系统 利用虚拟技术可以对喷油 系统进行检测 而且还可以对e c u 进行检测和模拟 如a e as r i 公司的采集 和描述燃油喷射图像系统 还有a l f a u t o m a z i o n ei n c 的e c u 的模拟和检测系统 m o t o r o l a 汽车电子的e c u 也是用n i 的相关产品进行编程检测的 道路模拟器 利用虚拟技术可以研制出完整的道路模拟器 如h o n d a 公司就研制出了一套 完整的道路模拟器 用于摩托车运行状况的检测 氢能源以其洁净性和资源的永久再生性等优点将作为传统石油燃料的理想替 代能源已经取得了科学家们的共识 氢燃料具有燃烧速度快 着火界限宽广 质 量放热率高等特点 由于传统石油燃料发动机的结构做少量变动或基本不做改动 就可直接燃用氢 这使得对氢燃料发动机的研究 特别是美 德 日等发达国家 对其研究方兴未艾 德国在氢动力车研究方面起步较早并且积极推进其发展 第 一台燃氢发动机是德国的d r r u d o l p h e r e n 实验成功的 1 9 2 5 1 9 5 0 奔驰公司生 产了第一批燃氢汽车 目前己有数十辆投入使用 宝马汽车公司对采用氢气燃料 发动机汽车产品已进行了l o 年的开发 多次展出自己研发的氢气燃料汽车 2 0 0 3 年已有多辆宝马牌7 5 0 h l 型氢气燃料发动机汽车在柏林市投入使用 1 5 日本武藏 工业大学和日产汽车公司长期合作不断将液氢发动机汽车的研究推向新的高度 日本各大汽车公司 如马自达 本田 丰田等 也都积极参与氢动力车的竞争 u 6 美国福特汽车公司同时进行氢动力汽车和燃料电池汽车的研发 2 0 0 4 年l o 月1 2 日发布了据称是世界上最清洁的氢气内燃发动机 1 7 通用汽车公司在致力于 6 1 绪论 氢气燃料电池汽车的同时 也开始支持氢气发动机汽车的研究 加拿大 法国 澳大利亚 印度 意大利等国也有不少学者投入氢动力车的研究 1 8 在我国 北 京理工大学和长安福特汽车公司均已研制成功了专门燃烧氢气的发动机 但是 氢发动机输出功率降低 且易发生回火 早燃等不正常燃烧 使氢发动机的应用 受到限制 实际上 内燃机非常适合于过渡到氢经济 而且它能够以较少的花费实现双 燃料发动机的目的 关于氢气在内燃机中的掺烧或者混燃的研究 国外很多学者 做了这方面工作 有文献 l9 详细介绍了将一台柴油机改装成氢一柴油双燃料发动 机使用的全过程 分析了热效率 排放特征 还介绍了燃料供给 异常燃烧的解 决办法等 p e r t u n e s e a l 等人在进行氢气和天然气掺烧时发现 扩展天然气发动机 稀薄燃烧极限的一种方法是在原来的燃料中添加氢气 2 0 1 还有人将氢气用于改善 植物油发动机的燃烧 2 1 现在最常见的是氢作为汽油机的部分代用燃料 下面给出介绍 氢气具有点火能量低 o 0 2 m j 火焰传播速度快 比汽油的快5 9 倍 可燃 界限宽 理论上空气过量系数以 o 1 5 1 0 等特点 所以 向汽油中掺入一部分氢 气 可使汽油发动机燃烧着火延迟期大大缩短 火焰传播速度加快 燃烧持续期 缩短 氢在燃烧时释放出o h h o 等活性中心 可大大地促进燃烧速度 抑制 爆燃 这样一来便可提高发动机的压缩比 从而提高热效率 g f o n t a n a 和他的助手们在部分载荷下进行了汽油机中添加氢气的燃烧运行 发现氢气和汽油可以在内燃机里以一个相当宽的混合比例燃烧 并且发现 添加 少量的氢气几乎可以在所有的汽油当量比下增加火焰速度 因而使发动机在空气 汽油混合的稀薄燃烧下成为可能氢作为汽油机的掺烧燃料 可以大大改善汽油 机的性能和排污 翻 他从实验所得结论有 汽油机掺氢燃烧后热效率明显提高 而且 负荷愈低时 热效率升高愈 多 在低负荷时 掺氢燃烧后 不仅提高了汽油机工作的稳定性 消除了失火循 环 减少了循环波动率 而且能使此时的热效率提高4 0 5 0 这是因为氢点 火所需的能量低 燃烧界限比汽油宽 可稀燃的程度比汽油大 火焰传播速度比 汽油快 燃烧速度快 燃烧定容度好 过后燃烧少 这一切都使汽油机的热效率 提高 油耗 含气耗 以折合能量计 率降低 汽油机掺烧氢后 c o 排放率大大下降 这一方面是氢不含碳 本身燃烧 后不产生c o 另一方面 氢促进了c o 进一步燃烧成终产物c 0 2 c o 生成的 三要素是低温 缺氧和反应时间不足 汽油机掺氢燃烧缩小了低温区和低温程 度 促进了燃烧的均匀性 减少了混合不均匀而导致的局部缺氧 提高了燃烧等 7 北京交通大学硕士学位论文 容度 减轻了过后燃烧 这一切均能减少c o 的生成 汽油机掺氢燃烧后 n o 也是下降的 而且 负荷愈大 下降 愈多 这是因为汽油机掺烧氢后 混合气形成和燃烧的均匀性提高 局部高温和局部富氧的情况得到改善 另外 促进稀燃也能降低n o 的排放 但是 如果掺氢量过高 混合气又较浓 点火提前角不适 当 则掺氢燃烧后 n o x 也有可能并未下降 甚至上升 同时也给出 了汽油机掺氢燃烧后热效率r 和排污变化的比较 2 国内的发展状况 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 2 3 东风汽车也推出了 e q l 0 3 0 t i u 汽油 l p g 两用燃料轻型载货汽车 e q 7 1 4 0 u 汽油 l p g 两用 燃料轿车 神龙富康两用燃料汽车 2 4 上海大众汽车公司对汽油机进行改造 推 出了桑塔纳汽油 l p g 两用燃料出租车 已经大量投放市场 2 5 1 天津大学的进 气道顺序喷射 柴油引燃式全电控双燃料天然气发动机研究达到了国内领先水 平 吉林大学 西安交通大学 长安大学 江苏大学 上海交通大学等院校也积 极从事相应的研究 2 叫 上海交通大学曾进行过柴油机加氢的双燃料内燃机实验研究 效果较好 现 在还在进行燃氢发动机与汽油机的车用性能对比和分析 氢气发动机循环的热力 学分析及其变化特征和涡轮增压氢气发动机工作过程的特征和变化等方面的研 究 另外 浙江大学新材料所与内燃机所合作 成功地改装了一辆燃用氢 汽油 混合燃料的中巴车 天津大学对掺氢汽油发动机的实验研究和理论分析表明 在 汽油机中添加少量氢气后 由于氢起到助然的作用 缩短了着火延迟期 火焰传 播速度加快 使发动机燃烧完全 并可实现稀燃 在部分负荷下 热效率提高率 约为7 1 5 低负荷下 提高更为明显 汽油油耗下降率约为2 0 2 5 加氢 后 降低了尾气中的c o 和h c 浓度 低负荷时效果更好 尤其是c o 降低更为 明显 在使用汽油 氢稀混合气时 n o 排放减少 2 7 天津大学还对柴油 c n g 双燃料发动机加氢燃烧进行了研究 在z h l l l 5 单缸直喷柴油机的进气口加装电 控喷气阀 实现了c n g 和氢气的可控比例气口喷射 并且在这台发动机上进行 了纯柴油 双燃料 柴油 c n g 和双燃料加氢的比较实验 研究结果表明 双燃料 加氢后可以缩短滞燃期和燃烧持续期 明显改善柴油 c n g 双燃料发动机的t h c 和c o 排放 提高发动机的经济性 2 8 1 在甲醇中添加氢气作为汽车燃料 同样显 示了良好的排放特性 i 绪论 同时虚拟仪器的开发和研究在国内近年来也得到很大的发展 从1 9 9 6 年以 来 清华大学 重庆大学 西安交大以及中科泛华电子科技公司 东方振动和噪 声技术研究所等高校和公司 在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以 及消化吸收n i 等产品方面做了大量工作 清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车 发动机检测系统 优于传统汽车发动机出厂前的自动检测 2 9 1 1 3 本课题的研究内容及意义 本文研究的内容是国家自然基金项目 预混和氢气 柴油发动机的混合气形 成与燃烧过程研究 中的部分研究内容 该项目的主要内容是 利用之前积累的 科研成果 借鉴国内外的双燃料发动机技术 通过采用氢气进气道预混合 稀薄 燃烧等技术 分析预混合氢气 柴油发动机的燃烧特性 排放特性 本文主要完 成该课题中进气加氢柴油机实验系统的开发部分 本文所涉及到的迸气加氢柴油 机实验台架最终的目的是要研究发动机混合气的形成和燃烧过程 因此对于实验 系统的开发与研究就显得尤为重要 因为如果没有一个能够按照实验目的精确的 进行氢气掺烧的实验系统 那么后续的对于混合气的形成和燃烧过程的研究就无 从谈起 本文对于实验系统的开发基本的思路就是基于实验的目的 并且结合了氢 气掺烧自身的特点 本文的创新点主要有两点 一是本实验系统中的进气加氢柴 油机以氢气为掺烧的对象 以柴油为引燃的燃料 二是本实验系统采用了基于 l a b v i e w 软件的虚拟仪器平台来采集发动机的相关参数 本文在参考大量理论资料以及实验系统的实际需要 确定了氢气与柴油的掺 烧方案 依据此方案确定了氢气喷嘴的安装方式 根据课题需要研究的内容 开 发出电控氢气喷射系统以及发动机的数据采集分析系统 最后在设计好的实验系 统的条件下 进行了进气加氢柴油机的相关台架实验 具体内容如下 1 电控系统的设计 进气加氢柴油机电控喷氢系统的硬件以及软件设计 以实现信号的采集与处 理 控制策略的运用以及控制量输出信号的生成等功能 从而实现对氢气喷射量 的准确控制 2 进气加氢柴油机测量系统的设计 利用l a b v i e w 语言编写了发动机的测量系统 包括对实时运转的发动机的缸 压信号 上止点信号 进气压力信号 排气温度信号等的采集 同时该测量系统 还实现了对缸压数据的分析 可以得到的结果包括平均示功图和压力升高率等 3 喷氢系统的设计 9 北京交通大学硕士学位论文 利用f l u e n t 软件对喷氢嘴的安装方式进行了比较分析研究 主要研究不同 的安装位置对于氢气与空气的混合状况的影响 最后得到喷氢嘴垂直喷射 喷射 压力为0 6 m p a 的喷射方案 4 实验系统的应用研究 利用开发出来的测控系统以及喷氢系统进行了进气加氢柴油机的相关台架实 验 验证了实验系统的可行性 同时也得到了发动机的部分燃烧规律 1 0 2 测控系统的硬件设计 2 测控系统的硬件设计 2 1 电控系统硬件设计 本论文中所提到的进气加氢柴油机是将常柴z s l1 0 0 m 柴油机改装成进气道 电控喷射掺烧氢气的双燃料发动机 柴油供给系统是原机的供油系统 氢气供给 系统则需要另加管路来实现 这样 在尽量对原机不做较大改变的原则下 只需 在进气管上改造一下供氢系统即可实现 柴油 氢气的不同混合比的控制只需在 进气管上改造一下 加装电控喷氢系统即可实现 之所以需要能对喷氢量可以精 确控制的电控喷氢系统是因为柴油 氢气的不同混合比对发动机的各项性能都有 很大影响 在发动机冷启动 怠速和低负荷下 由于缸内燃烧温度较低 应该严 格控制氢气的掺入量 可切换到纯柴油工作 避免燃烧不完全 造成大量h c 排 放以及燃料浪费 在中高负荷下可以加大氢气的掺入量 且后续需要对发动机进 行细致的掺烧台架实验 因此供给系统必须实现对氢气量的实时控制 这样就要 求发动机可以在不停车的条件下改变喷氢脉宽 使氢气的喷入量随发动机的负荷 和转速的变化而灵活变化 以便获取最佳的氢气掺烧量 使每一工况下均达到最 佳燃烧性能 所以 针于此要求开发了这套电控喷射氢气系统 此控制系统能实 时控制氢气的喷射量 给实验工作带来了极大的方便 以往实验室在对发动机的实验过程中 应用于发动机实验数据采集的是日本 小野公司的c b 4 6 6 型多通道发动机分析仪 其采集的缸压数据是通过打印在纸 上的数据的方式呈现 进行进一步分析的话 需要人工将其数据输入电子表格 由于采集的缸压数据量一般都比较大 因此给录入工作带来了很大的困难 对时 间也是一种浪费 本论文针对进气加氢柴油机的特点 利用虚拟仪器开发了一套 数据采集分析系统 可实现对发动机缸压等参数实时的观测 采集 存贮 分析 等功能 大大节省了后续实验数据处理的时间 本电控系统的基本功能是根据发动机运转状况以及实验的要求调节氢气的喷 射量 电控系统由传感器 e c u 执行装置三部分组成 传感器负责根据需要对 发动机的相关信号进行采集 e c u 分析传感器采集到的信号 判断 计算 并根 据控制策略向执行器发出控制信号 而执行器则按照e c u 输出的指令进行动 作 本系统的硬件框图如图2 1 所示 在能确保发动机原来动力性能的前提下 北京交通大学硕士学位论文 以改善发动机的经济性和排放性作为主要目标 并且使控制系统具有一定的变通 性 传感器e c u 传感器信号处理 喷射基准信号 一p c 机监控系统 微处理器 执行器 执行器驱动电路 一 高速喷氢阀 图2 1 电控系统硬件框图 对于该系统的要求主要是可以在各个工况下根据需要在线实时调节喷氢量的 大小 利于节油和降低排放方面的实验研究 系统结构简单 控制操作简单 喷 氢电磁阀的输出控制精确 可以根据需要切换掺氢工作方式和纯柴油工作方式 根据以上要求 电控喷氢系统的总体设计是以氢气喷射量控制为核心 在发 动机的运行过程中 由传感器检测发动机的凸轮轴位置信号 喷射脉宽根据实验 的需要可进行人工的实时在线调节 2 1 1 控制芯片的选型 控制芯片作为电控系统的核心 要实现的功能有 能够正确检测各个传感器测得的信号 根据输入信号进行分析 判断 并依控制策略决定喷射时刻和喷射脉宽 根据计算出的喷气脉宽和喷射时刻 定时向执行器发出控制信号 还要有人机对话和安全保障的功能1 3 0 1 随着后续控制系统功能的完善 e c u 要检测的信号及控制的信号越来越多 检测发动机的转速信号以及发出喷射脉宽信号 需要有很强的实时性 对中断资 源和e c u 运算性能的要求也不断提高 总之 控制芯片作为e c u 的核心 必须 具有较高的指令执行速度 有丰富的实时中断资源 高速的输入输出能力等 同 时 本文采用的电控系统要实现的功能不是很多 控制比较简单 综合以上的考 1 2 2 测控系统的硬件设计 虑因素以及试验室的现有条件 本文选用a t m e l 公司生产的a t m e g a 3 2 单片 机 该控制芯片的主要特点有 3 l a t m e g a 3 2 型单片机是一款基于a v r 内核 采用r i s c 结构的8 位单片机 该单片机有如下资源 3 2 k 字节的系统内可编程f l a s h 程序存储器 1 0 2 4 字节e e p r o m 3 2 个通 用工作寄存器 3 2 个通用i o 口线 3 个具有比较模式的灵活的定时器 计数器 t c 8 路1 0 位具有可选差分输入级可编程增益 t q f p 封装 的a d c 一个 s p i 串行端口 可编程串行u s a r t 接口 该款单片机能够满足控制系统设计任 务的要求 a t m e g a 3 2 单片机的引脚图如下图2 2 所示 x c k r r o p b 0e 1 f p b l 日2 n t 2 a i n 0 p b 2 臼3 o c 0 f a i n l p b 3q4 母 p b 4e j5 m o s i p b 5 口6 f m i s o p 8 8 臼7 f s c k p b 7 口8 蕊零盯臼9 v c ce j1o g n d 口1 1 x t a l 2 臼12 x t a l l 口13 r x d p d 0e j1 4 r x o p d l 口15 i n t 0 p d 2 臼1 6 i n t l p d 3 口17 o c 8 p d 4 口18 o c l a p d 5 口19 i c p p d 6r l2 0 p a 0f a d c 0 陬 a d c l 黝眨f a d c 2 向的f a d c 3 漩4 a d c 4 p 茂5 a o c 5 陬6f a d c 6 r a 7 a d c 7 a r e f g k d a v c c p c 7 r o s e 2 p c 8f t o s c l p c 5f r d b p c 4 t d o p c 3f 1 m s p c 2f t c k p c i s d a p c oe s c l p 0 7f o c 2 l 图2 2a t m e g a 3 2 单片机的引脚图 2 1 2 传感器和执行器的选型 1 传感器的选型 发动机控制系统的性能首先取决于获取与控制有关的工作变量和参数的精 度 传感器可以将这些物理量转换成为相应的电信号 可以通过多种方式将正在 运行的发动机的一些机械参数和热力学参数转化为电信号传到控制器 在整个发 动机电控系统中 传感器是发动机和控制单元的联系纽带 控制单元通过传感器 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 a 2 乏z z 2 北京交通大学硕士学位论文 来感知发动机的运行状态 它们是电控单元收集数据 做出决策的直接依据 传 感器的性能指标包括测量范围 精度 分辨率 响应特性 可靠性 耐久性 紧 凑性 互换性和经济性等 本论文设计的进气加氢柴油机喷氢控制单元检测的信号主要是凸轮轴位置信 号 所需的传感器为凸轮轴位置传感器 因为该传感器为e c u 提供喷射触发信 号 这信号是喷氢发喷射时刻的触发信号 是控制部分进行分析处理数据的来源 所 以传感器的选择安装调试相当关键 既要考虑到传感器信号的可靠和精度 又要 考虑到成本问题 本论文中的凸轮轴位置传感器使用霍尔式传感器 霍尔式传感器没有线圈 亦不受转速与温度的影响 输出信号电压稳定 工 作可靠 寿命长 其工作的原理即为霍尔效应 霍尔式凸轮轴位置传感器主要由 触发的标定铁块 霍尔元件 永久磁铁和电子线路等组成 永久磁铁的磁力线穿 过霍尔元件通向触发标定铁块 此时铁块相当于一个集磁器 当铁块正对准霍尔 元件时 磁力线密集 穿过霍尔元件的磁场较强 传感器输出高电位 反之 穿过 霍尔元件的磁场较弱 传感器输出低电位 凸轮轴位置传感器就是利用触发的标 定铁块改变霍尔元件的磁场强度 从而使霍尔元件产生脉冲的霍尔电压信号 这 个输出信号即作为氢气喷射的触发信号 其输出的信号是矩形波 而且是稳定 的 且只要有磁场存在 霍尔元件总是产生相同的电压 输出信号电压的大小与 发动机转速无关 即使是在发动机启动的低转速状态下 仍可获得较高的检测精 度 3 2 1 霍尔传感器安装 使用方便 输出信号为数字信号 2 执行器的选型 电子控制系统的控制功能是靠执行机构完成的 执行机构的性能好坏将直接 影响到整个控制系统的综合性能 因此执行机构的选择必须经过准确分析与计 算 本控制系统的执行机构主要是发动机的高速喷氢阀 喷氢阀是根据e c u 将氢气喷入发动机进气管的装置 由于使用的氢气是气 态燃料 所以喷射阀必须准确控制燃气体积 此外 由于所喷燃料是气体 没有 液态燃料的冷却和润滑功能 喷氢阀还要保证其具有好的密封性能和尽量减少运 动部件间的磨损 近年来研制开发出的气体燃料喷射阀主要有两种形式 高压喷射阀和低压喷 射阀 前者结构比较复杂 后者结构比较简单 类似于柴油喷射器 由于气体燃 料本身的特点 气体燃料喷射阀与燃油喷射器的最大差别是需要有较大的流通截 面积 以保证足够的气体流量 根据进气加氢柴油机的要求 本文选择喷氢阀主 要有以下要求 1 4 2 测控系统的硬件设计 要具有较高的可靠性 耐久性及安全性 喷射阀的阀前压力最好在o 5 1 0 m p a 因为喷射阀的工作压力是选择喷射 阀的一个重要参数 如果喷射压力过低 则不利于进气 如果喷射压力过 高 则储气瓶中的气体燃料则得不到充分利用 造成浪费 喷射频率 本文研究的进气加氢柴油机的额定转速为2 0 0 0 r m i n 最高转速 不能超过2 2 0 0 r m i n 在最高转速时 每秒种有1 8 个工作循环 每个工作循环 喷射阀需喷射一次 因此喷射阀的工作频率应该在1 8 h z 以上 流量 指所需气体燃料流量 需根据系统喷射要求进行计算 开关特性 即开闭响应时间 在综合考虑了喷射阀的各种参数要求之后 本文开发的进气掺氢柴油机决定 选用贵航集团红林机械公司的h s v 系列s p 0 2 1 s 1 型螺纹插装式两通常闭型开关 式高速电磁阀 该阀主要由电磁线圈 球阀 球阀座 阀体 推杆 极靴和衔铁 等组成 电磁线圈接通电流时就会产生电磁力 当电磁线圈通电时 衔铁在线圈 产生的电磁力作用下移动 同时通过顶杆使球阀运动 使球阀离开密封座将通道 打开 实现供气 当电磁线圈断电 球阀在进气口和出气口气体压差的作用下运 动 靠在其密封座上 关闭燃气通道 停止供气 喷射阀结构如图2 3 所示 进气口 12 34567 8 出气口 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 图2 3 喷射阀结构图 该喷射阀的特点为结