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大功率天然气发动机双燃烧室系统设计【3张图纸】【优秀】

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关键词：: 大功率天然气发动机双燃烧室系统设计图纸发动机双燃烧室大功率天然气发动机

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大功率天然气发动机双燃烧室系统设计

53页 29000字数+说明书+外文翻译+开题报告+3张CAD图纸【详情如下】

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1　绪论……………………………………………………………………………1

1.1 天然气的物理化学特性……………………………………………………2

1.2 天然气在发动机上的应用……………………………………………4

1.3天然气发动机研究现状…………………………………………………4

1.3.1 火花塞点火的天然气发动机……………………………………………4

1.3.2 柴油-天然气双燃料发动机………………………………………………5

1.4 本课题的研究意义…………………………………………………………8

2　燃烧室结构设计……………………………………………………………10

2.1　天然气发动机的选择………………………………………………………10

2.2 喷油嘴结构参数对双燃料发动机性能的影响…………………………11

2.3　燃烧室形状、压缩比对天然气发动机性能的影响………………………13

3　燃烧放热热力学模型研究…………………………………………………17

3.1　模型的基本假设……………………………………………………………17

3.2　放热率计算的热力学模型…………………………………………………17

3.3　缸内工质质量的计算………………………………………………………20

4　性能实验及喷气计数值MAP图的实现……………………………………22

4.1　试验方案……………………………………………………………………23

4.2　供给量MAP的制取与试验分析…………………………………………24

4.3　喷气计数值MAP图的模型及实现………………………………………24

4.3.1　喷气计数值MAP的计算模型…………………………………………25

4.3.2　计算模型在MATLAB中的实现………………………………………26

4.3.3 喷气计数值MAP图应用分析…………………………………………28

4.4　本章小结……………………………………………………………………28

5双燃料发动机电控系统方案设计与硬件设计……………………………28

5.1　电控系统结构及工作原理…………………………………………………29

5.1.1　电控系统结构……………………………………………………………29

5.1.2　电控系统工作原理………………………………………………………30

5.2　电控系统的方案设计………………………………………………………30

5.2.1　微处理器…………………………………………………………………30

5.2.2　传感器……………………………………………………………………31

5.2.3　执行器……………………………………………………………………34

5.3　电控系统的硬件设计………………………………………………………36

5.3.1　控制电路功能介绍………………………………………………………36

5.3.2　输入信号处理模块………………………………………………………36

5.3.3　输出信号处理模块………………………………………………………38

5.3.4　ECU控制模块……………………………………………………………41

5.3.5　键盘和显示模块…………………………………………………………42

6技术与经济性分析……………………………………………………43

7 结论……………………………………………………………………44

致谢………………………………………………………………………………45

参考文献…………………………………………………………………………46

附录A MATLAB程序（制取MAP图）……………………………………47

附录B 译文……………………………………………………………………49

附录C 外文文献………………………………………………………………55

摘要

　　　目前，在世界范围内，随着石油资源的逐渐短缺和大气污染的日趋加剧以及排放法规日益严格，开发代用燃料汽车迫在眉睫。天然气是一种分布广、储量丰富的能源，具有“洁净、廉价、安全”的特点，成为最有潜力的替代燃料。我国柴油汽车保有量大，而柴油汽车碳烟颗粒和氮氧化物(NOx)排放比较严重，对城市环境及人类健康危害很大，因此开发一种基于柴油引燃的双燃烧室构造的柴油-天然气双燃料发动机成为解决排放问题的有效途径。

　　　本文在XN2100柴油机的基础上，进行了基于柴油引燃的柴油-天然气双燃料发动机的改装，通过不同供油特性参数、不同喷油嘴结构参数、不同燃烧室形状和压缩比的对比试验研究，并在改装的实验台架上完成天然气的替代率优化试验，同时进行供给量MAP图的制取。随后提出了喷气计数值MAP图的计算模型，并利用MATLAB的数据计算、数据建模功能，生成了喷气计数值MAP图，最终找到了将XN2100柴油机改装为柴油-天然气双燃料发动机的最佳改装匹配方案，最终开发出一种柴油-天然气双燃料发动机。

关键词：天然气发动机；双燃烧室；替代率；MATBLAB　　　CA6102N-1型天然气-汽油发动机，改进了进气道结构，压缩比从原来的6.75提高到7.6，燃用天然气时，最大功率及最大扭矩分别达到使用汽油时的92%和90%。由于天然气燃烧速度比汽油慢，为了提高热效率，相应的点火提前角要比燃用汽油时增大。

　　　国外许多公司均开发了天然气汽车改装系统[11]，如美国的Stewart＆Stevenson、IMPCO Techn0109ies Inc、Hatch＆Krik Inc、EDO、ANGI公司等。这些公司将微处理机用于转换系统，使全系统达到天然气与空气最佳混合，提高了天然气发动机的性能。

　　　二、单燃料天然气发动机

　　　单燃料天然气发动机的结构专为燃用CNG燃料而设计，以保证气体燃料能得到有效的利用。单燃料天然气发动机又可以分为由汽油机改装的天然气发动机和由柴油机改装的天然气发动机。

　　　一般来说，由汽油机和柴油机改装的火花点火式天然气发动机与原机相比，动力性可能会有所下降。目前，汽油机改装的天然气发动机的功率恢复主要通过电子控制燃料供给系统、电控点火系统及采用增压技术，提高改装后发动机的效率及动力性。而由柴油机改装的火花塞点火式天然气发动机的功率恢复主要是通过合理选择压缩比，优化燃烧室结构，优化控制天然气与空气的混合及燃烧过程，优化点火控制并提高点火能量及采用增压技术等措施来实现。

　　　为了提高热效率。减少后燃及爆震的可能性，对于缸径较大的天然气发动机，除了采用高能点火系统外，还要采用双火花塞点火，以减少火焰传播距离，缩短燃烧持续期。

柴油-天然气双燃料发动机

　　　一、双燃料发动机开发现状

　　　柴油-天然气双燃料发动机是在原柴油机基础上改装的既可以燃用天然气（以少量柴油引燃）又可以用柴油作为单一燃料的一种发动机（以下简称双燃料发动机）。目前，双燃料发动机因具有使用燃料灵活、碳烟排放少、发动机改动小、改动成本低等特点而具有良好的推广前景[12]。将柴油机改为双燃料发动机应该达到以下目标：发动机改动小，与原机相比，动力性保持不变或略有提高，排放指标应有大幅度的改善：具有良好的安全性和可靠性。

　　　目前，大多数双燃料发动机的引燃油量由原来的机械式喷油泵控制，只增加一套供气系统，而不必对柴油机做很大的改动就可实现双燃料运行。怠速工况一般在柴油单燃料状态运行，中小负荷工况天然气替代柴油的比例较小，而在高负荷工况天然气在所消耗的燃料总量中可达到较大比例。

　　　为了提高双燃料发动机天然气替代柴油的比例，有的柴油机在原有的输油管路与喷油器之间增加一小型高压油泵（点火油泵）控制点火用的少量柴油，可大大提高控制精度，点火油量可减少至柴油运行时全负荷喷油量的1%[11]。点火油泵和主喷油泵的进油口连接在同一输油管路上，两油泵的出油口分别与喷油器的两个进油口相连，喷油器两个进油口内部均设有单向阀，防止由主喷油泵和点火油泵供入喷油器的高压燃油倒流。在双燃料运行状态下，气体燃料的导入量决定了发动机的功率大小，而工作于纯柴油运行方式时，发动机的功率大小由主喷油泵的喷油量决定。

　　　美国C1ean Air Partner公司与加拿大阿尔伯达州卡尔加里市代用燃料系统（AFS）公司联营，共同开发出多点喷射的双燃料控制系统，并应用在10.3L卡特彼勒3176B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，燃用的天然气可达燃料总量的60%～90%，发动机根据需要能转换为100%燃用柴油[13]。

　　　美国BKM公司研制了具有先进水平的“微引燃”双燃料系统[14]，用接近1%的引燃柴油为天然气发动机提供所需要的点火能量。这一系统的核心是采用Servoiet电控液压泵喷嘴控制点火油量及天然气多点电子控制顺序喷射装置和专用的计算机软件。这一系统为降低小负荷时的未燃HC排放及提高天然气替代柴油的百分率，采用了断缸、增压空气旁路、废气再循环及优化引燃油的喷射正时等措施，从而在所有工况范围内使天然气在所消耗的燃料总量中超过了95%。

　　　DDC6V-92TA增压双燃料发动机则采用天然气电子泵喷嘴[15]。天然气的喷射压力在14MPa以上，电子泵喷嘴对燃料的调节和控制更为精确。

　　　在国内，有研究者在改装的TY1100双燃料发动机上开发了一套电控天然气喷射系统[16]。该系统将天然气电子喷射阀安装在进气管根部，在进气管处喷射。试验表明：双燃料工况时，烟度基本达到了“零排放”，在中负荷附近NOx的排放量比原机降低了67%左右，在整个负荷范围内噪声比原机降低2dB以上。

内容简介：: 中文题目：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计外文题目：THE DESIGN OF HIGH POWER DUAL-CHAMBER CNG ENGINE 毕业设计（论文）共 60 页（其中：外文文献及译文 12 页）图纸共 5 张完成日期 2010 年 6 月答辩日期 2010 年 6 月辽宁工程技术大学毕业设计（论文）附录B 译文压缩天然气/柴油双燃料发动机的排放物RBF神经网络的研究Liuzhentao Feishaomei摘要：为了解决严重的环境污染和能源资源的急剧下降，各国都已作出巨大努力。中国的燃料储备和发动机技术的现状表明，压缩天然气（CNG）/柴油双燃料发动机是解决上述问题的最佳方案之一。为了研究和提高天然气/柴油发动机，均衡器发射模型是基于径向基函数的排放性能（RBF）神经网络。这是一个黑盒子输入输出数据模型，不需要先验条件。RBF的中心和连接可自动选择，根据测试数据的分布和投入产出给定的空间以及近似误差。研究表明，预测结果都符合了一个在低负荷运行条件下，大范围，高负荷的实验数据。发达国家的排放量模型的RBF神经网络可以用来成功地预测和优化DFE排放量。同时，该均衡器的主要性能参数，如转速，负荷，试点数量和喷射时间，效果也符合模型的预测方法。在天然气/柴油发动机排放预测模型基于RBF神经网络的分析中，主要分析了对二氧化碳的主要性能参数的影响和内置的DFE-NO的排放量。预测结果比较符合传统的排放模式，这表明该模型具有一定的应用价值，但由于其对实验样本数据量高度依赖，因此还有一定的局限性。关键词：双燃料发动机，排放性能，RBF神经网络引言由于严重的环境污染和世界各地的能源危机，开发降低能源消耗的汽车成为主要的研究目标。天然气（CNG）发动机采用压缩空气为燃料，具有更高的效率和降低污染的突出优势。该天然气/柴油均衡器专门为城市公交车也可明显降低城市空气污染，尤其是大城市。因此，对均衡器燃烧过程的研究，特别是排放性能，是非常重要和宝贵的，在一般情况下，燃烧过程和发动机的机制所涉及的物理和化学合成的过程。由于其复杂性和即时性，没有合适的解析函数来描述它的燃烧过程，特别是对均衡器。在这个新的排放模型径向基函数中提出了天然气/柴油均衡器。RBF神经网络理论RBF神经网络的结构特别是在神经网络RBF神经网络，已成为近年来受欢迎因为它出色的识别和预测能力。径向基函数的RBF神经网络的基础上，通常是一个非线性径向对称函数。高斯函数的径向基函数的核心功能，拥有两个向量参数x和C; X是自变量向量这个函数，C为核心径向基函数。越野形成一个与C为中心，是椭圆的半径椭圆函数。基于RBF神经网络的神经元的功能是作为RBF神经网络调用。 RBF神经网络包括三个层次，第一层是输入层，其元素CON组，形式的输入参数的数量，第二层是隐层径向基函数的许多神经元组成;隐层节点的计算欧几里德之间的中心和网络的输入向量，然后距离的结果传递到径向基函数，最后一层是输出层组成的共同线性神经元。 RBF神经网络的工作结构如图1所示。这种模式有R输入和P输出，与输入和输出之间的关系，这是模型如下：基于RBF神经网络的工作原理该网络结构见Fig.l;其中输入向量X = ab a2,., aN,理想输出系列Yj（j=1,2 . P）,实际输出系列Yj和重量在输出层Wij值可以得到的RBF神经网络，具有输入R和M隐藏节点和P输出。选择高斯函数，（x）=exp（-x2），= 3的径向基函数，实际输出系列Yj是由下列公式计算：然后，Wii的权值调整，以满足下面的公式，从其中的RBF神经网络可以得到最终结果。基于RBF神经网络的排放模型开发模式的发展由于有限的试验单位，该部分的甲烷数量无法获得，因此该模型只包括二氧化碳，NOz排放。该模型的结构图1所示。在这个模型中的输入输出关系如下:输入层节点数被选择作为与输入参数相同的参数，R=4，输出层节点的数目是作为与输出参数相同的参数，P=2，E0被设置为0.15%。试验数据是根据测试得出的，测试发动机的规格在表1中已经给出。有100组以上的数据是在轻载低转速到高负载高转速下得出的，这是为了试验RBF神经网络，还有20组数据是在大范围工况试验下得出的，以验证模型。通过使用实验数据对网络进行试验后，经过约15000个周期，总结平方误差可达0.15%。于图2所示。而隐层节点数M还证实，其中隐层节点数为11。模型的验证该模型也验证了一个双燃料发动机的规格：DxS=108mmx125mm，额定功率/转速= 112kW/2800转/分。图3显示，模拟结果和一氧化碳的测试结果，第13个操作条件较好的排放量也分别表示，该模型也可以用于预测DFE的二氧化碳排放基于模型的CO, NOx的排放预测发展这一模型的目的是用它来预测均衡器的一氧化碳，氮氧化物排放量。以下是由该模型对几种主要操作参数对二氧化碳，氮氧化物的排放量变化的影响。旋转速度的影响图4中在特定情况下旋转速度CO和NOx排放量的变化表明CO排放随转速增加。这种情况发生是因为与燃烧时间缩短，提高转速情况下一氧化碳不能完全氧化。然而，氮氧化物排放量随转速减少。这是因为在早期减少热量输出和在汽缸因增加旋转速度减少。因此，时间和氮在它缩短，降低温度，因此氮氧化物排放量减少。CNG数量的影响在特定工况下，CNG数量对CO和NOx排放影响如图5所示。天然气的数量的影响同该引擎负荷有相同的效果，所以这里的发动机负荷是用来显示天然气的数量所引起的效果。增加天然气数量增加了热输出和汽缸的最高温度。因此，它在燃烧过程中充分完成，因此二氧化碳排放量减少和氮氧化物排放量增加。试点的影响在轻载状态下，试点数量对CO和NOx排放影响的效果如图6。可以看出，氮氧化物排放量的变化并不明显，甚至增加试点的数量也是如此。但二氧化碳排放量减少，因为在轻载状态下气缸中的天然气数量变小，因此，即使是试点数量，早期热输出和在气缸内的最高温度的升高，氮氧化物排放量的变化也不大，但由于氮氧化物由于激烈的氧化使CO的排放量减少。在重载状态下，试点数量对CO和NOx排放影响的效果如图7。可以看出，CO排放量相对于轻载状态下要少，NOx的排放量要相对于轻载状态下要高得多。随着试点数量的增加和气缸内天然气的增加，二氧化碳排放量减少，氮氧化物排放量由于点火能量和总热量的增加而增加。喷油定时的影响在轻载荷状态下喷油定时对二氧化碳，氮氧化物排放量的影响如图8所示，表明与喷油定时的增加，二氧化碳排放量和氮氧化物排放量不同时增加或重新下降。这意味着在轻载状态下有最佳喷射时间以使二氧化碳，氮氧化物排放量最少。在图9可以看到在重载情况下有同样的结果。模拟的结果表明（图8和图9）16 CA是在这个均衡器的最佳注射时间。结论在天然气/柴油双燃料发动机排放预测模型RBF神经网络工作的基础上，建立以供分析的一氧化碳，氮氧化物排放的DFE主要参数的影响。模型模拟传统的排放量相一致的结果表明，该模型具有一定的应用价值。该模型的验证也证明，模拟结果与试验数据吻合。因此，该模型可以做为理论基础，以提出预测的性能和排放量。在实践中，该模型可以被用来作为提高和优化均衡器参数的重要方法。该模型仍然有它的局限性，因为它是以高度的实验样本数据数量为基础的。附录C 外文文献15 大学本科毕业设计（论文）开题报告题目大功率天然气发动机双燃烧室系统设计指导教师院（系、部）机械工程学院专业班级学号姓名日期教务处印制一、选题的目的、意义和研究现状选题的目的、意义：随着全球汽车保有量的逐步攀升和世界新兴经济体工业大发展的需要，近年来石油使用量节节攀升，使世界剩余可用储量不断下降。据估计，目前全世界探明石油储量在过三十年就要消耗殆尽，之后世界的能源必将经历一次较大的危机，因此近年来各种新能源技术不断的被开发出来，而天然气作为一种储量丰富的清洁能源越来越表现出良好的应用前景-特别是压缩燃烧的天然气发动机近十几年来得到了高度重视。天然气发动机的使用，在一定程度上缓解了这种现象的发生，并且天然气是一种相对比较清洁的能源，也比较符合目前世界积极要求环保的要求和潮流。天然气与汽油相比，天然气具有价格便宜、辛烷值高、燃烧充分、低硫、低氮、无灰及减少环境污染等优点。并且天然气发动机的各种操作性能，如冷启动、耐磨损、易维护等优于汽油发动机，因此，本文对天然气发动机的工作机理以及设计进行了较深入的探讨和研究。研究现状：随着世界经济的飞速发展，汽车保有量的急剧增加，汽车给人们带来了极大的便利，对人类社会发展作出了巨大贡献，但同时消耗大量的石油资源、排出大量的有害气体，并对人类生存环境造成较大的危害，成为城市污染的主要污染源。为解决这一问题，人们一直在寻求改变能源结构，采用低公害的汽车代用燃料的途径。国际上一些大的汽车公司相继开发出电动汽车、醇类汽车、天然气汽车。从技术成熟度、经济性、易普及程度、资源等方面因素看，天然气汽车优于电动汽车、醇类汽车。因此近年来世界上汽车总保有量超过7.5亿辆，其中天然气汽车保有量已超过600万辆，加气站数量6000座以上，主要分布在富气贫油的意大利、新西兰、阿根廷、印尼等国家和环保法规严格的美国、日本等。目前，国外CNG发动机已在广泛应用第三代的技术，更先进的LNG缸内直喷技术已得到小批试用，其动力性、经济性和排放俱佳，但其开发难度大，费用昂贵，成本也高，国内尚未开始研制。第一代产品是机械式，第二代属于简单闭环控制，第三代是采用电控喷射CNG技术。电控喷射CNG系统采用高压喷射，通过节气门传感器，气体流量传感器，转速传感器，水温传感器，进气温度传感器，压力传感器和氧传感器等经过中央处理单元来控制点火、空燃比等。二、研究方案及预期结果（设计方案或论文主要研究内容、主要解决的问题、理论、方法、技术路线及论文框架等）研究内容：本课题主要研究的内容是大功率天然气发动机双燃烧室的系统设计。主要包括：双燃烧室的结构尺寸设计；热力学燃烧模型的提出；不同工况下天然气供给量以及替代率的研究；对柴油引燃量和天然气供气量的电子控制等。解决问题的方法、主要理论：搜集有关资料，整体方案的构思，提出方案设计，绘制结构，整体结构设计草图，进行主要参数设计；提出热力学模型，通过matlab进行天然气喷气计数值的绘制。主要理论包括：汽车构造；热力学基础；matlab程序设计；电子技术等技术路线：整体方案的构思提出方案设计绘制结构整体结构设计草图进行主要参数设计得到不同工况下天然气进气量绘制matlab三维图设计系统电子控制模块预期成果：完成毕业设计。1）说明书一份，其中包含必要的文字说明，及相关设计。2）绘制工程图，其中包含电路图，装配图，及部分零件图。论文框架：第一章绪论第二章燃烧室结构设计第三章燃烧放热热力学模型研究第四章性能实验及喷气计数值MAP图的实现第五章双燃料发动机电控系统方案设计与硬件设计第六章技术与经济性分析第七章结论三、研究进度第1-2周毕业实习,查阅相关资料，熟悉毕业设计任务;第3-4周撰写开题报告第5-6周选取结构参数，了解基本结构第7-8周：进行燃烧热力学模型研究第9-10周：进行喷气计数值MAP图的绘制第11-12周：电控系统方案设计与硬件设计第13-14周：编写说明书；第15-16周：打印说明书和图纸，装订整理，准备答辩1.王望予张建文汽车设计 M.第4版.北京: 机械工业出版社.2004.08.2.陈家瑞汽车构造 M 第二版.北京：机械工业出版社.2005.01.3.刘惟信汽车设计 M.北京：清华大学出版社.2000.014.余志生汽车理论M.第四版.北京: 机械工业出版社.2006.05.5.孙志礼冷兴聚等机械设计 M.第1版.沈阳: 东北大学出版社.2000.09. 6.余梦生吴宗泽机械零部件手册 M.第1版.北京: 机械工业出版社.1996.06.7.上海市石油学会车用燃气与加气站建设 M 北京：中国石化出版社.2001.108.孙济美天然气和液化石油气汽车 M.北京：北京理工大学出版社.2001.019.邵毅明压缩天然气汽车改装与维修 M.北京：人民交通出版社.2004.0510.费少梅.严兆大压燃式双燃料发动机燃烧模型的新进展燃烧科学与技术 1996(4)11.曾秦煌.电子技术M.高等教育出版社.200612.胡乾斌，李光斌，李玲，喻红.单片微型计算机原理及应用M.华中科技大学出版社.200113.周云山，钟勇. 汽车电子控制技术M.机械工业出版社.200114.Gu X J.Hog M Z.Lawes M Laminar burning velocity and markstein lengths of methane air mixtures 2000(1)四、主要参考文献五、指导教师意见指导教师签字：6 摘要目前，在世界范围内，随着石油资源的逐渐短缺和大气污染的日趋加剧以及排放法规日益严格，开发代用燃料汽车迫在眉睫。天然气是一种分布广、储量丰富的能源，具有“洁净、廉价、安全”的特点，成为最有潜力的替代燃料。我国柴油汽车保有量大，而柴油汽车碳烟颗粒和氮氧化物(NOx)排放比较严重，对城市环境及人类健康危害很大，因此开发一种基于柴油引燃的双燃烧室构造的柴油-天然气双燃料发动机成为解决排放问题的有效途径。本文在XN2100柴油机的基础上，进行了基于柴油引燃的柴油-天然气双燃料发动机的改装，通过不同供油特性参数、不同喷油嘴结构参数、不同燃烧室形状和压缩比的对比试验研究，并在改装的实验台架上完成天然气的替代率优化试验，同时进行供给量MAP图的制取。随后提出了喷气计数值MAP图的计算模型，并利用MATLAB的数据计算、数据建模功能，生成了喷气计数值MAP图，最终找到了将XN2100柴油机改装为柴油-天然气双燃料发动机的最佳改装匹配方案，最终开发出一种柴油-天然气双燃料发动机。关键词：天然气发动机；双燃烧室；替代率；MATBLABABSTRACTAt present ,with the shortage of oil resources and air pollution is gradually becoming more intensified and increasingly stringent emissions regulations around the world, development of alternative fuel vehicles imminent. Natural gas is a widely distributed, abundant energy, a clean, cheap and safe features, the most promising alternative fuel. Large amount of diesel cars in China, while diesel vehicles soot particles and nitrogen oxides (NOx) emissions of more serious, on the urban environment and human health risks big, so the development of a dual-fueled diesel-based structure of the diesel combustion chamber - natural gas dual fuel engine as an effective way to solve the emissions problem. In this paper, XN2100 engine based on the ignition for diesel-based diesel-natural gas dual fuel engine conversion, oil supply through different parameters, different nozzle structural parameters, different combustion chamber shape and the compression ratio comparing experimental study and In the modified test bench to complete test optimal replacement rate of natural gas, at the same time supply system to take MAP map. Then proposed MAP plan jet count calculation model and the data calculated using MATLAB, data modeling, generate a jet counts MAP map and finally found the will XN2100 diesel engine converted to diesel - the best natural gas dual fuel engine conversion matching program, the ultimate development of a diesel - natural gas dual fuel engine. Key words: CNG engine; dual-chamber; Replacement rate; MATBLAB 55目录1绪论11.1 天然气的物理化学特性21.2 天然气在发动机上的应用41.3天然气发动机研究现状41.3.1 火花塞点火的天然气发动机41.3.2 柴油-天然气双燃料发动机51.4 本课题的研究意义82燃烧室结构设计102.1天然气发动机的选择102.2 喷油嘴结构参数对双燃料发动机性能的影响112.3燃烧室形状、压缩比对天然气发动机性能的影响133燃烧放热热力学模型研究173.1模型的基本假设173.2放热率计算的热力学模型173.3缸内工质质量的计算204性能实验及喷气计数值MAP图的实现224.1试验方案234.2供给量MAP的制取与试验分析244.3喷气计数值MAP图的模型及实现244.3.1喷气计数值MAP的计算模型254.3.2计算模型在MATLAB中的实现264.3.3 喷气计数值MAP图应用分析284.4本章小结285双燃料发动机电控系统方案设计与硬件设计285.1电控系统结构及工作原理295.1.1电控系统结构295.1.2电控系统工作原理305.2电控系统的方案设计305.2.1微处理器305.2.2传感器315.2.3执行器345.3电控系统的硬件设计365.3.1控制电路功能介绍365.3.2输入信号处理模块365.3.3输出信号处理模块385.3.4ECU控制模块415.3.5键盘和显示模块426技术与经济性分析437 结论44致谢45参考文献46附录A MATLAB程序（制取MAP图）47附录B 译文49附录C 外文文献551绪论内燃机在其发展的一百多年中,为人类文明的发展起到了巨大的推动作用。由于它热效率高，适应性好，功率范围宽广，已被广泛应用于工业、农业、交通运输业和国防建设等行业。随着现代科学技术的不断发展，计算机、自动控制、精密测量等新技术不断被应用到内燃机上，推动着内燃机技术的不断提高。内燃机在以后的相当长时期内将继续在人类文明发展中扮演重要角色。但是，内燃机在给人类带来方便、快捷、舒适的同时，它也给人类带来了一系列尖锐的、不可回避的问题，主要有两个方面：环境污染和能源问题。当前，全球污染己日趋严重。2003年9月，世界自然保护基金组织公布了2003年全球环境指数。报告显示，从1970年到2003年，全球环境指数下降了30%左右。在大气污染中，汽车尾气排放所造成的污染占大气污染的60%-70%。当今，举世瞩目的“温室效应”、“光化学烟雾事件”等都与汽车排放的污染物有关。由此可见，汽车尾气排放对环境污染的严重性。在能源方面，从能源储备来看，我国是石油资源贫乏的国家。石油资源短缺的情况十分严重，产量的增长远远落后于经济的增长。从1993年起，我国己经成为净石油进口国，每年进口石油增长超过1000万吨。据专家预测，随着我国私人轿车拥有量的迅速上升，到2012年，我国的石油缺口将达3亿吨1。石油短缺己经成为制约我国经济快速、健康、稳定发展的瓶颈。随着可持续发展观念的形成，寻求社会、经济、人口与资源、环境的相互促进与协调发展已成为世界性潮流。针对内燃机所带来的问题，世界各国政府和科学家都在积极探索和研究解决的途径。为了降低内燃机的燃油消耗，排气污染物，内燃机的工作者一直致力于内燃机新技术的研究，电控技术、分层燃烧、稀薄燃烧、多气门技术、可变气门升程、可变气门定时、排气再循环、增压及增压中冷、排气后处理等技术不断被应用到内燃机上2。在进行内燃机新技术研究的同时，积极开发清洁代用燃料也是解决由内燃机带来的能源短缺和环境污染问题的重要途径之一。据1997年在美国召开的代用燃料研讨会的资料分析，在石油代用燃料的探索中存在着多样化的趋势。但据欧美专家分析，在诸多的内燃机清洁代用燃料中，诸如氢（Hydrogen ）、甲醇（Methanol）、乙醇（Ethanol）、天然气（包括压缩天然气CNG和液化天然气LNG）液化石油气（LPG）等等，最具潜力的是天然气。大量的试验与测试表明，燃烧天然气与燃烧油料相比较，内燃机尾气中的CO, NOx和颗粒排放有显著的改善，且天然气兼具资源丰富、分布广泛、价格低廉等多方面的综合优点。同时，天然气发动机可以方便地在汽油机和柴油机上进行改造，对原机变动小，改造成本低，适合于大力推广。目前世界上己有50多个国家发展天燃气发动机（主要用于汽车），并且发展趋势还在进一步加快。对我国来说，目前资料显示，我国拥有相当丰富的天然气资源，预计可开采资源量总计为11.55万亿m3，为世界144万亿m3的5%，后备资源潜力非常大，但天然气的利用率却很低，为调整我国的能源结构.充分利用丰富的天然气资源，国家己将天然气工业作为发展潜力巨大的战略产业予以优先发展。预计今后15-20年内，我国可形成4个年产100-200亿m3以上，两个年产量50亿m3以上的大型天然气生产区，其中车用燃料是天然气需求的一个重要方面。近年来，天然气资源的开发和发动机燃用天然气的技术研究作为新的研究领域正在迅速发展。燃用天然气的发动机通过良好的控制可以比同等的汽油机和柴油机具有更低的排放，有利于解决日益严重的大气污染问题；同时天然气是一种廉价的燃料，而且分布广泛，具有良好的资源配置优势，以天然气作为代用燃料将减少国家对进口石油的依赖程度。因此天然气是传统发动机燃料的理想替代品。1.1 天然气的物理化学特性天然气是一种常用的工业和民用燃料，是继煤和石油之后的第三大能源。了解天然气物化特性与传统燃料物化特性的差别是使用好天然气的前提和基础。天然气产于单纯的天然气田或者石油产区，是一种优质的气体燃料。在石油产区的天然气中含有石油蒸汽等较多的重碳氢化合物，被称为伴生气或石油气。单纯的天然气田产的天然气被称为干天然气，其主要成分是甲烷（CH4），其次是乙烷等饱和碳氢化合物，不含石油蒸汽，各种碳氢化合物在天然气中的含量一般超过90%。除了碳氢化合物以外，天然气中还含有N2，O2，CO2，H2S等。表1-1中列出了天然气和柴油及其它代用燃料的物理、化学特性3。从表中各种燃料物化特性的比较，我们可以分析得出，天然气作为发动机的代用燃料，主要具有以下特点：1、天然气的主要成分甲烷中，只含有C-H键，不含C-C 键。这样的结构，有利于天然气在燃烧的过程中，减少碳烟和微粒排放，进而降低天然气发动机的可见烟度排放。2、抗爆性能好。天然气的辛烷值可以高达130左右，这样就使得天然气发动机可以采用比较高的压缩比，以提高发动机的动力性和经济性。3、天然气的着火温度比柴油高，火焰传播速度慢，因此需要比较高的点火能量。天然气的相对分子质量小，比柴油的理论空燃比大，所以虽然其质量低热值比柴油高，但其理论混合气热值却比柴油低，这就要求增加天然气发动机的循环供气量，以达到燃烧柴油状态下的动力性。表1-1 柴油与其他待用燃料物化特性Tab.1-1 The Characteristic between Diesel oil and Other Substitute Fuel特性柴油天然气丙烷甲醇分子式CxHyCH4C3H8CH3-OH分子量190-22016.0444.1132.04沸点（）180-360-161.5-4265液态密度（g/cm3）0.840.4240.5010.79低热值（MJ/Kg）42.550.0546.3619.5着火极限（%）0.6-6.55-152.1-9.46-36.5着火温度（）250537470450十六烷值40-55-5理论空燃比14.617.2515.666.5汽化潜热（KJ/Kg）2505103701110辛烷值50130111.5-4、天然气与空气混合后的工作混合气具有很宽的发火界限，其过量空气系数范围为0.6-1.84，允许在大范围内改变混合比，提供不同成分的混合气，这样就使稀薄燃烧技术在天然气发动机上的实现变得更为容易。5、实用性能好。以天然气为燃料的发动机，冷起动性能好，运转平稳。由于天然气中不含柴油燃料中的胶质，故燃烧时就不会产生积碳。同时，天然气中硫的含量和其它机械杂质含量远低于柴油，所以对气缸套、活塞、活塞环和气门等零部件的危害较小。天然气发动机的寿命较长，维修费用大大降低。6、有害排放物降低。天然气和空气同为气相，易实现均匀混合，燃烧相对比较完全，CO和微粒的排放大幅度降低。发动机采用柴油-天然气双燃料工作时，烟度可以降低到柴油机的10%左右，几乎呈无烟状态工作。天然气的主要成分甲烷是碳氢原子比最小的烃类化合物，以产生相同的热量计算，天然气燃烧产生的CO2也比柴油降低15%以上5。未燃烧的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6。7、携带性差。天然气的沸点很低（-162），液化困难，如果作为汽车发动机燃料的话，不利于车辆携带，行驶里程较短7。同时，不同地域出产的天然气成分也有比较大的差别。一般来说，CH4含量在95%以上的天然气称为优质天然气，作为发动机的气体燃料是比较理想的。1.2 天然气在发动机上的应用在内燃机问世之初，天然气就己经被成功的作为内燃机的燃料使用了。压缩天然气（CNG）作为发动机燃料始用于30年代的意大利，但是受到当时天然气存储技术的限制未能得到广泛应用。直到本世纪70年代，随着材料科学技术和制造工艺的进步，使天然气在发动机上的使用成为可能。另一方面，在严格排放法规的要求和激烈的商业竞争作用下，以电子控制技术为核心的车用发动机技术己日益成熟，促进了天然气发动机的技术进步。各种天然气发动机的燃料存储和供给系统、专用电子控制系统、排放控制和废气净化系统不断涌现，对各种不同的发动机总体结构方案和控制策略的研究，使天然气发动机的动力性、经济性、排放性等各项性能不断提高，与车辆的匹配也更加优化，天然气作为优质燃料的潜力也充分发挥出来8。汽车燃用天然气日益受到各国重视。根据天然气的不同应用形式，天然气发动机可以有不同的分类方式。按天然气储存状态不同，天然气发动机可分为压缩天然气发动机（CNG）和液化天然气发动机（LNG）。这两种天然气发动机本身结构及工作情况基本一样，区别主要在于燃料的储存状态和储存容器不同。CNG发动机是将天然气压缩20MPa，储存在高压气瓶中，储存能力较低，气瓶自重也比较大；LNG发动机是将天然气低温冷却至-162储存在低压低温绝热容器中，容器自重较轻，储存能力也较高，但生产LNG的投资费用较高，能耗也较大，经济效益比CNG差。另外LNG对容器的绝热保温要求较高，因此LNG发动机在世界各国基本上还处于试验阶段，尚未商品化。目前，CNG发动机仍是国内外发展的主要方向9。按点火方式的不同，天然气发动机可以分为两种，即火花塞点火的天然气发动机和柴油引燃的天然气发动机10。天然气着火温度比较高，发动机在压缩过程中，气缸内的温度达不到其自燃点，因此必须借助于电火花点火或者柴油引燃。柴油引燃的天然气发动机是以天然气作为主燃料，以少量柴油来引燃；而柴油-天然气双燃料发动机是在原柴油机基础上改装的既可以燃用天然气（以少量柴油引燃）又可以用柴油作为单一燃料的一种发动机（以下简称双燃料发动机）。1.3 天然气发动机研究现状1.3.1 火花塞点火的天然气发动机目前，火花塞点火的天然气发动机主要有两种类型，即天然气-汽油发动机和单燃料天然气发动机。而单燃料天然气发动机又有两种类型：由汽油机改装的天然气发动机和由柴油机改装的天然气发动机。一、天然气-汽油发动机国内目前改装的天然气-汽油发动机大多数采用已定型的汽油机，保留原有的供油系统，经改装增加一套压缩天然气的供应装置。采用任何一种燃料无论是CNG还是汽油，发动机都能正常工作。如CA6102Q型汽油机改装为天然气。汽油发动机，燃用天然气时，最大功率及晟大扭矩分别达到使用汽油时的80%和86%，怠速排放显著降低。为兼顾使用汽油时的性能，对发动机的燃烧室、压缩比、进气道等均未改变，因此使用天然气时，发动机的工作性能并非最佳。CA6102N-1型天然气-汽油发动机，改进了进气道结构，压缩比从原来的6.75提高到7.6，燃用天然气时，最大功率及最大扭矩分别达到使用汽油时的92%和90%。由于天然气燃烧速度比汽油慢，为了提高热效率，相应的点火提前角要比燃用汽油时增大。国外许多公司均开发了天然气汽车改装系统11，如美国的StewartStevenson、IMPCO Techn0109ies Inc、HatchKrik Inc、EDO、ANGI公司等。这些公司将微处理机用于转换系统，使全系统达到天然气与空气最佳混合，提高了天然气发动机的性能。二、单燃料天然气发动机单燃料天然气发动机的结构专为燃用CNG燃料而设计，以保证气体燃料能得到有效的利用。单燃料天然气发动机又可以分为由汽油机改装的天然气发动机和由柴油机改装的天然气发动机。一般来说，由汽油机和柴油机改装的火花点火式天然气发动机与原机相比，动力性可能会有所下降。目前，汽油机改装的天然气发动机的功率恢复主要通过电子控制燃料供给系统、电控点火系统及采用增压技术，提高改装后发动机的效率及动力性。而由柴油机改装的火花塞点火式天然气发动机的功率恢复主要是通过合理选择压缩比，优化燃烧室结构，优化控制天然气与空气的混合及燃烧过程，优化点火控制并提高点火能量及采用增压技术等措施来实现。为了提高热效率。减少后燃及爆震的可能性，对于缸径较大的天然气发动机，除了采用高能点火系统外，还要采用双火花塞点火，以减少火焰传播距离，缩短燃烧持续期。1.3.2 柴油-天然气双燃料发动机一、双燃料发动机开发现状柴油-天然气双燃料发动机是在原柴油机基础上改装的既可以燃用天然气（以少量柴油引燃）又可以用柴油作为单一燃料的一种发动机（以下简称双燃料发动机）。目前，双燃料发动机因具有使用燃料灵活、碳烟排放少、发动机改动小、改动成本低等特点而具有良好的推广前景12。将柴油机改为双燃料发动机应该达到以下目标：发动机改动小，与原机相比，动力性保持不变或略有提高，排放指标应有大幅度的改善：具有良好的安全性和可靠性。目前，大多数双燃料发动机的引燃油量由原来的机械式喷油泵控制，只增加一套供气系统，而不必对柴油机做很大的改动就可实现双燃料运行。怠速工况一般在柴油单燃料状态运行，中小负荷工况天然气替代柴油的比例较小，而在高负荷工况天然气在所消耗的燃料总量中可达到较大比例。为了提高双燃料发动机天然气替代柴油的比例，有的柴油机在原有的输油管路与喷油器之间增加一小型高压油泵（点火油泵）控制点火用的少量柴油，可大大提高控制精度，点火油量可减少至柴油运行时全负荷喷油量的1%11。点火油泵和主喷油泵的进油口连接在同一输油管路上，两油泵的出油口分别与喷油器的两个进油口相连，喷油器两个进油口内部均设有单向阀，防止由主喷油泵和点火油泵供入喷油器的高压燃油倒流。在双燃料运行状态下，气体燃料的导入量决定了发动机的功率大小，而工作于纯柴油运行方式时，发动机的功率大小由主喷油泵的喷油量决定。美国C1ean Air Partner公司与加拿大阿尔伯达州卡尔加里市代用燃料系统（AFS）公司联营，共同开发出多点喷射的双燃料控制系统，并应用在10.3L卡特彼勒3176B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，燃用的天然气可达燃料总量的60%90%，发动机根据需要能转换为100%燃用柴油13。美国BKM公司研制了具有先进水平的“微引燃”双燃料系统14，用接近1%的引燃柴油为天然气发动机提供所需要的点火能量。这一系统的核心是采用Servoiet电控液压泵喷嘴控制点火油量及天然气多点电子控制顺序喷射装置和专用的计算机软件。这一系统为降低小负荷时的未燃HC排放及提高天然气替代柴油的百分率，采用了断缸、增压空气旁路、废气再循环及优化引燃油的喷射正时等措施，从而在所有工况范围内使天然气在所消耗的燃料总量中超过了95%。DDC6V-92TA增压双燃料发动机则采用天然气电子泵喷嘴15。天然气的喷射压力在14MPa以上，电子泵喷嘴对燃料的调节和控制更为精确。在国内，有研究者在改装的TY1100双燃料发动机上开发了一套电控天然气喷射系统16。该系统将天然气电子喷射阀安装在进气管根部，在进气管处喷射。试验表明：双燃料工况时，烟度基本达到了“零排放”，在中负荷附近NOx的排放量比原机降低了67%左右，在整个负荷范围内噪声比原机降低2dB以上。此外，还有人对CY6108Q型柴油机进行了改型试验17。为使双燃料发动机具有良好的可操作性。驾驶员可以方便地在任一工况下进行油气切换，在原柴油机调速器上加装一套装置，所有的油气切换、天然气供气量的调节与控制、双燃料发动机的调速、飞车保护等功能都由这套装置完成。当发动机以双燃料方式工作时，油门在低速、低负荷时主要控制油量调节，中、高速时主要控制气量调节。无论在使用柴油还是在使用双燃料状态，调速器都可以保持原有的调速和防飞车功能。另外，在这套装置中还设置了一套简单的机构，通过简单的调节，可改变发动机的天然气替代率，以满足节油和改善排放的要求。试验表明：改装后的CY6l08Q双燃料发动机具有50%70%的天然气替代率按照目前北京市市场燃油和天然气的价格进行估算，使用双燃料费用可比使用纯柴油降低15%20%，按燃料税实施后价格估算，燃料费用可降低25%30%；NOx和CO排放比原机平均降低5%10%；烟度低于1.5Rb；在使用双燃料时发动机的加速性、扭矩和功率等性能和使用纯柴油时没有明显的变化18。二、双燃料发动机存在的问题大量的试验和研究结果表明，柴油机可以实现双燃料工作，技术改造可行，功率能达到原柴油机的水平，但还存在一些问题，需要进一步完善和改进。1.天然气品质问题天然气品质对双燃料发动机的动力性有很大的影响。柴油机进行双燃料发动机技术改造后，在其标定功率达到原柴油机指标的前提下，对于含有95%甲烷的天然气，多数运转工况下的天然气替代柴油比率可达到90%以上，最低也达80%。对于气质好的天然气，其替代率在80%以上时，扭矩储备系数比原柴油机有较大幅度提高，可较大幅度提高低速高负荷时的动力性能。对于气质条件较差的天然气，无法保证较高的替代率，从而使标定工况和低速高负荷时的动力性下降19。2.天然气的替代率问题天然气对柴油的替代率是衡量双燃料发动机性能的一个重要指标。只有提高替代率，才能充分发挥天然气燃料的显著优点。但替代率的提高受到燃烧性能、工作稳定性、排放等一系列问题的制约。有研究表明，最高替代率随负荷增高而增大。高速低负荷时，最高替代率有明显下降，原因是天然气空气的混合气浓度过稀，必须加大引燃柴油量的比例。随着负荷的增加，混合气中的天然气量越来越多，即混合气浓度增大，燃烧更快捷和充分，用相对较少的引燃柴油即可达到稳定燃烧，替代率也随之增大。但混合气的浓度不能太大，适当浓度的混合气只需少量的引燃柴油点燃就可达到稳定燃烧，而过稀或过浓的混合气都需要更多的柴油引燃。因此合理的替代率应该是：在怠速时仅以柴油作为燃料，中小负荷时替代率较小，而在高负荷时替代率可达到较大值。因此，协调控制天然气量、空气量和柴油量，使每一工况下的天然气对柴油的替代率都达到最佳，从而实现双燃料发动机最佳的燃烧性能是今后必须解决的重要问题。3.热效率问题文献20的试验表明，双燃料发动机全负荷速度特性的热效率比原柴油机相应工况的热效率约低6%12%。在双燃料发动机的所有工况下，其热效率均低于纯柴油机工作过程。并且随着负荷的降低，热效率的差异逐步加大。低负荷时，双燃料发动机的热效率更低。如何提高双燃料发动机的热效率也是必须解决的问题。4.排放问题目前广泛使用的柴油-天然气双燃料发动机多为增压或自然吸气混合器式机械控制双燃料发动机21。这种形式的双燃料发动机与柴油机相比，确实能够大幅度地降低发动机的排气烟度。但是，当处于低负荷状态运行时，双燃料发动机会产生大量的未燃HC，CO的排放也相对较高。双燃料发动机产生这些缺陷的原因一方面是由于发动机本身燃烧组织得不完全；另一方面则是天然气本身具有着火温度高、火焰温度低、火焰传播速度慢等不利于燃烧的物化特性22。要想进一步降低低负荷时的HC、CO排放，则需精确控制发动机各个工况下的空燃比、替代率并优化废气再循环率23。5.燃烧过程问题国外对双燃料发动机燃烧过程的研究已有许多报告，而国内在这方面的研究近几年刚刚兴起。双燃料发动机的燃烧过程既包含柴油的扩散燃烧，又包含天然气的准均质预混合燃烧，具有DIESEL和OTTO循环燃烧的双重特点，而且两者之间又相互耦合，十分复杂。而柴油喷雾扩散燃烧具有不均匀性、理论当量比下为扩散火焰控制的特性，结果是产生高的峰值火焰温度和NOx排放，同时在柴油射流中液核过浓的高温预混合区会产生高的碳烟排放。所以为了实现高效、清洁的燃烧，双燃料发动机应尽量减少柴油扩散燃烧的比例，尽可能地实现均质充量压燃着火过程。1.4 本课题的研究意义天然气汽车在国内外发展很快，改装技术日趋成熟，应用范围越来越广，并已带来明显的经济效益和社会效益。而双燃料发动机因使用燃料灵活、碳烟排放少、发动机改动小、改动成本低等特点而具有良好的推广前景，已成为一种改善发动机燃油经济性、排放和噪声的有效的技术方案。发展天然气发动机对于我国节约石油资源、调整能源消耗结构，特别对于减少发动机有害废气排放，改善大气环境具有重要意义。在我国有条件的地方，若将目前的柴油机改为双燃料发动机，不但可以有效地改善碳烟排放对环境的污染，而且能够缓解国内的石油资源危机，适应我国目前经济和社会发展的需要。从目前情况来看，国内对柴油-天然气双燃料发动机的研究日趋增多，但是资料检索发现，涉及燃烧室形状、压缩比对双燃料发动机性能和工作过程影响的研究还不多。由于燃烧室影响着气流的运动，其几何形状以及由于其容积不同所导致的压缩比差异对于双燃料燃烧过程的完善程度和双燃料发动机性能优劣的影响极为重要，所以研究燃烧室形状和压缩比对双燃料发动机性能的影响是很有必要的。本课题的中心任务就是把XN2100柴油机改装为柴油-天然气双燃料发动机，并且在改装的过程中，进行以下的研究工作，以寻求最佳的改装匹配方案：一、进行喷油嘴结构参数的匹配性试验，研究喷油嘴结构参数对双燃料发动机性能的影响；二、进行不同燃烧室形状、双燃烧室连接通道以及压缩比的匹配性试验，研究燃烧室形状、连接通道、压缩比对双燃料发动机性能的影响；三、进行燃烧放热规律模型的建立和计算，通过不同负荷下天然气替代率的优化绘制喷油计数MAP图；四、进行双燃料天然气发动机对天然气和柴油供气量的电控系统的设计。2燃烧室结构设计本章主要介绍双燃烧室结构的设计原则以及主要组成部分，并详细叙述了柴油-天然气系统的原理。2.1天然气发动机的选择现在国内进行天然气发动机的工作一般是将柴油发动机进行改装，这具有经济型好的优点，对柴油机发动机的改装应遵循以下原则：柴油机的结构变化不大；改动的零部件尽量标准化以保证通用性；装车可行性强，不改变司机的驾驶习惯；改装成本低，效果明显；可用纯柴油运行。双燃料发动机的燃烧过程既包含柴油的扩散燃烧，又包含天然气的准均质预混合燃烧，具有DIESEL和OTTO循环燃烧的双重特点，而且两者之间又相互耦合，十分复杂。而柴油喷雾扩散燃烧具有不均匀性、理论当量比下为扩散火焰控制的特性，结果是产生高的峰值火焰温度和NOx排放，同时在柴油射流中液核过浓的高温预混合区会产生高的碳烟排放。所以为了实现高效、清洁的燃烧，双燃料发动机应尽量减少柴油扩散燃烧的比例，尽可能地实现均质充量压燃着火过程。本文将基于XN2100柴油机进行双燃烧室的改装，因为此型号发动机燃烧室形状为直接喷射式，因此要进行副燃烧室的改装。该发动机基本参数如表2-1。在改装之后，可较好的控制柴油扩散燃烧的现象。表 2-1 柴油机基本参数Tab 2-1 The principal parameter of the diesel engine指标参数型式立式，双缸，水冷，四冲程型号XN2100燃烧室型式直接喷射式缸径（mm）100行程（mm）105活塞总排量（L）1.648压缩比16标定功率（kw）18.4标定转速（r/min）2300最大扭矩（Nm）87.19扭矩储备系数15%标定工况比油耗（g/Kwh）258.4标定工况平均有效压力（KPa）5812.2 喷油嘴结构参数对双燃料发动机性能的影响喷油嘴不仅决定着喷雾质量、油束与燃烧室的匹配，而且影响喷射特性（喷油时刻、喷油持续时间和喷油规律）。这些都直接影响着发动机的性能。其中喷孔直径对发动机的动力性、经济性、排放和噪声有重要的影响。对一定的喷油泵来讲，喷孔直径过大，则雾化质量差，喷油持续时间短，油束贯穿能力强，燃油更多的喷到燃烧室壁面上，造成壁面附近油多空气少，不利于油和气的充分混合，这对小缸径高速柴油机尤为不利；而喷孔直径过小，虽然雾化质量好，但在较高的气缸内背压和涡流的作用下，油束的贯穿能力变差，靠近燃烧室壁面处的空气又不能充分利用，混合气过稀，燃烧恶化，同样造成动力性、经济性和排放的恶化。所以，在发动机燃烧系统和供油系统其它参数不变的情况下，对喷油嘴的选择应经过反复的试验和分析，才能找出与之匹配良好的喷油嘴23。对于柴油引燃天然气双燃料发动机，由于柴油只是作为引燃天然气使用，柴油的喷射量相比纯柴油发动机有很大的降低，所以喷油嘴喷孔直径对其性能的影响会更明显。根据实际情况，结合现有条件，选择了40. 27mm、40.28mm、40.30mm和40.32mm四种喷孔直径的喷油嘴，在保证其它条件不变的情况下，分别进行了纯柴油（怠速）和双燃料的对比试验研究。具体试验结果见图2-1和表2-2。从图2-2的对比试验结果不难看出：对于燃烧纯柴油的发动机，无论是标定工况和最大扭矩工况，喷孔直径为40.30mm的喷油嘴性能指标都较好,比油耗有明显的降低，排温较低，烟度也有明显的改善。这说明，喷孔直径为40.30mm的喷油嘴与双燃烧室的匹配是比较理想的。从表2-2可以看出，在标定1工况，随着喷油嘴喷孔直径的加大，虽然天然气的消耗率没有明显的变化，但作为引燃燃料的柴油消耗率却有明显的增大，而且排气烟度指标也随着喷油嘴喷孔直径的加大而变差，天然气的替代率也从80.1%下降到78.8%。在最大扭矩工况，随着喷油嘴喷孔直径的加大，虽然天然气消耗率有一定程度的下降，但柴油消耗率却上升了近25%，从40.6上升到49.7，替代率则从86.7%下降到83.3%，排气烟度也有明显的上升。这说明随着喷油嘴喷孔直径的增大，双燃料发动机的经济性、可见烟度排放特性有一定程度的恶化。图2-1 喷油嘴喷孔直径对柴油机性能的影响（a）燃料消耗率（b）排气温度（c）排气烟度Fig.2-1 Injector nozzle diameter on Diesel Engine Performance（a）Fuel consumption ratio （b）Temperature （c）Smoke表2-2 喷油嘴喷孔直径对双燃料发动机性能的影响Tab.2-2 Injector nozzle diameter on the performance of dual fuel engine 工况喷孔直径（mm）燃料消耗率（g/kw.h）排温（）烟度替代率标定工况（18.4kw,2300r/min）40.2765.8（柴油）+226.1（天然气）3950.980.140.2867.2（柴油）+225.8（天然气）3841.179.740.3068.2（柴油）+226.3（天然气）3801.179.540.3270.7（柴油）+225.5（天然气）3721.378.8最大扭矩工况（87N.m,1700r/min）40.2740.5（柴油）+227.0（天然气）3901.186.740.2843.8（柴油）+224.2（天然气）3821.285.740.3045.2（柴油）+220.0（天然气）3791.485.040.3249.7（柴油）+212.0（天然气）3681.683.3总之，针对柴油引燃天然气发动机来说，采用喷孔直径为40.27mm的喷油嘴，能够使发动机获得比较良好的性能指标。由此看来，双燃料工作模式的XN2100发动机，其所需要的合适的喷油嘴喷孔直径比纯柴油模式要小。这样的结果可以这样解释：随着火焰传播速度慢的天然气的引入，双燃料发动机的着火延迟期加长，这就需要采取措施来缩短柴油-天然气双燃料的燃烧持续期。而喷孔直径较小时，由于油束喷射动能减少，油束贯穿距离缩短，油束受气流作用，其撕裂破碎程度增大，油滴直径较小，数量增多，柴油和天然气能获得较好的掺混。在获得着火条件时，数量较多的油滴能产生较多的火核，缩短火焰传播距离，间接加快了火焰传播速度，缩短了燃烧持续期，在保证动力性不变的前提下，能获得较好的经济性。相反的，增大喷孔直径，油束喷射动能增大，油束贯穿距离较大。气流对空间油束的撕裂破碎程度相对减小，油滴直径较大，数量减少，燃烧时产生的火核较少，使着火延迟期增长，着火时刻滞后，不利于天然气的燃烧。试验结果表明：适当减小喷油嘴的喷孔直径，将有助于使双燃料发动机获得更优良的动力性、经济性和较低的可见烟度排放。2.3燃烧室形状、压缩比对天然气发动机性能的影响混合气的形成和燃烧与燃烧室有密切的关系，如果燃烧室设计的不合理，则燃油系统、进气系统也难以与其配合得到良好的性能指标：如果燃烧室设计优良，燃料与空气混合良好，不仅可以缩短燃烧持续期，提高经济性和动力性，并且对发动机的某些排放指标的改善也起重要作用。XN2100柴油机原机采用直口形燃烧室（见图2-4，以下称1#燃烧室），燃烧室容积为44ml，压缩比为16。为了进行燃烧室形状、压缩比的对比试验，新设计了两种缩口燃烧室（见图2-2，以下称2#和3#燃烧室）。其中2#燃烧室容积为40ml，压缩比为17.3；3#燃烧室容积为35.6ml，压缩比为18.2。图2-2 原机燃烧室示意图（1#）Fig.2-2 The Original Combustion Chamber（1#）The 1st Contrastive Combustion Chamber（2#） The 1st Contrastive Combustion Chamber（2#）图2-3 对比燃烧室示意图Fig.2-3 Comparison of the combustion chamber schematic从图2-4中可以看出，随着燃烧室形状的改变和压缩比的提高，柴油机的经济性、可见烟度排放均有不同程度的恶化，与预期结果相差较大。分析原因，主要是由于燃烧室形状改变，尺寸减小，而喷油系统未作变化，导致喷油系统与燃烧室匹配性差，更多的燃油喷射到燃烧室壁，从而使燃烧恶化，不完全燃烧增加，最终的结果是油耗率增加，烟度指标变差。另外，由于压缩比增大导致压缩功和摩擦功增加，从而引起机械效率下降，也是油耗率上升，性能恶化的原因。图2-4 不同燃烧室纯柴油燃烧模式性能试验结果（a）燃料消耗率（b）排气温度（c）排气烟度Fig.2-4 Result of performance experiment on differrent diesel engines combustion chamber（a）Fuel consumption ratio （b）Temperature （c）Smoke由于2#燃烧室与喷油系统匹配性不好，导致燃油雾化差，壁面燃油增多，减少了柴油的预混合燃烧，增加了扩散燃烧比例，最终导致柴油机性能变差。虽然2#和3#燃烧室在纯柴油模式下性能不如1#燃烧室，但考虑到双燃料的燃烧对燃烧室与喷油系统的匹配性要求不太敏感，本次试验仍然进行了各燃烧室双燃料模式下的性能对比试验，部分性能试验数据见表2-3。表2-3 燃烧室形状、压缩比对双燃料发动机性能的影响Tab.2-3 Combustion chamber shape、compression ratio on the performance of dual fuel engine工况燃烧室压缩比燃料消耗率（g/kw.h）排温（）烟度替代率%标定工况（18.4kw,2300r/min）1燃烧室16.0柴油57.0+天然气219.84131.181.82燃烧室17.3柴油21.4+天然气210.84460.992.03燃烧室18.2柴油34.0+天然气216.24231.087.9最大扭矩工况（87N.m,1700r/min）1燃烧室16.0柴油38.5+天然气236.83941.387.82燃烧室17.3柴油21.0+天然气216.63931.092.33燃烧室18.2柴油31.6+天然气229.33851.190.0从表2-3中可以看出，无论是在标定工况和最大扭矩工况，新设计的2#和3#两个对比燃烧室的燃料消耗率均比原机1#燃烧室有了显著的降低，天然气替代率有很明显的提高（其中2#燃烧室的替代率高达92%），而且排气烟度也有明显的改善。这说明将直口燃烧室改为缩口燃烧室，并适当增大压缩比，有利于使双燃料发动机获得更优良的性能。这是因为天然气滞燃期长，火焰传播速度慢，燃烧持续期长，而适当缩口的燃烧室不仅能在压缩期间使涡流转速提高，使少量的引燃柴油能够更好的与天然气和空气混合，从而提高天然气的替代率，而且缩口燃烧室能够在燃烧期问形成强烈的挤流运动，缩短着火落后期，提高燃烧速率，缩短天然气的燃烧持续期，最终反映在燃料消耗率的降低。同时，提高压缩比可以提高工质的最高温度，扩大循环的温度梯度，增加发动机的膨胀比，提高发动机的热效率，也会对双燃料发动机的性能造成有利的影响。但是，3#燃烧室的各项性能指标却又明显不如2#燃烧室，说明过分的减小燃烧室的缩口和增大压缩比，反而给双燃料发动机的性能带来不利的影响。在纯柴油模式，由于与喷油系统匹配性不太好，2#燃烧室的综合性能不如l#燃烧室，但是在双燃料工作模式，2#燃烧室却有比较优越的性能：天然气替代率高，可以充分发挥天然气作为发动机气体燃料的优势：压缩比适中，保证了双燃料发动机具有比较理想的热效率和机械效率，最终体现在良好的经济性：最高燃烧压力和压力升高率不算太高，尤其是在高速高负荷，保证了双燃料发动机工作柔和噪声降低，具有良好的可靠性。3燃烧放热热力学模型研究本节利用热力学基本定律，来提出燃烧放热规律。3.1模型的基本假设发动机的工作过程十分复杂。为了在保证计算要求的前提下理化计算，对发动机的缸内过程作一些基本的假设：一、缸内热力学过程满足零维假定，即缸内温度、压力和工质的分布是均匀的。二、柴油和气体燃料按等比例燃烧，即柴油和气体燃料的燃烧同时开始、同时结束（天然气是多点燃烧，在柴油引燃后，在气缸内多点同时燃烧）。三、柴油和气体燃料均能完全燃烧，则任意时刻缸内的工质包括气体燃料、空气和完全燃烧产物。完全燃烧产物主要是二氧化碳（CO2）、氮气（N2）和水蒸气（H20）。四、忽略工质的泄露，缸内工质总质量的变化率即为柴油的燃烧速率。3.2放热率计算的热力学模型根据热力学第一定律，对于XN2100柴油一天然气双燃料发动机气缸内的热力过程，有：（3-1）对于式（3-1）中，各符号的含义及其计算分析如下：一、p：气缸压力（KPa）按试验过程中收集并经过滤、均化处理的示功图确定。二、：气缸容积随曲轴转角的变化率（m3）由活塞连杆机构运动学求得，即：（3-2）在式3-2中：-活塞排量（m3）；-曲柄转角（度）；-连杆曲柄比。三、：单位曲轴转角的传热量（KJ）（3-3）式中n：发动机转速（r/min）；：瞬时换热系数（KJ/m2sK）。选用Woschni公式计算：（3-4）式中：活塞平均速度（m/s）；：气体速度系数。对于压缩和膨胀阶段，有：（3-5）：稳流吹风试验时风速计时片的切向速度（ms）；：燃烧室形状系数。对于直喷式燃烧室，有：（3-6）、：分别为压缩始点的气缸压力（KPa）、容积（m3）和温度（K）；：发动机倒拖时的气缸压力（KPa）；：气缸工作容积（m3）；：传热表面积（m2），i=1、2、3时分别代表活塞、气缸盖和气缸套；：传热表面的平均温度（K），i=l、2、3时分别代表活塞、气缸盖和气缸套。其具体数值按以下经验公式确定：活塞顶部温度：（3-7）气缸盖内表面温度：（3-8）气缸套内表面温度：（3-9）式中：发动机的平均有效压力，单位为Mpa；T：工质温度（K）。可用气体状态方程求出：（3-10）式中：m：工质的总质量（Kg）；R：混合气体常数（KJ（KgK）；v：瞬时气缸容积（m3）。根据活塞连杆运动学求得：（3-11）四、：工质内能变化率（KJ）工质内能变化率按照下式计算：（3-12）式中:：缸内工质定容比热（KJ（KgK），i=1，2，3，4，5分别代表空气、体燃料、氮气、二氧化碳和水蒸汽的定容比热，可由工质热力性质表查取；：各工质成分的质量（Kg），i=1，2，3，4，5分别代表空气、气体燃料、氨气、二氧化碳和水蒸汽，各质量成分的计算在下节介绍。3.3缸内工质质量的计算在上节燃烧放热规律的计算模型中，缸内工质温度和内能的计算均需要计算工质质量和工质质量变化率，下面对之进行具体的分析。根据对计算模型的假设，缸内工质的组成主要有气体燃料、空气、残余废气和完全燃烧产物。气体燃料为含甲烷（CH4）95%以上的优质天然气，故气体燃料可以按纯甲烷计算；对于四冲程发动机来说，残余废气很少，可以忽略不计；完全燃烧产物主要是二氧化碳（CO2）、氮气（N2）和水蒸气（H2O）。根据文献所述，柴油的质量成分取为87%的碳（C）和13%的氢（H）。不考虑燃烧的中间反应过程和高温离解过程，认为气缸内的燃烧反应过程按以下的简化反应方程式进行：柴油的燃烧：气体燃料（CH4）的燃烧：一、工质的总质量气缸内工质的总质量为：式中：各工质成分质量（Kg）,i=1、2、3、4、5，分别代表空气、气体燃料、氨气、二氧化碳和水蒸气。质量变化率：（3-13）式中：:代表气体燃料替代率；，分别代表柴油和气体燃料的低热值（KJKg）；，分别代表柴油和气体燃料单位时间内消耗的质量（Kg）；：发动机的燃烧放热率（KJ）。二、空气的质量质量变化率：（3-14）空气质量：（3-15）：燃烧放热量（KJ）三、气体燃料（CH4）的质量质量变化率：（3-16）气体燃烧质量：（3-17）四、氮气的质量质量变化率：根据空气中氮气的含量及燃烧反应方程式分析，工质中氮气质量变化率为：（3-18）氮气质量：（3-19）式中0.77为空气中氮气的质量成分。五、二氧化碳的质量质量变化率：（3-20）式中：0.87为柴油中碳的质量成分；0.755为甲烷中碳的质量成分，12为碳的原子量；44为二氧化碳的分子量。二氧化碳质量：（3-21）六、水蒸汽的质量质量变化率：（3-22）式中：0.13为柴油中氢的质量成分；0.25为甲烷中氢的质量成分；36/4为反应前后的质量变化。水蒸汽的质量：（3-23）4性能实验及喷气计数值MAP图的实现本章进行了不同工况不同替代率的试验，详细分析了不同替代率对发动机排放性、动力性、经济性的影响，并得到不同工况的最优替代率，同时进行控制策略分析以及供给MAP图的制取。最后，为了方便控制单元进行MAP图控制，提出了喷气计数值MAP图模型，并利用MATLAB实现喷气计数值17。4.1试验方案天然气对柴油的替代率是衡量双燃料发动机性能的一个重要的指标，为发动机控制策略的分析提供重要的依据，最佳替代率决定了电控系统的控制目标，由替代率确定的喷气MAP图和喷油MAP图是进行电控系统开发的所要掌握的重要数据。天然气替代率影响着双燃料发动机的排放性、动力性、经济性指标，而这些性能指标相互矛盾、相互制约。所以在综合考虑发动机动力性、经济性、排放性的前提下，寻找天然气发动机的优化天然气替代率成为天然气发动机开发的首要工作。为了寻找优化天然气替代率，首先要选定试验的工况点，工况点选取的越多，则确定的燃料供给控制二维表越精确，但是相应的试验次数增加，试验工作量加大。因此合理的选取试验工况点是很重要的，其主要考虑两个因素：一是原发动机各特性曲线的变化趋势，变化趋势大的区域节点应密集些；二是使用频度，使用频度高的工况节点可选择密集些。根据原柴油机的负荷特性曲线及发动机的工作环境确定了发动机的试验工况点，其中转速工况点为800、1200、1400、1600、1700、1900、2100、2300（rpm）；负荷工况点为10%，25%，50%，75%，90%（额定功率）；替代率工况点：20%，40%，60%，70%，80%，90%。具体试验步骤如下：（1）首先关闭天然气手动阀，使发动机运行在纯柴油状态，读取并记录下不同转速不同负荷下的柴油耗量及各性能参数。（2）根据天然气替代率计算公式，计算不同替代率各个工况下的柴油量和天然气当量柴油量，再按照低热值换算出当量天然气量。替代率r计算公式: r=（Y1-Y2）/Y1 （4-1）式中: Y1纯柴油时柴油油耗；Y2 双燃料时柴油油耗。（3）做不同工况下的替代率优化实验。对确定工况采用不同的替代率（调节喷油量和天然气量），进行对比试验分析，以确定最优的替代率。4.2供给量MAP的制取与试验分析表 4-1 不同转速不同负荷下天然气的供给量（kg/h）Tab 4-1 The Natural Gas Providing Quantity at different Speed and Load转速8001200140016001700190021002300负荷10%0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.1550.23325%0.0000.2140.2540.3760.4540.5320.6430.79450%0.0000.4600.7570.9341.0571.2711.4761.81675%0.0000.7241.2591.5371.7222.0532.4322.81090%0.0001.0511.6552.0422.3002.7413.2323.629表 4-2 不同转速不同负荷下柴油的供给量（kg/h）Tab 4-2 The Diesel Oil Providing Quantity at different Speed and Load转速8001200140016001700190021002300负荷10%0.2320.3440.3970.4470.4720.5310.4110.38825%0.5540.5660.6420.6170.5840.6320.6510.62950%1.0931.0160.8990.9080.8870.8870.9440.83975%1.4921.3451.0391.0270.9490.9490.9130.88890%1.8371.4661.1551.0900.9180.9180.8430.761在替代率试验中，某一工况下不同替代率对应双燃料发动机的各性能指标不相同，而最优的替代率应该在保证排放要求的前提下，使发动机具有最好的经济性和动力性。在经过大量的台架实验后，由分析得到双燃料发动机在不同工况天然气和柴油供给量的MAP图。在电控双燃料发动机运行时，通过查燃料供给MAP图，实现不同工况替代率的控制。以下表4-1、表4-2是由最优替代率确定的天然气和柴油供给量的MAP图。从以上表格中可以发现，天然气的替代率在各个转速下随负荷的增加而增加，在各个负荷下随转速的增加而大致增加。天然气的替代率出于受HC排放的限制，最低值不能小于30%，最大替代率受发动机工作稳定性的限制，最大值不能超过86%。双燃料发动机在小负荷下，排放性、经济性差：在中高负荷下，排放性、经济性好；在高负荷高替代率下，发动机易发生暴震。因此要求在怠速及低速小负荷工况下仍以柴油为燃料，而大、中负荷下采用双燃料工作模式，从而使双燃料发动机的优势得以充分发挥。由供给量MAP图可知当转速达到1200rpm，油门位置不低于25%额定功率指示位置时，发动机进入双燃料工作模式。4.3喷气计数值MAP图的模型及实现在电子控制喷射发动机的实际运行中，稳定工况的天然气供给量是由电磁阀的开启时间控制的。电控系统直接从ECU的喷气计数值MAP图中读取控制计数值，写入定时器寄存器，再由微处理器处理成电子信号，经信号放大电路输出控制喷油阀的开启和关闭，从而实现天然气供给量的准确控制，因此喷气计数值MAP图是天然气供给量控制的主要依据。控制单元最终需要的控制MAP图是喷气计数值MAP图，计数值MAP图中的参数是定时器的计数值，而不是简单的喷气量。因此，需要对供给量MAP图进行处理，转换成控制电磁阀开启时间的计数值。另外，匹配试验中，虽然选取的工况点越多，控制的精度越高，但标定的工作量越大，所以工况点不能太多，要想得到详细、精确的MAP图必须对实验得到的MAP图进行工况点插值再处理。4.3.1喷气计数值MAP的计算模型电控天然气发动机中最基本的控制参数是基本喷气量，即发动机在稳定工况下的每缸循环喷气量，而在试验中测取的是不同工况下的小时天然气供给量，因此需要将其转换为每缸循环喷气量。在得到每缸循环喷气量MAP图后，还需根据电磁阀流量特性曲线和定时器的设置，将喷气量MAP图转换为喷气计数值MAP图，以下是喷气计数值MAP图的计算模型17。1、由小时供气量得到每缸循环喷气量（1）天然气流量Q： Q= F1（J,n）（kg/h）（4-2）式中：F1：转速和油门开度的函数（供给量MAP图确定）；J：油门开度（。）；n：发动机转速（r/min）。（2）每缸循环喷气量QXH: （g/每缸）（4-3）式中：J：冲程数（在四冲程发动机为2，在二冲程为1）；i：发动机的缸数。2、从每缸循环喷气量得到喷气计数值（1）脉宽时间TMK： TMK=F2（QXH）（s）（4-4）式中：F2：每缸循环喷气量函数（由电磁阀流量特性确定）。（2）由脉宽时间得到对应的定时计数值TCOUNT： TCOUNT=F3（TMK）（4-5）式中：F3脉宽时间的函数（由定时器设置参数确定）。4.3.2计算模型在MATLAB中的实现一、电磁阀开启时间MAP图实现MATLAB 进行数值计算的基本处理单位是复数数组（或称阵列），其程序可以被高度“向量化”。因此应将试验中记录的数据分析、处理，然后将其整理成向量格式。为了方便在MATLAB中计算，这里将天然气供给量MAP图用二维矩阵PWM_Q（i）（j）表示，其任意列向量都表示某一转速下发动机的负荷特性，其任意行向量表示某一负荷下的速度特性，在MATLAB中只需一个嵌套循环便可以求出各个标定工况的每缸循环喷气量。内插法是用于预估在己知数据点中间的函数值。MATLAB提供了两种一维内插法：（1）基于多项式的内插法；（2）基于FFT（Fast Fourier Transform快速傅立叶变换）的内插法。interpl是MATLAB的一维内插命令，其基本方法是利用多项式来进行内插运算:yi=interp1（x,y, xi,yi,method）其中向量x是数据点的x坐标，向量y是数据点的y坐标，向量xi是内插点，yi是内插点的所得值，字符串method则指定使用的方法，共有4种：邻近点内插法（method= nearest）；线性内插法（method=linear）；三次样条内插法（method=spline）；三次多项式内插法（method=cubic）。为确保本次实验数据处理结果的准确性，采用Cubic Spline法，虽所需时间较长，但曲线平滑度较好，而且不影响微处理器的最终运算速度。电磁阀流量特性曲线用一维向量表示，向量Tpwm表示电磁阀开启的时间坐标，向量Qpwm表示电磁阀的流量特性曲线。采用三次样条内插函数可方便的计算出对应喷气量的喷气脉宽时间和喷气计数值，喷气脉宽时间MAP图如图4-1所示，程序代码见附录。图4-1 喷气脉宽时间MAP图Fig.4-1 The Map of the Whiff Pulse-Wide在匹配试验中，选取的工况点很少，因此还需要进行ECU内的插值计算，才能得到理想的控制计数值。如果在片内进行插值计算，则需要占用了大量ECU资源，使控制响应的速度减慢。利用MATLAB在数据建模和数据计算方面有着强大的功能，我们可以对粗略的喷气MAP图进行数据建模、插值，从而得到精确的控制喷油MAP图，从而实现数据的片外处理，减少发动机运行时ECU的工作量，提高了ECU的响应速度。数据建模有插值法和拟合两大类。插值法比较适合数据精确或数据量小的情况，而拟和方法比较适合数据有误差和数据量大情况。在发动机标定试验中取得的工况试验点虽然较少，但试验数据比较精确，这里采用插值法进行数据建模。图4-2 喷气计数值MAP图Fig.4-2 The Map of Whiff CountMATLAB程序中主要使用二元三次样条插值函数interp2（x, y,z,x1,yl，spline）对粗略MAP图进行插值离散，其中x、y分别表示标定试验中选取的转速、负荷工况向量，x1、y1分别表示内插后所生成的转速、负荷的工况向量，z表示粗略的MAP图矩阵，最终生成的是详细的MAP图矩阵。利用interp2函数可以很方便、快捷地得到理想的喷气计数值MAP图，如图4-2所示，程序代码见附录。4.3.3 喷气计数值MAP图应用分析最后将由MATLAB生成的MAP图放入ECU中，在控制系统仿真试验时发现：如果生成MAP图矩阵小，则天然气的供给量产生跳跃变化；如果MAP图的矩阵大，其对ECU的数据存储空间需求大。因此设置生成MAP图矩阵的大小，应以保证发动机柔和的工作为前提，使生成的MAP图矩阵尽可能的小。4.4本章小结1、试验研究表明，改装后的柴油引燃天然气双燃料发动机在经济性、烟度和NOx排放性及整机噪声等方面比纯柴油发动机有不同程度的提高。2、柴油引燃天然气双燃料发动机在怠速及低速小负荷工况下应采用纯柴油模式工作，在大、中负荷下采用双燃料模式工作，这样双燃料发动机的优势才能得以充分发挥。3、天然气的替代率随负荷和转速的增加而增加，但替代率由于受HC和CO排放的限制，最低值不能小于30%，最大替代率受发动机工作稳定性的限制，最大值不能超过86%。4、利用MATLAB实现了计数值MAP图制取的程序化。减少了实验数据处理的工作量，可以很方便地得到任意大小的MAP图矩阵;实现了数据的片外处理，减少发动机运行时ECU 的工作量，提高了ECU的响应速度。5 双燃料发动机电控系统方案设计与硬件设计前面己经介绍过双燃料发动机结构及工作流程，以下是对电控系统的具体硬件和软件设计进行介绍。本章首先介绍双燃料发动机电控系统的结构和工作原理，讨论了本研究的方案设计（传感器、执行器、微处理器设计），然后采用模块化设计原则对控制电路进行硬件设计，重点介绍了水温信号、转速信号和电磁阀驱动信号的处理电路。5.1电控系统结构及工作原理图5-1 电子控制系统的结构示意图Fig 5-1 The Frame Map of Electronic Injection System5.1.1电控系统结构图5-1是全电控柴油-天然气双燃料发动机的电子控制系统的结构示意图，主要包括电控单元（ECU）、电子执行机构、传感器及线束等。通过电子控制系统，可以实现工况判断（启动、怠速、加速、减速、超速工况）、工作模式选择（纯柴油、双燃料工作）MAP图修正（天然气喷射量、柴油喷射量）、故障诊断等功能25。5.1.2电控系统工作原理双燃料-发动机的电子控制系统主要包括电控单元（ECU）、电子执行器、传感器以及控制软件。传感器主要负责采集控制单元需要的各种数字、模拟信号，实时反映发动机的工作的情况;控制单元是对传感器输入的信号进行计算、分析，然后根据控制策略，产生相对应的控制信号;电子执行器是实施对发动机控制的器件，其将控制单元产生的电子信号转换成为机械运动，实现发动机稳定、高效的工作。图5-2 电控喷射系统原理示意图Fig.5-2 The Principle Sketch Map of Electronic Injection System发动机启动后，控制系统接通电源，初始化后，进入正常工作。ECU首先根据冷却水温度、机油温度、压力，发动机转速及油门位置进行工况判断；再根据所在工况选择工作模式，进行控制MAP图的运行。为了保证发动机得到最佳的燃油和燃气的控制量，ECU可以根据发动机的实际情况（进气温度、压力，天然气温度、压力）实时修正天然气的喷射量和柴油的喷射量，其原理图如图5-2所示。5.2电控系统的方案设计电控系统的方案设计主要包括微处理器、传感器、执行器的选型以及其安装要求。5.2.1微处理器电控单元的设计主要从系统控制功能的需要出发，微处理的选型主要考虑以下的相关性能：1、进行计算处理的性能。要充分考虑实时控制系统运算速度和运算精度要求，便于快速、精确地进行计算处理26；2、用于信号的采集和控制。由于发动机控制系统需要采集发动机工况参数，并输出控制信号。其中输入信号有数字信号、模拟信号，因此微处理器必须具备数字、模拟信号采集的功能。并且系统的软件和硬件需要协调，具有抗干扰性、可靠性和易维护性等要求。3、微处理器速度和字长相应。字长直接影响电控系统的计算精度、功能和速度。如果选用字长位数较多的微处理器，则功能完备，控制精度和速度都高。但从减少处理电路的复杂度与降低系统的成本来说，则处理器的字长以较短为易。目前汽车用的微处理器，多是8位机，其特点是指令功能丰富，速度较高，充裕的内存容量，具有可扩充输入/输出能力和较强中断能力。32位机微处理器的性能更好，运算速度更快，存储容量大，在高档轿车上已经开始应用，但用于成本较高，还限于在控制项目多、实时数据处理和运算量大的控制系统中。16位机微处理器的性价比介于两者之间，是一过渡产品，应用不很广泛。综上考虑，本研究选用Cygnal公司推出的C805IF020高性能单片机作为ECU的微处器。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容；片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM；C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速在系统调试，为系统的开发提供了极大的方便。其中所选用的C8051F020的主要性能参数如下：. 高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）. 全速非侵入式的在系统调试接口（片内）. 真正12位100ksps的8通道ADC（带PGA和模拟多路开关）. 两个12位DAC可编程更新时序. 64K字节可在系统编程的FLASH存储器. 4352（4096+256）字节的片内RAM. 可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口. 硬件实现的SP工SMBus/I2c和两个UART串行接口. 5个通用的16位定时器. 具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列. 片内看门狗定时器VDD监视器和温度传感器5.2.2传感器随着电子技术的发展，在汽车的成本构成中电子器件的所占比重越来越大，汽车用传感器的种类也越来越多，按其作用可分为检测电控系统所需的发动机内部状态的传感器和检测外部环境的传感器。本研究中应用的传感器属于检测内部信息的传感器，主要包括油门位置传感器、转速信号传感器、判缸信号传感器、水温信号传感器等。一、油门位置传感器油门位置传感器用于测量驾驶员所给油门的大小，输出踏板位置信号，不仅反映发动机的总能量的需求，而且是指示发动机工况的参数之一。这里采用汽车发动机电控系统常用的旋转式可变电阻位置传感器，其电源电压为5V，输出信号为0.5-4.5V，在油门最小油门位置（怠速油门）时，输出电压为电源电压的10%；在最大油门位置时输出电压为供电电压的90%，在此电压范围内的每一个电压对应油门从关闭至完全打开的每一个位置。其安装在一个专门设计的脚油门踏板上，该传感器信号的变化随着油门踏板位置的变化而变化，反映着操作者的控制意图。二、转速信号传感器转速是发动机的重要参数之一，对于电子控制多点喷射发动机，由于系统喷射正时的需要，必须精确确定发动机曲轴位置，在此，转速信号既是计算发动机转速的信号，又是喷射正时的基准。目前发动机转速测量一般选用的传感器类型有电磁感应式、霍尔式、光电式。电磁感应式传感器无需提供电源，可靠性好，结构比较简单，虽然所输出的感应电压信号的强弱与其安装间隙及发动机的转速有关，但经过信号处理电路后，可以得到理想的转速信号。所以本系统采用浙江瑞立集团公司生产的电子转速传感器，型号EQ153，它是电磁感应式，由永久磁铁、线圈等组成。发动机曲轴带动飞轮旋转，此时飞轮的齿峰与永久磁铁间的气隙不断发生变化，导致通过线圈的磁力线发生变化，进而在线圈中产生感应电动势，并以交流形式输出。其频率f决定飞轮的齿数Z和转速n的乘积，表述如下：（5-1）式中：n表示转速（r/min）；Z表示分轮的齿数。为了方便确定第一、二缸上止点的位置，特定加工了具有两个磁化齿的信号盘，两齿间隔180，如图5-3所示。信号盘安装在发动机的曲轴的自由端，随曲轴转动，电磁线圈固定在发动机上，垂直于转速盘，调整曲轴的转角，使第一缸活塞运行到上止点的位置，在其中一个磁化齿垂直位置安装一电磁线圈，使其固定于发动机上。发动机每两转输出四个脉冲，其中判缸信号后的两个脉冲用来确定发动机的喷气时刻。三、判缸信号传感器判缸信号传感器输出的是一脉冲信号，用来确定发动机第一缸、第二缸的喷气时序。其采用和转速信号相同类型的电磁感应传感器，将安装在凸轮轴上，判缸的信号盘如图5-3所示。在信号盘外圆周上加工了一个槽，内部镶有磁钢，电磁感应传感器安装在与其径向相对的位置，发动机每两转，传感器发出一个脉冲信号，安装时要求此信号提前第一缸上止点信号90的角度发生，这样可以最大程度避免由于安装的轴向误差而使转速信号与判缸信号相干涉。图5-3 判缸信号盘Fig.5-3 Judging Cylinder Signal tray四、水温信号传感器表5-1 温度传感器参数表Tab.5-1 The Parameter of Temperature Translator温度（）-20020406080100电阻（千欧）15.05.72.21.20.60.30.1冷却水温度是判断发动机的运行工况（启动、暖机、怠速），以及发动机运行是否正常的重要信号。这里采用的是汽车发动机电控系统常用的负温度系数（NTC）的热敏电阻式温度传感器，其温度探头采用金属外壳封装，具有耐腐蚀的能力，其直接安装在原发动机的水箱中，参数见表5-1。5.2.3执行器电控系统的主要的执行机构有天然气喷射电磁阀、比例电磁铁以及天然气紧急切断电磁阀。图5-4 SP021 天然气电磁阀的流量特性Fig.5-4 Flux Characteristic of SP021 Natural Gas Valve一、天然气喷射电磁阀天然气喷射电磁阀是天然气供给系统的关键部件，一方面它要求在一定压力下要有适当的流量，以满足发动机满负荷所需的供气量，保证小负荷下对微小喷射量的精确控制；另一方面要求有足够快的动态响应，以满足发动机的高负荷高转速时的响应要求。此外，喷气阀还要具有良好的一致性、可靠性、经济实用性等。经综合考虑，本系统选用了美国的BKM公司生产的SP021型高速伺服喷射阀。其主要性能参数有：额定电压12（24）VDC，最大工作频率不小于100Hz，额定气体压力2.0MPa，开关周期约为23ms。该喷射阀具有无泄漏、精度高、响应速度快、耐用可靠等优点。其流量特性如图5-4所示，可见该喷射阀的喷射量具有良好的线性度。1-挡铁；2-电气插头；3-弹簧；4-衔铁；5-壳体；6-阀座；7-线圈；8-线圈外壳图5-5 执行器结构示意图Fig.5-5 The Sketch Map of Governor Structure如图5-5所，喷射器由喷射器壳体、阀座、衔铁、弹簧、线圈、线圈外壳、挡铁和电气插头组成。喷射器壳体和挡铁置于线圈的孔内，线圈外壳套在线圈外，线圈外壳两端辊边收口使线圈外壳、线圈、挡铁和喷射器壳体四者连接为一体。阀座、衔铁和弹簧自下而上依次设于喷射器壳体的内孔中，阀座和喷射器壳体为螺纹联接，弹簧顶着衔铁的上端。挡铁上设有轴向通孔，衔铁上端设有轴向盲孔，衔铁下端设有与轴向盲孔相连通的侧向孔，阀座上设有轴向通孔。衔铁下端硫化有橡胶片，挡铁下端硫化有橡胶片，喷射器壳体内孔和衔铁外圆表面喷涂有聚四氟乙烯层。喷射器工作时，挡铁的轴向通孔进气，线圈通电，产生电磁吸力，衔铁克服弹簧力向上运动，使衔铁和阀座之间产生一个缝隙，燃气通道打开，气体从缝隙通过，再从阀座的轴向通孔喷出，实现供气。喷射器不工作时，线圈断电，衔铁在弹簧力的作用下，紧靠在其下部阀座上，关闭燃气通道，停止供气。二、比例磁铁的选型比例磁铁分为直线式和旋转式，这里采用直线式比例磁铁。其驱动方式为脉宽调制波（PWM）驱动，比例磁铁直接对油泵齿条进行控制，其线性位移和PWM的占宽比成正例。三、天然气切断电磁阀天然气切断电磁阀采用的是四川西恩基公司出品的天然气专用切断电磁阀，该电磁阀为二通常闭电磁驱动结构，额定电压24VDC（直流），额定电流1A。5.3电控系统的硬件设计图5-6 控制电路结构示意图Fig .5-6 The Sketch Map of Control Circuit Structure电控系统的电路设计采用模块化的设计原则，按照控制电路的不同功能将其分为四个模块：输入信号处理模块，ECU控制模块（包括ADC调整接口），输出驱动模块，键盘和显示模块。其结构示意图如5-6所示。5.3.1控制电路功能介绍该控制电路对发动机的转速信号、判缸信号、水温信号、油门位置信号进行实时的检测，再经过滤波、放大、调整电路形成输入信号。ECU控制模块对输入信号进行采样、分析、计算后，产生喷气电磁阀的驱动信号。然后，控制信号经过光电隔离、功率放大处理后，实现对电磁阀的控制。电路设计了键盘和显示模块，可对电磁阀的喷气脉宽（PWM）的计数值进行显示和修改，将特定工况修改的数据存储到MAP图中，便于优化、标定控制参数。5.3.2输入信号处理模块输入信号包括模拟信号、脉冲信号和开关信号。模拟信号部分主要对油门位置信号和水温信号进行了设计。系统选用的水温传感器输出为电压信号，但电压信号较弱，输出范围不能够满足单片机的要求的范围。发动机的工作环境比较恶劣，存在电磁噪声干扰，所以必须对信号进行电压调整、滤波、放大，其电路图如图5-7所示。图5-7 水温信号调理电路Fig .5-7 The Adjust Circuit of Acceleragragh Position Signal电路左端JP13是水温传感器的接口，其1、2两个引脚连接一由R6、R8、R12和W4组成的电桥，电阻W4作电压范围调整用；C12作滤波用，消除输入电压信号中的毛刺；R10、R14作限流保护用；这里采用AD623集成运放对电压进行输出放大，AD623具有单极性和双极性两种电源供给方式，其性能好、价位低、精度高，外部可调电阻W2可以调整运放的增益（1-1000），最终AD623运放的输出电压范围可被调整为0.54.5V。油门位置传感器输出信号在0.54.5V之间，可以直接和ECU相连。二、数字信号的处理电路数字信号部分主要对转速信号和判缸信号进行了设计。这两个信号经过电平转换和整形后，分别触发/INTO、/T2EX引脚，调用相关中断程序。系统所用的转速和判缸传感器都是电磁感应式传感器，其中转速传感器输出的是幅值随转速变化的近似正弦波的信号，需要将其处理为ECU能识别的方波信号，因此需对传感器信号进行整形、放大为幅值为3V的方波。由于存在电磁噪音干扰，须对信号进行滤波，其电路图如图5-8所示。图5-8 转速信号调理电路Fig .5-8 The Adjust Circuit of Speed Signal电路中极性电容C27作滤波用，用于消除信号中的噪音;稳压二极管DZ3、DZ4作整形用，目的把正弦波转化为需要的方波；这里采用CA3240集成运放对方波信号进行放大，使其幅值达到3V。CA32420A是广泛应用的双集成运放，可以双极性输出；电容CZ5具有隔离干扰作用，用来隔离信号中的直流部分。判缸信号调理电路中除元器件的参数和转速的不一样外，其结构原理基本相同，最后输出的是一脉冲信号。开关量包括模式选择和启动开关等，它们经过防抖和整形处理后，进入数字输入口，由ECU读入。5.3.3输出信号处理模块执行机构包括天然气喷射电磁阀、天然气切断电磁阀以及线性电磁铁等，它们都不能直接被C8051F020的输出信号直接驱动，必须经输出处理电路处理、功率驱动电路驱动后才能驱动执行机构。天然气喷射电磁阀、天然气切断电磁阀都采用PWM驱动方式，由ECU进行直接控制。一、电磁阀驱动信号的波形分析由电磁阀的工作特性可知，其理想驱动方式为：在衔铁吸合时，对应电磁线圈以尽可能快的速率注入峰值电流，使其迅速吸合。吸合后，磁路气隙减小，磁阻降低，电磁阀仅需较小的维持电流即可以吸合。在释放时，为了减小电磁阀的释放延时，应尽可能快速地切断驱动电流。在维持吸合阶段采用较小的维持电流，一方面可以加快电磁阀的释放速度，另一方面还可以减小蓄电池的能量消耗，并减少电磁阀线圈及功率驱动单元的发热。由以上分析，电磁阀驱动信号的实质是对电磁阀在开启阶段、合吸合阶段施加不同的电压或电流。这里PWM方式采用如图5-10中所示的电磁阀驱动信号，该信号由主脉冲、零脉冲和PWM保持波三部分合成。主脉冲使电磁阀能快速吸合，零脉冲是驱动电流从峰值电流回到维持电流的缓冲时间，PWM保持波使电磁阀线圈工作于仅维持电磁阀开启的较小电流。通过改变PWM波的占宽比，可以灵活地调节电磁阀线圈的维持电流，以达到最优的能量利用效率。二、电磁阀驱动电路设计根据以上电磁阀的驱动信号分析，可知电磁阀控制信号是比较复杂的PWM信号。若直接用单片机生成，其软件编写复杂，片内计算量大，响应慢，占用单片机的资源比较多，实现困难。这里根据C8051F020单片机的特性，采用信号分解法，将驱动信号分为驱动分解信号1和驱动分解信号2。由可编程计数器阵列（PCA）中的功能模块0与功能模块1分别实现分解信号1和2，然后利用数字电路对这两种分解信号进行合成，生成满意的电磁阀驱动信号。其合成原理图如图5-9所示。图5-9 电磁阀驱动信号的合成图Fig. 5-9 The Compound Map of Electromagnetic Valve Drive Signal控制系统中主要有三个控制电磁阀，它们分别是第一缸、第二缸喷射电磁阀以及切断电磁阀，由于三个电磁阀的工作时域互不干涉，而且控制信号都为PWM，所以只需两个功能模块，在切换控制电磁阀时，刷新一次对应模块的配置寄存器，便可以实现对三个电磁阀的理想控制。如果每一个电磁阀使用两个功能模块实现控制，则需要六个输出引脚，占用资源多、控制复杂。如电路图5-9所示，分解信号1、2分别由逻辑电路（DM74S08N）的第4、5引脚引入处理，在DM74S08N的第6引脚产生PWM。这里两根电磁阀选择线（SELECTA、SELECTB），经译码器（SN47S139AN）译码后控制SN47S139AN的第4、5、6引脚的电位，这三个引脚用来对三个电磁阀的PWM进行分时选通，形成PA0、PA1、PA2三路控制信号。三路控制信号由驱动器74HC244驱动输出到光耦开关TIL117上，光耦开关对干扰信号进行隔离后，由反相驱动器MM74HC05J传递到功率驱动器件TPIC5404，最后由TPIC5404直接控制电磁阀的开启和关闭。TPIC5404是一单片集成功率驱动电路，最大输出电压可达60V，持续工作电流可达1.7A，瞬时脉冲电流可达10A，满足电磁阀的控制要求。图5-10 驱动信号处理电路Fig.5-10 The Disposal Circuit of Drive Signal5.3.4 ECU控制模块ECU控制模块主要完成了微处理器模块、电源模块和ADC调整接口模块的设计。一、微处理器存储器C8051F020有64K可在系统编程的FLASH存储器组织和4K的外部数据存储XRAM。FLASH存储器的地址为Ox0000Oxffff，该存储器中有512B（OxFE000xFFFF）保留不能用于存储程序。除了标准805l的256B内部存储器RAM外，C8051F020还有位于外部数据存储器空间的4K的XRAM。复位电路采用外部/RST引脚复位，外部/RST引脚提供了使用外部电路强制微处理器进入复位状态的手段，在外部/RST引脚上加一低电平有效信号，将导致微处理器进入复位状态，这里提供了一个外部上拉对外部/RST引脚去耦，以防止噪音引起复位。系统时钟C805lF020有一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，其中内部振荡器可以通过对振荡器控制寄存器（OSCICN）编程为2MHz、4MHz、8MHz或16MHz。为了提高系统工作速度，系统时钟频率选为16MHz。二、电源电路电源模块的作用是为ECU内的各个部分及外部传感器等提供合适电平且具有一定功率的电压信号。双燃料发动机电控系统所用的电源来自于汽车的蓄电池及发电机，电压一般为20V30V，且很不稳定。而控制系统需要稳定的+3.3V（系统电源）、+12V（电磁阀驱动电路用）、+5V（传感器）电源。所以电源模块必须具备变压和稳压的作用，同时还应能够消除输入电压的剧烈变化对它造成损坏的可能性。图5-11 电源配置电路图Fig.5-11 The Circuit Diagram of Electrical Source Collocate对于12V和5V直流稳压电源，利用LM2575TV系（5V，12V）电压调节集成芯片实现系统的电压配置，其电源配置电路如图5-11所示。LN2575TV的所用外围器件仅为四个，其主要参数为：电压输入范围是860V，额定电流1A，电流限制值3A，开关频率52KH，输出电压5V（12V）。12V和5V的电路设计，除了所用芯片不同外，外围处理电路完全一样。其外部电源输入接口，可接DC或AC930V的电源，满足车用蓄电池（电压为24V12V）的装配要求。对于3.3V精确直流稳压电源，主要利用AS1117电压调节集成芯片为系统配置。AS1117稳压调节器具有体积小、精度高、重量轻、调整管功率损耗小、能效高等优点。三、ADC调整接口电路ADC调整接口电路是一个RC电路，主要对输入的信号进行限流、滤波，保护单片机I/O引脚。在测试A/D采样时，在接口电路上接一可变电阻和固定电阻，调整可变电阻，可使其输出0.4V4.5V的电压，实现对油门信号、水温信号的仿真，方便输入参数的设计。5.3.5键盘和显示模块键盘和显示模块主要采用了HD7279A串行接口LED数码管及64键键盘智能控制芯片。HD7279A是一片具有串行接口的、可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立的LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能，所用微处理器I/O接口少，仅需四个（/CS、CLK、DATA、KEY）。其特点如下：（1）串行接口，无需外围器件可直接驱动LED；（2）各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性；（3）（循环）左移/（循环）右移指令；（4）具有段寻址指令，方便控制独立LED；（5）64键键盘控制器，内含去抖动电路。6 技术与经济性分析针对柴油发动机进行天然气柴油双燃料发动机的改装，具有经济型好的优点，对柴油机发动机的改装遵循原则主要有：柴油机的结构变化不大；改动的零部件尽量标准化以保证通用性；装车可行性强；改装成本低，效果明显。针对天然气发动机双燃烧室的改装在技术上可行，只需对主燃烧室进行重新设计，以及加装技术比较成熟的副燃烧室，改装技术成熟。将柴油机改装为天然气-柴油双燃料发动机，由于大部分时间都处于柴油引燃，天然气作为主要燃料的工作状态，所以在经济上具有较柴油机明显的优势，加之排放也同时得到了优化，同时也使得环境成本降低。经现有数据表明，客车或者出租车由柴油机改装为天然气发动机后，燃料费节约率约为40%，改动费用回收期为5个月左右

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