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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： F 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） 1 附录 B 译文 压缩天然气 /柴油双燃料发动机的排放物 经网络的研究 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（ 。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（ 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 。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 经网络可以用来成功地预测和优化 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 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 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， 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（ 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，没有鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计 2 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。 特别是在神经网络 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 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 ; 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 经网络的神经元的功能是作为 经网络包括三个层次，第一层是输入层，其元素 ，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。 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 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 3 该网络结构见 中输入向量 X = ab ., 理想输出系列 j=1,2 . P） ,实际输出系列 有输入 隐藏节点和 择高斯函数， （ x） = = 3的径向基函数，实际输出系列 然后， 满足下面的公式，从其中的 基于 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， 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， 设置为 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 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，于图 2所示。而隐层节点数 中隐层节点数为 11。 鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计 4 模型的验证 该模型也验证了一个双燃料发动机的规格： 08定功率 /转速 = 112800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 基于模型的 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 放量的变化表明 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。 在特定工况下， 量对 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 。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 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 5 在重载状态下，试点数量对 放影响的效果如图 7。可以看出， 放量相对于轻载状态下要少， 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 结论 在天然气 /柴油双燃料发动机排放预测模型 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 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，鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计 6 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。 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 7 鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计 8 附录 C 外文文献 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 9 鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计 10 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 11 鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计 12 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 13 鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计 14 辽宁工程技术大学毕业设计（论文） 15 鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计 16 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 1 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 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 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 先进的 2 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 控喷 射 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。 3 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 主要理论包括：汽车构造；热力学基础； 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 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。 4 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 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 5 第 1 毕业实习 ,查阅相关资料，熟悉毕业设计任务 ; 第 3 撰写开题报告 第 5 选取结构参数，了解基本结构 第 7行燃烧热力学模型研究 第 9行喷气计数值 制 第 11电控系统方案设计与硬件设计 第 13写说明书； 第 15印说明书和图纸，装订整理，准备答辩 四、主要参考文献 1张建文 汽车设计 M版 机械工业出版社 8. 2汽车构造 M 第二版 机械工业出版社 1. 3汽车设计 M华大学出版社 1 4汽车理论 M北京 : 机械工业出版社 5. 5冷兴聚等 机械设计 M版 东北大学出版社 9. 6吴宗泽 机械零部件手册 M版 机械工业出版社 6. 7车用燃气与加气站建设 M 北京：中国石化出版社 0 8天然气和液化石油气汽车 M京理工大学出版社 1 9压缩天然气汽车改装与维修 M民交通出版社 5 10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电子技术 M2006 12光斌，李玲，喻红 M2001 13勇 . 汽车电子控制技术 M2001 14 of 000(1) 6 五、指导教师意见 指导 教师签字： I 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 (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 本文在 行了基于柴油引燃的柴油 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 后提出了喷气计数值 利用 据建模功能，生成了喷气计数值 终找到了将 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 关键词 ： 天然气发动机；双燃烧室；替代率； t of is of is a a of of on so of a of as an to In on n to of at to AP AP a AP to of a 4 目录 1 绪论 1 天然气的物理化学特性 2 然气在发动机上的应用 4 然气发动机研究现状 4 火花塞点火的天然气发动机 4 柴油 5 本课题的研究意义 8 2 燃烧室结 构设计 10 然气发动机的选择 10 喷油嘴结构参数对双燃料发动机性能的影响 11 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 型的基本假设 17 热率计算的热力学模型 17 内 工质质量的计算 20 4 性能实验及喷气计数值 的实现 22 验方案 23 给量 制取与试验分析 24 气计数值 的模型及实现 24 气计数值 计算模型 25 算模型在 的实现 26 喷气计数值 应用分析 28 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 控系统结构及工作原理 29 控系统结构 29 控系统工作原理 30 控系统的方案设计 30 处理器 30 感器 31 行器 34 控系统的硬件设计 36 制电路功能介绍 36 入信号处理模块 36 出信号处理模块 38 制模块 41 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 序（制取 ） 47 附录 B 译文 49 附录 C 外文文献 55 6 1 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%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 （ 、甲醇 （ 、乙醇 （ 、天然气 （ 包括压缩天然气 化石油气 （ 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 7 燃烧油料相比较，内燃机尾气中的 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 世界 144万亿 %，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 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国可形成 4个年产 100个年产量 50亿 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。 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 （ ，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 。表 1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 含 。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 8 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柴油与其他待用燃料物化特性 性 柴油 天然气 丙烷 甲醇 分子式 3子量 190点（ ） 18042 65 液态密度（ g/ 热值 （ g） 火极限 （ %） 火温度 （ ） 250 537 470 450 十六烷值 40 - 5 理论空燃比 化潜热 （ g） 250 510 370 1110 辛烷值 50 130 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，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，动机采用柴油 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 5%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 （ ） ，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， 5%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 。 9 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（ 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（ 液化天然气发动机（ 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。 0存在高压气瓶中，储存能力较低，气瓶自重也比较大； 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 耗也较大，经济效益比 外 保温要求较高，因此 未商品化。目前， 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 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）。 然气发动机研究现状 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 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。 10 一、天然气 国内目前改装的天然气 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 动机都能正常工作。如 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。 汽油发动机，改进了进气道结构，压缩比从原来的 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 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 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 一、双燃料发动机开发现状 柴 油 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 11 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 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 176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 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 一系统为降低小负荷时的未燃 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%。 15。天然气的喷射压力在14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 6。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 7%左右，在整个负荷范围内噪声比原机降低 2 12 此外，还有人对 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 0% 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%； %10%；烟度低于 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。 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。 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 13 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。 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。 目前广泛使用的柴油 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 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 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。 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 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 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。 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 14 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 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 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 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 15 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 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 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 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改装之后，可较好的控制 柴油扩散燃烧的现象 。 表 2柴油机基本参数 of 标 参数 型式 立式，双缸，水冷，四冲程 型号 烧室型式 直接喷射式 缸径（ 100 行程（ 105 活塞总排量（ L） 缩比 16 标定功率（ 定转速（ r/ 2300 最大扭矩（ Nm） 矩储备系数 15% 标定工况比油耗（ g/Kwh） 定工况平均有效压力（ 581 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 16 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. 2744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 从图 2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 4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 4 从表 2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 降到 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 代率则从 降到 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。 17 (a)料消耗率（g/定工况最大扭矩工况(b)温（）标定工况最大扭矩工况(c)度标定工况最大扭矩工况图 2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 a） b） c） 18 表 2喷油嘴喷孔直径对双燃料发动机性能的影响 on of 工况 喷孔直径（ 燃料消耗率（ g/ 排温（ ） 烟度 替代率 标定工况（ 2300r/ 4油） +然气） 395 油） +然气） 384 油） +然气） 380 油） +然气） 372 大扭矩工况（ 1700r/ 4油） +然气） 390 油） +然气） 382 油） +然气） 379 油） +然气） 368 之，针对柴油引燃天然气发动机来说，采用喷孔直径为 4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 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 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。 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。 形燃烧室 （ 见图 2下称 1#燃烧室 ） ，燃烧室容积为44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下称 2#和 3#燃烧室 ） 。其中 2#燃烧室容积为 40缩比为 3#燃烧室 19 容积为 缩比为 图 2原机燃烧室示意图（ 1#） 1#） 2#） 2#） 图 2对比燃烧室示意图 of 图 2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。 20 （a）210220230240250260270标定工况 最大扭矩工况燃料消耗率(g/#2#3#（b）370