气体燃料发动机的分析研究

PAGE.PAGE1.郑州交通职业学院毕业论文（设计）论文（设计）题目：气体燃料发动机的分析研究所属系别：汽运系专业班级：08级大专汽车运用技术三班姓名：王津学号：200808010010353指导教师：王占勇20111摘要当今世界能源紧张,由于传统内燃机过分依赖于石油化工燃料,作为现代文明社会重要标志的汽车及发动机,其发展正承受着来自能源紧张问题的巨大挑战。实现本世纪汽车及发动机工业健康发展的根本出路,就要减少对石油的过度依赖。探索开发替代石油基燃料的新型洁净燃料是解决此问题的重要途径之一。而其中气体燃料应用于发动机领域的研究也正在成为研究所关注的焦点。研究首先利用现有的单缸柴油机,在其基础上进行改造,加装点火系统和燃料喷射系统;开发针对气体燃料发动机的电控系统等,将其改造成为适合于燃用混合气体燃料的发动机。其次针对发动机燃用混合气体燃料进行台架试验研究。整理试验数据,得出以下结论:(1)发动机燃用混合气体燃料情况下,由于燃料热值较低,发动机动力性较燃用单纯CNG情况有所降低，但可以达到发动机功率要求。(2)发动机燃用混合气体燃料的燃料消耗率较燃用单纯CNG情况有所增加,但由于低热值混合气体燃料价格便宜,其经济性优于燃用CNG。(3)由于混合气体燃料热值较低,在发动机缸内燃烧时燃烧温度较低,造成CO和HC排放较燃用CNG情况有所增加,但NOx的排放低于燃用CNG情况。关键词：气体燃料，发动机，试验分析1引言内燃机的诞生距今已经有一百多年的历史，是与能源相适应的产物，。发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂系统，其功能是使输进气缸内的燃料燃烧而发出动力。以其良好的动力性、经济性和耐久性，一直在各个领域内的得到广泛的应用。可是由于能源紧张、环境污染生态平衡等一系列问题，人们在许久以前就开始探索新型动力机了，提出各种新奇的功率传输结构，似乎已是不太全面了。但是随着各项科学技术的发展，常规内燃机的新结构人在不断的进步。近年来，国内外先后开发出燃用混合气体燃料的新型气体燃料发动机。随着气体燃料发动机的开发及应用，混合气体燃料特性成为这类气体燃料发动机研究的重要内容。自从上世纪石油危机以来，众多的石油化国家开始了对代用燃料的研究开发，以应付石油供应的危机以及最终的石油枯竭。从资源来看，中长期车用室友替代燃料的主体将来自3个方面：煤基燃料、生物燃料和天然气燃料。从车辆应用角度看，车用代用燃料主要有3类：含氧燃料（醇/醚/酯）、合成油（BET/CTL/GTL）和气体燃料（甲烷气/合成气/氢气）。气体燃料中，甲烷气是近期的重点，以天然气为例，2020年，我国天然气供应量可达到1200亿立方米以上，拿出10%左右用于汽车发动机就可代替1000万吨左右汽柴油；合成气是各种一次能源通过气化工艺制程的富氢气体，是各种汽车新型燃料的原料气，也可直接做汽车燃料，在车用能源转型中发挥着关键作用；氢气是一种原料来源广泛、尾气排放为零的环保燃料，是车用能源转型的战略目标之一。本论文主要从气体燃料发动机的基本知识理论、设计的主体内容及和结果分析与讨论等方面加以说明。2发动机的基本理论知识2.1发动机的组成和作用一、发动机的作用：是使输进气缸内的燃料燃烧而发出动力。二、发动机的组成：机体、曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统(汽油发动机采用)、起动系统等部分组成。图2-1发动机的组成图2.2发动机的分类根据所用燃料不同，发动机可以分为汽油机、柴油机和气体燃料发动机。以汽油或柴油为燃料的发动机分别称为汽油机和柴油机。使用天然气、液化石油气和其它气体燃料的发动机称为气体燃料发动机。按照冷却方式的不同，发动机可以分为水冷发动机和风冷发动机两种。利用水或冷却液作为冷却介质进行冷却的称为水冷发动机，利用空气作为冷却介质进行冷却的称为风冷发动机。按照完成一个工作循环所需的行程数不同，内燃机可分为四行程内燃机和二行程内燃机。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的内燃机称为四行程内燃机；而把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动两个行程，完成一个工作循环的内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机广泛使用四行程内燃机。按照进气状态不同，活塞式内燃机可分为增压和非增压两种，若进气是在接近大气状态下进行的，则为非增压式或自然吸气式内燃机；若利用增压器将进气压力增高，进气密度增大，则为增压式内燃机。增压可以提高内燃机功率。汽油机常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式的。2.3发动机的型号与编制(1)1E65F表示单缸、四冲程、缸径65mm、风冷、通用型。(2)4100Q表示四缸、四冲程、缸径100mm、水冷、车用。(3)492T表示四缸、四冲程、缸径95mm、水冷、拖拉机用。图2-2发动机型号的顺序和符号规格图3气体燃料发动机电控系统设计3.1发动机电控喷射系统和点火系统的整体方案设计本发动机喷射系统和点火系统是根据混合气体燃料的发动机控制特点，在原有的六缸单燃料天然气发动机的电控系统基础上经过分析和研究，改造成针对气体燃料发动机的燃料喷射和点火电控系统。3.1.1气体燃料发动机的电控系统的特性对喷射控制主要控制空燃比和喷射定时，对空燃比的控制按照工况的不同分别采用开环和闭环相结合的方式进行控制。这种控制方式的的最大特点是控制的实时性强，响应速度快。当气体燃料发动机工况发生变化时，。无需寻优调节过程，直接作出控制决策，控制为设定的最佳值。点火控制对气体燃料发动机点火的控制主要控制参数为点火定时和点火能量，对点火定时的实时控制则是采用的开环方式加以控制的，并且可以根据工况和环境田间的变化进行精确控制。在电控发动机种，不仅可以控制点火定时，还可以根据不同的要求控制点火能量，这在非电控发动机上是难以实现的。3.1.2电控系统总体设计方案发动机电控系统的功能是根据发动机运转状况确定最优的燃料喷射量及点火提前角。电控系统由传感器、ECU、执行装置三部分组成，传感器负责发动机工况的各种信号进行采集，ECU分析传感器采集到的信号、判断、计算，并根据控制策略喜爱能够执行器发出控制信号，而执行器则按照ECU输出的指令进行动作。发动机电控系统的设计从系统控制功能的需要出发，包括电控单元、传感器、执行器以及线束几个部分。电控系统采集并处理传感器得到的各种发动机工况信号，通过电控单元的运算处理，确定发动机在各工况下的控制参数，通过执行器驱动电路输出的控制信号使哥哥执行器按照要求有序的工作。电控系统的总体结构如下图所示。转速与上止点位转速与上止点位置信号节气门信号氧传感器信号冷却水温度信号进气管压力信号进气管温度信号燃气温度信号燃气压力信号传感器信号处理微处理器MC9S12DP256执行器驱动电路PC机监控系统点火线圈电磁阀燃气压力调节步进电机图3-1电控系统的总体结构图3.1.3传感器和执行器的选型（1）传感器的构成和选型发动机计算机控制系统的性能首先取决与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变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。在整个发动机带你控系统中，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来感知发动机的运行状态，他们是电控单元收集数据、作出决策的直接依据。计算机控制系统中普遍测量的物理量有温度、压力、速度、位置、流量等，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。从功能上可将电控系统的的传感器分为以下几种：发动机运行工况传感器，测取发动机转速等工况信号并输入计算机控制系统。参数修正传感器，测量冷却水温度、进气温度、进气压力、废气中氧含量等，用以修正燃料喷射量及点火提前角。执行器反馈信号传感器本文涉及的气体燃料发动机电控单元需要实时测量发动机的运行状态，检测信号主要包括发动机转速信号、曲轴位置信号、节气门位置信号、近气压力信号、进气温度信号、冷却水温度信号等。因此系统中使用的传感器主要包括：发动机转速和曲轴位置传感器、节气门开度传感器、进气管压力传感器、进气温度传感器、水温传感器等。发动机转速和曲轴位置传感器曲轴位置传感器又称发动机转速与曲轴转角传感器，其功用是采集曲轴转角的位置信号和发动机的转速信号，并输入控制单元，以便确定点火时刻和喷气时刻。常用的曲轴位置传感器分为光电式、磁感应式和霍尔式三种类型。曲轴位置与发动机转速传感器采用霍尔式传感器与固定在发动机曲轴上的信号发生盘上的磁盘片相配合为ECU提供上止点位置信号和转速信号。节气门位置传感器节气门位置传感器是一个三线式传感器，三线分别是电脑提供给传感器的参考电源为5V；为传感器接地；连到传感器的滑动触点，作为信号输出给电控单元。当提供5V参考电源，在电阻材料上每点的电压降都将由滑动触点决定，而这个滑动触点的移动是与节气门角度成正比的，另外电压数值变化的快慢反应了节气门开闭的快慢。发动机ECU接收到节气门位置传感器输入的电压信号，即可判知节气门开度大小及开闭的快慢，从而精确的判断发动机的运行工况。进气管压力传感器气体燃料发动机燃气喷射来那个的计算方法有两种，即直接测量法和间接测量方法。直接测量法采用空气流量传感器直接测取每循环空气的进气量，然后根据控制所要达到的空燃比来控制燃料的喷射量。间接测量法才欧元能够进气管压力传感器测量节气门后进气管内的真空度，来间接测量进气量。水温传感器本文中的水温传感器选用热敏电阻传感器，利用热敏电阻阻值的变化来检测冷却水的温度变化，进气温度传感器和水温传感器均采用负温度系数热敏式温度传感器，其测温度原理是当电阻器暴露在外部高温环境下时，其电阻值会急剧下降，电压恒定时电流会迅速上升，可以通过测量电流的大小来进行温度测量。电控系统中利用电流信号根据冷却水温的情况对基本喷射时间进行修正。进排气温度传感器进气温度传感器装在气体喷射器之前，用来测量气体燃料的温度，其阻值特性与水温传感器的阻值特性相同，但前者测量温度部位的热容量，所以响应快一些。发动机缸内压力传感器发动机缸内压力传感器是用来测量发动机工作时，气缸内的燃料压力变化。该传感器在目前国际应用最广，具有可靠、稳定、高性能、易于安装的特点和完善的技术支持等优势。（2）执行器的构成与选型发动机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发动机的综合性能，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包括各缸的气体燃料喷射器，点火控制的执行器是点火线圈和火花塞等。点火线圈的选型点火线圈是气体燃料发动机ECU实现点火功能的核心部件，他直接影响到整个点火系统的工作性能和整个发动机的动力性、经济性以及排放性等各项指标，因此点火线圈的选型非常重要。需要计算出点火线圈的通电时间。点火系统的能量可由公式（1）计算：E=L1*Ip2/2（1）式中：E····点火能量；L1····点火线圈的初级电感；IP····初级线圈断开电流。由上式可知，线圈的储存能量是由线圈峰值电流决定的。燃料喷射阀的选型喷射法是根据ECU指令将混合气体燃料喷入发动机进气口的装置，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。气体燃料喷射阀与燃油喷射器的最大区别是需要更大的流通截面积，以保证足够的气体流量。3.2发动机点火控制系统对于气体燃料发动机而言，电控点火系统是发动机中的重要组成部分。一方面，电控点火系统的应用可以有效的控制排放不降低发动机的性能指标；另一方面，电控点火系统的应用，可以在环境温度、海拔高度、工况等发生变化的情况下使发动机保持在最佳工作状态。3.2.1电控系统性能要求及结构特点电控点火系统的性能要求发动机点火系统最基本的要求是保证点火正常，在整个发动机工况范围内能提供稳定的点火能量和准确的点火时刻控制。为了保证气体混合燃料发动机在各种工况和使用条件下都能可靠并适时点火，电子点火系统必须满足以下要求：能够产生足以击穿火花塞间隙的电压、火花应具有足够的点火能量、点火系统必须在最有利的时刻点火。电控点火系统的结构及特点点火控制带你路系统，是气体燃料发动机必须具备的系统之一。电控直接点火系统主要由传感器、ECU、及点火执行其组成。系统中所用传感器主要有曲轴位置和转速传感器、节气门开度传感器、进气压力传感器和冷却水温度传感器等，在系统中点火执行器由点火线圈和火花塞等组成。电控系统的基本结构如图所示。图3-2电控点火系统的基本结构图3.2.2电控点火系统的设计电控直接点火系统的基本功能是通过发动机的转速信号、曲轴位置信号等来进行信号的识别、转速的计算，并通过发动机的运行工况计算点火时刻以及初级点火线圈的通电时间等。电控点火系统硬件设计电控高能直接点火系统的硬件主要包括输入信号传感器、整形处理电路、复位电路、点火线爱你全、驱动电路以及通信接口等，硬件结构框图如图所示图3-3电控高能直接点火系统硬件结构框图电控点火系统软件开发点火提前角对发动机的经济性影响较大，点火提前角越偏离最佳值，热效率下降越大。点火控制装置考虑了转速和负荷两个因素，发动机启动后，点火提前角主要由节气门开度和发动机转速决定。点火能量关系到点火质量好坏，为防止发动机失火，必须对其进行精确控制。主要有点火提前角控制、点火能量控制、软件控制等，其中软件控制主程序流程图如图所示。图3-4主程序流程图3.3发动机电控燃料喷射系统3.3.1燃料喷射控制方式及特点的研究发动机电控系统的控制方式分为开环控制、闭环控制和开闭环控制结和三种方式。开环控制是有控制系统先检测发动机的运行工况和状态，然后根据所检测到的发动机运行工况和状态参数查取MAP图，确定被控制量。闭环控制方式则是由反馈传感器将被控制量发生变化后的响应效果反馈到微控制器中依据反馈结果对被控制量进行进一步的调节，以达到提高控制精度和实施优化控制的目的。气体燃料发动机电控喷射的特点：系统参数变化范围大，且为时变系统。在整个工矿范围内，用空气温度及压力等其它参数修正所得到的，输出和输入具有严重的非线性关系。是一个多输入与多输出系统。3.3.2燃料供给喷射系统设计燃料喷射系统硬件设计喷射系统和点火系统在硬件设计上主要差别在于其驱动电路的设计。电控单元的最终目标是通过ECU控制执行器，完成对气体燃料喷射量、喷射定时的控制。输出通道将微控制器与执行机构联系起来，它将ECU做出的控制决策信号，经隔离、功率放大等环节，转变为控制信号足以驱动执行机构工作。燃料供给喷射系统软件开发电控喷射系统控制策略电控喷射系统必须在各个不同的发动机工作区局内采取不同的控制。发动机使用工况分为几种，并通过机器门位置以及发动机转速判断发动机出于何种工况，并设置相应的工况标志。软件控制喷射控制软件的基本功能模块主要包括信号检测与处理模块、控制计算模块、输出驱动模块以及保护模块等。主程序在整个发动机运行过程中不断循环，在循环部分首先进行了清看门狗设置，然后进行输入模拟信号的A/D转换和发动机限速保护处理，并设置了系统工作状态检查，从而在系统状态出现问题时及时发现并解决。在主程序中还调用了串口发送子程序，向上位机监控系统发送传感器采集信号及控制表量的当前值等数据。主程序流程图如下图所示。主程序入口主程序入口初始化清看门狗（COP）A/D转换子程序限制子程序系统状态检查子程序串口发送子程序图3-5主程序流程4发动机的性能分析4.1气体燃料发动机燃烧特性分析为了深入了解双燃料发动机的燃烧特点，对两种发动机在相同外特性工况点的燃烧过程进行了比较。图4-1和图4-2给出了在1800r/min和2800r/min时的燃烧放热率。图4-11800r/min时燃烧放热效率图4-22800r/min时燃烧放热效率与柴油机不同，双燃料发动机燃烧放热率基本上是较为丰满的单峰形式，这是由于双燃料发动机引燃柴油压燃着火和均质混合气燃烧的特性所造成的。因引燃柴油少，放热始点略为推迟（供油提前角相同），前期放热峰值明显降低。所以，最大压力升高率明显比柴油机降低。从放热曲线形状上看，双燃料发动机中、后期的放热率大。说明它的中后期燃烧速度高使热效率提高。此外，双燃料发动机的燃烧过程没有振荡燃烧的迹象，而柴油机的振荡燃烧迹象较为明显。

图4-3和图4-4是燃烧质量百分比的比较。在1800r/min时，双燃料发动机的主燃烧期为17℃A（原机为23℃A），燃烧非常迅速；而在2800r/min时，主燃烧期为29℃A（原机为22℃A）。说明燃烧快慢主要由火焰传播速度决定，转速越低，燃烧越快。图4-31800r/min时燃烧质量百分比图4-42800r/min燃烧质量百分比因此，利用柴油机的高压缩比，柴油-天然气发动机以少量引燃柴油着火、均质混合气燃烧，具有燃烧前期低而中后期高的放热规律，而且燃烧过程稳定，噪声低，热效率高。4.2气体燃料发动机经济性分析负荷特性试验经济性分析图4-5为发动机燃用氮气体积分数分别为20%、30%、35%的低热值气体燃料时，在1500r/min和1800r/min转速下，发动机有效燃料消耗随着发动机功率增加的变化趋势。图4-5发动机燃用混合气体燃料经济性变化结果分析如下：由于发动机工作在低负荷区域时，平均值是压力较小，机械效率较低，使得有效燃料消耗率较大。随着负荷的增加，机械效率增大，燃料消耗减小。而混合气体燃料中氮气的体积成分越大，其中可燃的气体成分就相应的越少，在保证发动机一定功率前提下，就需要消耗更多的混合气体燃料。经济性随过量空气系数变化分析图4-6为发动机燃用氮气体积分数为20%的混合气体燃料在1500r/min和1800r/min转速下经济性随过量空气系数变化的规律，和发动机燃用氮气体积分数为20%和35%的燃料时，在1500r/min转速下，发动机燃料消耗率随过量空气系数变化的规律。图4-6经济性随过量空气系数变化相同过量空气系数下，体积分数为20%的混合气体燃料的情况好于体积分数为35%的燃料的情况。这主要是由于燃料中的氮气成分增加后，燃料热值降低，致使燃料消耗量增大。4.3气体燃料发动机动力性分析负荷特性试验动力性分析图4-7为此实验中，转速为1500r/min和1800r/min时，发动机燃用不同体积分数的混合气体燃料情况下的动力性的比较。图4-7发动机燃用混合气体燃料动力性变化由上图可以看出，发动机在燃用混合气体燃料情况下，动力性随着燃料中甲烷浓度的减少而逐渐降低。过量空气系数变化对动力性的影响图4-8为发动机燃用氮气体积分数为20%的气体燃料在1500r/min和1800r/min转速下动力性随过量空气系数变化的规律，和体积分数为20%和35%燃料时，在1500r/min转速下，功率随空气系数变化的规律。图4-8动力性随空气系数变化的规律由上图可以看出，发动机动力性随着过量空气系数的增大而逐渐降低，这是由于空气系数变大，混合气体浓度降低，致使动力性下降。5总结随着世界经济的发展，天然气、石油等不可再生资源的紧张越来越成为制约内燃机发展的重要因素。而代用燃料在发动机上的应用成为研究降低汽车污染排放和减缓石油供需矛盾的一项有力措施。气体燃料以其存储量大，分布广泛，价格低廉，开采利用方便等特点，成为目前发展潜力的代用燃料之一。本文通过对现有柴油机发动机进行改造，将其变为适合于燃用气体燃料的发动机。并针对气体燃料发动机的性能研究，分析了混合气体燃料点火和燃料喷射特点的基础上，开发发动机电控点火和燃料喷射系统。本文只是自己的研究，而且存在着很多不足，正确与否还有待考验，希望能够更深入的研究分析。通过这次论文，我的确学到了很多以前没有了解到的知识，查阅了很多书籍，登陆网站，可是这又使我感到很满足，很有成就感，感谢这次学习机会。致谢转眼就要毕业，想想这几年来，学校的生活还真的是让人难以忘记，想念朝夕相处，一起上课下课的同学们，怀念老师上课的情景，感谢同学们对我的宽容，老师对我的帮助和关心，衷心的希望你们永远幸福快乐。本论文的工作是在我的导师王占勇悉心指导下完成的，王占勇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。在此我衷心感谢三年来王占勇老师对我的关心和指导。我的朋友们对我的论文提出了许多宝贵意见，在此表示衷心的感谢，谢谢你们的支持和帮助。另外，最应该感谢的是我的家人，是他们让我能够选择自己的专业，并且在我的学业期间给予我无微不至的关怀和理解，在我身边鼓励支持我，才使我能够专心完成我的学业。参考文献[1]吴基安,吴洋.新能源汽车知识读本.人民邮电出版社,2009.9.[2]杨嘉林,车用汽油发动机燃烧系统的开发.机械工业出版社,2009.1.[3]赵福堂,汽车发动机原理构造及电控.北京理工大学出版社,2010.6.[4]朱仙鼎,特种发动机.机械工业出版社,2001.7.[5]蒋德明,高等内燃机原理.西安交通大学出版社,2002.9.[6]周龙保,内燃机学.机械工业出版社,1998.[7]王熠,低热值气体燃料发动机性能研究[硕士学位论文].北京交通大学,2010.11.[8]孙宗强,关于《汽车发动机产品名称和型号编制规则》的探讨.世界标准化与质量管理,2007.3.[9]Zhanking,10佳发动机.2006Top10BestEngine[J].世界汽车，2006.5.[10]MinggaoYang,SorensonSC.DirrectDigitalControlofDieselEmission.SAEPaer9020565[11]LudwigWalz,WolfWesselandJoachimBerger.ProgressinElectronicDieselControl[C].SAE840442[12]白银环,低热值气体燃烧特性研究./p-77188868508.html附录1：系统部分结构截图附录1-1喷射阀结构图附录1-2点火电控系统结构示意图附录1-3发动机