（动力机械及工程专业论文）加氢燃烧、egr对柴油cng双燃料发动机性能影响的研究.pdf

得到 摘要 柴油天然气双燃料发动机，与火花点燃式发动机相比，具有经济性与动力 性方面的优势，是天然气发动机的重要形式之一。研究和探索柴油，天然气发动 机降低排放、提高经济性的措旖，对扩大这种发动机的应用范围，解决能源与 大气污染问题，具有重要的理论与实际意义。 本文在分析柴油c n g 双燃料模式下t h c 排放高的原因后，首次提出了“柴 油c n g 双燃料发动机加氢燃烧”的概念，茬，分利用了氢气燃料在燃烧速度快、 燃烧界限宽、比热值低、淬熄长度长、淬熄距离小方面的优点蒜。研究表明： 在天然气中加入氢气之后，可以缩短发动机的着火滞燃期和燃烧持续期，明显 改善双燃料发动机的 h - i c 、c o 排放，降低发动机的燃料消耗量。 本文还研究了冷却e g r 对柴油天然气发动机燃烧、排放及经济性的影响， 研究表明：e g r 能有效地降低双燃料发动机的n o x 排放，同时，与柴油发动 机相比，还具有一个显著的优势：应用合适比例的e o r 在降低n o x 排放的同 时，不会造成烟度、t h c 排放以及经济性的明显恶化，甚至在许多工况下，还有 改善作用。 本文介绍了作者在发动机台架建立、发动机电控系统开发、试验结果及分 析方面的工作。 本文的研究结果为降低柴油，天然气双燃料发动机的排放，提高经济性提供 了新的途径；同时也为天然气、氢气这两种气体燃料提供了在内燃机上新的应 用方式。 关键词：柴油c n o 双燃料发动机、天然气、氢气、燃烧特性、排放、经济性 得到 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hs p a r k i g n i t e de n g i n e s t h ed i e s e l c n gd u a lf u e le n g i n e sa r e m o r ee c o n o m i ca n d p o w e r f u l s oi ti si m p o r t a n t t of i n dam e t h o dt or e d u c ee m i s s i o n a n df u e lc o n s u m i n go f t h ed i e s e l ，c n gd u a lf u e le n g i n e s an e w c o n c e p t i o n a d d i n gh y d r o g e n t od i e s e l ，c n gd u a lf u e l si sp r o p o s e di n t h i sp a p e ra f t e ra n a l y z i n gt h er e a s o no f h i g ht h c d u r i n gd u a lf u e lm o d e l t h cc o m e s d o w nb yt h i s ，b e c a u s eh y d r o g e nh a sq u i c kc o m b u s t i o n r a t e ，w i d ec o m b u s t i o n b o r d e r l i n e ，s h o r ti g n i t i o nd e l a ya n dl o n ge x t i n g u i s hl e n g t h r e s e a r c h s h o w st h a ta f t e ra d d i n gh y d r o g e n ，t h ei g n i t i o nd e l a ya n dt h ec o m b u s t i o n t i m eb e c o m es h o r t e r ；t h ca n dc oe m i s s i o n sa r er e d u c e da n d e n g i n ec o n s u m e s l e s sf u e l i na d d i t i o nt o t h i s ，t h ea f f e c t i o n o fc 0 0 le g ro n c o m b u s t i o n ， e m i s s i o na n de c o n o m yo nd i e s e l c n ge n g i n ei sr e s e a r c h e d t h er e s u l ts h o w s t h a te g rc a nr e d u c en o xe m i s s i o ne f f e c t i v e l y ，a n da tt h em e a nt i m e ，s o o t ， t h ee m i s s i o na n de c o n o m yw o n tb e c o m ew o r s e ，a n di ns o m ec o n d i t i o n s ， t h e ye v e nt u r nb e t t e ri fu s i n gp r o p e rp 萱o p o r t i o n a le g r t e s tb e db u i i d i n g ，e l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e md e s i g n i n g ，e x p e r i m e n t r e s u l t sa n a l y z i n ga r ed o n ei nt h i s p a p e r an e wm e t h o dt or e d u c ee m i s s i o na n db o o s te c o n o m yo fd i e s e l c n gd u a l f u e le n g i n e si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l ei ta p p l i e san e ww a y t ou s ec n ga n dh y d r o g e ni nt h ee n g i n e k e yw o r d sd i e s e l c n gd u a lf u e le n g i n ec n g h y d r o g e n c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c se m i s s i o n e c o n o m y 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，也不包含为获得苤鲞盘堂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。 一躲甜啦丈一期：印哆年，目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨连太鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名李3 彬丈 签字日期：2 0 0 3 年1 月1 3 日 导师签名乡星 签字日期：2 0 0 3 年1 月1 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 内燃机燃料的发展趋势 内燃机用的传统燃料是石油系燃料，它在地球上的储量是有限的。石油终 将枯竭，只是各国、各地枯竭期到来的时间先后不同而已，至于局部枯竭，则 早已是事实，如我国的玉门油田、美国的中西部油田。著名的巴库油田、休斯 顿油田亦将难免于最终枯竭。 现在每年全世界要消耗石油3 3 3 5 亿吨。储量、耗量与分布极不均匀之间 的矛盾更加突出。三次中东战争、两伊战争、海湾战争及目前又趋紧张的美伊 局势，从某种角度看，在相当程度上，实质上就是为石油而战。 所以研究和推广使用石油的替代燃料，发展内燃机燃料的多样性，是关系 到一个国家能源安全与经济发展的重要课题。 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。当世界仅有4 亿辆汽车时，每 年就将1 8 3 亿吨的c 0 。排入大气层中，加上其它矿物燃料的燃烧，每年排入大 气的c o 。大约有5 5 亿吨。现在汽车保有量超过6 亿辆，排入大气中的有害物更 多，世界城市约有一半的人是生活在c 0 。、c o 、n o x 、s o 。、或者微粒等超标的大 气环境中，每天约有8 0 0 人因呼吸污染空气而早亡，患肺癌等病人的比例逐年 增加。汽车排出的n o x 会破坏臭氧层，排出的c 0 ：会产生温室效应。我国南方出 现的酸雨，秋、冬季北方城市天空经常出现黄昏，雾茫茫的景象，其重要原因 就是汽车尾气对大气的污染过高。 c n g 、l n g 、l p g 等代用燃料汽车的尾气排放中不含铅，基本上不含硫化物。 与汽油机相比，其尾气中的c 0 、h c 、n o 。含量降低了很多。因此发展这些清洁代 用燃料汽车是减小大气污染的有效途经。 汽车能够在全世界普及，与其市场化不可分割，成本是商品的一个主要属 性，c n g ，i p g 汽车的运营成本一般都比使用汽油或柴油低，这是因为世界范围 内天然气和液化石油气的价格普遍低于汽油和柴油，其价格比见表1 1 0 1 ： 表1 1不同国家的燃料比价表 国家比价 汽油柴油l p gc n g 美国1 0 09 4 04 9 63 8 8 加拿大 1 0 07 8 。23 6 。9z 3 6 第一章绪论 j 意大利 1 0 05 7 54 9 34 4 0 l 法国1 0 05 9 34 7 64 2 5 j 瑞士1 0 06 1 15 0 74 6 7 l 俄罗斯 1 0 0了7 25 7 83 5 7 以上可见：传统燃料从储量、燃烧排放和成本等方面都受到巨大挑战，发 展内燃机代用燃料是缓解上述压力的一个有效途经。 1 2 我国的石油和天然气概况蚴 发展何种代用燃料，需要具体考虑本国的能源结构。 按照目前已掌握的情况，我国石油的总储量达7 8 0 亿吨。实际可开采的储 量约为3 9 0 亿吨，在世界上名列前茅。表l 一2 给出了若干国家的石油储量情况。 表1 3 给出了世界和主要国家石油的年产量。 表1 - - 2 若干国家石油储量预测m t j 世界中国沙特俄罗斯阿联酋伊拉克科威特伊朗 f1 3 6 0 0 03 9 0 0 0 回3 5 2 0 02 8 0 0 02 7 2 0 01 3 6 0 01 2 8 0 01 2 6 0 0 3 9 0 0 0 m t 为可开采的储量，7 8 0 0 0 m t 是总储量 表1 - - 3 世界及主要国家石油产量( 1 9 9 6 年) m t l 世界沙特饿罗斯美国伊朗中国 挪威墨西哥委内瑞拉英国 3 4 0 04 5 03 5 03 4 01 8 0 1 5 71 2 41 2 01 1 51 1 0 但是，我国原来2 1 个大中型油田中相当一部分油田已进入衰减期。尽管 采取一系列措施，竭力维持和接近原来的产量，困难很大，成本日益提高。 天然气是内燃机的清洁燃料，也是工业和民用的重要燃料。我国是发现天 然气很早的国家，但长期以来天然气的开采速度却很缓慢。在我国的一次能源 中，天然气只占3 ，而工业国家这一比例为2 0 - 3 0 ，有的甚至高达5 0 ， 世界平均亦已超过2 0 。 有资料表明：天然气的分布比石油的分布广泛，蕴藏量也比石油丰富。 近年来，我国在天然气的勘探和开采方面有长足的进步。首先，在陕、甘、 宁和内蒙古地区发现了大面积的气田，通称长庆气田。储量在3 0 0 0 亿立方米以 上。已用管道把这里的气输往西安、银川、北京和天津。其次，在川东盆地发 现一个储气量1 0 0 0 2 0 0 0 亿立方米的大气田，这对西南地区石油不足是个重 要的弥补。 第一章绪论 更重要的是，1 9 9 3 年在南海莺琼盆地及其附近海域发现了广大的气区。该 盆地的崖城1 3 1 气田含气砂层1 0 0 2 0 0 m 厚，储气量达1 0 0 0 亿立方米，相 当于1 亿吨石油的储量。另外，在崖城2 1 1 ，崖城2 3 1 等海区也发现有气 区构造。 * 捉 _ 爿 蛙 皿酬 牝 廿 旷 h 1 ) ，在均质稀薄混合气的燃烧过程中燃烧温度较低，相对柴油机来说，n o x 排 放量大大降低，但是由于仍然存在少量的柴油喷雾扩散燃烧，存在局部高温现 第一章绪论 象，相对采用稀薄混合气燃烧的汽油机或单燃料天然气发动机来说，n o x 排放 还是略高。 双燃料天然气发动机的碳烟排放主要产生于柴油喷雾的扩散燃烧过程，由 于扩散燃烧占巡比例较小，其碳烟和微粒排放，介于柴油机和汽油机( 或单燃 料天然气发动机) 之间。 双燃料天然气发动机c o 排放也介于柴油机静柴油机和汽油机( 或单燃料 天然气发动机) 之间。 双燃料天然气发动机的碳氢化合物( t h c ) 排放比柴油机高出很多，而且 也常常高于同类的火花点燃式的发动机。原因有四个： 第一，在正常的燃烧条件下，t h c 排放主要是由于未燃烧的混合气在压缩 时被迫进入缝隙容积中的缘故。这些缝隙容积包括活塞顶的环岸( 包括活塞顶 隙空间、活塞侧面顶环上与气缸壁之间的空间【3 司) 。由于柴油机有较大的顶岸容 积，当柴油机改装成双燃料工作时，较大的活塞缝隙容积隐藏了大量的未燃烧 混合气，增加了c h 4 排放。 第二，双燃料发动机高t h c 排放的另一来源是扫气过程。一股柴油机允许 在进气门开和排气门关之前有相当大的重叠角，使空气吹扫气缸，减少缸内残 余废气，降低缸内温度，增加下一个循环的新鲜冲量。在使用预混合天然气一 空气冲量的双燃料发动机中，类似的过度扫气会导致未燃烧的天然气一空气混 合气随废气从排气管排出。 第三，同其它碳氢化合物相比，天然气由于具有较高的活化能，层流火焰 速度低，燃烧时间长，造成c h 4 氧化不完全，造成碳氢排放过高。 ，第四，双燃料天然气发动机一般不调整空气进气量，当发动机处于低负荷 时，会出现混合气过稀的现象，此时柴油喷雾的燃烧火焰对天然气混合气的点 燃困难，造成后燃严重、甚至丢火现象，这时发动机的碳氢排放严重恶化。 1 4 改善天然气发动机t h c 、c o 排放的措施及加氢模式的提出 双燃料天然气发动机的t h c 排放中的主要成分是c h , ，在有些发达国家( 比 如美国) ，内燃机排放中的c h , 被当作无害成分，不予考虑。但是在许多国家f 包 括中国) 在内，c h 4 还是和其它碳氢成分样当作有害排放产物来处理。 和其他碳氢成分相比，c h 4 的分子结构比较稳定，氧化比较困难。一般的 氧化反应器催化转化效率较低，而专用的氧化反应器价格昂贵，因此开发和研 究柴油，天然气双燃料发动机的机内净化措施，具有很大的现实意义。 在机内净化措施中，现有的研究主要侧重在天然气供气系统技术的改进( 比 如使用多点顺序喷射技术) ，以及控制策略方面的研究( 比如使用停缸技术) ， 本研究则将研究范围扩大到天然气理化特性方面的改进。 第一章绪论 从上节关于天然气发动机t h c 排放过高的原因分析，可以得出气体预混合 气特性的改进方向是：1 提高预混合气的火焰传播速度：2 增大预混合气的淬熄 长度，减少淬熄层厚度；3 扩大预混合气的稀燃极限。从表1 7 氢气和天然 气、柴油主要物化特性比较可以发现，氢气具备了解决上述问题的几乎所有特 性：氢气的最大火焰传播速度是天然气的近十倍；而有资料表明“”，淬熄长度与 火焰传播速度成正比，所以氢气的淬熄长度更大，火焰通过狭缝的能力更强， 淬熄层厚度更小，未燃气体就更少；另外氢的燃烧界限也比天然气宽广。i 园此 在本研究中，尝试通过在天然气预湛合气气中添加氢气，从而改善预混合气的 理化特性，实现降低t h c 排放的目的。 氢气作为内燃机燃料的想法，1 9 3 0 年就有学者提出过。由于石油开采和炼 制技术的迅速发展，特别是油价从1 9 3 0 年以后的4 0 多年里( 除二战期间外) ， 一直很低，致使氢发动机的研制被长期搁置。至7 0 年代初，一则由于发生了石 油危机，油价猛涨，许多油井也进入衰减期，工业国家石油供应紧张：二则大 气污染日益严重，美国、日本等国家相继制定出严格的汽车排放法规，致使对 汽车、内燃机的排放要求日益严格。在这种条件下，研制氢发动机的工作重新 兴起，并且受到这些政府的支持。 氢在内燃机中的燃烧，其燃烧终产物只有h 2 0 和n o x 。所以氢被认为是内 燃机最清洁的燃料。 以氢气为内燃机燃料的主要问题是：首先氢气的制取成本高，比如以煤、 石油、天然气为原料带8 氢、热化学法分解水制氢、微生物和生物化学法制氢等， 或者消耗矿物资源，或者消耗大量能量。因此就目前而言，单独使用氢气燃料 是不太现实的。另外，氢气具有一定的危险性，它的燃烧范围宽，即使是极为 稀薄的氢空气混合气，也能被点燃着火，而且燃烧速度快，容易造成回火 3 ”。 尽管氢气单独使用不太现实。但是如果将氢气作为改性剂添加在天然气中 使用，还是有一定实用价值的，有望实现既经济又清洁的目标。 表1 - - 7 氢气和天然气、柴油主要物化特性比较 4 1 氢气天然气柴油 着火温度( ) 5 7 15 3 72 6 0 最大火焰传播速度( c m s ) 2 9 13 3 8 辛烷值r o n 3 51 3 02 0 3 0 空气中燃烧界限( 的 4 1 - 7 55 1 50 5 - 4 1 理论空燃比( k g k g ) 3 4 3 81 7 2 51 4 6 低热值0 , j t 峥) 1 2 0 15 0 0 54 4 4 高热值f 幻肛，) 1 4 1 85 5 5 44 7 1 1 0 第一章绪论 1 5 本课题的意义及内容 柴油，天然气双燃料天然气发动机是天然气发动机的重要应用形式，改善双 燃料发动机的排放品质，提高其燃料经济性，一直是该领域研究的主要内容。 本文提出了通过天然气改性实现机内净化的新思路。利用氢气在火焰传播 速度、淬熄长度、淬熄距离、稀燃极限方面的优良特性，通过在天然气燃料中 加入氢气的方法实现降低双燃料发动机t h c 排放的目的。 本研究同时研究了冷却e g r 对双燃料天然气发动机排放特性的影响。 本文的研究内容是国家自然科学基金项目研究的一部分。作者在论文工作 期间，主要从事了发动机试验台架的建立、实验设备及关键零部件的标定、多 通道电控喷射系统的开发，发动机台架实验、实验数据的处理等工作。其主要 研究内容包括： 1 天然气加氢对双燃料天然气发动机的燃烧过程、排放特性、燃料经济性的 影响。 2 冷却e g r 对双燃料天然气发动机的燃烧过程、排放特性、燃料经济性的影 响。 第二章实验装置及方法 第二章：实验装置及方法 为了便于研究不同氢气、天然气比例对发动机燃烧过程、排放特性、经济 性的影响，本研究开发了双通道气体燃料顺序喷射装置，并对一台单缸柴油机 进行改造。本章提出了一套利用压缩空气标定氢气、天然气电控喷气阀的方法。 2 。1 试验装置及所用设备 发动机试验装置如图图2 1 所示，可以分为：控制部分、执行部分、测量 部分等。控制部分主要指p c 机、硬件控制和驱动电路；执行部分除发动机外还 有电磁阀；测量部分主要包括各种传感器、五气分析仪、油耗仪、烟度计等。 具体说明如下： 图2 1 柴油，c n g 双燃料发动机加氢试验台架 1 柴油机型号：z h l l l 5 ，缸径行程：1 1 5 1 1 5 ，额定功率及转速： 1 4 7 k w 2 2 0 0 r m i n ，江淮动力生产 2 水力测功机型号：y 1 2 0 s最大测量功率1 2 0 k w ，最高转速 7 5 0 0 r m i n ，中国测功设备厂生产 3 五气分析仪型号：f g a 4 0 1 5 ，佛山新域仪器有限公司 4 数据采集系统数据采集板型号a t - m i o 1 6 e - 2 ，美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ) 软件是l a b v i e w 平台编制 5 信号生成模块型号：a c 4 0 7 1 ，北京双诺 6 角标发生器型号：l e c - 7 2 b m g 0 5 e7 2 0 脉冲转，长春第一光学仪 器厂 7 波许烟度计型号：f q d 1 0 2 a ，温州仪器仪表厂 8 喷气阀贵州红华科技有限公司 9 稳压箱 工作时。安装在发动机上的角标信号发生器每个工作循环向p c 机发出上止 第二章实验装置及方法 点和角标信号，p c 机接收到触发信号，按照程序设定的喷射提前角和喷射脉宽 发出两路控制信号，经过功率驱动模块放大后分别控制c n g 和氢气喷气阀。其 中，c n g 和氢气的喷射定时和喷射脉宽( 对应c n g 和氢气的喷射量) 通过程 序界面灵活可调。缸内压力信号通过缸压传感器反馈到p c 机上的l a b v i e w 采 集卡，在界面上实时显示出来，并可以随时保存缸压数据。 2 2 试验设备的标定 2 2 1 测功机的标定 表2 1 是测功机显示示数与实际示数之间的关系。根据这些数据点可以拟 合出它们之间的关系如下图： 弓 禧 蝰 球 o2口40e o叩1 哪! 显示负椅( n ) 图2 2 测功机负荷拟合曲线 拟合公式为： y = 0 9 7 4 9 8 x + 0 6 7 0 1 7 其中y ：实际负荷示数( n ) ，x ：显示负荷示数( n ) 有了这个关系，我们就可以得到发动机工作时的实际负荷，进而计算它的 功率等重要指标。 2 2 2 缸内压力传感器和电荷放大器的标定表2 1 测功机标定数据记录表 01234567891 01 1 标定示数 0 19 01 9 12 9 13 9 24 9 35 9 46 9 57 9 68 9 89 9 91 1 0 0 1 ( n ) 标定示数 n l9 21 9 42 9 43 9 54 9 56 9 66 9 87 9 88 9 91 0 01 1 0 1 2 f n ) 平均示数 0 19 11 9 2 52 9 2 53 9 3 64 9 46 9 66 9 6 57 9 78 9 8 69 9 9 61 1 0 0 5 ( n ) j 3 第二章实验装置及方法 表2 2缸压传感器压力和电荷放大器示数标定数据记录 电压( v ) 1 0 0 1 9 3 17 9 26 5 35 1 53 7 82 4 61 1 80 压力( m p a ) 1 51 41 21 086 42o 工作时，缸压传感器把压力转化为电荷信号，这个信号很微弱，要通过电 荷放大器放大后再接入信号采集卡，采集卡与计算机相连，信号数值就可以被 实时显示出来并及时保存到计算机中。 上表是缸压传感器测得的压力和电荷放大器输出电压数值之间关系的标定 数据。根据这些数据，我们可以拟合出二者的线性关系曲线如下： oz 01 口 辅出电压( v ) 图2 3电荷放大嚣示数与压力信号关系拟合曲线 拟合公式为： y 2 1 4 8 5 1 9 x + o 2 4 1 8 3 y ：缸压传感器测得实际压力( v ) x ：电荷放大器输出电压( m p a ) 有了这个拟合公式，我们就可以把采集来电压信号换算为气缸内的压力数 值，进而绘出示功图及其它曲线来分析发动机的工作过程。 2 2 3 氢气及c n g 喷气阀的标定及标定方法研究 在试验中，天然气和氢气的喷射量是通过喷射脉宽控制的。控制脉宽、燃 料气体的进气压力、发动机转速、安装通孔螺栓的通孔直径都决定着喷气的流 量。所以要预先对喷气阀的流量特性做一个标定，以便于获取不同工况的燃气 进气流量。 虽然从理论上讲采用气体质量流量计现场测量可以精确地计量天然气和 氢气的消耗量，但实际的问题是：实验室现有的气体质量流量计量程很大，而 实际使用的天然气和氢气的量很小，特别是氢气，由于气体密度低，直接测量 反而会造成很大的测量误差。因此，本研究采用了离线模式( 在发动机外部喷 射) 用压缩空气代替燃气的标定方法。这样既提高了标定范围，又提高了标定 精度，而且不浪费燃料，且操作很安全。 1 4 一 一 五 、| ， 一 | 蓬一 、| ， 一 二 、，一 e 4 o 8 s 2 o 2 睢)犁裁文邕譬罐擗 第二章实验装置及方法 面县本浪费燃料广昼操作很抬 为此，我们先通过流体力学中的公式推导，提出一套利用压缩空气的标定 结果，反算天然气和氢气流量特性的方 法。 燃气从高压气管经喷气阀从小喷 气孔喷出，可以用管道拟一维定常运动 的孔口出流公式。”计算( 如图2 4 所 示) 。 出口流量： q 。= 彳l 1 p o 图2 4 管道拟一维定常运动孔口出流示意图 ( 式2 1 ) 其中：g 珊：容器孔口流量 气：容器内气体密度 r ：容器内压力 。s ，7 ：! c ， 墨：出口截面上的压力 因而对同样压力从同一喷气阀口流出的气体i 和气体2 来说 有： 篆2 _ j 等心g 。vp 0 2 第二章实验装置及方法 其中k 是常数， k = 又根据克拉珀龙方程n 3 3 p = p 万r o 丁 ( 其中m 为分子量) 有了篆= 腰聪一一洲一m 机 模拟发动机发出喷气信号) 下，利用空气标定出各种工况下喷气口空气的流量， 就可以算出天然气和氢气的流量。即： q 氢2 q c 硒 ，争嘞小，( 式2 - - 2 ) 、瓦q 鲍 2 、 m ，c n g g 空气七2 m 空气” 在研究过程中，用质量流量计测定并检验了计算结果，一致憔较好。 表2 3c n g 喷气阀流量( 空气流量) 标定表 质量流量每循环流量每h i s 流量 脉宽( m s ) ( g c y c l e )( g m s ) 2 07 70 0 9 5 0 6 1 7 30 0 0 4 7 5 3 1 870 0 8 6 4 1 9 7 50 0 0 4 8 0 1 p = 6 b a r1 55 90 0 7 2 8 3 9 5 10 0 0 4 8 5 6 n = 2 7 0 0 r m i n1 24 70 0 5 8 0 2 4 6 90 0 0 4 8 3 5 93 40 0 4 1 9 7 5 3 10 0 0 4 6 6 4 62 2 50 0 2 7 7 7 7 7 80 0 0 4 6 3 赝纽 第二章实验装置及方法 24681 01 21 4 61 8挖 喷气脉宽( m s ) 图2 5 喷气脉宽与空气质量的关系 c n g 喷气阀空气流量与喷气脉宽的拟合公式为： y = o 4 1 5 5 4 x 一0 4 3 4 2 8( 式2 4 ) y ：空气质量流量( k g h )x ：喷气脉宽( m s ) 表2 4 氢气喷气阀流量( 空气流量) 标定表 质量流量每循环流量 每m s 流量 脉宽( m s ) ( k e h )( g c y c l e )( g m s ) 2 02 10 0 2 50 0 0 1 3 1 820 0 2 4 70 0 0 1 3 7 p - = 4 b a r1 5l 70 0 2 2 20 0 0 1 4 8 n - - 2 7 0 0 r m i n1 21 50 0 1 8 50 0 0 1 5 4 91 20 0 1 4 80 0 0 1 6 5 6o 90 0 1 1 1 0 0 0 1 8 5 30 4 50 0 0 5 5 5 0 0 0 1 8 5 1 7 b 7 e 5 4 3 2 1 0 一蛰u捌鳝删峰扩荆 第二章实验装置及方法 2 2 2 。 2 18 t 6 。14 龚” 咖i1 q 莘0 8 剁。6 24681 01 2 1 4 61 82 0 挖 喷气脉宽( m s ) 图2 6 氢喷气阀空气流量与喷气脉宽的拟合公式为： y = o 0 9 4 7 7 x 一0 2 8 3 4 5( 式2 - - 5 ) y ：空气质量流景( k g h ) x ：喷气脉宽( m s ) 由( 式2 4 ) 和( 式2 5 ) 可以得到两种情况下的空气流量q _ 。和，分 别带入( 式2 2 ) 和( 式2 3 ) 即可得到6 b a r 压力下c n g 流量和4 b a r 下氢气 图2 - 7 喷气阀安装块结构示意图 图2 - 8 、2 - 9 是喷气阀在发动机上的安装实物照片，图中橡胶管经过减压 器与外部气瓶相连，提供恒定压力的燃气。 第二章实验装置及方法 图2 - 8电控进气口喷射装置正面图 图2 - 9电控进气口喷射装置侧面图 2 4 本章小结 l 、建立了一套用于一套用于柴油气体燃料发动机的实验装置，这套装罱可以 用来进行天然气加氢对发动机燃烧过程、排放特性、经济性的影响研究。同 1 9 第二章实验装置及方法 时可用于冷却e g r 对柴油天然气发动机燃烧过程、排放特性、经济性影响 的研究，该装置在设计上具有如下特点： 1 ) 氢气和天然气燃料的供给采用气道口电控喷射方式，各种燃气的喷射量、喷 射时刻可以分别灵活控制。 2 ) 燃气的供气系统由：气瓶一减压阀一软管一电磁阀体系组成。 3 ) 电控喷气阀的安装方式采用三明治方式。 2 对发动机测功器、缸内压力传感器、电控喷气阀进行了标定实验，确保实 验数据的准确性。在氢气、天然气电控喷气阀的标定工作中，通过流体力学公 式推导，提出了一套使用压缩空气代替燃气的标定方法，具有标定结果准确、 节约燃气、过程安全的特点。 第三章发动机测控系统的开发 第三章发动机测控系统的开发 测控系统的功能是：1 ) 在发动机实验过程中，根据发动机角标信号，给执 行器一氢气、天然气电控喷气阀发出控制脉冲，控制这两路气体的喷气定时和 喷气量，其中的控制参数( 脉冲波形、定时、宽度) 可以通过人一机界面现场 调整。2 ) 对发动机的工作过程参数信号( 主要是缸内压力) 进行采集和储存。 本研究采用基于p c 机的测控系统，这部分工作主要分两个部分：1 ) 系统硬件 的开发，主要是控制信号合成模块及功率驱动模块的开发；2 ) 系统软件的开发， 主要是控制软件、控制界面的建立。 3 1 测控系统的硬件结构 系统硬件结构如图3 1 所示，主要有p c 机、i o 卡、采集卡、信号调理模 块1 、信号调理模块2 、功率驱动模块等部分组成。 1 p c 机 图3 1 电控系统硬件结构框图 、 本试验所用p c 机系5 8 6 以上通用计算机，采用标准总线，具中断型硬件 结构，操作系统采用w i n d o w s 9 8 ，能够很好地实现实时控制和测量，并且能够 方便地实现良好的人机交互界面、各种编程、文件管理和图形显示等等。另外， 采用标准的p c 硬件，系统的硬件和软件都能够连续升级。 2 i o 卡 1 4 1 i o 卡在本试验中主要用来计数以产生数字脉冲信号，此信号在经过调理和 功率放大后即为驱动喷气阎的信号。本系统选用的i o 卡为一种多功能i o 计时 器卡( a c 4 0 7 1 ) ，该卡可广泛应用于计数、定时、测频、频率发生、数字量控 制，特别是在计数、定时、测频等领域可以灵活、方便地组合。其主要性能特 第三章发动机测控系统的开发 点如下： 1 ) o 部分： a c 4 0 7 1 含有1 6 个数字输入和1 6 个数字输出端口，共分为4 组，每组8 个端口。 2 ) 计数、定时： a c 4 0 7 1 板上有9 个计数定时器，每个计数定时器各自独立。9 个定时器的 c l k ，g a t e ，o u t 全部外接，其中g a t e 上拉输出，c l k ，o u t 端满足标准t t l 电气特性。计数器0 提供o u t 反相输出。 3 1 板上一路中断可e h l r q 3 、5 、7 任意选择一个，由跳线选择。 4 ) a c 4 0 7 1 板上提供两个时钟源，o 5 u s 和6 4 u s ，由跳线选择。 3 采集卡f 1 5 1 ： 缸压信号( 由缸内压力传感器产生) 经过信号调理模块2 由采集卡读入， 辅以相应的软件( 本研究采集平台采用l a b v i e w 软件编制) 。就可以完成数据 的实时显示，并可以随时保存在p c 机中。 本研究采用美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ) 的高速 多通道数据采集板。型号为：a t - m t o 1 6 e 2 ； 其主要性能特点有： 1 ) 分辨率：1 2 位 2 ) 最高采样频率：5 0 0 m h z 3 ) 模拟信号输入：1 6 路 4 ) 输入模拟信号增益：0 5 ，l 251 0 ，2 0 ，5 0 ，1 0 0 5 ) 模拟信号输出：2 路 6 ) 数字信号输入输出：8 路 7 ) 时钟信号输入输出：2 路 4 调理模块1 ： 此模块主要负责把来自i o 定时卡的数字脉冲信号进行逻辑合成，再送到功 率驱动模块进行信号放大。此模块主要部件采用了低密度可编程逻辑器件 ( g a l ) 。g a l 具有高性能，高可靠性，可擦除及输出逻辑结构可组态的特性 和1 0 0 的成品率的特点，而且编程简单，非常适合本模块的要求。 s 调理模块2 采用n i 公司( n a t i o n a lii n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ) 信号调理箱。主要性能如 下： i ) 模拟量隔离单端输入：继电器转换1 6 路或差分输入8 路 2 )输入模拟信号增益： o 0 1 ，0 0 2 ，0 0 5 ，0 1 , 0 2 ，1 ，2 , 5 ，1 0 ，2 0 ，5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 ，5 0 0 ，1 0 0 0 ，2 0 0 0 3 )电压激励源：3 3 3 3 v 士0 0 4 第三章发动机测控系统的开发 4 )电流激励源：1 0 m a - - e 0 0 4 5 )热电偶冷端补偿传感器( c j r ) 此模块可用与测量： 应力信号( s t r a i t g a u g e s ) 热电阻信号( r t d s ) 热敏电阻( t h e r m i s t e r s ) 热电偶信号( t h e r m o e o u p l e s ) 电压信号( v 0 1 ta n d m i l l i v o l ts o u r c e s ) 本研究主要用于检测缸压传感器产生的电压信号。 3 2 数字控制信号的产生及原理 3 2 18 2 5 3 i 作原理介绍1 1 6 l 1 1 7 1 i o 定时卡a c 4 0 7 1 分为两个部分：计数器和数字f o 。数字控制信号主要是 靠其计数器部分产生。a c 4 0 7 1 板上有三片8 2 5 3 ，每片8 2 5 3 含有3 个定时器，共9 个定时器。下面简单的介绍一下8 2 5 3 的原理和使用方法。 8 2 5 3 是一种常用的可编程计数器，计时器芯片，它可以作为微处理器或单片 机的扩展芯片使用。其内部集成了三个相互独立的1 6 位计数器，计数速度可大 5 m h z ，计数分辨率最小可达到o 2 微秒，只需一组+ 5 v 电源。所有的工作方式 都可以通过软件编程。其内部逻辑逻辑框图如图3 2 所示。 三态双向8 位数据总线缓冲器为8 2 5 3 芯片提供与系统总线相接口的能力，它 在读写逻辑的控制下，接收来自系统总线的命令( h p 8 2 5 3 控制字) 和数据 a l 脚 0 a t e 0 o u t d ( a 。k l o a 肥1 o u t l d l k 2 g a t e 2 d m 西面w r a o a l操作 o10 0o写计数器0 0l00l 写计数器1 010l0写计数器2 0101l 写控制字 001oo 读计数器0 00101 读计数器1 00ll0 读计数器2 0o1l1 无操作三态 0xxxx 禁止三态 0llxx无操作三态 图3 28 2 5 3 内部结构框图表3 18 2 5 3 读写逻辑的管脚含义 ，并将8 2 5 3 的状态字送上系统总线。控制寄存器接收来自数据缓冲器中关于命 令的数据，并暂存这些数据。表3 1 和3 2 分别为读写逻辑的各管脚含义和8 2 5 3 控制字的定义。 表3 28 2 5 3 控制字的定义 第三章发动机测控系统的开发 d 7 d 6 d 5 d 4 d 3 d 2d i d o ls c ，ls co lr l 。l r l 。lm ， m 1m 。l b c d l s c is cor l lr lo 00 选择计数嚣0 00计数器锁存 oi选择计数器10 只读，写高字节 10选择计散器2只读，写低宇节 li非法 il先高后低 m 2m im 0 000方式0 b c d 0o l 方式1 016 位二进制计数器 xl0方式2 l二一十进制计数器 xll方式3 loo方式4 l0l方式5 命令数据经内部译码后产生整个器件的控制信号，并设置每个计数器的工 作方式。1 6 位计数器# o 、# 1 和# 2 是具有相同结构的计数器，每个计数器都可 以进行计数预置。它的输出端o u t 、控制端g a l r e 和计数过程由暂存在控制寄存 器中的工作方式来设定。每个计数器是完全独立的，并有各自独立的各自方式。 8 2 5 3 的计数器共有6 种工作方式，本系统的开发主要运用了其中的3 种工作 方式，在此分别简要解释这3 种方式。 1 1 方式0 ：计数结束中断 完成方式设定操作后输出o u l 立即变为低电平，当计数值装入选定的计数 器后，输出o u t 将保持低电平，计数器开始减1 计数，即每当c l k 脚来一个脉冲， 计数值减l 。当计数结束( 即计数值减至o ) 时，输出o u t 由低电平变为高电平， 并且一直保持到该计数器装入新的计数方式或者计数值为止。o u t 脚由低电平 到高电平的变化即上升沿可用于触发c p u 中断。在计数未结束之前如果重新装 入计数值，则写入第一字节时，便停止当前计数过程，写入第二字节后，开始 新的计数过程。当g a t e 为高电平时，允许计数，为低电平时，则禁止计数。图 2 3 为方式0 的时序图。 时钟c l k 厂 厂 几几厂 几厂 厂 厂 r 厂 厂 写入n 叫 厂一 输出o u t ! ! ! ! ! 厂一 写入“2 5 厂一 触发g a t 厂一 输出o u t 54321 o 厂一 图3 38 2 5 3 计数结束中断方式的时序图 2 ) 方式1 ：可编程单稳 2 4 第三章发动机测控系统的开发 在g a t e 输入上升沿以后的计数过程中，输出0 u t 将变为低电平，计数结束 时，o u t 由低变高。若输出为低电平时装入一个新的计数值，则在下一次触发 之前将不影响单稳脉冲的宽度。任何时刻都可读出计数值而不影响单稳脉冲。 单稳是重触发性的，在任何g a t e 输入上升沿后，o u t 将在足够的计数周期内保 持低电平。其工作时序如图3 4 所示。 3 ) 方式2 ：频率发生器 频率发生器方式也称n 分频计数器方式。当完成方式设定操作后并经过一 个时钟输入，计数常数n 被装入，o u t 为高电平，并进行减1 计数。在第n 个时 钟的下降沿时刻，o u t 由高变低，在第n + 1 个时钟的下降沿时刻，o u t 再由低 变高，并且计数常数重新自动装入，然后重复上述过程。0 u t 变低的时间为一 个时钟周期，从一个输出脉冲到下一个输出脉冲之间的间隔时间为计数常数n ， 由此实现了输入时钟的n 分频。其工作时序见图3 5 。 时钟c l k 厂 厂 r r 厂 厂 几厂1 厂 广 厂 r 写入n - 4 广二二二二二二二二二二二二 触发g a t _ j 输出o u t 厂一 l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ j 触发g a t 厂 厂一 输出o u t o 34 32i o 卜一 图3 48 2 5 3 可编程单稳方式的时序图 i 对钟c l k r 厂 厂 厂 nn 厂 厂 厂 厂 厂 厂 广 r 写入n 型厂 璺三三厂一 输籼t - ：严l 叫? ! q 卜 图3 5 8 2 5 3 频率发生器方式的时序圈 计数器的工作过程与触发端g a = r e 的状态紧密相关，表3 3 给出t g a t e 状态 对计数过程的影响。 表3 3 触发端g a t e 对计数过程的控制 第三章发动机测控系统的开发 、淡 低电平或变低电平上升沿高电平 0禁止计数允许计数 1 ) 开始计数 1 2 ) 下一个时钟后 输出复位 1 ) 禁止计数 1 1 计数器重新装入 允许计数 2 2 ) 立即置输出 2 ) 开始计数 为高电平 8 2 5 3 的编程非常简单【i8 】i l ”。首先，根据选定的计数器和工作方式等信息通过 表4 2 确定控制字，并将该控制字写入8 2 5 3 的控制字寄存器( 对应一个硬件地 址) ；然后，按照控制字( r l 0 ，r l l ) 中规定的顺序，将计数值写入选定的计 数寄存器，8 2 5 3 的每个计数器都有一个计数寄存器，并对应一个硬件地址。一 旦完成编程，选定的计数器便按指定的工作时