电控天然气_柴油双燃料发动机的开发_图文

1、收稿日期 :2009 10 12:( , 男 , , , , E mail:ch 126. 第 30卷 第 5期 2010年 9月长安大学学报 (自然科学版 Journal of Chang an University(Natural Science EditionVol. 30 No. 5Sept. 2010文章编号 :1671 8879(2010 05 0099 04电控天然气 /柴油双燃料发动机的开发陈金柱 1, 2, 张春化 1, 廖均智3(1. 长安大学 汽车学院 , 陕西 西安 710064; 2. 陕西法士特汽车传动集团公司 ,陕西 西安 710077; 3. 深圳华江科技 有限

2、公司 , 广东 深圳 518131摘 要 :为了开发满足国 排放标准的电控预混式天然气 /柴油双燃料发动机 , 在原柴油机上加装 了引燃油量限位系统 、 天然气供给系统和电控系统 , 并进行了双燃料发动机性能试验 。 在引燃油量 一定时 , 分析比较了双燃料发动机与原柴油机负荷特性的经济性和排放 , 以及外特性的经济性 、 动 力性和排放 。 应用双燃料系统标定软件对发动机进行了在线标定 。 排放测试结果表明 , 开发的双燃料发动机达到国 排放标准 。关键词 :汽车工程 ; 内燃机 ; 天然气 ; 柴油 ; 双燃料 ; 排放 中图分类号 :U 473 文献标志码 :ADevelopment o

3、f electronically controlled CNG /diesel dual fuel engineCH EN Jin zhu 1, 2, ZH ANG Chun hua 1, LIAO Jun zhi 3(1. Scho ol of A utomobile, Chang an U niv er sity , Xi an 710064, Shaanx i, China; 2. Shaanx i F ast Auto D riv e Gr oup Company, Xi an 710077, Shaanxi, China; 3. Shenzhen Huajiang T echno l

4、o gy Co Ltd, Shenzhen 518131, Guangdong, ChinaAbstract:In order to dev elo p an electr onically controlled premixed CNG (Com pressed N aturalGas /diesel dual fuel engine for m eeting national em ission regulations, the diesel fuel restric tion system, CNG supply system and electronically co ntro lle

5、d system w ere added o n the original diesel eng ine, and performance tests o f the dual fuel engine w ere carried o ut. The com pariso ns betw een the dual fuel eng ine and the diesel engine, fuel econom y and emissions at load character istics, and fuel eco no my, pow er output and emissions at ex

6、 ternal characteristics w er e investigated w hen the amo unt of pilot diesel fuel is kept constant. Online calibration w as conducted by apply ing duel fuel eng ine m anagement system calibrating so ftw are. The emission ex periments show that the dual fuel engine can m eet natio nal em ission r eg

7、 ulations. 3tabs, 10fig s, 6refs.Key words:automo bile engineering ; internal combustion engine; natural g as; diesel; duel fuel; emission0 引 言全世界石油消耗量的 42%用于公路交通 , 欧洲 市场对柴油 机的需 求量以每 年 23%的速 度增长。 在中国北京及上海地区的大气污染物中 , 66. 7%的CO 、 68. 4%的 H C 和 46%的 NO x 来自机动车排放。 为了降低柴油机的废气排放 , 适应越来越严格的法 规要求 , 世界各国都在积极

8、开发新能源 , 寻找代用燃 料。在各种代用燃料中 , 天然气因其储量丰富而备 受青睐 1 2。由柴油机改装成的天然气 /柴油双燃料发动机 具有较高的热效率和平均有效压力 , 能实现低 NO x 和低烟度排放 3 4。本文的研究目标是开发满足国 排放标准 车用压燃式 , 气体燃料点燃式发动机与汽 车排放污染物排放限值及测量方法 ! 的客车用电控天 然气 /柴油双燃料发动机 , 所开发的双燃料发动机采 用电子控制预混合式供气、 柴油引燃的工作模式。1 试验组织和数据处理1. 1 测试设备主要测试设备见表 1。表 1 主要测试设备名称 型号测功机 GW 电涡流型台架控制器 FC2000发动机测控系统

9、 天然气流量计 DM F 1 2柴油流量计 FC2210Z 智能油耗仪空气流量计 ZON150气体分析仪 AM A4000烟度计 AVL415S颗粒物分析仪 PS E20001. 2 试验用发动机试验用发动机为 YC6A240 20增压中冷直喷式 柴油机 , 其主要技术参数见表 2。表 2 YC6A240 20发动机技术参数项目 参数机型 直列、 6缸、 水冷、 四冲程进气方式 增压中冷缸径 /mm 108行程 /mm 132标定功率 /kW 177(2300r/min最大转矩 /(N m 860(14001600 r/m in 压缩比 17. 5排放达标 国1. 3 双燃料改造天然气 /柴油

10、双燃料发动机如图 1所示。根据 天然气 /柴油双燃料燃烧方式的需要 , 对燃料供给系 统进行了改造 , 加装了油泵齿条限位装置、 天然气供 气系统和电控系统。1. 3. 1 柴油喷射系统柴油喷射系统中 , 喷油量由 2套机构控制 , 一套 是原有的调速器 ; 另一套是添加的 , 位于喷油泵后端 的油量执行器 (由步进电机控制 。 2套控制机构都 直接与高压泵的油量控制齿条联接。在双燃料工作1 柴油高压泵 ; 2 油控步进电机 ; 3 混合器 ; 4 流量控制阀 ; 5 减压 器 ; 6 高压电磁 阀 ; 7 CNG 储 气瓶 ; 8 转 换 开关 ; 9 转 速传 感器 ; 10 电控单元 ;

11、 11 油门踏板位置传感器图 1 天然气 /柴油双燃料发动机大多数工况下 , 油量执行器限制的齿条位置远小于 调速器控制的齿条位置 , 因此柱塞的供油量由油量 执行器控制。1. 3. 2 天然气 (CNG 供给系统天然气供给系统 主要由 CNG 储气瓶、 高压电 磁阀、 减压器、 流量控制阀和混合器等组成。通过调 节流量控制阀步进电机的行程来调节阀口开度 , 进 而调节天然气的流量。1. 3. 3 电控系统电控系统是天然气 /柴油双燃料发动机的核心 , 控制单元接受转速和油门踏板位置 (负荷 等信号 , 根据油控步进电机和气控步进电机控制图 , 控制对 应工况下的柴油喷射量、 天然气流量 ,

12、实现对发动机 的控制。1. 4 数据处理1. 4. 1 双燃料消耗量 (m dual 柴油 /天然气双燃料发动机运转时 , 燃料消耗量 按低热值将天然气 (CNG 折合为柴油 , 即m dual =m diesel +H uCNGH udies elm CN G (1 式 中 :m CN G 、m diesel 分 别 为 CNG 和 柴 油 的 消 耗 量(kg /h ; H uC NG为 CNG 的质量低热值 , 试验用 CNG为 48. 28M J/kg ; H udiese l为柴油的质量低热值 , 试验 取 43. 05M J/kg 。1. 4. 2 当量燃料消耗率 (b e 双燃料

13、发动机运转时 , 燃料消耗率以发出单位 功所消耗燃料的低热值计 , 即b e =dualP e#103(2 式中 :b e 为当量燃料消耗率 (g /(kW h ; P e 为有效 (100长安大学学报 (自然科学版 2010年2 试验结果与分析2. 1 负荷特性对比分析选取发动机转速为 1400r/m in, 将引燃油量保 持在外特性上最大循环供油量的 20%, 逐渐增加预 混合气中 CN G 的流量 , 同时测量转矩、 燃料消耗和 排放等参数。负荷特性当量燃料消耗率的对比如图 2所示。试验表明 :中低负荷双燃料的 b e 比纯柴油的 b e高 ; 随着负荷的增加 , 双燃料的 b e 减小

14、 , 大负荷时两 者相近。这是因为 , 引燃油量一定时 , 随着预混合气 中天然气量的增加 , 天然气混合气变浓 , 用相对较少 的柴油即可达到稳定燃烧 , 燃烧更快更安全 ; 热效率 提高 , 当量燃料消耗率减小 5。负荷特性 H C 排放对比和 CO 排放对比如图 3、 图 4所示。试验表明 :随着负荷的增加 , 双燃料发动 机 H C 和 CO 排放量呈现出相同的变化趋势 , 在中 低负荷 , 随着负荷的增加 , H C 和 CO 同时增加 ; 中 高负荷 , 随着负荷的增加 , H C 和 CO 排放降低。其 原因如下 :中低负荷工况下 , 天然气混合气较稀 , 燃 烧速率低 , 甚至

15、在排气行程开始后 , 火焰还不能传遍 整个燃烧室 , 且燃烧室的温度较低 , 所以 H C 和 CO 排放较高 ; 中高负荷工况下 , 天然气混合气变浓 , 燃 烧条件充分改善 , H C 和 CO 排放降低。图 3中 , 燃 烧纯柴油的 H C 排放无明显变化 , 因而变化曲线与 横轴水平重合。图 2 负荷特性当量燃料消耗率对比 图 3 负荷特性 HC 排放对比负荷特性 NO x 排放对比如图 5所示。试验表 明 :随着负荷的增加 , NO x 排放逐渐增加 , 中低负荷 双燃 料 NO x 排 放 低于 纯 柴 油 ; 中 高 负荷 双 燃 料 NO x 排放高 于纯柴油。其原因如下 :由

16、于 NO x 的 生成是由高温、 富氧和高温持续时间 3个条件决定 的 , 在中低负荷时 , 虽然混合气过量空气系数大 , 但 缸内燃烧温度低 , 因此 NO x 排放较低 ; 随着负荷的 增加 , 混合气变浓 , 缸内压力和温度增高 , NO x 排放 逐渐增加 ; 双燃料在大满负荷时 , 由于缸内压力和温 度急剧上升 , NO x 排放迅速增加。 2. 2 外特性对比分析 , 图 4 负荷特性 CO 排放对比 图 5 负荷特性 NO x 排放对比动力性在双燃料状态下高于纯柴油机。外特性动力性 (转矩 对比和经济性的对比如图 6所示。由图 6可以看出 :最大转矩和标定功率达 到设计要求时 ,

17、 具有良好的动力性 ; 双燃料最低当量 燃料消耗率为 196g/(kW h , 在中低速时经济性 较好。图 6 外特性动力性和经济性的对比外特性 H C 排放对比如图 7所示。由图 7可看 出 , 双燃料的 H C 排放比柴油的高 , 且随着转速的增 加 , H C 排放增加。这是因为 , 由于发动机气门重叠 角的影响 , 使双燃料发动机在换气过程存在短路 , 一 部分预混合气被直接排除机外 ; 另一方面 , 因为间隙 效应 , 导致狭缝内 H C 不能完全燃烧。外特性 CO 排放对比如图 8所示。由图 8可看 出 :低速段双燃料发动机 CO 排放与原机相当 ; 而在 高速段 , 随着转速的增

18、加 , CO 排放比原机高。这是因为 , 天然气火焰传播速度低 , 随着转速的增加 , 着火滞 后期延长 , 部分燃料不能充分燃烧 , CO 排放增加。图 7 外特性 H C 排放对比 图 8 外特性 CO 排放对比外特性 NO x 排放对比如下页图 9所示。由图 9可看出 :双燃料发动机低速段 NO x 排放相比原机 有很大增加 ; 高速段 NO x 排放略低于原机。其原因 :,101第 5期 陈金柱 , 等 :电控天然气 /柴油双燃料发动机的开发大量的 CNG 被柴油引燃 , 预混燃烧使放热集中 , 致 使缸内压力和温度急剧上升 , NO x 排放量增加。由 此说明 , 双燃料发动机大负荷

19、工况时 , 控制粗暴燃烧 是一技术难点 6。随着转速的增加 , 天然气混合气火焰传播速度增加不多 , 燃烧等容度变低 , 缸内温度 降低 , NO x 排放减少。外特性烟度排放对比如图 10所示。由图 10可 看出 :中高速时 , 双燃料比纯柴油状态下的烟度有明 显的下降 ; 低速时 , 双燃料碳烟排放比纯柴油略有降 低。其原因如下 :天然气预混合进气 , 双燃料发动机 的燃烧过程接近火花点燃预混合燃烧 , 碳烟生成少 ; 另外 , 天然气分子量小 , 燃烧清洁。因此 , 双燃料发 动机的烟度和颗粒排放可以大大降低。图 9 外特性 NO x 排放对比 图 10 外特性烟度排放对比2. 3 排放

20、标定结果为了进一步降低 CO 和 H C 排放 , 选配了氧化 型后处理器。应用系统标定软件进行油控步进电机 和气控步进电机控制图标定试验 , 并对发动机进行 了排放检验。依照国 排放标准进行排放标定试验。双燃料 发动机稳态循环 (ESC 和负荷烟度试验 (ELR 测试 结果见表 3, 表中 PM 为颗粒物。表 3 双燃料发动机 ESC 和 ELR 测试结果 检测项目国 标准限值检验结果 CO/(g (kW h-12. 100. 05NO x /(g (kW h -1 5. 004. 53H C/(g (kW h -10. 660. 62PM /(g (kW h -10. 100. 08烟度

21、/m -10. 800. 26由表 3可以看出 , 开发的双燃料发动机达到国 排放标准。3 结 语(1 开发了电控天然气 /柴油双燃料发动机 , 进 行了负荷特性试验 ; 在引燃油量一定时 , 得到了发动 机不同负荷下的工作特性。(2 外特性对比试验表明 , 发动机具有良好的动 力性和经济性 ; 双燃料发动机 H C 和 CO 排放高于原机 , 低速段 NO x 排放高于原机 , 易发生爆震 , 碳烟排 放显著下降。(3 应用双燃料系统标定软件 , 对发动机进行在 线标定试验 , 测试结果表明 , 达到国 排放标准。 参考文献 :References:1 张春化 . 增 压柴 油 机燃 用 L

22、 PG 柴 油 和 CN G 柴 油 双燃料掺烧特性 J. 长安大学 学报 :自然科学 版 , 2002, 22(3 :76 80.ZH A NG Chun hua. Co combustio n character istics on a supercharg ed diesel eng ine with L PG diesel dual fu el and CN G diesel dual fuelJ. Journal o f Chang an U niv er sity :N atural Science Edition, 2002, 22(3 :76 80.2K rishnan S R

23、, Biruduganti M. Per for mance and heat r elease analysis o f a pilot ig nited natur al g as eng ine J. Internatio na l Journal o f Engine Research, 2002, 3(3 :171 184.3林志强 , 苏万华 , 王国祥 . 柴油引燃天然气发动机着 火 特性 及 其 影 响 因 素 的 研 究 J. 燃 烧 科 学 与 技 术 , 2003, 9(3 :234 238.L IN Zhi qiang, SU Wan hua, WA N G Guo x iang. Study on char acteristics o f ig nitio n and misf ire in the diesel /natural gas dual fuel engine J. Journal o f Combustion Science and T echnolog y, 2003, 9(3 :234 238.4刘震涛 , 俞小莉 , 费少梅 . 天 然气 /柴油 双燃料 发动 机 燃气供 给 系 统 特 性研 究 J. 内 燃 机 工 程 , 2002, 23(2 :1