电控天然气柴油双燃料发动机的开发图文精.docx
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电控天然气柴油双燃料发动机的开发图文精
收稿日期:
20091012
:
(,男,,,,Email:
ch126.第30卷第5期2010年9月
长安大学学报(自然科学版
JournalofChanganUniversity(NaturalScienceEdition
Vol.30No.5Sept.2010
文章编号:
16718879(201005009904
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:
U473文献标志码:
A
DevelopmentofelectronicallycontrolledCNG/dieseldualfuelengine
CHENJinzhu1,2,ZHANGChunhua1,LIAOJunzhi3
(1.SchoolofAutomobile,ChanganUniversity,Xian710064,Shaanxi,China;2.ShaanxiFastAutoDriveGroupCompany,Xian710077,Shaanxi,China;3.ShenzhenHuajiangTechnologyCoLtd,Shenzhen518131,Guangdong,China
Abstract:
InordertodevelopanelectronicallycontrolledpremixedCNG(CompressedNatural
Gas/dieseldualfuelengineformeetingnationalemissionregulations,thedieselfuelrestrictionsystem,CNGsupplysystemandelectronicallycontrolledsystemwereaddedontheoriginaldieselengine,andperformancetestsofthedualfuelenginewerecarriedout.Thecomparisonsbetweenthedualfuelengineandthedieselengine,fueleconomyandemissionsatloadcharacteristics,andfueleconomy,poweroutputandemissionsatexternalcharacteristicswereinvestigatedwhentheamountofpilotdieselfueliskeptconstant.Onlinecalibrationwasconductedbyapplyingduelfuelenginemanagementsystemcalibratingsoftware.Theemissionexperimentsshowthatthedualfuelenginecanmeetnationalemissionregulations.3tabs,10figs,6refs.
Keywords:
automobileengineering;internalcombustionengine;naturalgas;diesel;duelfuel;emission
0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HC和46%的NOx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[12]。
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NOx和低烟度排放[34]。
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发动机测控系统天然气流量计DMF12
柴油流量计FC2210Z智能油耗仪
空气流量计ZON150
气体分析仪AMA4000
烟度计AVL415S
颗粒物分析仪PSE2000
1.2试验用发动机
试验用发动机为YC6A24020增压中冷直喷式柴油机,其主要技术参数见表2。
表2YC6A24020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/mm108
行程/mm132
标定功率/kW177(2300r/min
最大转矩/(N∀m860(1400~1600
r/min压缩比17.5
排放达标国
1.3双燃料改造
天然气/柴油双燃料发动机如图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;7CNG储气瓶;8转换开关;9转速传感器;10电控单元;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,实现对发动机的控制。
1.4数据处理
1.4.1双燃料消耗量(
mdual
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
mdual=
mdiesel+
Hu
CNG
Hu
diesel
mCNG(1式中:
mCNG、
mdiesel分别为CNG和柴油的消耗量
(kg/h;Hu
CNG
为CNG的质量低热值,试验用CNG
为48.28MJ/kg;Hu
diesel
为柴油的质量低热值,试验取43.05MJ/kg。
1.4.2当量燃料消耗率(be
双燃料发动机运转时,燃料消耗率以发出单位功所消耗燃料的低热值计,即
be=dual
Pe
#103(2式中:
be为当量燃料消耗率(g/(kW∀h;Pe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/min,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CNG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be比纯柴油的be
高;随着负荷的增加,双燃料的be减小,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HC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HC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,HC和CO同时增加;中高负荷,随着负荷的增加,HC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HC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,HC和CO排放降低。
图3中,燃烧纯柴油的HC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NOx排放对比如图5所示。
试验表明:
随着负荷的增加,NOx排放逐渐增加,中低负荷双燃料NOx排放低于纯柴油;中高负荷双燃料NOx排放高于纯柴油。
其原因如下:
由于NOx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NOx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,NOx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,NOx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NOx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,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HC排放对比如图7所示。
由图7可看出,双燃料的HC排放比柴油的高,且随着转速的增加,HC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HC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HC排放对比图8外特性CO排放对比
外特性NOx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NOx排放相比原机有很大增加;高速段NOx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,NOx排放量增加。
由此说明,双燃料发动机大负荷工况时,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,NOx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NOx排放对比图10外特性烟度排放对比
2.3排放标定结果
为了进一步降低CO和HC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
-1
2.100.05NOx/(g∀(kW∀h-15.004.53HC/(g∀(kW∀h-1
0.660.62PM/(g∀(kW∀h-1
0.100.08烟度/m-1
0.80
0.26
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HC和CO排放高于原
机,低速段NOx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。
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102长安大学学报(自然科学版2010年
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