A 04 02 02 07) 基金项目: 国家 “九五”攻关资助项目 ( 99
收稿日期
: 2000 03 07
天然气喷射量和引燃油量的精确控制是电控双燃料发动机的关键 1 作者采用的电控阀喷法实现了定时定量供气, 因此更有利于天然气喷射量的控制 1 这种供气系统将天然气从高压气瓶经滤清器滤去其中杂质, 经减压阀减到一定的压力, 再与安装在进气管根部的天然气喷 射阀相接, 在进气管内与空气混合后进入气缸燃烧作功 1
为满足发动机整个工作范围对引燃油量的不同工作要求, 作者采用步进电机控制引燃油量, 使引燃油量可随不同的工况做较为准确的调整 1
2 燃料供给系统
天然气燃料的低排放、 低燃料费用和合理的燃料资源配置, 使其作为汽车动力能源在国际上日益受到重视 1 目前, 国外对发动机燃用天然气技术的研究已经发展到缸内直喷、 稀燃等前沿技术1, 2 , 国内对汽油机改烧天然气有较成熟的技术, 已成功的将电控技术应用到改装
后的汽油机上3 , 而柴油机改烧天然气的研究正成为汽车发动机行业研究的热点 1 目前国内
推出的天然气ƒ柴油双燃料发动机多采用机械控制混合器方式, 这一方式虽然改装相对简单,
但并未充分发挥天然气作为发动机代用燃料的洁净潜力4 , 因而国内正积极进行电控喷射
技 术在双燃料发动机上的应用研究5 1 本文以降低发动机排放为目标, 将柴油机改烧天然气
柴 油双燃料, 采用高性能的电子喷射控制单元, 实时控制天然气喷射量和喷射定时, 并对发动
1 言 前 文献标识码: A 中图分类号
: T K 46
+ 4
摘 要: 本文介绍了作者开发的双燃料发动机电子控制喷射系统的构成和工作原理, 及该 系统的发动机台架试验 1 结果表明, 电控双燃料发动机有较高的经济性和良好的动力性,
发动机的排放性能也得到部分改善 1 关键词: 双燃料发动机; 天然气; 电控喷射
(北方交通大学机械与电气工程学院, 北京 100044) 周希德, 胡准庆 欣, 张 夏 渊,
电控天然气ƒ柴油双燃料发动机的研究 作者简介: 夏渊 ( 1974 ) , 男, 湖北武汉人, 博士研究生, 研究方向为发动机电控喷射系统 1 3 电子控制系统 ·18· 2000 年 车辆与动力技术 为适合燃用气体燃料, 对原柴油机的进气管进行改装, 安装电控阀喷射式燃气供给411 试验装置 4
性能试验
图 2 电控喷射单元硬件框图 ECU 的功能主要是发动机工况 ( 启动、怠速、加速、减速、超速工况) 的判断、 燃
正、 故障诊断和处理等 1 根据各传感器检测到的发动机运行参数 (如转速等) 实时判运行工况, 再根据冷却水温度、 进气压力、 天然气温度和压力等参数修正天然气喷过曲轴信号和发动机工况决定天然气的喷射定时值, 这样通过定时定量控制, 可以确完全进入气缸, 并与空气混合完全 1 此外, 在处理传感器信号时进行故障的诊断,
障 (如传感器失灵等) 时报警, 并采用相应的处理措施, 如超速时停止天然气的喷射
ECU 是整个电子控制系统的核心部分, 它采用了性能比较高3 的 80C 196KB 为
器 1ECU 的硬件电路如图 2 所示, 主要由程序存储器、数据存储器、复位和掉电保护盘和显示电路、 IƒO 接口电路、 通信接口电路和功率驱动电路等构成 1
图 1 双燃料发动机电控系统结构示意图
电子控制系统主要完成信号采集与处理、 控制决 策和控制信号的生成与输出等工作 1 电子控制系统主 要由前置接口通道电路、 后置接口通道电路、 电控单 元 (ECU ) 以及根据发动机工作过程要求设计的控制 软件等构成, 图 1 为双燃料发动机电子控制系统结构 示意图 1 前置接口通道完成各传感器信号的采集, 采 集的信号有数字信号和模拟信号两种形式 1 数字信号 包括发动机转速等; 模拟信号包括冷却水温度、 天然 气压力、 天然气温度、 进气管压力、 蓄电池电压等信 号 1 后置接口通道主要完成对执行器 (天然气喷射阀、 同步电机等) 控制信号的输出 1 ·19· 夏 渊等: 电控天然气ƒ柴油双燃料发动机的研究 第 4 期 双燃料运行时的 CN G 消耗量按低热值折合为柴油的量, 即: G 总 = G 柴油 +
G
CN G折
H CN G ·G CN G ƒH 柴油 , 式中 H CN G 取 491813M J ƒk g , H 柴油
取 421427M J ƒk g1
图 5 是发动机转速 n = 2 100 rƒm in 时, 燃用双燃料和纯柴油的燃料消耗率与系 1可以看出, 在较低负荷时, 发动机燃用双燃料的比油耗高, 而在中高负荷时则低荷时发动机燃用双燃料比燃用纯柴油可降低 25% 左右 1 原因是低负荷时, CN G 吸入柴油未到达的局部地区混合气较稀, 着火稳定性差, 火焰传播速度低或有局部熄火从而导致比能耗高; 而随着负荷的增大, 混合气变浓, 上述现象消失, 预混合燃料量增为双燃料发动机是多点发火, 等容放热量随气体吸入量的增大而增大 1
41213 排放特性
图 5 双燃料发动机燃料消耗率与负荷的关系曲线 图 4 发动机燃用双燃料与纯柴油的外特性曲线 41212 经济性
特性功率曲线和扭矩曲线均高于纯柴油工况, 燃用双燃料比燃用纯柴油时的最大功216% , 最大扭矩提高约 219% , 扭矩储备系数由 1415% 提高到 1614% 1
双燃料工况的外 动机分别燃用双燃料与纯柴油时外特性的扭矩和功率对比曲线, 可以看出,
图 3 试验装置示意图 41211 动力性
试验表明, 发动机燃用双燃料较燃 用纯柴油的动力性有所提高 1 图 4 是发
412 试验结果及分析 和控制系统 1 将天然气喷射阀安装在进 气管根部, 采用进气管处喷射, 并根据 天然气喷射阀的流量特性, 调整天然气 供气系统的压力为 012～ 014M P a1 试验 原机为单缸、 四冲程、 水冷、 非增压直 接喷射式 T Y 1100 型柴油机, 气缸直径 100mm , 活塞 行 程 115mm , 气 缸 排 量 01903L , 燃烧室为 Ξ 型, 压缩比 18, 标 定转速 2 300rƒm in , 额定功率 11kW 1 图 3 是试验装置示意图 1 并且二者的变化趋势基本 双燃料发动机的 CO 和 H C 的排放均高于燃用纯柴油时的值,
因而排烟有大幅度降低 1 天然气中主要部分是甲烷 (CH 4 ) , 燃烧过程 1 另外
,
的大多数燃烧是天然气的预混合燃烧, 柴油的扩散燃烧所占的比例较少, 这类似于与原机相比,
图 6 双燃料发动机排放值与负荷的关系 发动机燃用双燃料时的烟度排放要大大减少 1 这主要是因为双燃料发动机
度迅速上升,
降低 1
N O 生成浓度急剧增加 1 显然发动机燃用双燃料比燃用纯柴油时 N O 浓度明显 而当负荷增加时, 缸内温 最高燃烧温度低, N O 的生成浓度也低,
但由于燃烧不完全且缓慢
,
图中表明, 发动机燃用双燃料时, 随着负荷的增加, N O 排放浓度逐渐增加 1 这是的生成由缸内燃烧温度、氧气浓度和高温持续时间 3 个条件决定, 低负荷时, 虽然氧
机转速为 2 300 rƒm in 时,
燃用双燃料和纯柴油的负荷特性试验测试结果 1 分别测量发动机燃用双燃料和纯柴油时的排放值, 然后绘出各种曲线 1 图 6 所示为·20· 2000 年 车辆与动力技术 采用电控喷射燃料方式, 通过控制进气管处电控阀的开启和关闭时刻, 可实现定时定量供气, 通过步进电机可以实现对引燃油量的控制 1 由这种方式控制的双燃料它的动力性高于原机, 经济性和排放特性都比原机有一定的改善 1
结 小 5
一致, 特别是在部分负荷条件下, 燃用双燃料比燃用纯柴油的 CO 和 H C 排放浓度高燃料发动机作为一种以柴油为点火源的气体燃料发动机, 且大部分情况下是在稀燃作, 尽管柴油引燃的能量比火花点燃的能量大得多, 它仍然存在稀燃极限 1 当混合低于着火极限浓度时, 天然气的燃烧很不完全, 从而造成排气中的 H C 排放较高 1 双过程中, 燃料与空气混合不完善造成 CO 排放浓度增加 1 但是与混合器方式的双燃相比, 由于电控阀喷射采用定时定量控制, CO 和 H C 的排放有较大的降低 1 ( Co llege o f M ech an ica l and E lec t r ica l E ng inee r ing, N o r th e rn J iao to ng U n ive r sity, B e ijin
C h ina)
ZHA N G X in , X IA Y u an , HU Zh u n 2q in g ZHOU X i2de,
The Study of E lec tron ica lly Con tro lled D ua l- f ue l Na tura l Ga sƒD ie se l En g in e
5 4 吉林: 吉林工业大学内燃机 D . 3
方祖华 1 气体发动机缸内喷射技术和燃烧特性的研究: 学位论文 系, 1997.
胡准庆 1 天然气ƒ柴油双燃料发动机性能研究: 学位论文 D ] 1 北京: 北方交通大学机电工程学
20001 孙济美 1 天然气和液化石油气汽车 [M ] 1 北京: 北京理工大学出版社, 19951
19951 w ith na tu ra l ga s [R ] 1SA E 950465,
2
C. S. W eave r, e t a l. D ua l fue l na tu ra l ga sƒd ie se l eng ine s: tech no lo gy, p e rfo rm ance, and em iss[R . SA E 940548, 19941 Y. D a isho , e t a l. Com bu st io n and exh au st em issio n s in a d irec t in jec t io n d ie se l eng ine dua l fue
1 参考文献: ·21· 夏 渊等: 电控天然气ƒ柴油双燃料发动机的研
究 第 4 期