林少芳

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，福建福州 350000)

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基于電控噴射方式的柴油—LNG雙燃料改裝發(fā)動機的性能分析

林少芳

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，福建福州 350000)

柴油—LNG雙燃料發(fā)動機主要是在柴油機的基礎(chǔ)上加裝液化天然氣供給系統(tǒng)改裝而成，因其排放物污染小、改裝結(jié)構(gòu)簡單、降低燃料成本等優(yōu)點正受到人們的關(guān)注。本文基于CA4113Z車用柴油發(fā)動機進行柴油—LNG雙燃料改裝技術(shù)的研究和系統(tǒng)研發(fā)，在不降低發(fā)動機動力性的條件下，提高發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性，同時避免排氣溫度過高、發(fā)動機爆震等損害發(fā)動機的情況發(fā)生。

LNG；雙燃料發(fā)動機；電控噴射

2015年，我國機動車保有量達2.79億輛，在全球大氣污染現(xiàn)象日趨嚴峻的形勢下，加大汽車減排刻不容緩，汽車行業(yè)逐漸形成綠色汽車發(fā)展的全產(chǎn)業(yè)鏈，走上了低碳汽車的新征程。具有動力性、經(jīng)濟性、排放性等潛在優(yōu)勢的雙燃料發(fā)動機也因此成為國內(nèi)外汽車行業(yè)研發(fā)的熱點。柴油—LNG雙燃料發(fā)動機是在原柴油機的基礎(chǔ)上加裝LNG儲供氣系統(tǒng)、在不改動原車發(fā)動機的條件下加裝柴油—天然氣電控混燃動力系統(tǒng)，發(fā)動機以壓燃方式進行工作。本文以一汽解放汽車有限公司無錫柴油機廠生產(chǎn)的CA4113Z型渦輪增壓柴油發(fā)動機進行改裝和相關(guān)的性能試驗分析。

1 雙燃料發(fā)動機改裝方案

雙燃料發(fā)動機改裝技術(shù)的關(guān)鍵在于供氣和節(jié)油。整體技術(shù)方案涉及系統(tǒng)的頂層設(shè)計，主要包括天然氣供氣系統(tǒng)的組成設(shè)計、混合器及其安裝方案設(shè)計，柴油噴射量的節(jié)油方案研究等，對改裝系統(tǒng)整體方案的研究設(shè)計遵循以下原則：盡可能不破壞原發(fā)動機的結(jié)構(gòu)；容易施工、改裝；成本回收期要短；隨時切換純柴油發(fā)動機，且正常工作；通用性強，可適應(yīng)大量的不同改裝對象。

2 基于噴油泵齒條位置控制的節(jié)油控制方案

一種對引燃用噴油量的控制方法是通過改變噴油器的物理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對柴油引燃量的精確控制，但對發(fā)動機結(jié)構(gòu)改變大，技術(shù)難度高，成本和風(fēng)險較高，客戶接受程度低。

對于機械泵柴油機，在噴油泵后端都裝有機械調(diào)速器，調(diào)速器的作用是使發(fā)動機隨著負荷的變化，能夠自動迅速地調(diào)整供油量，防止“飛車”和停機。調(diào)速器內(nèi)部通過一系列的調(diào)速裝置、杠桿彈簧裝置與供油量齒條相連。柴油供油量是從高壓油泵進行調(diào)節(jié)的，通過齒桿齒條、轉(zhuǎn)動套使噴油泵的全部柱塞同時轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。當(dāng)柱塞轉(zhuǎn)動時，供油開始時間不變，而供油終了時間，則由于柱塞斜邊對柱塞套回油孔位置的改變而變更；隨著柱塞轉(zhuǎn)動的角度不同，柱塞的有效行程也就不同，供油量也隨之改變[1]。因而，噴油泵油量齒條的位置決定了柱塞的有效行程和噴油量。

在調(diào)速器上裝有停車手柄，通過一系列中間機構(gòu)可以間接控制噴油量齒條的位置。因而，通過改變停車手柄的角位移可以實現(xiàn)對噴油量齒條位置的控制。這種方式對發(fā)動機物理結(jié)構(gòu)改動小，安裝方便，采用電子控制方式提高控制精度，實現(xiàn)各工況下發(fā)動機柴油引燃量的精確控制。

3 油門位置檢測裝置

發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門開度是標(biāo)識發(fā)動機運行工況的最重要參數(shù)，是雙燃料電控系統(tǒng)最關(guān)鍵的輸入信息，所以必須設(shè)計有效的方案檢測油門開度信息，并將此信號輸入電控系統(tǒng)。

本文設(shè)計的油門位置信號檢測裝置包含旋轉(zhuǎn)電位計和與油門拉繩相連接的油量調(diào)節(jié)杠桿；旋轉(zhuǎn)電位計的轉(zhuǎn)軸上裝有聯(lián)動擺桿，油量調(diào)節(jié)杠桿與聯(lián)動擺桿與一傳動拉繩相連接，傳動拉繩的長度與旋轉(zhuǎn)電位計的轉(zhuǎn)軸中心到油量調(diào)節(jié)杠桿的旋轉(zhuǎn)支點之間的距離相等，傳動拉繩和聯(lián)動擺桿的連接點到轉(zhuǎn)軸中心之間的距離與傳動拉繩和油量調(diào)節(jié)杠桿的連接點到旋轉(zhuǎn)支點之間的距離相等，這就形成了一個平行四邊形的結(jié)構(gòu)[2]。油門開度信號通過旋轉(zhuǎn)電位計轉(zhuǎn)角能夠真實體現(xiàn)，使油門開度與旋轉(zhuǎn)電位計輸出信號保持可靠的線性關(guān)系，油門調(diào)節(jié)杠桿轉(zhuǎn)過多少角度，旋轉(zhuǎn)位移傳感器上聯(lián)動擺桿也相應(yīng)轉(zhuǎn)過多少角度，這樣ECU就可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)位移傳感器傳輸?shù)男盘柅@取油門開度信息。

4 天然氣供給系統(tǒng)設(shè)計

天然氣的供氣方式可以分單點供氣、多點供氣和缸內(nèi)供氣三種方式，各自存在明顯的優(yōu)缺點。多點供氣方式的減壓器只設(shè)有一級或兩級減壓腔，對發(fā)動機的空氣進氣效率影響小，對各缸天然氣噴射閥的噴氣時刻能精確控制，消除了氣門重疊時產(chǎn)生的漏氣和進氣管回火等現(xiàn)象。但是，因為需要在進氣管末端鉆噴射閥的安裝孔，較大地破壞了發(fā)動機原機結(jié)構(gòu)，且維修費用高。

缸內(nèi)噴射技術(shù)與電控技術(shù)的結(jié)合使改裝的發(fā)動機的各項性能得到很大提高，例如，可以實現(xiàn)稀薄燃燒、分層燃燒和預(yù)混合燃燒等；可以降低和消除燃料供給對空氣充量的影響，降低排放，提高動力性和避免爆震。但其明顯缺點是目前技術(shù)尚未成熟，改裝費用高，主要集中在理論和小批量研究上，無法投入大批量生產(chǎn)，往往對發(fā)動機造成永久性損害。

進氣管單點供氣方式對發(fā)動機原機結(jié)構(gòu)改動破壞小，在發(fā)動機雙燃料改裝市場的初始階段，用戶往往更愿意接受。但是，由于天然氣供氣時刻的控制的缺失，單點供氣方式往往存在氣門重疊時漏氣和進氣管回火的風(fēng)險。因此，有必要對天然氣的供氣時刻問題進行研究，提高進氣管進氣的可靠性。本文選擇在進氣道上噴射天然氣的供氣方式，為提高預(yù)混合效果和安裝方便，設(shè)計了柱塞式混合器。

5 電子控制系統(tǒng)方案

5.1 電子控制系統(tǒng)功能需求

整個雙燃料電子控制系統(tǒng)的核心在于精確控制柴油引燃量和天然氣供氣量。其功能的實現(xiàn)對雙燃料發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性有著重要的影響。

5.2 電子控制系統(tǒng)組成

電子控制系統(tǒng)主要由電控單元、傳感器和執(zhí)行元件組成。根據(jù)柴油機的工作特點，主要傳感器包括轉(zhuǎn)速傳感器、油門位置傳感器、齒條位置傳感器、進油壓力傳感器、排氣溫度傳感器以及冷卻水溫度傳感器等。電控單元選用Free scale公司的MC9S12XET256單片機，執(zhí)行機構(gòu)包括高壓電磁閥、油量控制器和天然氣噴射閥等。

5.3 傳感器和執(zhí)行器

傳感器和執(zhí)行器是電控系統(tǒng)的重要組成部分，傳感器和執(zhí)行器的準(zhǔn)確輸出是保證系統(tǒng)準(zhǔn)確性的必要條件，是提高汽車現(xiàn)代化、電子化的重要工具。發(fā)動機用傳感器和執(zhí)行器要求具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，以及在各種環(huán)境下工作的可靠性。

6 柴油—LGN雙燃料改裝發(fā)動機的性能分析

為驗證改裝后的發(fā)動機的性能，本文對改裝后的雙燃料發(fā)動機和原發(fā)動機分別進行性能試驗，包括速度特性試驗、負荷特性試驗和排放特性試驗。

6.1 動力性對比分析

開發(fā)雙燃料發(fā)動機的目的之一就是使發(fā)動機能夠達到或者超過原發(fā)動機的功率。對動力性的評價最直觀的體現(xiàn)是發(fā)動機速度特性曲線，速度特性曲線揭示了發(fā)動機功率、扭矩與轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，反映了發(fā)動機在不同工況下的動力變化規(guī)律。

圖1和圖2分別為發(fā)動機在70%和40%的油門開度下，單燃料和雙燃料兩種模式下轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對比、輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩對比。可以看出，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩在兩種模式下的變化趨勢基本保持一致，油門開度在40%時功率和轉(zhuǎn)矩下降更明顯；經(jīng)計算，雙燃料模式下輸出功率較單燃料模式分別下降0.6%和13.4%；輸出轉(zhuǎn)矩分別下降0.1%和12.7%。從圖3可以看出，雙燃料模式下排氣溫度較單燃料模式降低一定水平，經(jīng)計算排氣溫度分別降低5.8%和16.1%，這是由于天然氣的著火溫度較低。因此，改裝后的雙燃料發(fā)動機動力性有所降低，在中、高負荷時下降不超過5%。

圖1 70%和40%油門開度下轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速

圖2 70%和40%油門開度下功率與轉(zhuǎn)速

圖3 70%和40%油門開度下轉(zhuǎn)速與排溫

6.2 經(jīng)濟性對比分析

目前對于發(fā)動機經(jīng)濟性的研究，主要有兩種方法：一種方法是根據(jù)兩種燃料的價格，分別計算燃料消耗量以及改裝成本的回收周期；另一種方法是計算當(dāng)量燃料消耗率，包括柴油和天然氣的燃料消耗率。本文通過比較單位機械功所消耗的燃料價格來評價經(jīng)濟性。表1顯示的是在轉(zhuǎn)速2000r/min時燃油消耗量和天然氣消耗量情況。

表1 2000r/min負荷特性燃油消耗量

由表1可知，在不同負荷下，雙燃料發(fā)動機的燃料消耗都比單燃料模式下要低，其經(jīng)濟性好于單燃料模式；經(jīng)計算平均燃料消耗價格降低26%，經(jīng)濟效益明顯。

6.3 排放性對比分析

圖4、圖5顯示的是在兩種模式下，不同負荷特性對應(yīng)的煙度、NOx對比情況。

圖4 1800r/min和2000r/min轉(zhuǎn)矩與煙度

圖5 1800r/min和2000r/min轉(zhuǎn)矩與NOx

由圖4顯示，與單燃料相比，雙燃料發(fā)動機的煙度排放有大幅度的降低，在2000r/min的負荷工況下，雙燃料發(fā)動機的平均煙度值小于1RB，說明發(fā)動機基本運行在無煙狀態(tài)，解決了發(fā)動機冒黑煙的問題。其原因為柴油在燃燒過程中，霧化和與空氣混合不均勻，造成氣缸內(nèi)出現(xiàn)濃度不一的柴油，燃燒時過濃的柴油會產(chǎn)生大量的碳煙。而雙燃料發(fā)動機由于天然氣與空氣的混合氣在進入氣缸后已經(jīng)充分混合，在柴油的引燃下迅速擴散燃燒，充滿整個氣缸，緩解了濃度不一的情況，從而抑制了碳煙的生成。

由圖5顯示，在兩個轉(zhuǎn)速下雙燃料和單燃料NOx的排放變化趨勢基本一致，雙燃料比單燃料NOx排放平均下降15%和7%，說明雙燃料發(fā)動機能夠改善NOx的排放，但不夠明顯。其原因為NOx生成量是由高溫、富氧和高溫持續(xù)時間三個條件決定的。在低負荷時溫度較低，雖然氧濃度較高，但此時燃燒不充分；而在高負荷時，發(fā)動機進氣量增大的同時帶來了豐富的氧氣，從而促進了NOx的排放。

同時，通過實驗表明，在中、低負荷時，雙燃料發(fā)動機排放的CO量明顯要高單燃料發(fā)動機；在高負荷時，雙燃料發(fā)動機CO排放量有一定程度的下降；整體上看，改裝后雙燃料發(fā)動機沒有改善CO的排放，這在低負荷工況更加明顯。其原因為改裝后的雙燃料發(fā)動機大部分工況處于稀燃狀態(tài)，因此存在稀燃極限，當(dāng)混合氣燃燒濃度低于最低著火極限濃度時，混合氣燃燒不充分，導(dǎo)致了CO排放量的增加[3]。

7 結(jié)論

綜上所述，本文研究并設(shè)計柴油—天然氣雙燃料改裝系統(tǒng)的總體方案，提出基于噴油泵齒條位置控制的節(jié)油控制方案；設(shè)計油量控制器的結(jié)構(gòu)和油門位置檢測裝置，具有一定的創(chuàng)新性；研究并設(shè)計了天然氣供氣系統(tǒng)管路布置；對雙燃料電控系統(tǒng)的總體功能需求和實施方案進行研究。結(jié)合發(fā)動機臺架試驗平臺，設(shè)計了試驗方案；研究改裝前后發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放性的改變情況；得出改裝后雙燃料發(fā)動機在中、高負荷動力性下降不到5%，經(jīng)濟效益明顯，大幅降低了NOx和碳煙的排放，雖然CO排放量有所增加，但是總體上，改裝后的柴油—LNG雙燃料發(fā)動機具有較好的排放性。

[1]黃瑋.柴油發(fā)動機構(gòu)造與原理[M].北京:科技出版社,2009:116-118.

[2]彭育輝,陳劍雄,林歆悠.一種雙燃料發(fā)動機油門開度檢測裝置及其安裝方法[P].中國專利,實用新型專利,201310101490.X,2013-07-10.

[3]劉雄,張慧明,呂悠萍,等.降低雙燃料發(fā)動機HC和CO排放的研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2003,21(1):17-20.

Performance Analysis of Diesel-natural Gas Dual Fuel Engine with Electronically Controlled Injection

LIN Shao-fang

(Fuzhou Polytechnic,Fuzhou Fujian 350000,China)

On the basis of the diesel engine,diesel-natural gas dual fuel engine is mainly equipped with liquefied natural gas supply system .It has been receiving more and more attention for its advantages such as good emissions characteristics, convenient retrofitting and flexibility in use. This paper researched and developed dual fuel retrofitting technology on the CA4113Z diesel engine. The study concentrated on improving the fuel economy and avoiding high exhaust and engine detonation without reducing the engine’s power performance.

LNG; dual-fuel engine; electronic controlled injection

2016-04-03

2015年福建省中青年教師教育科研項目“汽車新能源材料的應(yīng)用研究”(JA15803)。

林少芳(1976- )，女，講師，碩士研究生，從事汽車新能源和汽車材料研究。

U461.8

A

2095-7602(2016)08-0016-05