本文選題：天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)　切入點：電液聯(lián)控技術(shù)　出處：《山東大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：天然氣作為氣體燃料,具有熱值高、低排放特性和資源豐富以及配置合理等突出優(yōu)點。雖然近期石油價格不斷下跌,天然氣仍在價格及環(huán)保方面具有優(yōu)勢,是石油的理想替代能源。以天然氣為主燃料,以少量柴油引燃天然氣燃料工作的雙燃料發(fā)動機(jī),通過采用電子控制單元實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的最佳空燃比,在不影響功率輸出的條件下節(jié)省柴油。天然氣燃料的綜合替代效率可達(dá)到80%左右,雙燃料發(fā)動機(jī)的應(yīng)用可節(jié)約燃料成本20%以上,即便在石油價格下跌的今天,仍能節(jié)約燃料成本10%以上。本文研究對象為“淄柴牌”6210ZLC/S型船用發(fā)動機(jī)。對船用小功率中速雙燃料發(fā)動機(jī)而言,關(guān)鍵技術(shù)主要有LNG/柴油雙燃料燃燒系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、多點燃?xì)鈬娚淇刂萍夹g(shù)、動力總成匹配技術(shù)、負(fù)荷和排放控制技術(shù)及LNG/柴油雙模式智能化控制及安全保護(hù)技術(shù)等。經(jīng)研究后首次開發(fā)了缸徑大于200mm、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的船用小功率中速雙燃料發(fā)動機(jī),實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)在雙燃料工作模式下安全穩(wěn)定、高效節(jié)能地工作。本文首次采用電液聯(lián)控燃?xì)舛帱c噴射系統(tǒng),該系統(tǒng)可以克服電磁閥雖有高速但是驅(qū)動力不足無法應(yīng)用于大流量的問題。采用該系統(tǒng)可以滿足大型機(jī)進(jìn)氣量大的需求,并且通過電控系統(tǒng)可以精確調(diào)節(jié)各缸進(jìn)氣的均勻性及負(fù)荷均勻性,該系統(tǒng)還可有效降低發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷。采用該機(jī)構(gòu)后,在進(jìn)氣沖程開始后燃?xì)獠艜M(jìn)入發(fā)動機(jī),故可保持原有掃氣量甚至可以加大掃氣量,降低熱負(fù)荷。為實現(xiàn)“準(zhǔn)內(nèi)混”,創(chuàng)新設(shè)計一體式氣缸蓋。天然氣進(jìn)氣道和空氣進(jìn)氣道相互獨立。設(shè)計了具有渦流效應(yīng)和文丘里效應(yīng)的混合腔,不僅能夠?qū)煞N氣體均勻混合,而且能夠提升進(jìn)入燃燒室的可燃混合氣的流速,為混合氣在缸內(nèi)繼續(xù)混合提供能量,這樣進(jìn)入到燃燒室的天然氣與空氣的混合氣能夠混合均勻,最終實現(xiàn)充分燃燒。由于進(jìn)、排氣管內(nèi)不存在可燃?xì)怏w,這也就杜絕了回火、放炮的可能性,大大提高了發(fā)動機(jī)使用安全性,同時也可避免掃氣逃逸現(xiàn)象的發(fā)生,減少了燃?xì)庀?既提高了經(jīng)濟(jì)性又減少了對環(huán)境的污染。電控系統(tǒng)采用空氣、燃油、燃?xì)獗壤]環(huán)控制方法,具有多重保護(hù),可在高、低速工況良好運(yùn)行,并可以在非正常工作狀態(tài)下及時保護(hù)發(fā)動機(jī)。利用CONVERGE軟件對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管及缸內(nèi)流場進(jìn)行模擬,得到了進(jìn)氣及混合過程發(fā)動機(jī)流場。從模擬計算結(jié)果可以看出：天然氣噴射閥開始開啟時,排氣門已經(jīng)關(guān)閉,天然氣不會進(jìn)入排氣管中；在進(jìn)氣門關(guān)閉之前噴射閥已關(guān)閉噴射,氣道中僅殘留少量的天然氣。滿足天然氣噴射系統(tǒng)實現(xiàn)“準(zhǔn)內(nèi)混”的設(shè)計要求。并且在燃燒開始前,缸內(nèi)天然氣與空氣已經(jīng)混合均勻,有利于柴油順利引燃天然氣。對所設(shè)計的電液聯(lián)控燃?xì)鈬娚溟y運(yùn)動特性進(jìn)行了研究。根據(jù)噴射閥結(jié)構(gòu),利用HYDSIM仿真軟件對噴射閥進(jìn)行了模擬仿真。噴射閥運(yùn)動仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)一致,液壓活塞的有效行程越大,噴射閥的最大升程越大。為進(jìn)一步明確噴射閥運(yùn)動規(guī)律的影響因素,對噴射閥進(jìn)行了臺架試驗。對比臺架試驗與仿真計算結(jié)果可以看出,兩者之間存在一定的誤差,但誤差較小,模擬計算結(jié)果具有理論意義和實際價值。噴射閥運(yùn)動特性由電磁力、彈簧力和液壓壓力共同作用,故控制脈寬和液壓壓力是影響噴射閥運(yùn)動特性的兩個重要因素。從試驗及仿真結(jié)果可以看出：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(也是噴射閥的工作頻率)對噴射閥的噴射特性無影響,轉(zhuǎn)速只是改變了噴射閥的開啟頻率,對噴射閥工作期間的運(yùn)作情況無影響；控制脈寬對噴射閥的開啟及回落特性沒有影響,噴射閥的最大升程也同控制脈寬的長短無關(guān),但是控制脈寬越大,噴射閥的開啟時間越長,天然氣噴射流量也就越大；液壓壓力對噴射閥的最大升程以及響應(yīng)特性均有一定的影響,液壓壓力越大噴射閥最大升程越大,進(jìn)而也會使得噴射閥的噴射流量有稍許加大。液壓壓力增大也會使得噴射閥開啟及關(guān)閉響應(yīng)性提高,隨著液壓壓力的增高維持段的升程波動也會有所降低。噴射閥的供氣特性與噴射閥結(jié)構(gòu)、噴射閥運(yùn)作時間及天然氣供氣壓力等因素有關(guān)。根據(jù)噴射閥時面值的變化規(guī)律可以看出,液壓壓力的增大以及噴射脈寬的增加都會使得噴射閥的時面值增大,噴射流量增加。通過TXR氣體超聲波流量計對噴射閥的流通能力進(jìn)行試驗測量。從試驗結(jié)果可以看出,隨著進(jìn)氣壓差的增大,噴射閥的進(jìn)氣流量增大：液壓壓力的增大以及噴射脈寬的增加,噴射閥進(jìn)氣流量增大,這與時面值分析結(jié)果相符。通過試驗測量得到一系列天燃?xì)鈬娚淞縈AP圖,再通過大量發(fā)動機(jī)臺架性能匹配試驗,確定發(fā)動機(jī)在不同工況、不同轉(zhuǎn)速下的最佳燃?xì)鈬娚淞炕蛱娲?以發(fā)動機(jī)功率和轉(zhuǎn)速作為查詢點,燃?xì)鈬娚淞孔鳛榭刂屏坷L制最佳燃?xì)鈬娚淞縈AP圖,將噴射閥天然氣噴射量MAP圖和發(fā)動機(jī)最佳燃?xì)鈬娚淞縈AP圖固化于ECU控制程序中,用于發(fā)動機(jī)對噴射閥流量進(jìn)行調(diào)控。發(fā)動機(jī)工況是根據(jù)發(fā)動機(jī)ECU輸入信號和發(fā)動機(jī)運(yùn)行的慣性狀態(tài)進(jìn)行判斷的。在雙燃料模式下,ECU通過進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速確定發(fā)動機(jī)負(fù)荷控制參數(shù),保證不同工況下各缸的燃油及燃?xì)夤┙o量。燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)的燃?xì)夤┙o量主要由天然氣電子節(jié)氣門開度及燃?xì)鈬娚溟y噴射脈寬所決定。電控單元(ECU)首先根據(jù)MAP圖確定所需燃?xì)夤┙o量,然后控制電子節(jié)氣門動作,調(diào)節(jié)燃?xì)夤曹墘毫_(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo),再通過改變?nèi)細(xì)鈬娚溟y中兩位三通電磁閥脈寬來調(diào)節(jié)各缸均勻性。啟動和怠速工況下,按照“零替代”工作。在30%以上負(fù)荷時,ECU允許發(fā)動機(jī)的工作模式由純柴油模式向雙燃料模式轉(zhuǎn)換。發(fā)動機(jī)在小負(fù)荷運(yùn)行時,設(shè)定在30%-50%負(fù)荷,按“小替代率”工作,該階段可稱之為“過渡性”雙燃料模式。發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時,各缸工作會有一定的差異,ECU以各缸的排氣溫度作為各缸均勻性評判的依據(jù)。調(diào)整各缸均勻性時,對節(jié)氣門開度不做調(diào)整,通過改變?nèi)細(xì)鈬娚溟y的通電脈寬來調(diào)整各缸的進(jìn)氣量,使各缸的排氣溫差在允許范圍內(nèi)。若發(fā)動機(jī)出現(xiàn)異常狀況,如信號采集發(fā)生故障,ECU則會立即關(guān)閉節(jié)氣門、燃?xì)鈬娚溟y以及緊急截止閥,停止天然氣供應(yīng),使發(fā)動機(jī)在純柴油模式下運(yùn)行。在完成關(guān)鍵系統(tǒng)和部件試制的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了試驗樣機(jī)裝配。試驗機(jī)型為淄柴6210ZLDS船用柴油機(jī)。試航模擬試驗保留原柴油機(jī)的全部裝置和功能,增加了高壓共軌系統(tǒng)、燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)和電控單元系統(tǒng)。進(jìn)行了兩次EGR試驗,第一次采用單EGR冷卻器在發(fā)動機(jī)雙排氣管匯流的條件下進(jìn)行,第二次采用雙EGR冷卻器在發(fā)動機(jī)雙排氣管分流的條件下進(jìn)行,冷卻水均由發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)提供。從實驗結(jié)果來看,EGR有增加HC和降低NO、的作用。盡管EGR率很低,降低爆壓作用不明顯,但可以有效降低NOx排放。為驗證發(fā)動機(jī)的安全使用性能,進(jìn)行了安全保護(hù)試驗,試驗內(nèi)容包括：試驗室氣體互鎖閥功能驗證,高排溫采用模擬試驗,電控系統(tǒng)完全失電后內(nèi)存參數(shù)恢復(fù)功能的驗證,以及其它報警項目通過系統(tǒng)自檢驗證。大量的試驗驗證了發(fā)動機(jī)在各工況能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),油耗、排溫、替代率、增壓壓力等各項性能指標(biāo)正常,排氣煙度,振動,噪聲符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。兩種模式自動轉(zhuǎn)換時,轉(zhuǎn)換過程平穩(wěn),轉(zhuǎn)換持續(xù)時間也符合要求。通過大量的試驗,不斷調(diào)整節(jié)氣門開度、燃?xì)鈬娚溟y噴射脈寬等參數(shù),來確定不同工況下的最佳燃?xì)鈬娚淞?以此來獲得穩(wěn)定的綜合替代率,并建立完善的替代率MAP圖,使發(fā)動機(jī)獲得上佳的性能。研制的雙燃料發(fā)動機(jī)達(dá)到了設(shè)計要求,發(fā)動機(jī)替代率達(dá)到70%以上,部分工況下,替代率可達(dá)近90%。而且在雙燃料模式下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。總之,6210雙燃料發(fā)動機(jī)達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)要求,性能穩(wěn)定,運(yùn)行可靠。通過研究,取得并掌握具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中速雙燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù),對促進(jìn)高技術(shù)船舶領(lǐng)域科技進(jìn)步有重要意義。在目前船用天然氣加注系統(tǒng)不完善的條件下,加快發(fā)展雙燃料發(fā)動機(jī)的研制,立足于國內(nèi)的實際情況,發(fā)展船用新型動力,或?qū)ΜF(xiàn)有的船舶和船用柴油機(jī)進(jìn)行改造,這些對改善船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,改善國內(nèi)的水運(yùn)環(huán)境條件,都有著現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。目前中速船用小功率柴油機(jī)是國內(nèi)水運(yùn)行業(yè)的主力機(jī)型,以淄柴210系列柴油機(jī)為代表的功率范圍在441-1103KW的小功率中速柴油機(jī)機(jī)占據(jù)內(nèi)河和沿海市場的60%以上。本文所研究的小功率中速船用雙燃料發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù),不僅可以在淄柴6210柴油機(jī)上進(jìn)行運(yùn)用,同時適用于國內(nèi)其他同功率范圍的中速柴油機(jī)的生產(chǎn)和實船改造。按照交通運(yùn)輸部海事局的要求,使用周期不超過七年的船用柴油機(jī),均可納入實船改造的范圍。淄柴210系列市場保有量在3000臺以上,而同類機(jī)型市場保有量在10000臺左右,按照預(yù)期燃?xì)馓娲?0%計算,能完成以上機(jī)型30%以上新造雙燃料發(fā)動機(jī)和現(xiàn)有市場上使用的20%船舶的改造,就可初步實現(xiàn)交通運(yùn)輸部確定的2020年船舶能源消耗中LNG占據(jù)10%的目標(biāo)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U664.12

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本文編號：1561377