天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)減油技術(shù)研究

林煜

天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)減油技術(shù)研究

林煜

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 汽車運(yùn)用工程系，福建 福州 350007）

機(jī)動(dòng)車排放污染已經(jīng)成為城市大氣污染的主要來源之一，在機(jī)動(dòng)車推廣使用天然氣替代燃料技術(shù)是減少大氣污染的有效措施之一。對(duì)于部分農(nóng)用機(jī)械，機(jī)械泵式柴油機(jī)仍是主要?jiǎng)恿碓?，改裝成天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)如何通過加裝減油機(jī)構(gòu)控制噴油量成為了一個(gè)研究重點(diǎn)。文章針對(duì)國內(nèi)某款柱塞泵式柴油機(jī)的減油機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，對(duì)農(nóng)用機(jī)械的改裝具有參考意義。

柴油機(jī)；減油機(jī)構(gòu)

1 研究背景及意義

自內(nèi)燃機(jī)誕生以來，通過不斷的發(fā)展與改進(jìn)，在各個(gè)行業(yè)尤其是汽車行業(yè)被廣泛應(yīng)用。尤其是進(jìn)入到21世紀(jì)之后，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了整個(gè)國民的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為我國最近20年間的經(jīng)濟(jì)高速增長做出了巨大的貢獻(xiàn)，也讓汽車產(chǎn)業(yè)成為許多發(fā)達(dá)國家的支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]?，F(xiàn)代汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，給社會(huì)帶來了巨大的財(cái)富，但隨之而來環(huán)境污染問題和資源的消耗也越來越讓人們重視起來[2]。隨著石油消耗的急劇增加，汽車工業(yè)快速發(fā)展與石油短缺之間的矛盾日益突出，直接導(dǎo)致了油價(jià)的不斷上漲及世界上部分國家和地區(qū)出現(xiàn)了“油荒”。

環(huán)境污染和能源危機(jī)已經(jīng)成為21世紀(jì)的兩大難題。全世界都在積極地尋找替代能源[3]，特別是能夠代替煤炭和石油的。天然氣因?yàn)槠涞统杀?、低污染以及高熱效率成為目前最具發(fā)展?jié)摿妥钋鍧嵉奶娲茉碵4-5]。

歐美的發(fā)達(dá)國家在天然氣─柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡稱雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)）的研究和運(yùn)用方面已經(jīng)走在前列。近年來隨著我國大力推廣使用天然氣能源，國內(nèi)對(duì)天然氣─柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和應(yīng)用也逐漸被重視，如在新疆、山東、湖北、重慶、四川、陜西等省進(jìn)行商用車的“油改氣”技術(shù)推廣和以船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)“油改氣”的“氣化長江”項(xiàng)目等。

柴油作為引燃燃料的天然氣─柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以其改裝方便，只需要在單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝一套天然氣供給系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好、燃料選用靈活、熱效率高以及排放性能好，尤其是氮氧化物和固體顆粒物排放少等優(yōu)點(diǎn)在國外日益受到關(guān)注[6]。

近幾年，國內(nèi)多家汽車生產(chǎn)企業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)都致力于開發(fā)或改裝天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其中大多數(shù)還是將汽油機(jī)和柴油機(jī)這樣的單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成天然氣─柴油雙用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣─柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，這在我國代用燃料汽車中占到90％左右[7]。

本文就將基于機(jī)械式噴油泵燃油供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，探索噴油量與調(diào)節(jié)齒條位置關(guān)系的理論模型；在不改動(dòng)原發(fā)動(dòng)機(jī)的物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)雙燃料系統(tǒng)的燃油引燃量的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)；研究通過試驗(yàn)的方法構(gòu)建不同工況下引燃油量與齒條位置關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

2 噴油泵原理及減油機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 噴油泵原理

本文研究的柴油機(jī)是采用的是PM噴油泵，噴油泵的作用就是將燃油升壓后送到高壓油管中，以及調(diào)節(jié)噴油量。PM泵是齒條控制式的柱塞泵，結(jié)構(gòu)如下圖：

圖1 齒條式柱塞泵

1—調(diào)節(jié)齒圈，2—進(jìn)油孔，3—柱塞套筒，4—出油孔，5—柱塞，6—調(diào)節(jié)齒條，7—控制套筒

油量調(diào)節(jié)齒條左右移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)齒圈，使得進(jìn)油孔和出油孔相對(duì)于柱塞斜槽的位置改變。泵油時(shí)，柱塞行程不變，通過改變柱塞斜槽遮蔽油孔的時(shí)間來調(diào)節(jié)噴油量，即圖2中間至右邊的兩個(gè)狀態(tài)。而柱塞斜槽遮蔽油孔的垂直距離被稱作有效行程。因此，噴油量取決于柱塞的有效行程，本文通過引燃油量控制機(jī)構(gòu)控制停車手柄從而改變油量調(diào)節(jié)齒條的位置來達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)由單燃料模式進(jìn)入雙燃料模式時(shí)的減油效果以及雙燃料模式下引燃油量的調(diào)節(jié)。

圖2 柱塞泵供油過程

但是，除了油量調(diào)節(jié)齒條，轉(zhuǎn)速也是影響噴油泵噴油量的因素之一。

圖3 噴油泵速度特性

圖3中1等表示齒條或拉桿位移。噴油泵的速度特性是指噴油泵油量控制機(jī)構(gòu)（齒條或拉桿）位置固定時(shí)，每循環(huán)的供油量隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系[8]。

換言之，當(dāng)油量調(diào)節(jié)齒條位置一定時(shí)，若轉(zhuǎn)速不同，則噴油泵柱塞的噴油量也不會(huì)相同。究其原因，是因?yàn)閲娪捅弥墓?jié)流效果。從理論上講，當(dāng)柱塞上端面關(guān)閉柱塞套的進(jìn)回油孔時(shí)才開始泵油，而實(shí)際上當(dāng)技塞上端面還未完全關(guān)閉進(jìn)回油孔時(shí)，由于節(jié)流作用，壓油室內(nèi)的柴油壓力就開始升高，致使出油閥提早開啟。同理，噴油終了的時(shí)候出油閥也會(huì)延時(shí)關(guān)閉。而且轉(zhuǎn)速越高，節(jié)流作用越大。這樣就導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定。

全程式調(diào)速器的作用就是為了減小節(jié)流作用所造成的影響，讓發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)，也讓油量調(diào)節(jié)齒條的位置也可以穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

本文所用柴油機(jī)使用的就是全程離心式調(diào)速器，這種調(diào)速器在全部工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能起到作用，也就是說全程離心式調(diào)速器可以控制柴油機(jī)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作。

圖4 調(diào)速器原理圖

1—齒桿限位螺釘，2—調(diào)速手柄，3—支承盤，4—飛球，5—滑動(dòng)盤，6—調(diào)速彈簧，7—調(diào)速杠桿，8—調(diào)速齒桿

因此，要控制引燃油量就是要結(jié)合調(diào)速器來調(diào)整油量調(diào)節(jié)齒條的位置。

2.2 減油機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)閲娪捅玫凝X條密封在外殼之內(nèi)，如果直接通過物理機(jī)構(gòu)對(duì)齒條位置進(jìn)行控制，則必須破壞噴油泵原有物理結(jié)構(gòu)，如果對(duì)在用柴油機(jī)而言，改裝方案實(shí)現(xiàn)難度大。本文研究設(shè)計(jì)的引燃油量控制方案就不需要拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)，雙燃料系統(tǒng)改裝便捷，容易實(shí)現(xiàn)。

在停車手柄上加裝的引燃油量控制機(jī)構(gòu)幾乎沒有改動(dòng)原廠噴油泵的任何結(jié)構(gòu)，利用柴油機(jī)本身的一些螺孔將控制機(jī)構(gòu)安裝在柴油機(jī)外部，整體布置如下圖：

圖5 引燃油量控制機(jī)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)的引燃油量控制機(jī)構(gòu)原理圖如下：

圖6 引燃油量控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1—后蓋，2—直線步進(jìn)電機(jī)，3—后殼體，4—絲桿螺母，5—推桿，6—前殼體，7—直線位移傳感器，8—銅套，9—止轉(zhuǎn)銷，10—連接墊片

具體工作原理為：電子控制單元發(fā)出指令傳遞給直線步進(jìn)電機(jī)，激勵(lì)直線步進(jìn)電機(jī)的推桿進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，并隨之產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，推桿的前半部位鍵槽裝有止轉(zhuǎn)銷，能夠防止推桿隨螺桿產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，有效的保證了運(yùn)動(dòng)的直線性。推桿末端的連接墊片與固定在前殼體上的直線位移傳感器即電阻尺相連，使得推桿的運(yùn)動(dòng)能夠被直線位移傳感器感應(yīng)和記錄，并以電信號(hào)的形式反饋給控制器，再由控制器將信號(hào)進(jìn)行處理，校正推桿當(dāng)前位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)推桿位置的閉環(huán)精確控制。

3 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

3.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)

由于噴油泵技術(shù)參數(shù)未知，因此本文采用試驗(yàn)法構(gòu)建減油機(jī)構(gòu)推桿位移與噴油量的函數(shù)關(guān)系。

試驗(yàn)儀器：發(fā)動(dòng)機(jī)；測(cè)功機(jī)系統(tǒng)；雙燃料改裝的供氣系統(tǒng)1套（包括：225升LNG儲(chǔ)罐、高壓濾清器、調(diào)壓閥、管路電磁閥等）；減油機(jī)構(gòu)。

試驗(yàn)步驟：

（1）起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行空載熱機(jī)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行熱機(jī)，當(dāng)冷卻水溫度達(dá)到50℃，機(jī)油溫度達(dá)到40℃以上時(shí)，通過測(cè)控系統(tǒng)加大油門和負(fù)載進(jìn)入雙燃料模式。

（2）先選擇一個(gè)油門開度的一個(gè)轉(zhuǎn)速，如25%油門開度、1500r/min，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后，通過測(cè)量的儀器設(shè)備記錄下此時(shí)的引燃油量控制機(jī)構(gòu)位移以及油耗量。

（3）改變引燃油量控制機(jī)構(gòu)的位移，直線步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)停車手柄改變噴油量。此時(shí)，轉(zhuǎn)速也隨之降低。由調(diào)速器原理可知，我們可以改變測(cè)功機(jī)的負(fù)荷使轉(zhuǎn)速回復(fù)到原轉(zhuǎn)速。記錄下此時(shí)的引燃油量控制機(jī)構(gòu)位移以及油耗量。

（4）進(jìn)行多次同樣的試驗(yàn)，記錄多組數(shù)據(jù)。將記錄的油耗量計(jì)算得到噴油量。

（5）根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)的曲線擬合，之后推廣到同一轉(zhuǎn)速，最后推廣到全工況。

3.2 試驗(yàn)法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

在試驗(yàn)之后，需要選取幾個(gè)工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線的擬合。先從25%油門開度的1500r/min入手，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

表1 單點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在得到了引燃油量控制機(jī)構(gòu)位移和噴油量的數(shù)據(jù)之后，先針對(duì)某個(gè)油門開度底下的單個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。接下來對(duì)不同油門開度下相同轉(zhuǎn)速的點(diǎn)進(jìn)行擬合，最后推廣到所有油門開度下的所有轉(zhuǎn)速點(diǎn)，得到每一個(gè)工況點(diǎn)引燃油量控制機(jī)構(gòu)位移和噴油量的關(guān)系。

由上文研究內(nèi)容可知，引燃油量控制機(jī)構(gòu)的位移與噴油量的關(guān)系可表示為，在整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程中發(fā)現(xiàn)式中a的變化規(guī)律略有不同，因此在轉(zhuǎn)速為1900r/min這個(gè)工況點(diǎn)前后進(jìn)行分段處理。下表是75%油門開度所得部分?jǐn)?shù)據(jù)：

表4 75%油門擬合結(jié)果

為了減小節(jié)油特性對(duì)噴油量的影響，接下來對(duì)不同油門開度的同一轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理，下面以1900r/min以下的工況點(diǎn)為例，將轉(zhuǎn)速在1900r/min以下的工況點(diǎn)處理之后，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

表5 各轉(zhuǎn)速擬合結(jié)果

式中，k為油門開度，25%油門開度下k=25。再把這數(shù)據(jù)推廣到1900r/min以下所有轉(zhuǎn)速，可得擬合函數(shù)：

同理，可得轉(zhuǎn)速在1900 r/min以上的擬合函數(shù)：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

減油機(jī)構(gòu)控制噴油量的實(shí)際效果以及擬合函數(shù)是否準(zhǔn)確，還需要通過實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。表6所示發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料運(yùn)行模式下所測(cè)量的實(shí)際引燃油量與直線步進(jìn)電機(jī)推桿位移的值。

由臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量能夠按照MAP圖正常運(yùn)行。而且引燃油量控制機(jī)構(gòu)的控制方法也是可行的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得的誤差也在一個(gè)較小的范圍之內(nèi)。這樣的油量控制策略也可以滿足雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝需求，能夠達(dá)到所需的減油效果。

表6 部分工況點(diǎn)引燃油量控制情況

5 總結(jié)

應(yīng)用和推廣天然氣─柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，是促進(jìn)傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排的有效手段之一。引燃油量和天然氣噴氣量的準(zhǔn)確控制就成為了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵。

在選定替代率的情況下，利用臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理歸納出引燃油量控制機(jī)構(gòu)位移和噴油量的關(guān)系。利用歸納出來的函數(shù)關(guān)系可以在已知噴油量的情況下簡單地計(jì)算出引燃油量控制機(jī)構(gòu)所需要的位移。這樣不但可以很快地制作出關(guān)于噴油量的MAP圖，而且在需要對(duì)不同替代率的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候可以迅速地得到引燃油量控制機(jī)構(gòu)所需要的位移。

[1] 段啟蒙.柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制策略與試驗(yàn)研究[D]. 長安大學(xué)碩士學(xué)位論文.2015.

[2] 王錦川.柴油─天然氣(CNG)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車[J].城市車輛,2001, (第2期).45-47.

[3] 房居祥.LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性研究[D].長安大學(xué)碩士學(xué)位論文.2015.

[4] 崔怡.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)淺析.現(xiàn)代車用動(dòng)力[J].2007.(2).31-40.

[5] 張坤鵬.滿足國V排放的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.2011.

[6] 馮春龍.柴油LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程數(shù)值計(jì)算研究[D].江蘇科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2014.

[7] 吳光耀.柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略研究[J].柴油機(jī).2011. 33(4).39-43.

[8] 秦有方.車輛內(nèi)燃機(jī)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996,07.

Research on Pilot Diesel’s Control Technology of Natural Gas─Diesel Dual Fuel Engine

Lin Yu

( Fujian ship administration and transportation vocational college Department of automotive application engineering, Fujian Fuzhou 350007 )

Vehicle emission pollution has become one of the main sources of urban air pollution. For some agricultural machinery, the mechanical pump diesel engine is still the main power source, so how to control the amount of fuel injection by adding diesel reduction mechanism becomes a research focus when refitted into a natural gas-diesel dual fuel engine. In this paper, the design and research of a plunger pump diesel engine a diesel reduction mechanism are carried out.

the diesel engine;the diesel reduction mechanism

U473

A

1671-7988(2019)13-148-04

U473

A

1671-7988(2019)13-148-04

林煜（1992-），男，助教，就職于福建船政交通職業(yè)學(xué)院，研究方向：汽車檢測(cè)與維修。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.049