柴油-天然气双燃料发动机的性能研究.pdf

新 能源 汽 车 汽 年 实 J 『 j 技 术 A U 1 ’ O M OBI LE A P PLI E D T EC I I NO LO G Y 2 01 2 年 第l O 期 2Ol2 N0．1 O 柴油一 天然气双燃料发动机的性能研究 袁凯 西安兰德新能源汽车技术开发有 限公司，陕西西安7 1 0 0 4 3 摘要 在高压共轨 电控柴油发动机的基础上，研发了柴油一 天然气双燃料发动机 。该发动机在原 机电控系统保持不变的情况下 ，增加了一套双燃料电控系统，使其可以在纯柴油和柴油天然气双 燃料两种模式下工作。在柴油天然气双燃料模式下，以少量的柴油引燃适量的天然气进行混合燃 烧，达到与原机相 同的功率及扭矩输出，天然气对柴油的平均替代率达 8 5 ％以上 ，提高了该发动 机的经济性。 关键词 双燃料发动机 ；混合燃烧 ；替代率 中图分类号 U 4 6 9 ． 7 5 文献标识码A文章编号 1 6 7 1 7 9 8 8 2 0 1 21 0 6 4 0 3 The I n v e s t i g a t i o n o n t he Pe r f o r m a n c e o f Di e s e l - na t ur a l g a s Dua l - - f ue l Eng i ne a nKa i Xi ’ a n L a n d e Ne w E n e r g y V e h i c l e T e c h n o l o g y D e v e l o p me n t C O ． ， L t d ，S h a a n x i Xi a n 7 1 0 0 4 3 Ab s t r a c t Th e d i e s e l - n a t ur a l g a s d u a l -- f u e l e n g i n e wa s d e ve l o pe d b a s e d o n a e l e c t r o n i c -- c o n t r o l d i e s e l e n g i n e wi t h a hi g h p r e s s u r e c o n mo m r a i l ． Th e d u e l f u e l e n g i n e c a n wo r k a t p u r e d i e s e l mo d e a n d di e s e l n a t ur a l g a s d u a l fue l mo d e ， wi t h t h e a d d i n g o f d u a l - f u e l e l e c tro n i c c o n t r o l s ， t e m a n d wi tho u t a n y c h a n g e t o t h e b a s e l i n e e n g i n e． At t h e d i e s e l n a t u r a l g a s d ua l - ful e mo d e， n a t u r a l g a s a n d d i e s e l wa s c o mpo u n d c o mbu s t e d i n c y l i n d e r wi t h l i t t l e d i e s e l a s a p i l o t ． Th e d u a l fue l e ng i n e h a s the s a me po we r a n d t o r q u e wi t h t h e b a s e l i n e e n g i n e a n d t h e a ve r a t e s u bs t i tut i o n r a t e o f n a tur a l g a s t o d i e s e l i s o v e r 8 5 ％ ，wh i c h h i g h l y i mp r o v e s t h e e c o n o my o f t h e d u a l fue l e n g i n e ． Ke y wo r d s du a l - f u e l e ng i n e ； c o mpo u nd c o mbus t i o n； s u bs t i t ut i o n r a t e CI C No ． U4 6 9 ． 7 5 Do c u me n t c o d e A Ar t i c l e I D 1 6 7 1 ． 7 9 8 8 2 0 1 2 1 0 ． 6 4 ． O 3 引言 目前，重型卡车的发动机都采用的是大功率的 柴油机，但随着燃油价格的不断上涨，车辆运营成 本也与越来越高，因此，如何降低发动机的燃料成 作者简介 袁凯，助理工程师，就职于西安兰德新能源汽车 技术开发有限公司， 研究方向为整车电控及替代能源技术。 本是 目前重卡用户面临的一大难题。 柴油一 天然气双燃料发动机 以下称双燃料发动 机 的成功研制 ，很好的解决 了这一难题，该发动 机通过柴油引燃天然气进行混合燃烧，达到和原柴 油机相同的功率输出，天然气 以 8 5 ％以上的替代率 节省了柴油，同时天然气低廉的价格为用户节省的 燃料成本，因此，该发动机具有很好的市场前景 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 0期 袁 凯柴油． 天然气双燃料发动机的性能研究 6 5 1 、双燃料发动机工作原理说明 本文所设计 的柴 油一 天然气双燃料 发动机 是在 保留原柴油机的机械部件基础上 ，增加 了供气系统 来实现 的，发动机通过少量的柴油引燃天然气进行 混合燃烧做功的，其原理结构如图 1所示。供气系 统主要包括天然气钢瓶 、燃气滤清器 、调压 阀、 电磁 安全阀、喷气 阀组、混合器等；原柴油机供油 系统保持不变。 调 压阀安全 阀 图 1 双燃料发动机原理结构 图 该双燃料发动机的控制系统是在保 留原机发动 机控制系统的基础上 ，增加一套柴油及燃气控制单 元来实现的。原机的各个信号 曲轴 、凸轮、水温、 中冷后进气温度压力、机油温度压力、轨压等 ，被 双燃料控制系统和原机的电控系统共享 ，控制系统 结构如图 2所示 。增加的双燃料控制单元可控制柴 油的喷射 以及加装 的燃气喷射系统 包括燃气喷射 电磁 阀、电磁安全 阀等 ，同时对燃气温度压力、发 动机 的工作模式进行实时的监控 ；而原机的其他部 件 如高压油轨的压力、空气系统仍 由原机控制 单元进行控制 。 B OSCH E CU Du e l f u e I ECU O _1n j D r v 1 6 G In j D r v 1 - 6 模拟 负载 1 - 6 喷油器 1 - 6 喷气阀 1 - 6 图 2 双燃料发动机电控系统结构图 发动机柴油喷射 的控制权通过外部继 电器进行 切换，该继电器 由双燃料控制单元进行控制。双燃 料控制单元对发动机 的各个参数进行实时监控 ，根 据既定策略灵活选择是否对柴油喷射系统和燃气喷 射系统的控制。在不适合使用燃气的情况下 如燃 气喷射阀断路 、燃气温度压力过低、水温过低等 ， 切断燃气喷射，并将柴油的控制权归还原机控制单 元。因此，该发动机可 以在纯柴油和柴油一 天然气双 燃料两种模式下工作。 2 、发 动机在 两种工作模式 下的性 能实验 本文是在潍柴 WP 1 0 ． 3 3 6发动机 的基础上，对 柴油． 天然气双燃料发动机 的性能进行研究，通过发 动机 台架实验数据 ， 对其工作状况做进一步的分析。 2 ． 1纯柴油模式 所开发 的双燃料发动机可以工作在纯柴油模式 下，此时的柴油的喷射 由原柴油机控制单元控制， 供气系统不工作，即为原柴油机。该工况下，发动 机完全 由 B O S C H 系统的 E C U 控制 ，双燃料 E C U 只对发动机各信号进行监测 。该模式下发动机的性 能 曲线如 图 3所示，最大净功率为 2 4 1 ． 9 k W，发动 机的最大扭矩点在 1 3 0 0 r ／ mi n 。 Pe 0 1 l 喹 21l I ＼_ _ - ‘ 、 。 ≮ - |一 一 ／ --●● ， 一 ／- _● -芳- ／ ／ L 即 。 加 叩 坦 叩 H 。 转速埔叩 叩 z 0 叩 n ； n 图 3纯柴油工况模式 下净功率 图 2 ． 2柴油一 天然气双燃料模式 双燃料发动机 也可 以工作在柴油一 天然气双 燃 料模式下，此时发动机是通过少量的柴油引燃缸 内 的天然气进行混合燃烧做功的。该工作模式下 ，发 动机怠速时处于纯柴油模式，和原柴油机工作状况 相同；当发动机转数大于 8 5 0 r ／ mi n同时冷却水温大 于 6 0 ℃时，切换到双燃料模式下工作，此时柴油和 n 一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 汽车实用技术 2 0 1 2年第 1 0期 天然气的喷射时刻和喷射量完全由双燃料 E C U 控 制 ，其它单元 如轨压等 仍由 B O S C H的 E C U控 制。该双燃料 电控系统最大的优势就是能够灵活 的 控制柴油的喷射时间及喷射时刻，使柴油和天然气 很好的配合，达到最佳 的燃烧效果 ，提高了发动机 的经济性。 该发动机在双燃料模式下的性能曲线如图 4所 示，柴油和天然气混合燃烧使发动机在相同工况下 和原柴油机输 出相同的扭矩，发动机的特性和原机 基本保持一致。该双燃料控制系统通过灵活的调节 柴油的喷射提前角和喷射时间 喷射油量 和天然 气进行混合燃烧 ，以提高发动机的燃烧效率。 “ 。 修 焉 2 3 2 蜜 t ∞ I 6 5 l 3 2 9 8 6 5 ／ ‘ ≮ ， 、 ．／ ＼ ‘ ⋯ ／ ，一 一 一 r⋯ ／ 一 厂 ／ ／ 转速 n r ／ i a 图4 柴油一 天然气混合燃烧工况模式下净功率图 3 、经济性分析 双燃料发动机 以少量的柴油引燃天然气，在大 部分工况下，天然气作为发动机 的主要燃料。通过 台架 实验 对发动机各工况下 的油耗和气 耗进行测 量 ，根据发动机在两种工作模式下的柴油消耗量， 通过式 1 计算天然气相对柴油的燃油替代率如表 1 所示。 燃油替代率 原机油耗． 双燃料油耗 ／ 原机油耗 1 表 1 根据油耗计算的发动机各工况下的燃油替代率 负荷百分比 ＼ 转速 1 111 l 2 ∞ 1 ． 0 o 姗 I 舶 O 嘲 O 2 2 ∞ l 5 9 0 ． 7 ％ 9 4． 2％ 9 2． 4 ％ 9 4 ． 0％ 9 3 ． O ％ 9 3 1 ％ 9 3 ． 0 ％ 2 5 9 2 ． 7 ％ 9 6． 9％ 9 3． 5 ％ 9 5 8 ％ 9 5 ． O ％ 9 6 ． O ％ 9 5 ． 5 ％ 3 7 ． 5 9 5 7 ％ 9 67％ 9 5． 9 ％ 9 69％ 9 6 ． 6 ％ 9 7 ． 1 ％ 9 2 ． 8 ％ 5 0 9 64 ％ 9 7． 9 ％ 9 5 8 ％ 97 ． 5％ 9 7 4 ％ 9 3 ． 3 ％ 8 7 5 ％ 6 2 ． 5 9 7 ． 1 ％ 9 5 ． 8 ％ 9 3 5 ％ 94 ． 5ok 9 4 ． 3 ％ 8 7 ． 8 ％ 8 0． 0 ok 7 5 7 9 ． 1 ％ 7 9． 6％ 8 2． 6 ％ 8 6 ． 2％ 7 9 ． 4 ％ 7 5 舰 7 2 ． 1 ％ B 7 ． 5 6 6 ． 0 ％ 7 1 ． 2％ 6 9- 3 ％ 71 ． O％ 6 9 ． 2 ％ 6 5 ． 5 ％ 6 3 ． 1 ％ l 0 0 61 ． 8 ％ 5 2 ． 5％ 6 0． O ％ 5 8 ． O％ 5 4 ． 2 ％ 5 6 ． 8 ％ 4 6． 7 ％ 由表 1分析可知，两种计算方法所得燃油替代 率基本相同，在经济转速段 1 2 0 0 ～ 1 8 0 0 r p m ，天然 气 以 9 0 ％以上的替代率节省 了柴油 ，为了提高发动 机工作的安全性，在高负荷时降低 了它的替代率。 在发动机的所有工况下 ，以平均 8 5 ％的替代率 计算，柴油发动机百公里油耗 4 0 L 7 ． 6 9元／ L ，根 据 1 ． 1 5 柴油／ L L NG ／ 标方，L NG 价格为 4 ． 2元／ 标方，通过计算可得每公里可节省约 1元，提高了 发动机 的经济型 。 4 、结论 通过对双燃料发动机在纯柴油和柴油一 天然气 双燃料两种工作模式下的性能实验 ，根据实验数据 分析可得，发动机在双燃料模式下仍能达到和原机 相 同的功率输出，并且在发动机运行过程 中，两种 模式可 以进行平滑的切换，同时以很高的替代率节 省了柴油，为用户大大节省 了燃料成本，体现 出了 双燃料发动机的优越性 。 参考文献 [ 1 】徐家龙．柴油机 电控喷油技术．人民交通出版社，2 0 1 1 年 7月． [ 2 ]宁智，刘建华，张欣，朱家松．天然气／ 柴油双燃料发动 机燃烧特性的研究[ J ] ，车用发动机，2 0 0 1 ， 5 7 ． [ 3 】孙建文，王志明，陆辰，卢立青，陈小猛． 天然气／ 柴油 双燃料发动机的实验研究[ J ] ．内燃机与动力装置，2 0 1 1 年 4月． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m