天然气汽油双燃料汽车的改进设计.pdf

天然气汽油双燃料汽车的改进设计 杨朱永 梁 爽 陈潭勋 李 和 南京农业大学工学院， 南京2 1 0 0 3 1 【 摘要】 从目 前已 推广应用的 天然气、 汽油双燃料发动机的基础上， 分析现有的 进气系统、 燃油供应系 统的不足， 设计出一套改进优化后的发动机设计方案； 并重点改进进气温度、 燃油喷射时间与油气混合器的设 计 ； 对控制电路、 燃料储存提供了升级方案 ， 以提升发动机的燃烧性能与使用寿命。 【 A b s t r a c t 】 B a s e d o n t h e a p p l i c a t i o n o f n a tu r a l g a s g a s o l i n e d u a l f u e l e n g i n e w h i c h h a s al r e a d y b e e n s p r e a d a n d a p p l i e d，t h e fl a w s o f c u r r e n t u s e d e n g i n e i n d u c t i o n s y s t e m a n d f u e l - s e r v i c e s y s t e m i s a n aly z e d ，a n d a p a c k a g e o f o p t i mi z e s c h e me t o ma t c h t h e b e s t e n g i n e w o r k i n g c o n d i t i o n d e s i g n e d，i n c l u d i n g i m p r o v i n g t h e t e m p e r a t u r e o f i n t a k e a i r ，f u e l i n j e c t i o n t i m e ， a n d t h e d e s i g n o f m i x t u r e o f g a s a n d a i r ．B e s i d e s t h a t ，i t a l s o p r o v i d e s t h e p r o p o s a l o f c o n t r o l c i r c u i t a n d f u e l s t o r a g e t o a d v a n c e t h e c o mb u s t i o n p e rfo r ma n c e a n d e x t e n d t he s e r v i c e l i r e． 【 关键词】 液化石油气发动机汽车 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 4 5 5 4 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 3 0 引言 在中国各大城市 的出租车行业 中已经将天然 气作为推荐能源代替汽油使用 。包括香港等地 区 对使用天然气 的出租车实行减免燃 油税 的政策 ， 这些措施都为天然气的推广使用起了功不可没的 作用。但随之而来的问题是 由于天然气值偏低 ， 着火温度 比汽油 高， 层流火焰传播速度 比汽油低 等因素， 这些直接将普通汽油发动机改装成天然 气 、 汽油双燃料的汽车并没有充分发挥 出它们 的 动力性能。为了挖掘天然气的发动机动力性能 ， 本文将根 据天然气 的燃烧 特点提 出几点 改进方 案。 。 ’ 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 2 1 上海汽车2 0 1 2 ． O 1 1 天然气发动机 的改进设计 不经过改进 的汽油发动机直接改用天然气作 为燃料会使发动机性能下降， 这是由于天然气可 燃混合气热值低 、 着火温度高、 火焰传播速度慢 以 及进气系统 中不合理 的燃气供给装 置造成的。为 了提升发动机 的性 能， 可 以从合理匹配发动机进 气系统、 调整点火时间、 同时优化混合器设计。设 计思路如图 1 所示。 1 ． 1 提高初始温度 为了设计合理 的发动机进气系统 ， 首先要研 究天然气的燃烧特性 ， 了解初始温度和压力对于 其燃烧特性 的影响。 发动机的改进设计 改变发动机 燃烧室环境 改变可燃气体 喷射时间 改进混合气 设计 改进储存方式 提高初始温度 E C U匹配最佳 喷射时间 提高混合气的 品质 低压高容量 储存 图 1 改进设计思路 天然气在化学计量 比出燃烧压力 、 最 大压力 值和火焰传播速率等参数的表现最优 。温度升高 加快 了天然气 的燃烧速率 ， 压力升高率和质量燃 烧速率增加。由图 2可 以发现 ， 天然气的规范化 质量燃烧速率随着温度 的升高而加快。由图 3可 以看 出， 天然气 的规范化质量燃烧速率随着压力 的升高减小。简言之， 高温时， 火焰传播得更快； 高压时， 火焰传播得更慢 。 篓 删 圈 l 世 饔 时 间／ s 图2 规范化质量燃烧速率随初始温度的变化情况 初始压力0 ． 1 MP a ， 当量比1 ． 0 图3 规范化质量燃烧速率随初始压力的变化情况 初始温度 4 5 0 K， 当量比1 ． 0 动机的性能。另外 ， 不能因为天然气 的高辛烷值 而盲 目地提升初始进气压力 。 1 ． 2改变可燃气体喷射 时间 研究表明， 燃料 喷射 时刻对发动机性 能有较 大影响， 喷射太迟会使混合气混合时间过短 ， 混合 效果差 ， 燃烧持续期长 ， 放热速率慢 。喷射太早会 使充量系数较小， 且混合气易进入燃烧室狭缝间 隙处 ， 造成额外的 HC排放。在相同转速下 ， 发动 机存在一个最佳燃 料喷射提前 角， 此时缸 内最高 压力值、 最大压力升高率和最大放热率会达到最 优水平 ， 火焰燃烧时间也因此缩短 ， 提高了发动机 的热效率 ， H C、 C O排放也会降低。 图4 、 图 5描绘 了发动机压力示功和放热规律 随不同喷射提前角的变化规律。较迟的喷射角 ， 会 使发动机最高压力降低 ， 最大放热率降低 ， 放热时间 延长， 发动机热效率降低。随着喷射角逐渐提前， 气 缸最高压力和最大放热速率升高， 并在 1 8 0 。 时达到 最大值 ， 此时火花塞附近的混合气达到了最理想的 空燃 比。但喷射提前角进一步增加却导致 了两者 数据最大值下降， 此时的混合气浓度升高， 空燃比的 减小是造成这一现象的原因之一。 因此 ， 相 同情况下发动机存在着最佳 的喷射 提前角， 此时缸内最高压力值， 压力升高率最大， 放热时间最短 ， 发动机热效率最高。为了使 汽油 发动机在使用天然气作 为燃料 时发挥最佳性能 ， 有必要改变 可然混合 气 的喷射时 间。做到这 一 点 ， 可以通过 E C U控制可变进气阀门改变可然混 合气的喷射时间， 使发动机的性能达到最优。 咖8 口 、 曼 墓 耄 图 4 燃 烧 发 热 速 率 随 不 同 喷 射 提 前 角 的 变 化 情 况 装 加 热 系 统 ，以提高可燃气体的初始温度， 提高发 。 ～ 、 一 ～ 1 2 上海汽车2 0 1 2 ． 0 1 图5 缸内压力随不同喷射提前角的变化情况 1 ． 3 混合器的改进设计 现在普遍使用混合器类型主要有两种 一种 是比例调节混合器 见图 6 ； 另一种是文丘里管 混合器 见图 7 。 图6 比例调节混合器 图7 是文丘里管混合器 比例调节式混合器 的天然气进 口在 中间， 它 利用节气门调节进气管真空度以控制天然气 的流 量 ， 控制混合气 的浓度。文 丘里 管混合器 的天然 气进口在喉管处分布， 同样通过节气门来调节可 燃混合气的浓度。 两种混合器的进气方式决定了它们在不同节 气门开度的可燃气混合气混合情况各有优劣。文 上海汽车2 0 1 2 ． 0 1 丘里管混合气从 喉管处喷出 ， 与垂直方 向运动 的 空气混合 ， 它们在流路 中央冲突 ， 并迅速扩展到整 个流路 ， 随着节气门开度的增大 ， 空气流速增大 ， 由喉管周延喷出的天然气不能及时向} 昆 合气中心 扩散 ， 导致混合气 的混合不均匀。而 比例调节混 合器因为天然气的进气通道在混合器 中心 ， 它受 空气流量影响小 ， 吸入 的天然气 位于进气管轴 线 中心有利于气体高速流动时的混合， 所以混合均 匀程度会随混合器内空气流速增大变好 。 图 8 、 9验证了以上混合器结构对于可燃气体 混合情况的推测。图 8显示 的是节气 门较小开度 时的纹影图对 比， 此时文丘里管混合器的效果 明 显优于 比例调节器 。图 9显示的是节气门大开度 时的纹影图对 比， 此时 比例调节器的混合效果 优 于文丘混合器。因此 ， 印证 了 比例调节器在节 气 门大开度时混合较好 ， 而文丘里管混合器在节气 门小开度时混合较好。 文丘里式 真空度0 8 磊 8 芝 图藿 琶1．0 比例调节式 真空度0 ． 2 8 k p a 图9 节气门开度 0 7 8 。 时， 两种混合器的纹影图像 天 内所曾研 制过混合器的改进设计 ， 此设计 1 3 日 d I 苣暖 龃 在文丘里管混合器中安装 了一根 圆形天然气引流 管， 以1 4 0 。 对称夹角设计天然气溢出孔， 并得到了 很好的混合效果。实验效果如 图 1 0 、 1 1 、 1 2 。在 0 1 8 。 时 ， 混合效果相 比普通很合器 略为逊色 ， 但 在 0 7 8 。 时的表现已超过了比例混合器的效果。 图l 0 装有引流管的文丘里管混合器 [ 鹱 [ 8 5 6 8 51 3 4 l 7 O 1 2 5 l O 0 7 5 5 0 2 5 0 l ／ n u n l ／ n u n 1 2 5 1 o o 7 5 5 O 2 5 0 ／ ／ mm 图 1 1 节气门开度 01 8 。 时， 3种混合器的 纹影图像 从左至右依次是改进型的 文氏混合器、 普通文氏混合器、 比例混合器 0 ．4[ 圆 8 5 6 8 5 l 3 4 1 7 0 l／ mm 1 ． O 0 ． 8 蔓 0．6 ‘拓 0． 4 0．2 1 2 5 1 0 0 7 5 5 0 2 5 0 l ／ mm 1 2 5 1 0 0 7 5 5 O 2 5 0 l ／ mm 图 1 2 节气门开度 0 7 8 。 时， 3种混合器的 纹影图像 从左至右依次是改进型的 文氏混合器、 普通文氏混合器、 比例混合器 为了探究 混合器进一 步改进 的可行 型， 对 引 流管的形状进行分析 ， 由空气 动力学 的阻力理论 1 4 可知圆柱体的流谱会在圆柱体后方形成卡门涡， 或者更为紊乱 的复杂涡 ， 这些 涡将会影响节气门 在大开度时的混合 ， 而节气 门大开度时正是空气 流速变大的时候 ， 混合器的改进便可 以从改变引 流管的形状人手。 流线体能有利于减小涡的形成， 即有利于空 气与天然气 的混合。设计原则为引流管在文丘里 管混合器中称流线态的意兴结构。为 了优化混合 器空间的混合 ， 在流路 的截面上设计两根交叉 的 引流管 ， 每根管的一侧有 6个直径为 2的小孔。 1 ． 4 天然气的储存改进 目前车用天然气储气技术主要分为近临界流 体储存、 天然气水合物储存、 吸附储存、 液化储存 和压缩储存 5大类 ， 技术汇总见表 1 。 表 1 车用天然气储气技术汇总 利用技术 压力／ M P a 温度／ ℃ 技术特点 C N G 2 0 室温 工业化 L N G 常压 一1 6 2 工业化 AN G 3～ 5 2 5 未工业化 N GH 2～ 6 O～ 2 0 未工业化 N C F 临界压力 临界温度 未工业化 在些列举 3种较为普遍的储存技术特点。 1 压缩天然气储存技术。C N G是一项成熟的 储存技术， 已实现工业化 ， 并被广泛运用于汽车的储 存方式 。但它也存在不足 储气量小 ， 续驶里程短； 气体燃料的能量密度低 ， 导致动力性能较差 ； 储存时 需要高压压缩 2 0～ 2 5 MP a 。因此 ， C N G储存技术 只是一种暂时的而非高效的储气手段 。 2 液化天然气储存技术。L N G是标准状态 下将天然气液化缩小其体积为原来 1 ／ 6 0 0 ， 期间能 量储存密度高。但 由于极低 的温度条件 ， 增加 了 生产、 储存和运输的成本 ， 因此 L N G储存技术在天 然气汽车领域的推广运用条件还不成熟 。 3 天然气吸附储存技术 。A N G是利用天然 气分子在吸附剂表 面上 的物理 吸附储存 天然气 ， 储存系统的压力可降低至 3 ． 5 M P a 左右， 从而提 高了安全系数， 降低了天然气的使用成本。 以上 3种技术中， 吸附技术的安全性最高 ， 这 也是它的最大优点 ， 它降低汽车储气瓶压力 ， 一般 储存压力只在3 ． 5 M P a ， 这对于降低钢瓶材料等 上海汽车2 0 1 2 ． O 1 级、 简化钢 瓶的制作工艺 、 减轻钢瓶 的重量 ， 以及 降低加气站的投资和维护是极其有利的。相 比其 他两种需要高储存 压力 的技术 ， 它 的技术提升空 间最大。总结天 然气 吸附储存技 术影 响因素如 下 超高 比表面积活性炭用于天然气 吸附储存能 大幅度提高天然气 的储存能力。在超高比表面积 活性炭吸附剂孔分布相 同的情况下 ， 超 高比表 面 积活性炭 的比表面积越大 ， 越有利于天然气 的吸 附储存 ， 且吸附储存天然气 的能力受 吸附温度 和 压力 的影响越明显 。即超高 比表面积活性炭的研 制是技术重点。同时 ， A N G技术还有其它一些 问 题 ， 如 吸附热对吸附量 的影 响； 吸附剂对气体 吸 附具有选择性， 导致吸附后气体的组分较吸附前 发生改变； 商业用吸附剂的成型压力不够， 导致吸 附剂性能下降等。但是 A N G储气压力低、 使用方 便、 安全 ， 储气瓶 自重轻 ， 可降低投资和操作费用。 因此 A N G仍是一种很值得开发的储气技术 ， 其关 键在于高性 能吸附剂 的开发与相 应 的吸附剂装 填、 再生等工艺及技术研究 。 1 ． 5 发动机匹配改进的综合效果 归纳 以上改进方式 ， 即提升可燃混合气温度 ， 改变可燃混合气 的喷射时间与改进型的混合器设 计 ， 使用吸附储存技术将发动机 的改进方案总结 成如下安装布置 ， 图 1 3 。 图 l 3 发动机的匹配改进示意图 的控制工作 ， 需要使用读取凸轮轴位置传感器 的 信息确定喷射时间的基准， 并通过进气阀门控制 混合气进入气缸的时间， 并通过汽缸压力传感器 获取发动机的工作性能。 图 1 4 天然气汽车电气控制总图 对于在实 际驾驶过程 中可能出现 的情 况 编 写预处理程序 ， 使发动机工作更人性化。行车控 制方案逻辑框 图如图 1 5 ， 此程序的设计 目的在于 在保证经济环保的前提下让 双燃料汽车人性化的 满足驾驶员的驾驶需要 。程序主要分为两种模式 的切换 一种是运动模式； 另一种是经济模式。运 动模式是发动机需要大功率运转时的操作模式 ， 是专 门针对发动机使用汽油时的工作模式 ； 经济 模式是使发动机工作在经济区域的操作模 式 ， 针 对发动机使用天然气作 为燃料而设计的。程序 中 还设置了运动模式与经济模 式互相切换的程序 ， 程序设计的目的在于切换燃料来源之前将原先燃 料消耗完毕 ， 以防两种燃料 的混合造成发动机 的 故障。程序设 计的另一套方案是启动程序 ， 按启 动方式分为热启 动和冷启 动， 热启动可直接 由天 然气作为燃油供给方式 ， 而冷启动需要切换成汽 油作为燃料供给 ， 以保证汽车启动性能的可靠性。 另外 ， 程序还能通过踏板行程和踩踏时 间预测 司 机的驾驶意 图， 并切换驾驶模 式的选择。最后一 套预设计程序 是两种燃 料的报警模式 ， 以提醒 司 机及时补充汽车燃料 。 2 电气控制方案 3 结语 电气控制方案的改进工作主要在改进 E C U的 控制策略， 如图 1 4 改进后的E C U需要在原先汽油 1 天然气发动机的热效率提升可以通过加 发动机的基础上 ， 在使用天然气工作时读取热 电 热可燃混合气达到 ， 温度越高 ， 越有利于发动机性 偶的显示温度以控制加热器对于可燃混合气温度 能的发挥。 上海汽车2 0 1 2 ． 0 1 1 5 图 1 5 行车控制方案逻辑框图 2 改变喷射 提前角影 响 了充量 系数 ， 通过 E C U控制可变进气 阀门调节混合气喷射提前角会 影响天然气的燃烧性能。 3 改进后 的文丘里管混合气拥有两根流线 体引流管 ， 减少 了空气流动阻力 ， 克服了文丘里管 混合器在节气门大开度时 的结构缺陷。空间十字 形的引流管设计提升了了空气与天然气 的混合 品 质。 4 使用吸附储存技术提高了天然气汽车储 存和使用安全性。 5 通过 E C U控制天然气时 的发动机工作 ， 预编启动程序和燃料切换程序 ， 增加 了发动机 的 工作经济型与使用寿命。 参考文献 [ 1 ] 路林， 常铭， 苗海燕 等． 天然气在不同初始温度和压 力下的燃烧特性研究 [ J ] ．工程热物理学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 0 ． [ 2 ] 刘亮欣， 黄佐华， 蒋德明 等．不同喷射时刻下缸内直喷 天然气发动机的燃烧 特性 [ J ] ．内燃机学报 ， 2 0 0 5 ， 2 3 5 ． [ 3 ] MI K I O F u r u y a m a ， X u B o y a n ．M i x i n g F l o w P h e n o m e n a o f N a t u r a l G a s a n d Ai r i n t I l e Mi x e r o f a C N G v e h i c l e 『 J ] ．S A E P a p e r 1 9 9 8，9 8 1 3 91 ． [ 4 ] 龚英利， 张惠明， 王强 等．混合器对天然气 一空气混合 气形成过程的影响[ J ] ．燃烧科学 与技术 ， 2 0 0 4 ，1 0 4 ． [ 5 ] 孙志高， 樊栓狮 ， 郭开华 等． 气体水合物一储运天然气 技术与发展 [ J ] ． 化工进展 ， 2 0 0 1 1 9 1 2 ． [ 6 ] 王利生， 王志东． 近临界流体贮存车用天然气[ J ] ． 石油 与天然气化工， 1 9 9 6 1 l O l 2 ． [ 7 ] 唐晓东． 天然气汽车的储气技术[ J ] ． 石油与天然气化 工， 1 9 9 7， 2 6 4 2 2 7 -2 3 1 ． [ 8 ] 徐文渊． 液化石油气 L P G 、 压缩天然气 C N G 、 液化 天然气 L N G 作汽车燃料的现状和发展[ J ] ． 石油与天然气化工， 1 9 9 5 ， 2 4 3 1 6 3 1 6 6 ． 七 七 七 七 女 女 女 - 6 七 七 七 电 女 女 上接第 1 0页 有待燃料 电池研究领域新的进展来说明。 参考文献 [ 1 ] 詹姆斯． 拉米尼， 安德鲁． 迪克斯． 燃料电池系统一原理 设计应用 第二版 [ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 6 ． 1 6 [ 2 ] 倪淮生， 许思传， 常国峰 等． 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