柴油/天然气双燃料发动机的开发与试验研究

论文摘要

长期以来,发动机主要燃用液态石油燃料,然而随着石油储量的不断减少,节能减排受到广泛关注,可替代燃料的研究渐渐成为一项重要的课题。天然气作为一种干净可靠、储量丰富的优质燃料,将迅速成为石油的主要替代品,引领气体燃料的时代。天然气自燃温度高,抗爆性好,排放特性能够达到较高水平,兼备汽油、柴油的优点,非常适合作为内燃机的代用燃料使用,但是需要对原发动机进行特别的设计或改造,天然气发动机技术呈现出多样化的特点。本文开发的双燃料发动机原型为某6210ZLDS型增压柴油机,在保持原机供油系统、配气系统等主要结构基本不变的前提下,增加天然气供给系统,采用电液系统控制天然气喷射量和喷射时间,实现了发动机“双阶段双燃料模式”工作,即在怠速和50%以下负荷工况采用纯柴油模式工作,在50%以上负荷适量添加天然气,以柴油为引燃剂点燃天然气。本文介绍了双燃料发动机工作模式转换、稳态工作和异常工作等工况下的ECU控制流程,并通过试验完成了各项控制参数的匹配以及配套应用于发电机组动力时的主要性能的评价。(1)调速能力试验、连续工作稳定性试验。评价了发动机的调速性能、工作稳定性、经济性等主要指标；(2)双燃料燃烧状况评价试验。发现低速双燃料发动机具有柴油替代率越高最大爆发压力越大的特点；同时比较最大爆发压力与排气温度的关系,发现其具有正相关的特性,验证了ECU以各缸排气温度为标准调整发动机各缸供气均匀性、保证工作稳定性的控制策略的可行性。通过仿真对天然气喷射阀的气体通过量进行了模拟计算,发现了气体通过量与气门升程的线性相关性,得到气体通过气门的临界升程HMAX=3.5mm,为喷射阀结构的下一步优化设计提供了仿真数据支持,验证了气体通过性能进一步优化的可能性。同时,结合喷射阀的气门升程曲线,通过积分估算了其工作时的小时进气量,为ECU控制策略的制定和优化提出了一定的参考开发的发电机组用双燃料发动机在额定转速750r/min、额定负荷500kW时,实现了80%左右替代率的稳定工作,经济成本明显降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 天然气发动机技术的现状
• 1.1.1 燃气供给方式
• 1.1.2 点火方式
• 1.2 以天然气为主要燃料的双燃料发动机的研究现状
• 1.3 本文的选题背景
• 1.4 本文的主要研究工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 双燃料发动机的试验装置
• 2.1 原机主要结构
• 2.2 天然气喷射阀系统
• 2.2.1 ECU
• 2.2.2 液压动力系统
• 2.2.3 天然气喷射阀
• 2.3 天然气供气系统
• 2.4 本章小结
• 第三章 双燃料发动机的控制策略
• 3.1 发动机信息采集
• 3.2 发动机双燃料模式下工作时的控制策略
• 3.2.1 工作模式转换时的控制策略
• 3.2.2 双燃料模式下稳态工作时的控制策略
• 3.2.3 双燃料模式下工作异常时的控制策略
• 3.3 本章小节
• 第四章 双燃料发动机试验
• 4.1 发动机调速性能评价试验
• 4.1.1 工作模式转换时的循环转速变化
• 4.1.2 双燃料模式负荷突加突减时的循环转速变化
• 4.2 双燃料燃烧状况评价试验
• 4.2.1 柴油燃烧与双燃料爆发压力的对比
• 4.2.2 各缸工作的均匀性
• 4.2.3 单个气缸的循环变动
• 4.3 双燃料系统连续工作稳定性评价试验
• 4.4 双燃料发动机发电机组经济成本评价
• 4.5 本章小结
• 第五章 天然气喷射阀的稳态模拟仿真
• 5.1 喷射阀的稳态模拟仿真计算
• 5.1.1 天然气喷射阀几何模型的建立
• 5.1.2 网格的生成
• 5.1.3 边界条件设置
• 5.1.4 计算设置
• 5.1.5 仿真结果
• 5.2 天然气喷射阀的进气量估算
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表