基于电控喷射方式的柴油—LNG双燃料改装发动机的性能分析

林少芳

(福州职业技术学院交通工程系，福建福州 350000)



基于电控喷射方式的柴油—LNG双燃料改装发动机的性能分析

林少芳

(福州职业技术学院交通工程系，福建福州 350000)

柴油—LNG双燃料发动机主要是在柴油机的基础上加装液化天然气供给系统改装而成，因其排放物污染小、改装结构简单、降低燃料成本等优点正受到人们的关注。本文基于CA4113Z车用柴油发动机进行柴油—LNG双燃料改装技术的研究和系统研发，在不降低发动机动力性的条件下，提高发动机的经济性和排放性，同时避免排气温度过高、发动机爆震等损害发动机的情况发生。

LNG；双燃料发动机；电控喷射

2015年，我国机动车保有量达2.79亿辆，在全球大气污染现象日趋严峻的形势下，加大汽车减排刻不容缓，汽车行业逐渐形成绿色汽车发展的全产业链，走上了低碳汽车的新征程。具有动力性、经济性、排放性等潜在优势的双燃料发动机也因此成为国内外汽车行业研发的热点。柴油—LNG双燃料发动机是在原柴油机的基础上加装LNG储供气系统、在不改动原车发动机的条件下加装柴油—天然气电控混燃动力系统，发动机以压燃方式进行工作。本文以一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂生产的CA4113Z型涡轮增压柴油发动机进行改装和相关的性能试验分析。

1 双燃料发动机改装方案

双燃料发动机改装技术的关键在于供气和节油。整体技术方案涉及系统的顶层设计，主要包括天然气供气系统的组成设计、混合器及其安装方案设计，柴油喷射量的节油方案研究等，对改装系统整体方案的研究设计遵循以下原则：尽可能不破坏原发动机的结构；容易施工、改装；成本回收期要短；随时切换纯柴油发动机，且正常工作；通用性强，可适应大量的不同改装对象。

2 基于喷油泵齿条位置控制的节油控制方案

一种对引燃用喷油量的控制方法是通过改变喷油器的物理结构，实现对柴油引燃量的精确控制，但对发动机结构改变大，技术难度高，成本和风险较高，客户接受程度低。

对于机械泵柴油机，在喷油泵后端都装有机械调速器，调速器的作用是使发动机随着负荷的变化，能够自动迅速地调整供油量，防止“飞车”和停机。调速器内部通过一系列的调速装置、杠杆弹簧装置与供油量齿条相连。柴油供油量是从高压油泵进行调节的，通过齿杆齿条、转动套使喷油泵的全部柱塞同时转动来实现的。当柱塞转动时，供油开始时间不变，而供油终了时间，则由于柱塞斜边对柱塞套回油孔位置的改变而变更；随着柱塞转动的角度不同，柱塞的有效行程也就不同，供油量也随之改变[1]。因而，喷油泵油量齿条的位置决定了柱塞的有效行程和喷油量。

在调速器上装有停车手柄，通过一系列中间机构可以间接控制喷油量齿条的位置。因而，通过改变停车手柄的角位移可以实现对喷油量齿条位置的控制。这种方式对发动机物理结构改动小，安装方便，采用电子控制方式提高控制精度，实现各工况下发动机柴油引燃量的精确控制。

3 油门位置检测装置

发动机转速和油门开度是标识发动机运行工况的最重要参数，是双燃料电控系统最关键的输入信息，所以必须设计有效的方案检测油门开度信息，并将此信号输入电控系统。

本文设计的油门位置信号检测装置包含旋转电位计和与油门拉绳相连接的油量调节杠杆；旋转电位计的转轴上装有联动摆杆，油量调节杠杆与联动摆杆与一传动拉绳相连接，传动拉绳的长度与旋转电位计的转轴中心到油量调节杠杆的旋转支点之间的距离相等，传动拉绳和联动摆杆的连接点到转轴中心之间的距离与传动拉绳和油量调节杠杆的连接点到旋转支点之间的距离相等，这就形成了一个平行四边形的结构[2]。油门开度信号通过旋转电位计转角能够真实体现，使油门开度与旋转电位计输出信号保持可靠的线性关系，油门调节杠杆转过多少角度，旋转位移传感器上联动摆杆也相应转过多少角度，这样ECU就可以根据旋转位移传感器传输的信号获取油门开度信息。

4 天然气供给系统设计

天然气的供气方式可以分单点供气、多点供气和缸内供气三种方式，各自存在明显的优缺点。多点供气方式的减压器只设有一级或两级减压腔，对发动机的空气进气效率影响小，对各缸天然气喷射阀的喷气时刻能精确控制，消除了气门重叠时产生的漏气和进气管回火等现象。但是，因为需要在进气管末端钻喷射阀的安装孔，较大地破坏了发动机原机结构，且维修费用高。

缸内喷射技术与电控技术的结合使改装的发动机的各项性能得到很大提高，例如，可以实现稀薄燃烧、分层燃烧和预混合燃烧等；可以降低和消除燃料供给对空气充量的影响，降低排放，提高动力性和避免爆震。但其明显缺点是目前技术尚未成熟，改装费用高，主要集中在理论和小批量研究上，无法投入大批量生产，往往对发动机造成永久性损害。

进气管单点供气方式对发动机原机结构改动破坏小，在发动机双燃料改装市场的初始阶段，用户往往更愿意接受。但是，由于天然气供气时刻的控制的缺失，单点供气方式往往存在气门重叠时漏气和进气管回火的风险。因此，有必要对天然气的供气时刻问题进行研究，提高进气管进气的可靠性。本文选择在进气道上喷射天然气的供气方式，为提高预混合效果和安装方便，设计了柱塞式混合器。

5 电子控制系统方案

5.1 电子控制系统功能需求

整个双燃料电子控制系统的核心在于精确控制柴油引燃量和天然气供气量。其功能的实现对双燃料发动机的动力性、经济性、排放性有着重要的影响。

5.2 电子控制系统组成

电子控制系统主要由电控单元、传感器和执行元件组成。根据柴油机的工作特点，主要传感器包括转速传感器、油门位置传感器、齿条位置传感器、进油压力传感器、排气温度传感器以及冷却水温度传感器等。电控单元选用Free scale公司的MC9S12XET256单片机，执行机构包括高压电磁阀、油量控制器和天然气喷射阀等。

5.3 传感器和执行器

传感器和执行器是电控系统的重要组成部分，传感器和执行器的准确输出是保证系统准确性的必要条件，是提高汽车现代化、电子化的重要工具。发动机用传感器和执行器要求具有良好的环境适应性，以及在各种环境下工作的可靠性。

6 柴油—LGN双燃料改装发动机的性能分析

为验证改装后的发动机的性能，本文对改装后的双燃料发动机和原发动机分别进行性能试验，包括速度特性试验、负荷特性试验和排放特性试验。

6.1 动力性对比分析

开发双燃料发动机的目的之一就是使发动机能够达到或者超过原发动机的功率。对动力性的评价最直观的体现是发动机速度特性曲线，速度特性曲线揭示了发动机功率、扭矩与转速的变化规律，反映了发动机在不同工况下的动力变化规律。

图1和图2分别为发动机在70%和40%的油门开度下，单燃料和双燃料两种模式下转矩和转速对比、输出功率和输出转矩对比。可以看出，发动机转矩和转速、输出功率和输出转矩在两种模式下的变化趋势基本保持一致，油门开度在40%时功率和转矩下降更明显；经计算，双燃料模式下输出功率较单燃料模式分别下降0.6%和13.4%；输出转矩分别下降0.1%和12.7%。从图3可以看出，双燃料模式下排气温度较单燃料模式降低一定水平，经计算排气温度分别降低5.8%和16.1%，这是由于天然气的着火温度较低。因此，改装后的双燃料发动机动力性有所降低，在中、高负荷时下降不超过5%。

图1 70%和40%油门开度下转矩与转速

图2 70%和40%油门开度下功率与转速

图3 70%和40%油门开度下转速与排温

6.2 经济性对比分析

目前对于发动机经济性的研究，主要有两种方法：一种方法是根据两种燃料的价格，分别计算燃料消耗量以及改装成本的回收周期；另一种方法是计算当量燃料消耗率，包括柴油和天然气的燃料消耗率。本文通过比较单位机械功所消耗的燃料价格来评价经济性。表1显示的是在转速2000r/min时燃油消耗量和天然气消耗量情况。

表1 2000r/min负荷特性燃油消耗量

由表1可知，在不同负荷下，双燃料发动机的燃料消耗都比单燃料模式下要低，其经济性好于单燃料模式；经计算平均燃料消耗价格降低26%，经济效益明显。

6.3 排放性对比分析

图4、图5显示的是在两种模式下，不同负荷特性对应的烟度、NOx对比情况。

图4 1800r/min和2000r/min转矩与烟度

图5 1800r/min和2000r/min转矩与NOx

由图4显示，与单燃料相比，双燃料发动机的烟度排放有大幅度的降低，在2000r/min的负荷工况下，双燃料发动机的平均烟度值小于1RB，说明发动机基本运行在无烟状态，解决了发动机冒黑烟的问题。其原因为柴油在燃烧过程中，雾化和与空气混合不均匀，造成气缸内出现浓度不一的柴油，燃烧时过浓的柴油会产生大量的碳烟。而双燃料发动机由于天然气与空气的混合气在进入气缸后已经充分混合，在柴油的引燃下迅速扩散燃烧，充满整个气缸，缓解了浓度不一的情况，从而抑制了碳烟的生成。

由图5显示，在两个转速下双燃料和单燃料NOx的排放变化趋势基本一致，双燃料比单燃料NOx排放平均下降15%和7%，说明双燃料发动机能够改善NOx的排放，但不够明显。其原因为NOx生成量是由高温、富氧和高温持续时间三个条件决定的。在低负荷时温度较低，虽然氧浓度较高，但此时燃烧不充分；而在高负荷时，发动机进气量增大的同时带来了丰富的氧气，从而促进了NOx的排放。

同时，通过实验表明，在中、低负荷时，双燃料发动机排放的CO量明显要高单燃料发动机；在高负荷时，双燃料发动机CO排放量有一定程度的下降；整体上看，改装后双燃料发动机没有改善CO的排放，这在低负荷工况更加明显。其原因为改装后的双燃料发动机大部分工况处于稀燃状态，因此存在稀燃极限，当混合气燃烧浓度低于最低着火极限浓度时，混合气燃烧不充分，导致了CO排放量的增加[3]。

7 结论

综上所述，本文研究并设计柴油—天然气双燃料改装系统的总体方案，提出基于喷油泵齿条位置控制的节油控制方案；设计油量控制器的结构和油门位置检测装置，具有一定的创新性；研究并设计了天然气供气系统管路布置；对双燃料电控系统的总体功能需求和实施方案进行研究。结合发动机台架试验平台，设计了试验方案；研究改装前后发动机动力性、经济性和排放性的改变情况；得出改装后双燃料发动机在中、高负荷动力性下降不到5%，经济效益明显，大幅降低了NOx和碳烟的排放，虽然CO排放量有所增加，但是总体上，改装后的柴油—LNG双燃料发动机具有较好的排放性。

[1]黄玮.柴油发动机构造与原理[M].北京:科技出版社,2009:116-118.

[2]彭育辉,陈剑雄,林歆悠.一种双燃料发动机油门开度检测装置及其安装方法[P].中国专利,实用新型专利,201310101490.X,2013-07-10.

[3]刘雄,张慧明,吕悠萍,等.降低双燃料发动机HC和CO排放的研究[J].内燃机学报,2003,21(1):17-20.

Performance Analysis of Diesel-natural Gas Dual Fuel Engine with Electronically Controlled Injection

LIN Shao-fang

(Fuzhou Polytechnic,Fuzhou Fujian 350000,China)

On the basis of the diesel engine,diesel-natural gas dual fuel engine is mainly equipped with liquefied natural gas supply system .It has been receiving more and more attention for its advantages such as good emissions characteristics, convenient retrofitting and flexibility in use. This paper researched and developed dual fuel retrofitting technology on the CA4113Z diesel engine. The study concentrated on improving the fuel economy and avoiding high exhaust and engine detonation without reducing the engine’s power performance.

LNG; dual-fuel engine; electronic controlled injection

2016-04-03

2015年福建省中青年教师教育科研项目“汽车新能源材料的应用研究”(JA15803)。

林少芳(1976- )，女，讲师，硕士研究生，从事汽车新能源和汽车材料研究。

U461.8

A

2095-7602(2016)08-0016-05