船用小功率中速双燃料发动机关键技术研究

发布时间：2018-03-03 14:14

本文选题：天然气/柴油双燃料发动机　切入点：电液联控技术　出处：《山东大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：天然气作为气体燃料,具有热值高、低排放特性和资源丰富以及配置合理等突出优点。虽然近期石油价格不断下跌,天然气仍在价格及环保方面具有优势,是石油的理想替代能源。以天然气为主燃料,以少量柴油引燃天然气燃料工作的双燃料发动机,通过采用电子控制单元实现发动机的最佳空燃比,在不影响功率输出的条件下节省柴油。天然气燃料的综合替代效率可达到80%左右,双燃料发动机的应用可节约燃料成本20%以上,即便在石油价格下跌的今天,仍能节约燃料成本10%以上。本文研究对象为“淄柴牌”6210ZLC/S型船用发动机。对船用小功率中速双燃料发动机而言,关键技术主要有LNG/柴油双燃料燃烧系统优化技术、多点燃气喷射控制技术、动力总成匹配技术、负荷和排放控制技术及LNG/柴油双模式智能化控制及安全保护技术等。经研究后首次开发了缸径大于200mm、具有自主知识产权的船用小功率中速双燃料发动机,实现了发动机在双燃料工作模式下安全稳定、高效节能地工作。本文首次采用电液联控燃气多点喷射系统,该系统可以克服电磁阀虽有高速但是驱动力不足无法应用于大流量的问题。采用该系统可以满足大型机进气量大的需求,并且通过电控系统可以精确调节各缸进气的均匀性及负荷均匀性,该系统还可有效降低发动机热负荷。采用该机构后,在进气冲程开始后燃气才会进入发动机,故可保持原有扫气量甚至可以加大扫气量,降低热负荷。为实现“准内混”,创新设计一体式气缸盖。天然气进气道和空气进气道相互独立。设计了具有涡流效应和文丘里效应的混合腔,不仅能够将两种气体均匀混合,而且能够提升进入燃烧室的可燃混合气的流速,为混合气在缸内继续混合提供能量,这样进入到燃烧室的天然气与空气的混合气能够混合均匀,最终实现充分燃烧。由于进、排气管内不存在可燃气体,这也就杜绝了回火、放炮的可能性,大大提高了发动机使用安全性,同时也可避免扫气逃逸现象的发生,减少了燃气消耗,既提高了经济性又减少了对环境的污染。电控系统采用空气、燃油、燃气比例闭环控制方法,具有多重保护,可在高、低速工况良好运行,并可以在非正常工作状态下及时保护发动机。利用CONVERGE软件对发动机的进气管及缸内流场进行模拟,得到了进气及混合过程发动机流场。从模拟计算结果可以看出：天然气喷射阀开始开启时,排气门已经关闭,天然气不会进入排气管中；在进气门关闭之前喷射阀已关闭喷射,气道中仅残留少量的天然气。满足天然气喷射系统实现“准内混”的设计要求。并且在燃烧开始前,缸内天然气与空气已经混合均匀,有利于柴油顺利引燃天然气。对所设计的电液联控燃气喷射阀运动特性进行了研究。根据喷射阀结构,利用HYDSIM仿真软件对喷射阀进行了模拟仿真。喷射阀运动仿真结果与预设一致,液压活塞的有效行程越大,喷射阀的最大升程越大。为进一步明确喷射阀运动规律的影响因素,对喷射阀进行了台架试验。对比台架试验与仿真计算结果可以看出,两者之间存在一定的误差,但误差较小,模拟计算结果具有理论意义和实际价值。喷射阀运动特性由电磁力、弹簧力和液压压力共同作用,故控制脉宽和液压压力是影响喷射阀运动特性的两个重要因素。从试验及仿真结果可以看出：发动机转速(也是喷射阀的工作频率)对喷射阀的喷射特性无影响,转速只是改变了喷射阀的开启频率,对喷射阀工作期间的运作情况无影响；控制脉宽对喷射阀的开启及回落特性没有影响,喷射阀的最大升程也同控制脉宽的长短无关,但是控制脉宽越大,喷射阀的开启时间越长,天然气喷射流量也就越大；液压压力对喷射阀的最大升程以及响应特性均有一定的影响,液压压力越大喷射阀最大升程越大,进而也会使得喷射阀的喷射流量有稍许加大。液压压力增大也会使得喷射阀开启及关闭响应性提高,随着液压压力的增高维持段的升程波动也会有所降低。喷射阀的供气特性与喷射阀结构、喷射阀运作时间及天然气供气压力等因素有关。根据喷射阀时面值的变化规律可以看出,液压压力的增大以及喷射脉宽的增加都会使得喷射阀的时面值增大,喷射流量增加。通过TXR气体超声波流量计对喷射阀的流通能力进行试验测量。从试验结果可以看出,随着进气压差的增大,喷射阀的进气流量增大：液压压力的增大以及喷射脉宽的增加,喷射阀进气流量增大,这与时面值分析结果相符。通过试验测量得到一系列天燃气喷射量MAP图,再通过大量发动机台架性能匹配试验,确定发动机在不同工况、不同转速下的最佳燃气喷射量或替代率,以发动机功率和转速作为查询点,燃气喷射量作为控制量绘制最佳燃气喷射量MAP图,将喷射阀天然气喷射量MAP图和发动机最佳燃气喷射量MAP图固化于ECU控制程序中,用于发动机对喷射阀流量进行调控。发动机工况是根据发动机ECU输入信号和发动机运行的惯性状态进行判断的。在双燃料模式下,ECU通过进气压力、转速确定发动机负荷控制参数,保证不同工况下各缸的燃油及燃气供给量。燃气喷射系统的燃气供给量主要由天然气电子节气门开度及燃气喷射阀喷射脉宽所决定。电控单元(ECU)首先根据MAP图确定所需燃气供给量,然后控制电子节气门动作,调节燃气共轨压力达到预设目标,再通过改变燃气喷射阀中两位三通电磁阀脉宽来调节各缸均匀性。启动和怠速工况下,按照“零替代”工作。在30%以上负荷时,ECU允许发动机的工作模式由纯柴油模式向双燃料模式转换。发动机在小负荷运行时,设定在30%-50%负荷,按“小替代率”工作,该阶段可称之为“过渡性”双燃料模式。发动机稳态工作时,各缸工作会有一定的差异,ECU以各缸的排气温度作为各缸均匀性评判的依据。调整各缸均匀性时,对节气门开度不做调整,通过改变燃气喷射阀的通电脉宽来调整各缸的进气量,使各缸的排气温差在允许范围内。若发动机出现异常状况,如信号采集发生故障,ECU则会立即关闭节气门、燃气喷射阀以及紧急截止阀,停止天然气供应,使发动机在纯柴油模式下运行。在完成关键系统和部件试制的基础上,进行了试验样机装配。试验机型为淄柴6210ZLDS船用柴油机。试航模拟试验保留原柴油机的全部装置和功能,增加了高压共轨系统、燃气喷射系统和电控单元系统。进行了两次EGR试验,第一次采用单EGR冷却器在发动机双排气管汇流的条件下进行,第二次采用双EGR冷却器在发动机双排气管分流的条件下进行,冷却水均由发动机冷却系统提供。从实验结果来看,EGR有增加HC和降低NO、的作用。尽管EGR率很低,降低爆压作用不明显,但可以有效降低NOx排放。为验证发动机的安全使用性能,进行了安全保护试验,试验内容包括：试验室气体互锁阀功能验证,高排温采用模拟试验,电控系统完全失电后内存参数恢复功能的验证,以及其它报警项目通过系统自检验证。大量的试验验证了发动机在各工况能够稳定运转,油耗、排温、替代率、增压压力等各项性能指标正常,排气烟度,振动,噪声符合相关标准。两种模式自动转换时,转换过程平稳,转换持续时间也符合要求。通过大量的试验,不断调整节气门开度、燃气喷射阀喷射脉宽等参数,来确定不同工况下的最佳燃气喷射量,以此来获得稳定的综合替代率,并建立完善的替代率MAP图,使发动机获得上佳的性能。研制的双燃料发动机达到了设计要求,发动机替代率达到70%以上,部分工况下,替代率可达近90%。而且在双燃料模式下能够稳定运行。总之,6210双燃料发动机达到了设计目标要求,性能稳定,运行可靠。通过研究,取得并掌握具有完全自主知识产权的中速双燃料发动机关键技术,对促进高技术船舶领域科技进步有重要意义。在目前船用天然气加注系统不完善的条件下,加快发展双燃料发动机的研制,立足于国内的实际情况,发展船用新型动力,或对现有的船舶和船用柴油机进行改造,这些对改善船舶运行的经济性,改善国内的水运环境条件,都有着现实意义和战略意义。目前中速船用小功率柴油机是国内水运行业的主力机型,以淄柴210系列柴油机为代表的功率范围在441-1103KW的小功率中速柴油机机占据内河和沿海市场的60%以上。本文所研究的小功率中速船用双燃料发动机关键技术,不仅可以在淄柴6210柴油机上进行运用,同时适用于国内其他同功率范围的中速柴油机的生产和实船改造。按照交通运输部海事局的要求,使用周期不超过七年的船用柴油机,均可纳入实船改造的范围。淄柴210系列市场保有量在3000台以上,而同类机型市场保有量在10000台左右,按照预期燃气替代率60%计算,能完成以上机型30%以上新造双燃料发动机和现有市场上使用的20%船舶的改造,就可初步实现交通运输部确定的2020年船舶能源消耗中LNG占据10%的目标。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.12

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