船用小功率中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、天然氣作為氣體燃料，具有熱值高、低排放特性和資源豐富以及配置合理等突出優(yōu)點(diǎn)。雖然近期石油價(jià)格不斷下跌，天然氣仍在價(jià)格及環(huán)保方面具有優(yōu)勢，是石油的理想替代能源。以天然氣為主燃料，以少量柴油引燃天然氣燃料工作的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，通過采用電子控制單元實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳空燃比，在不影響功率輸出的條件下節(jié)省柴油。天然氣燃料的綜合替代效率可達(dá)到80％左右，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用可節(jié)約燃料成本20％以上，即便在石油價(jià)格下跌的今天，仍能節(jié)約燃料成本10％以上。<

2、br>　　本文研究對(duì)象為“淄柴牌”6210ZLC/S型船用發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)船用小功率中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)而言，關(guān)鍵技術(shù)主要有LNG/柴油雙燃料燃燒系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、多點(diǎn)燃?xì)鈬娚淇刂萍夹g(shù)、動(dòng)力總成匹配技術(shù)、負(fù)荷和排放控制技術(shù)及LNG/柴油雙模式智能化控制及安全保護(hù)技術(shù)等。經(jīng)研究后首次開發(fā)了缸徑大于200mm、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船用小功率中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料工作模式下安全穩(wěn)定、高效節(jié)能地工作。
　　本文首次采用電液聯(lián)控燃?xì)舛帱c(diǎn)噴射

3、系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以克服電磁閥雖有高速但是驅(qū)動(dòng)力不足無法應(yīng)用于大流量的問題。采用該系統(tǒng)可以滿足大型機(jī)進(jìn)氣量大的需求，并且通過電控系統(tǒng)可以精確調(diào)節(jié)各缸進(jìn)氣的均勻性及負(fù)荷均勻性，該系統(tǒng)還可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷。采用該機(jī)構(gòu)后，在進(jìn)氣沖程開始后燃?xì)獠艜?huì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，故可保持原有掃氣量甚至可以加大掃氣量，降低熱負(fù)荷。為實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)內(nèi)混”，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一體式氣缸蓋。天然氣進(jìn)氣道和空氣進(jìn)氣道相互獨(dú)立。設(shè)計(jì)了具有渦流效應(yīng)和文丘里效應(yīng)的混合腔，不僅能夠?qū)煞N氣體均勻混

4、合，而且能夠提升進(jìn)入燃燒室的可燃混合氣的流速，為混合氣在缸內(nèi)繼續(xù)混合提供能量，這樣進(jìn)入到燃燒室的天然氣與空氣的混合氣能夠混合均勻，最終實(shí)現(xiàn)充分燃燒。由于進(jìn)、排氣管內(nèi)不存在可燃?xì)怏w，這也就杜絕了回火、放炮的可能性，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全性，同時(shí)也可避免掃氣逃逸現(xiàn)象的發(fā)生，減少了燃?xì)庀?，既提高了?jīng)濟(jì)性又減少了對(duì)環(huán)境的污染。電控系統(tǒng)采用空氣、燃油、燃?xì)獗壤]環(huán)控制方法，具有多重保護(hù)，可在高、低速工況良好運(yùn)行，并可以在非正常工作狀態(tài)下及時(shí)保

5、護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。
　　利用CONVERGE軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管及缸內(nèi)流場進(jìn)行模擬，得到了進(jìn)氣及混合過程發(fā)動(dòng)機(jī)流場。從模擬計(jì)算結(jié)果可以看出:天然氣噴射閥開始開啟時(shí)，排氣門已經(jīng)關(guān)閉，天然氣不會(huì)進(jìn)入排氣管中;在進(jìn)氣門關(guān)閉之前噴射閥已關(guān)閉噴射，氣道中僅殘留少量的天然氣。滿足天然氣噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)內(nèi)混”的設(shè)計(jì)要求。并且在燃燒開始前，缸內(nèi)天然氣與空氣已經(jīng)混合均勻，有利于柴油順利引燃天然氣。
　　對(duì)所設(shè)計(jì)的電液聯(lián)控燃?xì)鈬娚溟y運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究。

6、根據(jù)噴射閥結(jié)構(gòu)，利用HYDSIM仿真軟件對(duì)噴射閥進(jìn)行了模擬仿真。噴射閥運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果與預(yù)設(shè)一致，液壓活塞的有效行程越大，噴射閥的最大升程越大。為進(jìn)一步明確噴射閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響因素，對(duì)噴射閥進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，兩者之間存在一定的誤差，但誤差較小，模擬計(jì)算結(jié)果具有理論意義和實(shí)際價(jià)值。噴射閥運(yùn)動(dòng)特性由電磁力、彈簧力和液壓壓力共同作用，故控制脈寬和液壓壓力是影響噴射閥運(yùn)動(dòng)特性的兩個(gè)重要因素。從試驗(yàn)及仿真結(jié)果可以看出

7、:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（也是噴射閥的工作頻率）對(duì)噴射閥的噴射特性無影響，轉(zhuǎn)速只是改變了噴射閥的開啟頻率，對(duì)噴射閥工作期間的運(yùn)作情況無影響;控制脈寬對(duì)噴射閥的開啟及回落特性沒有影響，噴射閥的最大升程也同控制脈寬的長短無關(guān)，但是控制脈寬越大，噴射閥的開啟時(shí)間越長，天然氣噴射流量也就越大;液壓壓力對(duì)噴射閥的最大升程以及響應(yīng)特性均有一定的影響，液壓壓力越大噴射閥最大升程越大，進(jìn)而也會(huì)使得噴射閥的噴射流量有稍許加大。液壓壓力增大也會(huì)使得噴射閥開啟及關(guān)閉響應(yīng)

8、性提高，隨著液壓壓力的增高維持段的升程波動(dòng)也會(huì)有所降低。
　　噴射閥的供氣特性與噴射閥結(jié)構(gòu)、噴射閥運(yùn)作時(shí)間及天然氣供氣壓力等因素有關(guān)。根據(jù)噴射閥時(shí)面值的變化規(guī)律可以看出，液壓壓力的增大以及噴射脈寬的增加都會(huì)使得噴射閥的時(shí)面值增大，噴射流量增加。通過TXR氣體超聲波流量計(jì)對(duì)噴射閥的流通能力進(jìn)行試驗(yàn)測量。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著進(jìn)氣壓差的增大，噴射閥的進(jìn)氣流量增大;液壓壓力的增大以及噴射脈寬的增加，噴射閥進(jìn)氣流量增大，這與時(shí)面值分析結(jié)

9、果相符。通過試驗(yàn)測量得到一系列天燃?xì)鈬娚淞縈AP圖，再通過大量發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能匹配試驗(yàn)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況、不同轉(zhuǎn)速下的最佳燃?xì)鈬娚淞炕蛱娲?，以發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)速作為查詢點(diǎn)，燃?xì)鈬娚淞孔鳛榭刂屏坷L制最佳燃?xì)鈬娚淞縈AP圖，將噴射閥天然氣噴射量MAP圖和發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃?xì)鈬娚淞縈AP圖固化于ECU控制程序中，用于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)噴射閥流量進(jìn)行調(diào)控。
　　發(fā)動(dòng)機(jī)工況是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU輸入信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的慣性狀態(tài)進(jìn)行判斷的。在雙燃料模式下，ECU

10、通過進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速確定發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷控制參數(shù)，保證不同工況下各缸的燃油及燃?xì)夤┙o量。燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)的燃?xì)夤┙o量主要由天然氣電子節(jié)氣門開度及燃?xì)鈬娚溟y噴射脈寬所決定。電控單元(ECU)首先根據(jù)MAP圖確定所需燃?xì)夤┙o量，然后控制電子節(jié)氣門動(dòng)作，調(diào)節(jié)燃?xì)夤曹墘毫_(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)，再通過改變?nèi)細(xì)鈬娚溟y中兩位三通電磁閥脈寬來調(diào)節(jié)各缸均勻性。啟動(dòng)和怠速工況下，按照“零替代”工作。在30％以上負(fù)荷時(shí)，ECU允許發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式由純柴油模式向雙燃料模式轉(zhuǎn)換。發(fā)

11、動(dòng)機(jī)在小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，設(shè)定在30％～50％負(fù)荷，按“小替代率”工作，該階段可稱之為“過渡性”雙燃料模式。發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，各缸工作會(huì)有一定的差異，ECU以各缸的排氣溫度作為各缸均勻性評(píng)判的依據(jù)。調(diào)整各缸均勻性時(shí)，對(duì)節(jié)氣門開度不做調(diào)整，通過改變?nèi)細(xì)鈬娚溟y的通電脈寬來調(diào)整各缸的進(jìn)氣量，使各缸的排氣溫差在允許范圍內(nèi)。若發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常狀況，如信號(hào)采集發(fā)生故障，ECU則會(huì)立即關(guān)閉節(jié)氣門、燃?xì)鈬娚溟y以及緊急截止閥，停止天然氣供應(yīng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在純柴油模式

12、下運(yùn)行。
　　在完成關(guān)鍵系統(tǒng)和部件試制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了試驗(yàn)樣機(jī)裝配。試驗(yàn)機(jī)型為淄柴6210ZLDS船用柴油機(jī)。試航模擬試驗(yàn)保留原柴油機(jī)的全部裝置和功能，增加了高壓共軌系統(tǒng)、燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)和電控單元系統(tǒng)。進(jìn)行了兩次EGR試驗(yàn)，第一次采用單EGR冷卻器在發(fā)動(dòng)機(jī)雙排氣管匯流的條件下進(jìn)行，第二次采用雙EGR冷卻器在發(fā)動(dòng)機(jī)雙排氣管分流的條件下進(jìn)行，冷卻水均由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)提供。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，EGR有增加HC和降低NOx的作用。盡管EGR率很

13、低，降低爆壓作用不明顯，但可以有效降低NOx排放。為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全使用性能，進(jìn)行了安全保護(hù)試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括:試驗(yàn)室氣體互鎖閥功能驗(yàn)證，高排溫采用模擬試驗(yàn)，電控系統(tǒng)完全失電后內(nèi)存參數(shù)恢復(fù)功能的驗(yàn)證，以及其它報(bào)警項(xiàng)目通過系統(tǒng)自檢驗(yàn)證。大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，油耗、排溫、替代率、增壓壓力等各項(xiàng)性能指標(biāo)正常，排氣煙度，振動(dòng)，噪聲符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。兩種模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換過程平穩(wěn)，轉(zhuǎn)換持續(xù)時(shí)間也符合要求。通過大量的試驗(yàn)，不斷調(diào)

14、整節(jié)氣門開度、燃?xì)鈬娚溟y噴射脈寬等參數(shù)，來確定不同工況下的最佳燃?xì)鈬娚淞?，以此來獲得穩(wěn)定的綜合替代率，并建立完善的替代率MAP圖，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得上佳的性能。研制的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)替代率達(dá)到70％以上，部分工況下，替代率可達(dá)近90％。而且在雙燃料模式下能夠穩(wěn)定運(yùn)行?？傊?，6210雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。
　　通過研究，取得并掌握具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)促進(jìn)高技術(shù)船

15、舶領(lǐng)域科技進(jìn)步有重要意義。在目前船用天然氣加注系統(tǒng)不完善的條件下，加快發(fā)展雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，立足于國內(nèi)的實(shí)際情況，發(fā)展船用新型動(dòng)力，或?qū)ΜF(xiàn)有的船舶和船用柴油機(jī)進(jìn)行改造，這些對(duì)改善船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，改善國內(nèi)的水運(yùn)環(huán)境條件，都有著現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。
　　目前中速船用小功率柴油機(jī)是國內(nèi)水運(yùn)行業(yè)的主力機(jī)型，以淄柴210系列柴油機(jī)為代表的功率范圍在441-1103KW的小功率中速柴油機(jī)機(jī)占據(jù)內(nèi)河和沿海市場的60％以上。本文所研究的小功率

16、中速船用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，不僅可以在淄柴6210柴油機(jī)上進(jìn)行運(yùn)用，同時(shí)適用于國內(nèi)其他同功率范圍的中速柴油機(jī)的生產(chǎn)和實(shí)船改造。按照交通運(yùn)輸部海事局的要求，使用周期不超過七年的船用柴油機(jī)，均可納入實(shí)船改造的范圍。淄柴210系列市場保有量在3000臺(tái)以上，而同類機(jī)型市場保有量在10000臺(tái)左右，按照預(yù)期燃?xì)馓娲?0％計(jì)算，能完成以上機(jī)型30％以上新造雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和現(xiàn)有市場上使用的20％船舶的改造，就可初步實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸部確定的2020年船