船用小功率中速雙燃料發(fā)動機關鍵技術研究.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。雖然近期石油價格不斷下跌，天然氣仍在價格及環(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)動機，通過采用電子控制單元實現(xiàn)發(fā)動機的最佳空燃比，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到80％左右，雙燃料發(fā)動機的應用可節(jié)約燃料成本20％以上，即便在石油價格下跌的今天，仍能節(jié)約燃料成本10％以上。<

2、br>　　本文研究對象為“淄柴牌”6210ZLC/S型船用發(fā)動機。對船用小功率中速雙燃料發(fā)動機而言，關鍵技術主要有LNG/柴油雙燃料燃燒系統(tǒng)優(yōu)化技術、多點燃氣噴射控制技術、動力總成匹配技術、負荷和排放控制技術及LNG/柴油雙模式智能化控制及安全保護技術等。經(jīng)研究后首次開發(fā)了缸徑大于200mm、具有自主知識產權的船用小功率中速雙燃料發(fā)動機，實現(xiàn)了發(fā)動機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)控燃氣多點噴射

3、系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以克服電磁閥雖有高速但是驅動力不足無法應用于大流量的問題。采用該系統(tǒng)可以滿足大型機進氣量大的需求，并且通過電控系統(tǒng)可以精確調節(jié)各缸進氣的均勻性及負荷均勻性，該系統(tǒng)還可有效降低發(fā)動機熱負荷。采用該機構后，在進氣沖程開始后燃氣才會進入發(fā)動機，故可保持原有掃氣量甚至可以加大掃氣量，降低熱負荷。為實現(xiàn)“準內混”，創(chuàng)新設計一體式氣缸蓋。天然氣進氣道和空氣進氣道相互獨立。設計了具有渦流效應和文丘里效應的混合腔，不僅能夠將兩種氣體均勻混

4、合，而且能夠提升進入燃燒室的可燃混合氣的流速，為混合氣在缸內繼續(xù)混合提供能量，這樣進入到燃燒室的天然氣與空氣的混合氣能夠混合均勻，最終實現(xiàn)充分燃燒。由于進、排氣管內不存在可燃氣體，這也就杜絕了回火、放炮的可能性，大大提高了發(fā)動機使用安全性，同時也可避免掃氣逃逸現(xiàn)象的發(fā)生，減少了燃氣消耗，既提高了經(jīng)濟性又減少了對環(huán)境的污染。電控系統(tǒng)采用空氣、燃油、燃氣比例閉環(huán)控制方法，具有多重保護，可在高、低速工況良好運行，并可以在非正常工作狀態(tài)下及時保

5、護發(fā)動機。
　　利用CONVERGE軟件對發(fā)動機的進氣管及缸內流場進行模擬，得到了進氣及混合過程發(fā)動機流場。從模擬計算結果可以看出:天然氣噴射閥開始開啟時，排氣門已經(jīng)關閉，天然氣不會進入排氣管中;在進氣門關閉之前噴射閥已關閉噴射，氣道中僅殘留少量的天然氣。滿足天然氣噴射系統(tǒng)實現(xiàn)“準內混”的設計要求。并且在燃燒開始前，缸內天然氣與空氣已經(jīng)混合均勻，有利于柴油順利引燃天然氣。
　　對所設計的電液聯(lián)控燃氣噴射閥運動特性進行了研究。

6、根據(jù)噴射閥結構，利用HYDSIM仿真軟件對噴射閥進行了模擬仿真。噴射閥運動仿真結果與預設一致，液壓活塞的有效行程越大，噴射閥的最大升程越大。為進一步明確噴射閥運動規(guī)律的影響因素，對噴射閥進行了臺架試驗。對比臺架試驗與仿真計算結果可以看出，兩者之間存在一定的誤差，但誤差較小，模擬計算結果具有理論意義和實際價值。噴射閥運動特性由電磁力、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動特性的兩個重要因素。從試驗及仿真結果可以看出

7、:發(fā)動機轉速（也是噴射閥的工作頻率）對噴射閥的噴射特性無影響，轉速只是改變了噴射閥的開啟頻率，對噴射閥工作期間的運作情況無影響;控制脈寬對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，但是控制脈寬越大，噴射閥的開啟時間越長，天然氣噴射流量也就越大;液壓壓力對噴射閥的最大升程以及響應特性均有一定的影響，液壓壓力越大噴射閥最大升程越大，進而也會使得噴射閥的噴射流量有稍許加大。液壓壓力增大也會使得噴射閥開啟及關閉響應

8、性提高，隨著液壓壓力的增高維持段的升程波動也會有所降低。
　　噴射閥的供氣特性與噴射閥結構、噴射閥運作時間及天然氣供氣壓力等因素有關。根據(jù)噴射閥時面值的變化規(guī)律可以看出，液壓壓力的增大以及噴射脈寬的增加都會使得噴射閥的時面值增大，噴射流量增加。通過TXR氣體超聲波流量計對噴射閥的流通能力進行試驗測量。從試驗結果可以看出，隨著進氣壓差的增大，噴射閥的進氣流量增大;液壓壓力的增大以及噴射脈寬的增加，噴射閥進氣流量增大，這與時面值分析結

9、果相符。通過試驗測量得到一系列天燃氣噴射量MAP圖，再通過大量發(fā)動機臺架性能匹配試驗，確定發(fā)動機在不同工況、不同轉速下的最佳燃氣噴射量或替代率，以發(fā)動機功率和轉速作為查詢點，燃氣噴射量作為控制量繪制最佳燃氣噴射量MAP圖，將噴射閥天然氣噴射量MAP圖和發(fā)動機最佳燃氣噴射量MAP圖固化于ECU控制程序中，用于發(fā)動機對噴射閥流量進行調控。
　　發(fā)動機工況是根據(jù)發(fā)動機ECU輸入信號和發(fā)動機運行的慣性狀態(tài)進行判斷的。在雙燃料模式下，ECU

10、通過進氣壓力、轉速確定發(fā)動機負荷控制參數(shù)，保證不同工況下各缸的燃油及燃氣供給量。燃氣噴射系統(tǒng)的燃氣供給量主要由天然氣電子節(jié)氣門開度及燃氣噴射閥噴射脈寬所決定。電控單元(ECU)首先根據(jù)MAP圖確定所需燃氣供給量，然后控制電子節(jié)氣門動作，調節(jié)燃氣共軌壓力達到預設目標，再通過改變燃氣噴射閥中兩位三通電磁閥脈寬來調節(jié)各缸均勻性。啟動和怠速工況下，按照“零替代”工作。在30％以上負荷時，ECU允許發(fā)動機的工作模式由純柴油模式向雙燃料模式轉換。發(fā)

11、動機在小負荷運行時，設定在30％～50％負荷，按“小替代率”工作，該階段可稱之為“過渡性”雙燃料模式。發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工作時，各缸工作會有一定的差異，ECU以各缸的排氣溫度作為各缸均勻性評判的依據(jù)。調整各缸均勻性時，對節(jié)氣門開度不做調整，通過改變燃氣噴射閥的通電脈寬來調整各缸的進氣量，使各缸的排氣溫差在允許范圍內。若發(fā)動機出現(xiàn)異常狀況，如信號采集發(fā)生故障，ECU則會立即關閉節(jié)氣門、燃氣噴射閥以及緊急截止閥，停止天然氣供應，使發(fā)動機在純柴油模式

12、下運行。
　　在完成關鍵系統(tǒng)和部件試制的基礎上，進行了試驗樣機裝配。試驗機型為淄柴6210ZLDS船用柴油機。試航模擬試驗保留原柴油機的全部裝置和功能，增加了高壓共軌系統(tǒng)、燃氣噴射系統(tǒng)和電控單元系統(tǒng)。進行了兩次EGR試驗，第一次采用單EGR冷卻器在發(fā)動機雙排氣管匯流的條件下進行，第二次采用雙EGR冷卻器在發(fā)動機雙排氣管分流的條件下進行，冷卻水均由發(fā)動機冷卻系統(tǒng)提供。從實驗結果來看，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。為驗證發(fā)動機的安全使用性能，進行了安全保護試驗，試驗內容包括:試驗室氣體互鎖閥功能驗證，高排溫采用模擬試驗，電控系統(tǒng)完全失電后內存參數(shù)恢復功能的驗證，以及其它報警項目通過系統(tǒng)自檢驗證。大量的試驗驗證了發(fā)動機在各工況能夠穩(wěn)定運轉，油耗、排溫、替代率、增壓壓力等各項性能指標正常，排氣煙度，振動，噪聲符合相關標準。兩種模式自動轉換時，轉換過程平穩(wěn)，轉換持續(xù)時間也符合要求。通過大量的試驗，不斷調

14、整節(jié)氣門開度、燃氣噴射閥噴射脈寬等參數(shù)，來確定不同工況下的最佳燃氣噴射量，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)動機獲得上佳的性能。研制的雙燃料發(fā)動機達到了設計要求，發(fā)動機替代率達到70％以上，部分工況下，替代率可達近90％。而且在雙燃料模式下能夠穩(wěn)定運行?？傊?，6210雙燃料發(fā)動機達到了設計目標要求，性能穩(wěn)定，運行可靠。
　　通過研究，取得并掌握具有完全自主知識產權的中速雙燃料發(fā)動機關鍵技術，對促進高技術船

15、舶領域科技進步有重要意義。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)動機的研制，立足于國內的實際情況，發(fā)展船用新型動力，或對現(xiàn)有的船舶和船用柴油機進行改造，這些對改善船舶運行的經(jīng)濟性，改善國內的水運環(huán)境條件，都有著現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。
　　目前中速船用小功率柴油機是國內水運行業(yè)的主力機型，以淄柴210系列柴油機為代表的功率范圍在441-1103KW的小功率中速柴油機機占據(jù)內河和沿海市場的60％以上。本文所研究的小功率

16、中速船用雙燃料發(fā)動機關鍵技術，不僅可以在淄柴6210柴油機上進行運用，同時適用于國內其他同功率范圍的中速柴油機的生產和實船改造。按照交通運輸部海事局的要求，使用周期不超過七年的船用柴油機，均可納入實船改造的范圍。淄柴210系列市場保有量在3000臺以上，而同類機型市場保有量在10000臺左右，按照預期燃氣替代率60％計算，能完成以上機型30％以上新造雙燃料發(fā)動機和現(xiàn)有市場上使用的20％船舶的改造，就可初步實現(xiàn)交通運輸部確定的2020年船