直喷式天然气发动机（共7篇）
直喷式天然气发动机 篇1
[本刊讯]由中国首家研发和生产缸内直喷天然气发动机的合资公司---潍柴动力西港新能源发动机有限公司推出的中国第一台大功率缸内高压直喷压燃式天然气发动机 (简称“HPDI发动机”) 上市发布仪式2012年3月13日在北京钓鱼台举行。该项目的开发成功, 填补了国内天然气缸内直喷发动机在应用领域的空白。这一技术创新成果, 将是中国天然气发动机发展史上的一个里程碑。
潍柴集团董事长谭旭光在中国第一台大功率缸内高压直喷压燃式天然气发动机 (简称“HPDI发动机”) 上市发布仪式表示, 此款高压直喷天然气发动机的上市具有里程碑的意义, 对社会节能减排具有很重要的现实意义。
谭旭光表示, 我国节能减排任务繁重, 任重道远, 中国内燃机行业大可作为。从2011年的基本数据来看, 内燃机行业共生产了7700万台的各类动力, 消耗了2.7亿吨柴燃油和汽油, 相当于我们国家进口燃油的总量, 国家对外的燃油依存度达到了60%, 内燃机行业的消耗总量达到了59.27%, 内燃机每一个企业在这7700万台的制造过程中如果能降低5%-10%燃料, 就能节省2770万吨的燃油, 因此国家对节能减排提出的战略要求, 也是对内燃机行业提出的战略更高要求。
潍柴作为内燃机行业的理事长, 作为发动机制造企业的龙头企业之一, 潍柴对节能减排有义不容辞的责任。潍柴动力2011年生产了70万台发动机, 中国第一台大功率缸内高压直喷压燃式天然气发动机的上市对实现节能减排和循环经济是有利的, 更特别是要注重与整车厂的匹配和应用, 让客户真正体验到25%的燃油带来的运营效果, 让社会体会到环保带来的价值, 让全国全民生活的更美好, 也呼吁政府和社会职能部门制定一系列产业政策支持天然气发动机的应用和推广, 对社会节能减排具有很重要的现实意义。
直喷式天然气发动机 篇2
一、直喷式发动机与老式发动机对比的优缺点
2007年山丹马场首先在一场五队有机户中进行试点, 经一个春季的试验证明该发动机的性能及效率优势比较明显。主要表现在:①B4125J型发动机是ω型直喷式燃烧室燃烧, 比4125A型发动机燃烧充分更节油。②4125A型发动机标定工况燃油消耗率为254g/kW.h;而B4125J型发动机标定工况燃油消耗率则只有245g/kW.h。③虽然两种发动机标定马力都是58.8kW (80马力) 转速都是1550r/min;实际工作中在同等条件下作业 (比如翻地) , 装有4125A型发动机的东-802拖拉机拉三铧犁, 变速箱放入Ⅱ挡工作;装有B4125J型发动机的东-802拖拉机拉四铧变速箱一样放入Ⅱ挡工作。因此直喷式发动机耗油少工作量多, 以翻地为例直喷式发动机比涡流式发动机亩耗油节约30%左右, 一天一夜直喷式发动机比涡流式发动机多翻地50～60亩。④直喷式发动机电机直接启动着火好, 节省汽油消耗和减轻人员劳动强度, 节省了时间, 提高了工作效率;而涡流式发动机由小汽油机启动而且着火不好, 延长了着火时间, 增加了柴油、汽油的消耗, 浪费了时间, 增加了人员的劳动强度, 降低了工作效率。
二、推广直喷式发动机经济效益
直喷式发动机安装在我场试验成功以后, 很快在各机户中推广使用, 并得到各机户的一致好评。
1.更换了直喷式发动机的拖拉机, 机车功率增大, 工作效率提高。
以翻地为例, 老式发动机拉三铧翻18～19cm;直喷式发动机拉四铧能达到20～22cm。
2.节约了成本降低了油耗, 使机户的收入相应增加。
在土地面积没有增加的情况下, 节能降耗也是一种增收途径, 以近两年来机户的平均收入3.5万元计算, 年均油耗5000kg, 使用直喷式发动机年可节油1000kg, 产生经济效益6000多元。
3.减轻了劳动强度, 提高了有效作业时间。
以翻100亩地为例, 老式发动机大约需20h, 直喷式发动机则需13h就能完成, 节约的时间可以用作别的农田作业。
三、推广直喷式发动机的社会经济效益和生态效率
1.在山丹马场各有机户推广直喷式发动机的这几年里, 此型发动机完全适合场区的各种作业条件及作业要求, 而且在日常维护方面也没有太高的要求, 事实证明直喷式发动机不仅提高了效益, 节约了成本, 也有效地减轻了劳动强度, 特别是现在车多、地少、雇工难的情况下, 更成为有机户的得力助手, 使有机户能合理调配时间, 做到统筹兼顾适时完成各项作业。
2.由于山丹马场农业受自然天气影响比较严重, 特别是农忙时节遇到灾害性天气, 抢抓农时就变得非常重要, 通过更换直喷式发动机, 机车效率提高, 一定程度上解决了动力的短缺, 保证了适时收获。
3.直喷式发动机燃烧充分, 对空气的污染比较小。
四、在推广直喷式发动机过程中存在的问题及对策
在推广直喷式发动机的过程中, 我们也发现有些机户对更换直喷式发动机不积极, 究其原因有以下几点:
1.思想认识不够, 担心资金回笼慢, 不愿投入;
2.缺乏资金无力更换, 由于我场土地少, 职工收入普遍较低, 因此无力投入;
3.机车户年龄结构偏大, 不愿投入。
对于以上几点问题我们认为应做好三点:
1.加大宣传力度, 提高职工认识。从直喷式发动机所产生的经济效益和社会效益两方面着手, 提高职工积极性;
2.加大资金及技术方面的扶持力度, 使职工能在新型农具的推广中见到实效;
3.加强领导, 将推广新型农机具纳入年度考核, 作为考查领导干部的一项重要指标。
论电控汽油发动机直喷技术的应用 篇3
缸内直喷就是将高压燃油喷嘴安装于气缸盖上, 直接将燃油喷入气缸内与空气混合。其特点主要是油耗低、升功率大, 且压缩比高达12, 功率与扭矩大大提高, 与同排量的一般发动机相比, 它的功率与扭矩提高了10%。为了增加效率, 更加准确的控制燃油与空气的结合, 缸内直喷技术在进气歧管喷射基础上优化了燃油系统结构, 喷射压力也得到相应提高, 燃油颗粒雾化更细, 除此之外还消除了缸外喷射各种的缺点。各种结构的优化设计, 以及对于压力、位置、进气流的精确控制, 使油气混合更加精确, 也进一步提高了效率, 此技术借鉴了柴油机的特点, 故有人认为缸内直喷式汽油发动机是将柴油机的形式移植到汽油机上的一种创举。
1 结构
直喷式汽油发动机关键结构主要有以下部件:气缸盖、进气管、高压油泵、喷油器、活塞。
发动机最为关键的部分是气缸盖, 缸盖中最关键的部分燃烧室对混合气体以及气体流动和火焰的燃烧作用最大。
进气管为发动机进气部分, 对采用分层燃烧模式的发动机来说, 需要严格控制进气管的直径、长度以及谐振腔的容积, 而且可变滚流量和可变管长等结构也要进行增加, 以达到增加气流量和滚流量的效果。因此, 进气管的设计难度大幅增加, 结构以及制造成本都会上升。由于进气增压的作用, 涡轮增压缸内直喷发动机进气歧管大部分情况下压力都为正值, 一般压力可达0.2 MPa左右, 为满足系统的真空度要求, 进气管的强度要求更加严格, 而且发动机本身还要额外增加真空泵。
高压油泵是由安装在进气凸轮轴尾端的凸轮来进行驱动, 最为重要的就是升程的选择, 这直接影响机器冷启动直喷建压时间, 一般在2~4ms之间。而升程则需要根据凸轮的的型线、发动机的使用要求以及制造所需工艺等条件来进行综合考虑。
直喷系统的核心部件是喷油器, 喷油器对发动机的各种性能影响最大, 其在缸内的位置、结构形式、形状以及方向都对燃油的雾化和混合程度以及燃烧的充分度产生最直接的影响。另外喷油器受油品质量影响, 质量差的油品, 由于掺杂其它物质或者纯净度不够, 极易形成积碳对喷油器造成堵塞, 进而影响发动机性能, 并对喷油器的寿命造成极大的影响, 故直喷发动机对油质要求较高, 一般使用97号汽油, 且需要定期保养, 维护费用较高。
直喷发动机一般将活塞当做关键部件来进行研究和设计, 因为其对缸内的气流以及气体的形成等方面影响巨大。但是为达到油气充分混合, 油气的浓度进一步均匀分布, 从而使燃烧更加充分和彻底, 达到更高效率, 无论是使用哪种引导方式, 都需要特殊的活塞顶面凹坑适应。
2 工作原理
不同于进气歧管, 多点电喷只是通过电脑采集曲轴、凸轮轴位置等发动机各信号从而控制喷油嘴将汽油喷入进气歧管后形成可燃混合气再送入气缸。缸内直喷又被叫作FSI (Fuel Stratified Injection) , 是一种燃烧分层喷射技术, 这种技术代表着传统汽油引擎发展的一个方向, 目前已被广泛运用。传统的汽油发动机喷嘴与燃烧室有一定距离, 这段距离由进气歧管导入, 因此汽油不能与空气很快混合彻底, 并且一些燃油会吸附在进气管壁上, 时间一长甚至造成积碳, 直喷系统可以较大的改善这种现状。FSI就是开发用来改善传统汽油发动机供油方式不足的缸内直喷技术, 其采用一种类似柴油发动机的技术, 通过一个能提供高达100bar的活塞泵, 用电磁喷射器以接近毫秒的精度将汽油直接喷入气缸内部的燃烧室中, 并在燃烧室中形成漩涡, 使油气充分混合、燃烧。
大众汽车公司的TSI发动机所采用燃油直喷技术是当今行业中技术最为先进、也是最为成熟的直喷技术, 在同等排量的发动机中, TSI动力性与经济性得到超强的结合, 尤其是与DSG变速箱的搭配号称“黄金搭档”, 价格相对也比较经济, 在汽油发动机的发展中起着引领作用, TSI即在FSI的基础上增加了进气涡轮增压装置。
3 设计技术
直喷技术的精髓所在, 是通过使用一个活塞泵来提供燃油充分混合所需的高达100 bar以上的巨大压力, 用电磁喷射器将高压汽油喷入气缸。由于燃烧室内形状的特殊设计, 喷油嘴在极短时间内, 通过巨大压力, 直接将燃油注入燃烧室中, 这一时间的把控必须最恰当, 此时燃烧室内由于压力以及特殊形状的设计, 将会使油气产生巨大漩涡, 进一步对油气进行混合, 以达到燃烧更加充分的目的。一些高浓度的混合气体充分散瘀在火花塞附近, 而一些稀薄油气则分散在高浓度混合气周边外围区域, 这样一来, 点火系统工作时, 火花塞周围浓郁气体极易点燃, 在点燃的同时, 周边区域的稀薄气体同时也被迅速点燃, 如此一来便可实现稀薄燃烧。
我们仍以大众TSI发动机为例, TSI发动机与目前其他传统汽车的发动机有以下区别:与歧管喷射的原理不同, 在喷油方面, TSI发动机配备了更为高级的供油系统, 进排气凸轮轴连续可调装置可以改变配气相位, 由于单活塞高压泵的共轨高压喷射系统可以提供极为精确的燃油, 而且生成非常适合发动机点火的工作压力, 汽油则通过喷油器直接以高压喷入气缸内部, 缸内的特殊设计以及极为精准的计算使其压缩比得到了大大的提高, 从而造就了这种先进的能够在市场独领风骚的新型发动机。在进气方面, 大众的新型TSI发动机使用先进的进气控制翻板阀来控制气体的需求量, 进一步增加了发动机充气的效率, 对功率也进一步进行提升, 使得发动机的性能更加先进。
4 维修技术
汽油直喷系统的主要故障集中在三个方面: (1) 燃油系统压力不正常故障 (包括偏高或偏低) 。故障现象又包括发动机无法启动、动力不足及输出转速受限和发动机的运转声音大等, 其原因主要是有低压油路压力不足, 高压油路压力偏低或偏高等引起的; (2) 喷油嘴喷油不良的故障。故障现象有怠速不稳, 加速时汽车偶尔发冲, 其原因主要是由喷油嘴喷油不畅而导致喷油量不足、不喷油和喷油嘴卡滞滴漏等问题引起; (3) 汽油品质差导致的故障。故障现象有怠度不稳、加速不畅、尾气排放灯亮。由于直喷发动机对油品的要求较高, 使用汽油的品质不良而造成发动机早燃、爆震等故障。
5 结语
该文以大众TSI为例, 从结构、工作原理、设计技术、维修技术上对汽车发动机直喷技术作了简要分析。目前, 石油等非再生资源由于发掘开采过多, 已经越来越稀少, 人们对汽车充分燃烧率的要求也越来越高, 在这种环境下, 直喷技术也得到越来越广泛的发展。这种技术的发展, 对国内外的发动机也带来一场革命性的风暴, 代表着未来发动机的方向, 在以后一段时间内将得到蓬勃发展, 并将广泛应用于汽车行业。
摘要：近年来, 随着汽车产量的不断增加, 能源、环境、安全问题的日益严峻, 人们对汽车发动机技术的研究在不断探究, 汽油发动机直喷技术就是将汽油升为高压后直接喷入气缸内与空气混合的技术。其工作效率得到了很大提高, 并有效降低油耗、提高发动机功率。汽油在气缸中混合的更加均匀, 点火燃烧将更加充分, 达到更高效率的能量转化, 进一步达到提高功率、节能、环保的目的。:该文主要从结构、工作原理、设计技术、维修技术上对汽油发动机直喷技术进行分析, 并导入大众汽车TSI发动机为案例进一步详细阐述。
关键词：直喷技术,发动机,TSI
参考文献
[1]汪云青.汽油发动机的新生——FSI直喷式发动机技术[J].中国新技术新产品, 2006 (6) :18-19.
[2]蒋坚.汽油缸内直喷式技术的研究与应用[J].内燃机工程, 2003, 24 (5) :39-44.
[3]林青.直喷式汽车发动机[J].科技信息, 1998 (4) :14.
[4]高效直喷发动机全面推广存在障碍[J].汽车零部件, 2009 (8) :29.
直喷式天然气发动机 篇4
随着人们生活水平的提高, 汽车成为人们不可缺少的交通工具, 而人们对汽车的要求也越来越高, 汽车部件的设计开发也越来越精细, 发动机作为汽车的心脏, 其性能好坏直接影响整车的性能, 冷却系统使发动机在适合的温度下工作, 温度低摩擦损失大, 燃烧不完全从而加大燃油消耗, 温度高散热量小零部件受热导致零部件变形甚至开裂。
1 问题
新开发一款车, 在检测水温时发现水温75-80℃, 相比节温器初开温度低, 检测其它车水温, 水温均达不到节温器初开温度点, 水温低为普遍现象。
对比其他车型与问题车NEDC循环水温曲线, 如图1所示, 其它车型NEDC循环升温比问题车型快且平衡温度高。
2 原因分析及解决措施
2.1 冷却系统 (图2)
该车冷却系统主要零部件由水泵、缸体节温器、缸盖节温器、散热器、电子风扇、暖风芯体、水温传感器、膨胀水箱组成, 该发动机使用分流冷却技术, 冷却液被水泵泵出后分两路, 一路进缸体水套, 另一路则进缸盖水套, 缸体、缸盖水套温度分别有缸体节温器、缸盖节温器单独控制, 分流冷却主要目的是尽快提高缸体水套水温, 减小摩擦。
当发动机启动后, 缸体节温器、缸盖节温器均关闭, 冷却液通过机油冷却器、暖风机、增压器散热后回到发动进水口, 当温度升至86℃, 缸盖节温器打开部分冷却液通过散热器再回到发动机进水口, 与此同时部分冷却液通过机油冷却器、暖风机、增压器散热后回到发动进水口, 当冷却液温度升至95℃时, 缸体节温器打开缸体水套的冷却液通过散热器冷却, 此发动机大循环关闭时仍有小部分冷却液经过节温器泄漏到散热器, 此部分流量称节温器泄漏量。
2.2 原因分析
冷却系统水温低原因有以下几点: (1) 水泵流量大; (2) 节温器泄漏量大; (3) 节温器初开温度低; (4) 节温器弹簧力小; (5) 机油冷却器散热量大; (6) 增压器散热量大; (7) 暖风机散热量大; (8) 散热器散热量大[1]; (9) 电子扇运转温度低; (10) 机舱布置不紧凑; (11) 节温器提前打开; (12) 电子扇提前运转等。经过排查发现此发动机节温器泄漏量大、节温器弹簧力小、整车散热器散热量大与水温低有关, 但水温低主要原因为节温器泄漏量大。
如图2所示, 该款发动机缸体节温器、缸盖节温器结构、尺寸、材质均相同, 均为普通蜡式节温器, 由节温器阀门支架、节温器密封圈、节温器阀门、顶杆、橡胶管、蜡包、弹簧等组成, 当蜡包周围水温达到指定温度以后蜡包膨胀推顶杆、顶杆顶住阀座, 阀门被迫打开, 冷却液通过散热器散热, 冷却系统开启大循环。
如图6所示, 加注冷却液时, 为排除存在发动机、散热器及冷却管路中残存的气体, 在缸盖节温器阀门上布置R2mm的半圆孔, 且本节温器主阀门使用金属阀门, 金属阀门密封性差, 导致节温器在20k Pa压力下泄漏1L/min的冷却液。
如图6所示, 该发动机为保证缸体节温器关闭时缸体水套里的冷却液能够进行微循环, 在缸体节温器主阀门上布置R2mm的半圆孔, 且本节温器主阀门使用金属阀门, 金属阀门密封性差, 导致节温器在20k Pa压力下泄漏1L/min的冷却液。
从图2看出, 缸体节温器与缸盖节温器并联布置, 当发动机着车后节温器开启之前有部分冷却液通过缸体节温器、缸盖节温器的阀门流进散热器进行散热, 使发动机升温慢, 当温度升至节温器开启温度后节温器阀门打开冷却液通过节温器阀门参与大循环同时有部分冷却液通过缸体节温器、缸盖节温器阀门泄漏孔参与大循环, 使平衡温度低 (如图7) 。
2.3 解决措施
如图5所示, 在缸体节温器、缸盖节温器主阀门上挂橡胶, 并减小常通孔面积来减小节温器泄漏量, 通过减小缸体节温器泄漏量至 (40~150) m L/min、缸盖节温器泄漏量≤100 m L/min, 减少泄漏到散热器的冷却液水流量来提升整车平衡温度, 并能有效的缩短暖机时间。
同时加大节温器弹簧力, 避免节温器阀门被水流冲击, 在冷却液温度未达节温器开启温度前阀门被迫打开, 导致水温低的情况。
调整散热器散热量至合适的范围, 保证平常跑车工况平衡水温。
更改节温器泄漏量、节温器弹簧力及散热器散热量后平常跑车工况水温平衡在在88~90℃, 大于缸盖节温器初开温度, 水温正常。
3 试验验证
为进一步验证整改方案, 更改后进行整车NEDC循环试验, 水温平衡在87℃, 油耗降低1.6%, 图8是更改缸体节温器、缸盖节温器后车速/水温-时间曲线。
图9为缸体节温器、缸盖节温器更改前后对比的怠速升温曲线, 更改泄漏量后升温明显比比更改前快。
4 结论
通过试验验证能看出, 发动机水温低原因为缸体节温器、缸盖节温器泄漏量大、节温器弹簧力小及散热器散热量大导致, 这些因素不仅能影响平衡温度, 也会延长暖机时间, 甚至在冬季环境温度低时水温无法上升, 导致油耗大, 通过更改不仅能改善水温低问题, 还能缩短暖机时间[2], 从而减小油耗。
参考文献
[1]叶茂盛.通过热平衡试验探讨冷却系统的设计改善[J].合肥工业大学学报 (自然科学版) , 2007 (S1) .
[2]李欢, 王佐明.发动机暖机慢的原因与解决[J].广西玉柴机器股份有限公司, 2011 (11) .
直喷式天然气发动机 篇5
混合气形成策略不同是PFI发动机与GDI发动机的主要区别。PFI发动机具有油膜湿壁现象和节气门节流损失的缺点, 而GDI发动机理论上不存在上述两方面的限制。
PFI发动机产品中, 20%喷嘴装在气缸盖上进气门的背面, 80%安装在进气歧管上靠近气缸盖位置, 在发动机起动时, 会在进气门附近形成瞬时的液态油膜, 这些燃油会在每次进气过程逐渐蒸发进入气缸燃烧。由于部分蒸发现象导致油量控制延迟和计量偏差, 冷机起动时由于燃油蒸发困难, 使得实际供油量远大于需求空燃比的供油量, 这样会导致冷起动时发动机有4个~10个循环的不稳定燃烧, 显著加大发动机未燃HC排放。GDI技术可以避免气门口燃油湿壁现象, 实现燃烧各阶段准确供油, 能够实现更稀薄燃烧并且降低缸与缸之间、循环与循环之间的变动, 冷起动首循环不需加浓控制, 降低瞬态工况HC的排放。然而GDI发动机对燃油蒸发和混合物形成有更严格的要求, 需要通过更高的喷油压力提高燃油的雾化率。
PFI发动机的另一限制是中、小负荷时采用节气门来控制负荷, 存在节流损失, GDI发动机在中、小负荷时采用分层充气工作模式, 通过控制喷入气缸的油量来控制发动机的负荷, 不采用节气门可以降低泵气损失和热损失。
2 GDI发动机燃烧技术发展趋势
2.1 采用均质混合燃烧方式
采用∮a=1的均质混合燃烧方式的主要优点是能够采用目前PFI发动机上广泛使用的三效催化器, 可以避免采用稀燃NOx催化转化器, 使其排放能够达到越来越严格的排放法规。同PFI发动机和分层稀燃GDI发动机相比, ∮a=1的均质混合燃烧发动机具有较多优点:a) 发动机起动过程具有更快速的起动, 较少的起动加浓和降低起动HC排放的潜力。b) 能够提高瞬态响应, 减少加速加浓, 实现更精确的空燃比控制c) 燃烧过程不需要分层充气和均质充气的模式转换;缸内燃油蒸发冷却充气, 压缩行程可以减少热损失, 有利于提高燃烧稳定性和EGR率, 并能够提高受爆震限制的压缩比d) 燃油经济性能够提高5%。e) 控制系统比分层稀燃简化, 增加了系统优化的灵活性。f) 与其他技术的匹配。g) 排放低。
2.2 采用分层充气或均质充气涡轮增压技术
通过提高进气压力、提高空气利用效率来减小发动机的尺寸是提高发动机经济性的有效途径, 传统的PFI发动机由于受到爆震限制和涡轮增压器响应滞后等因素的影响, 使得汽油机涡轮增压技术未能迅速发展。GDI发动机由于缸内形成混合气, 燃料蒸发能够降低混合气温度, 同时混合气在缸内停留的时间相对较短, 相同压缩比条件下, GDI发动机要比PFI发动机爆震倾向小, 对燃料辛烷值的要求低。GDI发动机小负荷时不使用节气门, 进气量相对较大, 涡轮增压器转速高, 使得GDI发动机在瞬态工况能够实现快速响应随负荷变化引起的涡轮增压变化。GDI发动机应用涡轮增压技术具有下面优势:
a) 缸内充气冷却。由于燃油在气缸内蒸发能够显著冷却缸内充气, 结合多阶段喷油可以有效地降低爆震倾向, 因此, 可以实现比常规PFI更高的压缩比。b由于增加了发动机的充气量, 所以, 可以扩大发动机稀燃区域的转速和负荷范围。c) 提高涡轮增压发动机瞬态响应。小负荷时不采用节气门, 发动机的进气量大, 涡轮增压器转速高, 因此, 即使在部分负荷稀燃区域时涡轮增压的响应延迟也较小。
2.3 优化燃烧系统扩大分层稀燃区域
燃油经济性的提高是影响未来GDI发动机和小型高压共轨柴油机在市场所占比率的重要因素。GDI发动机在分层稀燃区域可以实现节油20%~25%, 可以优化GDI发动机燃烧技术, 采用新一代喷射引导型燃烧系统, 扩大分层稀燃范围, 进一步提高GDI发动机经济性。扩大直喷发动机分层充气稀燃区域是新一代直喷供油系统的发展趋势。因此, 基于窄间距设计的喷束引导燃烧系统具有实现更稀薄燃烧并扩大稀燃区域的潜力, 将成为下一代GDI发动机的首选燃烧系统。
2.4 实现GDI发动机的HCCI燃烧
直喷式天然气发动机 篇6
二冲程发动机具有结构简单、升功率高、成本低廉等优点,广泛应用于摩托车、舷外机和割草机等领域[1,2,3]。但由于汽油闪点低,使用及储运过程中易发生着火爆炸事故,限制了传统二冲程汽油机在安全要求高的军事场合的应用。煤油或柴油等重油闪点高,在使用及储运过程比较安全,结合重油燃料及二冲程点燃式发动机的优点,使得点燃式重油发动机非常适用于此类特殊场合[4,5]。
传统非缸内直喷二冲程发动机燃用重油燃料时,冷起动困难[6];另外,传统二冲程发动机存在扫气损失及过后排气损失问题,燃油经济性差、排放高且小负荷工况下易失火。若采用缸内直喷方式,尤其是空气辅助直喷技术,不仅可以大幅度减小燃油粒径,改善燃油雾化效果,结合有效的点火控制,能够解决点燃式重油发动机冷起动问题;而且在中低转速小负荷工况下适当采用晚喷技术,理论上可以改善二冲程发动机存在的燃烧扫气损失及过后排气损失,保证发动机功率的同时降低油耗及排放[5]。
二冲程直喷发动机对缸内混合气状态较敏感,喷油量及喷射时刻对油气在缸内的混合及运动状态有很大影响,在晚喷状态易形成分层混合气,火花塞周围混合气浓度分布等决定了发动机缸内初始火焰传播过程,从而影响发动机燃烧性能。因此,有必要开展基于燃油喷射参数的小负荷发动机性能研究。
目前,国外对缸内直喷技术及点燃式重油活塞发动机的研究较多,Padala等[7]学者采用空气辅助喷射技术研究了喷油脉宽及喷射正时角对二冲程直喷汽油机动力性能及排放性能的影响,与原型机对比后表明了该项直喷技术的应用潜力;Groenewegen等[8,9]研究了空气辅助气道喷射点燃式发动机分别燃用煤油、柴油及生物柴油的动力及排放特性,论证了多种重油燃料满足军队普遍需求的可行性。Falkowski等[10]在二冲程和四冲程烧重油发动机上使用空气辅助直喷技术,进行了部分负荷、全负荷及冷起动试验,得到了大量性能数据。
近年来国内学者对点燃式二冲程直喷发动机研究主要放在汽油机上,包括夹气直喷及FAI直喷汽油机[11,12],对于点燃式直喷重油发动机的研究处于起步阶段[13,14,15]。
本文以某型二冲程气道喷射式汽油机作为原型机,采用低压空气辅助缸内直喷技术,结合双火花塞电感点火技术,将其改造为点燃式重油直喷发动机,并自行开发了缸内直喷重油发动机电控系统,采用柴油作为燃料,对发动机在中低转速小负荷状态的性能进行了试验研究。
1 试验设备及试验方案
1.1 试验设备及仪器
针对喷雾引导型的二冲程点燃式缸内直喷重油发动机,进行基于燃油喷射参数的发动机动力及排放性能的研究,采用低压空气辅助缸内直喷方式供油,油气轨及喷嘴安装于发动机缸头上部,低压气源为螺杆式空压机ESA10,试验用油压和气压分别设定为0.65MPa和0.85MPa。空气辅助缸内直喷系统的核心是空气辅助喷油器,由三部分构成:喷油器、喷气阀和空气腔,如图1所示。喷油器的主要作用是计量燃油,并将具有一定压力的燃油喷入空气腔。喷油器喷出的燃油在空气腔中进行第一次雾化,形成的混合气由喷气阀喷入气缸。
发动机具体相关参数如表1所示,试验所用排放设备为NHA-401尾气分析仪,对发动机排放进行测试。内燃机测控系统为杭州中成EST-2010,并配有CWF110G电涡流测功机及温度压力采集模块。空燃比分析仪为Ecotrons公司的ALM-S,配有宽域氧传感器LSU4.9,用于对发动机进行空燃比控制。发动机控制采用自主开发的ECU,基于飞思卡尔16位微处理芯片的双核控制器。图2为点燃式重油发动机试验台架示意图。图3为搭建的发动机台架系统现场图。
1.2 试验方案
在中等转速小负荷工况下,二冲程点燃式直喷发动机能够在排气口关闭后完成燃油喷射过程,从而容易实现分层燃烧,因此,选择转速3000r/min、节气门开度为10%(工况1)及转速3000r/min、节气门开度为20%(工况2)的两个工况(表2)进行试验。
图4所示为关键电控参数的在线调整方案,主要关键参数包括:喷油脉宽(fuel pulse width,FPW)、油气延时(fuel air delay,FAD)、喷气脉宽(air pulse width,APW)、喷气开始时刻(start of air injection,SOAI)、喷气结束时刻(end of air injection,EOAI)、喷油开始时刻(start of fuel injection,SOFI)、喷油结束时刻(end of fuel injection,EOFI)、充磁脉宽(charge pulse width,CPW)以及点火提前角θig。本试验主要围绕喷油脉宽和喷气结束时刻(喷气结束角)来进行研究,整个试验过程中将油气间隔固定为1ms,喷气脉宽固定为3ms,充磁脉宽固定为5ms,点火提前角θig固定为25°(本文中出现的点火提前角及喷油结束角均指的是上止点前的角度)。
2 试验结果及分析
首先记录实验环境:室内温度26℃、相对湿度48%、压力101kPa、冷却水温90~100℃;然后利用自开发上位机标定软件实现对发动机燃油喷射参数的在线修改:过量空气系数α通过调整喷油脉宽来确定,范围为0.85~1.15,喷油终止角调整范围为40°~90°。
2.1 工况1下喷油参数对发动机性能的影响
在试验工况1下,过量空气系数调整范围为0.85~1.10。图5~图7为发动机性能数据,在不同过量空气系数条件下,随着喷气结束时刻的提前,发动机输出功率呈先增大后减小的趋势,在喷气终止时刻60°后,混合气越浓,功率减小趋势越平缓;燃油消耗率在喷气终止时刻较晚时较大,喷气结束时刻适度提前有利于减小燃油消耗率,但提前时刻过大会使喷气脉宽所占曲轴角度与排气口打开时角度重叠区增大,增加了因扫气带来的燃油损失;排气温度随着喷气结束时刻的提前逐渐增大,增加幅度基本在20~40℃之间;过量空气系数对于发动机性能影响显然较大,对于固定的喷气结束时刻,当混合气由浓变稀时,发动机输出功率逐步增大,燃油消耗率降低,排气温度升高,可见,在此发动机工况下,采用较稀混合气有利于改善发动机动力性及经济性。
图8~图10为试验工况1下的发动机排放性能数据,随着喷气结束时刻提前,HC及CO排放逐渐减小,CO2排放缓慢升高,在喷气结束时刻提前至80°左右,偏浓混合气下的HC及CO排放有一定程度的上升,CO2排放呈下降趋势;过量空气系数由0.85增大至1.1时,HC及CO排放大幅度下降,HC排放最低值为0.254‰,CO排放最低值为0.94%。因此,在此发动机工况下,采用较稀混合气并且适度提前喷气结束时刻能有效改善发动机排放性能。
2.2 工况2下喷油参数对发动机性能的影响
在试验工况2下,过量空气系数调整范围为0.94至1.15。图11~图13为发动机性能数据,不同于试验工况1的是,较早的喷气结束时刻能够明显地提升发动机输出功率及改善燃油消耗率,当喷气结束时刻提前至80°之后,功率基本不再增加,并且发动机燃油消耗率在喷气结束时刻60°~80°区别较小,排气温度在此发动机工况下对随喷气结束时刻提前变化不敏感,其变化量基本维持在5~10℃以内。相比于试验工况1,过量空气系数对发动机性能的影响产生了明显的变化,当过量空气系数维持在1.0附近时,发动机输出功率最大,混合气较浓或较稀都会使得功率出现下降;过量空气系数由0.94增大至1.15时,燃油消耗率逐渐降低,由于喷油脉宽减小使得喷入气缸油量减少,减弱了燃油对气缸工作表面的冷却效果,使得排气温度整体升高。
图14~图16为试验工况2下的发动机排放性能数据,随着喷气结束时刻提前,HC排放先减小后逐渐增加,CO排放整体呈增加趋势,尤其在70°~80°时刻增幅较大,CO2排放基本呈先增加后减小趋势,70°时刻出现峰值;与试验工况1一致,过量空气系数对发动机排放性能影响很大,较稀的混合气能够大幅度降低HC及CO排放,同时增加了CO2排放。因此,当喷气结束时刻维持在70°,过量空气系数处于偏稀区域,能够很好地改善发动机的排放性能。
总之,在小负荷工况下,发动机节气门开度较小,采用稀混合气及适度提前喷气结束时刻的策略可以改善发动机动力性、经济性及排放特性;当发动机节气门开度较大时,从考虑动力性角度出发,应采用偏浓混合气及进一步提前喷气结束时刻,而考虑发动机燃油经济性及排放性能时,可采用稀混合气,并且喷气结束时刻取折中值,能够大幅度降低HC及CO排放。
3 总结
(1)节气门开度较小时,适度提前喷气结束时刻,发动机功率增加,燃油消耗率降低,排气温度小幅度升高,HC排放量减小,CO排放量减小,CO2排放量小幅度增加,过于提前会减小功率,增大燃油消耗率和HC排放;节气门开度较大时,喷油结束时刻提前,发动机功率增加,燃油消耗率下降,当推迟至一定程度,功率小幅度减小,燃油消耗率增加,排气温度、HC、CO及CO2排放量随喷气结束时刻提前变化幅度较小。
直喷式天然气发动机 篇7
1 喷油嘴沉积物
1.1 沉积物对发动机的影响
喷油嘴作为柴油发动机的核心部件, 对燃油起着精确计量和准确分配 (雾化) 的作用。当出现喷油嘴堵塞的情况时, 会影响喷油嘴的计量精度和喷射状态[3]。柴油雾化不良造成柴油的燃烧状态发生改变, 燃烧不完全, 尾气污染物排放增加, 并导致发动机工作不稳定, 使发动机功率下降, 比油耗上升, 烟度增加[4]。
根据喷油嘴结构形式的不同, 其沉积物的产生部位也不同。喷油嘴的结构形式主要有针阀式和轴针式2种[5]。针阀式又分为单孔和多孔喷油嘴, 主要用于直喷式柴油机。针阀式喷油嘴易于在喷嘴顶部的销形表面及喷孔处形成沉积物, 针阀式喷油嘴沉积物见图1。
轴针式分为柱形轴针式和锥形轴针式, 主要用于间喷式柴油机。轴针式喷嘴易于在轴针部位形成积炭, 轴针式喷油嘴沉积物及燃油的雾化见图2。从图2中可以看出, 使用低品质的柴油造成轴针顶部积炭, 影响了燃油的雾化。而使用高品质柴油后, 轴针顶部没有积炭, 燃油雾化良好。
1.2 影响喷油嘴沉积物生成的因素
柴油机喷油嘴沉积物的组成复杂, 是由碳烟、来源于未燃燃料的可溶性有机组分、燃料中的硫燃烧后生成的硫酸盐等组成。各成分在微粒中所占的比例会随着发动机的工况特征、技术水平和燃油品质等因素的不同而发生变化。长期以来, 对喷油嘴顶部积炭形成的机理尚无明确解释, 但通过大量试验普遍认为存在以下可能性。
(a) 喷油嘴顶部温度:在针阀式喷油嘴中, 由于喷嘴完全暴露于燃烧室中的高温气体之下, 受到高温、高压燃气的烘烤 (图3) , 使喷孔内部容易生成沉积物堵塞喷油孔[4]。
柴油机喷油系统的发展见表1。由表1可见, 随着先进燃油系统中高压共轨和细小喷油孔技术的发展, 采用每缸四气门设计更加减少了喷油嘴用以降温的空间, 导致喷油嘴顶部高温, 这种工作环境促进了沉积物的生成, 导致柴油雾化变差。
(b) 燃油中的不饱和烃:在柴油发动机喷嘴处, 由于受到高温的影响, 燃料的轻质组分挥发, 滞留在销形表面的重质组分在高温下发生氧化和聚合反应后形成胶质和树脂状沉积物, 最终形成干性沉积物堵塞喷油嘴[3]。通过对积炭成分采用X光电子能谱法 (XPS) 进行定量分析, 得出喷油嘴沉积物的元素组成为:66%�70%碳、2%�5%氮、16%�24%氧、2%�4%硫、5%�6%硅[6]。结果表明, 积炭中的主要成分是碳和氧, 因此积炭中占主导地位的碳是燃油中的不饱和烃聚合的产物。
2 试验台架的建立
2.1 清洁柴油评定试验方法的发展
清洁柴油评定试验方法对于清洁柴油的开发具有重要作用, 它利用喷油嘴沉积物与燃油的关系, 使用发动机台架作为评价手段, 试验的结果可以直接反映出燃油的清净性。国际上对于评价柴油清净性的发动机台架试验方法主要由欧洲的CEC和美国ASTM[7]组织建立。5种测试方法的比较见表2。
根据对比可见, 随着发动机技术的发展和排放法规的要求, 评价方法也进行了改进。其中, 间喷发动机采用测量喷嘴空气流量的方法进行评价;CECF35和CECF98测试方法采用测试发动机外特性变化的方式进行评价, 并且CECF98和OM646方法加入了热浸工况。由于喷油嘴的结构不同, 直喷发动机喷油嘴积炭过程相对于间喷发动机其时间较长[10]。
2.2 试验发动机
当前, 柴油发动机以直喷式发动机为主要发展趋势, 从试验方法的发展来看, 应该采用直喷式柴油机建立柴油清净性发动机试验台架。因此, 最终决定采用国内合资企业生产的捷达SDI柴油轿车发动机进行直喷发动机的清净性试验。该柴油机是国际成熟柴油动力技术, 它采用德国博世公司的柱塞式燃油分配泵喷射系统, 为自然吸气式柴油发动机。发动机技术参数见表3。
2.3 测功机与辅助系统
测功机选用AVL公司ALPHA160型电涡流测功机, 其额定扭矩是400N·m, 额定功率是160kW。试验台搭建采用AVL公司的PUMA OPEN内燃机测试系统。PUMA OPEN系统通过对发动机、测功机等设备的数据采集, 进行各种模拟信号和数字信号的转换, 通过计算机设定的试验运行程序进行控制信号的输出, 进而实现自动控制的过程。烟度仪采用AVL415S滤纸烟度仪。
3 试验方法研究
3.1 试验方法设计
参考国外试验方法, 使用直喷柴油机对所选用的柴油进行清净性能的评价。主要以试验前后发动机功率的损失为评价依据, 结合发动机扭矩损失、烟度、比油耗等参数确定柴油的清净性。
3.2 试验条件选择
喷油嘴温度过高是影响沉积物生成的重要因素, 因此可以通过监测发动机工况与喷油嘴工作温度的变化关系来决定试验工况。由于喷油嘴垫片的温度可以间接反映喷油嘴的工作温度, 发动机喷油嘴垫片温度变化见图4。
从发动机喷油嘴垫片温度数据分析可以看出, 直喷柴油机喷嘴处的温度随发动机的负荷及转速的升高而升高。由于直喷发动机的喷油嘴在高温条件下容易产生积炭, 因此试验工况应选择高速、高负荷工况进行。按照CECF98的试验工况, 试验中采用每循环停机1 h的热浸工况。总共进行15循环30h试验。由于捷达发动机与CECF98方法使用标致DW10发动机的最大功率不同, 试验工况中最高转速由4000r/min降为3000r/min。发动机循环工况见表4。
3.3 试验用油
在试验用油的选择上, 选用了生物柴油与柴油以不同比例的调和油作为试验用油。在生物柴油的调和比例选择上, 用10%、20%的菜籽油分别与0号柴油进行调和, 得到B10、B20调和油。0号柴油及B10、B20生物柴油理化分析见表5。
从表5可以看出, 随着生物柴油的加入, 混合后生物柴油的密度增大、闪点升高, 这是由于生物柴油的密度和闪点比柴油高。由于生物柴油主要是由长链脂肪酸甲酯组成, 因此混合后生物柴油的总芳烃含量下降。
3.4 直喷柴油机台架评价方法
试验结果评价。试验结束后采用在特定转速和油门下测量发动机扭矩变化的方式确定发动机喷嘴的堵塞情况。通过以下公式计算扭矩损失。
4 试验结果分析
4.1 生物柴油的使用
使用B20、B10和0号柴油进行喷油嘴沉积物的试验, 通过15个循环的试验发现发动机扭矩下降明显。0号柴油与B10、B20生物柴油扭矩损失对比见图5。
从图5中看出, 随着生物柴油掺混比例的提高, 发动机的扭矩明显下降, 说明发动机扭矩损失增加。在使用B20生物柴油后可以明显看出扭矩迅速降低, 表明掺混20%菜籽油后发动机喷油嘴沉积物增加显著, 生物柴油对喷油嘴沉积物的生成具有促进作用。B10生物柴油的扭矩损失与0号柴油接近, 表明掺混10%菜籽油对发动机喷油嘴沉积物的生成影响较小。
4.2 清净剂的使用
使用加入清净剂的生物柴油进行试验。通过对B10、B20中按照推荐剂量加入清净剂, 考察其对发动机性能的影响, 加剂前后B10和B20生物柴油发动机的扭矩损失见图6。
从图6中可以看出, 加剂前生物柴油的扭矩有不同程度的损失, 加入清净剂后, 扭矩损失都有所降低。表明清净剂对喷油嘴沉积物具有一定的清洗效果。随着生物柴油掺混比例的提高, 发动机的扭矩下降明显, 加入清净剂后可有效地阻止发动机扭矩下降。
5 结论及建议
(1) 通过参考CEC F98试验方法, 采用捷达直喷柴油机建立了评价生物柴油清净性的台架试验方法。
(2) 试验结果的评价以测量发动机扭矩变化的方式来确定发动机喷嘴的堵塞情况。
(3) 通过对生物柴油进行对比试验后可以看出, 生物柴油对喷油嘴的沉积物有影响, 加入清净剂后对喷油嘴沉积物有不同程度的改善。
(4) 建议今后根据排放法规及发动机技术的发展, 结合“发动机技术-清洁油品-排放”三者之间的关系, 利用排放分析仪完善评价方法。
参考文献
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