1、第2期(總第187期)2010年4月車用發(fā)動機(jī)VEHICLEENGINENo.2(SerialNo.187)Apr.2010性能研究柴油機(jī)改裝CNG發(fā)動機(jī)試驗研究羅福強(qiáng)1,陸三春1,徐紅林1,鄧金滔2,王飛2,張鵬2(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013;2.上海格令汽車電子有限公司,上海200235)摘要:采取優(yōu)化標(biāo)定的方法,對1臺由柴油機(jī)改裝的電控4缸CNG發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架標(biāo)定,在綜合考慮性能和排放的基礎(chǔ)上,成功制取了主要相關(guān)MAP,并把試驗結(jié)果與原柴油機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,電控CNG發(fā)動機(jī)與原柴油機(jī)相比動力性有所下降,但其排放明顯優(yōu)于原柴油機(jī)。關(guān)鍵詞:天然氣

2、發(fā)動機(jī);標(biāo)定;排放;動力性中圖分類號:TK432文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號:100122222(2010)0220027204汽車尾氣排放已成為城市空氣污染的主要因素,加之日益嚴(yán)峻的能源問題,世界各國在制定各種嚴(yán)格的車輛排放法規(guī)來規(guī)范汽車生產(chǎn)和使用的同時,大力發(fā)展代用燃料汽車。天然氣具有資源、成本和排放優(yōu)勢,所以天然氣汽車在國內(nèi)迅速發(fā)展起來,到2007年底,全國16共發(fā)展天然氣汽車26.5555座。發(fā)動機(jī)采用電子控制系統(tǒng),但仍采用柴油機(jī)的控制策略,采集負(fù)荷和轉(zhuǎn)速來查取MAP數(shù)值,通過水溫、,最后再利用ECU功能,降、電子節(jié)氣門、高、高壓電磁閥、寬域氧傳感器等主要部件。ECU采用Freescale3

3、2位微控制器(MCU)PowerPC564為內(nèi)核,主頻4066MHz,512kBFlash,32kBCALRAM,具有強(qiáng)大的接口和軟件支持能力。表1CNG發(fā)動機(jī)主要性能指標(biāo)型式缸徑/mm行程/mm直列立式4行程110125124.37石油資源,。CNG技術(shù)可以提高燃料經(jīng)濟(jì)性,同時改善排放。燃?xì)鈬娚淞俊Ⅻc(diǎn)火提前角及空燃比等是影響CNG發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵,因此,柴油機(jī)改裝成CNG發(fā)動機(jī)需要進(jìn)行細(xì)致標(biāo)定,獲取精確的MAP數(shù)據(jù),并與原機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。1標(biāo)定功率/kW標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速/rmin-1最大扭矩/Nm最大扭矩轉(zhuǎn)速/rmin-1120230062014001試驗臺架及標(biāo)定方法1.1試驗用機(jī)與試驗設(shè)備

4、壓縮比排量/L50/rmin-1650±試驗用機(jī)是在4110柴油機(jī)的基礎(chǔ)上研制的電控增壓單一燃料的電控CNG發(fā)動機(jī),電控系統(tǒng)采用CNG單點(diǎn)電噴ECU,該CNG發(fā)動機(jī)主要性能指標(biāo)見表1。主要試驗設(shè)備有發(fā)動機(jī)臺架試驗系統(tǒng)、電渦流測功機(jī)、TDS2014B4通道示波器、pAuto2000五氣分析儀、UT33D萬用表和計算機(jī)。發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)見圖1。1.2電控系統(tǒng)天然氣與柴油的物理特性不同,改裝后的CNG收稿日期:2010201212;修回日期:2010203215),男,教授,主要研究方向為發(fā)動機(jī)工作過程與排放控制;luofq。作者簡介:羅福強(qiáng)(1963圖1CNG發(fā)動機(jī)試驗系統(tǒng)示意圖28車用發(fā)

5、動機(jī)2010年第2期圖2ECU1.3標(biāo)定方法,、降低標(biāo)定費(fèi)3。以點(diǎn)火提前角MAP標(biāo)定為例,圖3。理匹配,標(biāo)定,組合狀態(tài),最終保證發(fā)動機(jī)具有良好的綜合性能。優(yōu)化標(biāo)定依靠常規(guī)的試驗設(shè)備和自行開發(fā)的標(biāo)定系統(tǒng),應(yīng)用穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和過渡工況修正相結(jié)合的方法,在發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況下,優(yōu)選有限多個工況點(diǎn)代表整個面工況。對于每個優(yōu)化節(jié)點(diǎn),通過標(biāo)定系統(tǒng)在線修改控制參數(shù)并測取各種控制參數(shù)下發(fā)動機(jī)的各項性能指標(biāo),不同工況下控制參數(shù)的變化對發(fā)動機(jī)整體性能的影響權(quán)重通過加權(quán)因子來體現(xiàn)。通過通信接口系統(tǒng),將電控系統(tǒng)按照事先確定的優(yōu)化過程及步驟進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定。優(yōu)化標(biāo)定方法是1個圖3點(diǎn)火提前角標(biāo)定流程22試驗結(jié)果與分析2.1MAP圖的

6、制取電控系統(tǒng)MAP圖的標(biāo)定主要包含法規(guī)工況的標(biāo)定和非法規(guī)工況的標(biāo)定。法規(guī)工況標(biāo)定是在滿足排放法規(guī)的前提下使發(fā)動機(jī)性能達(dá)到最優(yōu);非法規(guī)工況匹配標(biāo)定更關(guān)注發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。排放法規(guī)不同對發(fā)動機(jī)各性能要求也不同。此次試驗為了滿足發(fā)動機(jī)廠提出的扭矩要求,將扭矩為第一指標(biāo)去標(biāo)定該發(fā)動機(jī),但為了在加裝后處理裝置后達(dá)到國排放要求,考慮了發(fā)動機(jī)的NOx排放。優(yōu)化標(biāo)定后最終獲得的MAP圖見圖4至圖7。圖4過量空氣系數(shù)MAP292010年4月羅福強(qiáng),等:柴油機(jī)改裝CNG發(fā)動機(jī)試驗研究門開度隨著油門踏板開度增大而增大,在最大扭矩點(diǎn)時,節(jié)氣門開度相對較大,這是為了供給較多空氣以及更多的噴氣量來獲得較大扭矩。怠速

7、時噴氣脈寬在5ms左右,噴氣脈寬隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小,隨著節(jié)氣門開度的增加而增加。CNG發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角隨著轉(zhuǎn)速升高而增大,在2300r/min時達(dá)到了33°CA,整體比柴油機(jī)點(diǎn)火提前角要大,這與氣體燃料的燃燒速率有關(guān)。2.2試驗結(jié)果比較分析圖8示出電控CNG發(fā)動機(jī)與原機(jī)在外特性下的扭矩對比。由圖8可以看出,柴油機(jī)改裝成單一圖5節(jié)氣門開度MAP燃料CNG發(fā)動機(jī)后,總體扭矩有所下降,在2200r/min時,CNG發(fā)動機(jī)扭矩下降了10%,這主要是因為CNG發(fā)動機(jī)壓縮比下降很多,采用稀燃方式時,供氣量只有理論空燃比的1/3,另外采用。在標(biāo)定過程中,通過提高,但發(fā)現(xiàn)NOx。圖6噴氣脈寬

8、MAP圖8扭矩對比圖9示出CNG發(fā)動機(jī)與柴油機(jī)在外特性下的排氣溫度對比。由圖9可以看出,CNG發(fā)動機(jī)總體排氣溫度有所降低,且柴油機(jī)和CNG發(fā)動機(jī)總體排溫與常規(guī)試驗數(shù)據(jù)相比都偏低,這主要是因為試驗臺架排氣溫度傳感器距排氣管過遠(yuǎn),安裝欠規(guī)范,但由于是同一臺架的試驗,結(jié)果仍具有可比性。電控CNG發(fā)動機(jī)的排氣溫度低于柴油機(jī)主要有兩方面原因:第一,采用稀薄燃燒使燃燒速度放緩,降低了最高燃燒溫度;第二,通常CNG發(fā)動機(jī)的減壓器需要發(fā)動機(jī)的冷卻水加熱,這是為了避免儲氣瓶出來的低溫天然氣使減壓器結(jié)冰,而本試驗采用進(jìn)口圖7點(diǎn)火提前角MAP此標(biāo)定試驗中采用稀燃技術(shù),過量空氣系數(shù)在全負(fù)荷工況下控制在1.5左右,此時

9、燃料消耗量最低,發(fā)動機(jī)輸出功率最大,NOx排放較低4。節(jié)氣全金屬減壓器,不需要冷卻水加熱,減壓器出口溫度在-10左右,降低了混合氣的溫度,實際上對氣缸起到了冷卻作用,從而降低了排氣溫度。排氣溫度越高,發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷就越高5。因此,該電控CNG發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷比柴油機(jī)要低。30車用發(fā)動機(jī)2010年第2期3結(jié)論a)利用優(yōu)化標(biāo)定方法對改裝后的電控CNG發(fā)圖9排氣溫度對比動機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定,成功制取了相關(guān)MAP數(shù)據(jù),由于試驗條件的限制,在后階段工作中還需對若干修正MAP進(jìn)行大量試驗標(biāo)定;b)對CNG發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)與柴油機(jī)作了比較,柴油機(jī)改裝成電控單一燃料CNG發(fā)動機(jī)后,動力性有所下降,今后還需要進(jìn)一步對CNG

10、發(fā)動機(jī)動力性恢復(fù)進(jìn)行相關(guān)研究;c)電控CNG發(fā)動機(jī)排放明顯優(yōu)于柴油機(jī),但需要對甲烷的排放作進(jìn)一步研究。CNG發(fā)動機(jī)由于采用電控稀燃等技術(shù)使得CO和HC排放比柴油機(jī)下降很多,所以標(biāo)定時更多關(guān)注NOx排放。圖10示出外特性下NOx排放對比。從圖10可以看出,兩曲線的變化趨勢相近,電控CNG發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷時的NOx排放總體比柴油機(jī)低,最大扭矩點(diǎn)的NOx排放下降了25%,這主要是因為缸內(nèi)燃燒溫度降低。參考文獻(xiàn):1郭林福,張欣,李國岫.電控天然氣發(fā)動機(jī)燃料噴射和點(diǎn)火的控制方法J.,2005(8):29233.2.北京:清華大學(xué),等.增壓電噴天然氣發(fā)動機(jī)的J.北京交通大學(xué)學(xué)報,2006(8):30234.

11、4劉艷,劉建華,張欣.電控CNG發(fā)動機(jī)性能分析及試驗研究J.試驗測量,2006(5):27230.圖10NOx排放對比5JohnTK,DanielJP,ChristopherPC.LeanLimitandperformanceImprovementsforaHeavy2DutyNaturalGasEngineC.SAEPaper961939,1996.ExperimentalStudyonCNGEngineModifiedfromDieselEngineLUOFu2qiang1,LUSan2chun1,XUHong2lin1,DENGJin2tao2,WANGFei2,ZHANGPeng2(1

12、.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China;2.ShanghaiGLAutomotiveElectronicsCo.Ltd.,Shanghai200235,China)Abstract:Thecalibrationwascarriedoutonanelectronicallycontrolled42cylinderCNGenginemodifiedfromdieselengine.Basedontheperformanceandemission,theMAPwasacquiredandthecomparisonbetweenCNGengineanddi