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随着全球经济快速发展,全球范围内汽车保有量不断增加,能源危机和环境污染日益加剧。同时越来越严格的排放和油耗限值等法规逐渐实施,“节能减排”已经成世界汽车工业面临的两大关键性问题。能源结构的变化使得越来越多的国家依赖新能源技术,加强对新型能源的研究和投入已经是当务之急。天然气因其资源丰富、开采成本低,燃烧时CO2的比排放浓度低于柴油和汽油,并且不产生Sox和颗粒物,被认为是21世纪首选推广的清洁能源。天然气和柴油双燃料电控技术能够弥补天然气发动机的动力损失,实现天然气发动机的高效、低能耗、低排放等。本文研究开发了一套天然气单点喷射加混合器方式的双燃料控制系统,通过发动机的台架试验,分析了柴油和天然气的主要参数对双燃料发动机性能的影响。
双燃料供给系统中保留原机柴油燃料供给系统不变,增加天然气燃料供给系统。天然气从气瓶出来经减压器和过滤器后,通过一组喷嘴喷射至混合器与增压中冷后空气混合形成可燃混合气,最后随着进气进入燃烧室燃烧。完成了双燃料供给系统的总体结构设计和关键零部件的选型。
双燃料控制系统是基于MACS565快速原型控制系统开发设计的,MACS565是一款使用方便、简单实用的快速原型控制器系统。主要有集成输入和输出信号调节的MACS565快速原型控制器、Simulink软件、标定软件、可选扩展模块四部分。系统采用低成本的实时工作平台编译源代码程序,可以通过开源编译软件实现多任务的功能。因此能够大大缩短控制系统的开发时间和成本。完成了双燃料控制系统的Simulink模型的搭建,模型中每个信号的处理都加入了相应的保护和自学习功能,使得双燃料控制系统的控制更加精确和稳定。同时完成了控制系统线束的设计,并利用汽车模拟器的传感器模拟信号验证控制系统的各项功能。
利用自行开发设计的双燃料控制系统,通过台架试验分析双燃料发动机的性能。试验结果表明:基于高压共轨柴油系统的CNG/柴油双燃料发动机在保证动力性的条件下,同时考虑到柴油喷油器的冷却、排气温度保护和排气污染物等因素,天然气掺烧的替代率最高可以达到90%以上,并且发动机没有出现爆震现象。通过切换开关发动机在双燃料和纯柴油两种运行模式之间可以轻松实现切换。双燃料运行模式时的发动机涡轮增压器后的排气温度和纯柴油相比没有明显升高;中低负荷双燃料的有效热效率要低于纯柴油,大负荷时的有效热效率和纯柴油一致甚至可以略高于纯柴油;在同一稳定工况点,随着天然气掺烧的替代率的增加,双燃料发动机的CO排放浓度先升高后降低,HC和Nox的排放浓度则升高;当天然气掺烧替代率达到一定值时双燃料运行模式时的碳烟浓度相比纯柴油模式运行明显降低。在保证原机动力性的条件下,试验发动机双燃料模式运行时的经济性和排放特性都要优于纯柴油运行模式。