涡轮增压天然气发动机电控系统进气模型研究

针对天然气发动机普遍采用的进气充量标定方法精度和可移植性不高的问题,以一台潍柴WP10NG336涡轮增压火花点燃单点喷射全电控天然气发动机为研究对象,研究了基于物理模型的适合天然气发动机的进气充量模型。在平均值模型的假设基础上,采用折合气体流量描述进气过程,将进气过程流经缸内的气体细分为回流废气、扫气废气、倒流废气、始终驻留废气和新鲜折合气体,对涡轮增压器、节气门、进气管、排气管和气缸进行综合建模,并通过进气惯性对充量的影响来对模型进行简单修正。为验证模型的精确性,开展了针对WP10NG336天然气发动机的台架试验。试验结果表明,本文所提出的进气模型误差范围在4%以内,在占用较少计算资源的情况下能够准确地估计各种工作条件下发动机的实际稳态进气充量。

电控可调涡轮增压天然气发动机开发

将一台CA4 88汽油机改造为电控可调涡轮增压天然气发动机。该发动机采用了电控多点燃气顺序喷射技术、电控高能点火技术、可调喷嘴涡轮增压技术及中冷技术。试验研究表明 ,采用可调喷嘴涡轮增压技术可提高发动机的进气量 ,优化增压器在全工况范围内与发动机的匹配 ,大幅度提高发动机的动力性与经济性。增压后天然气发动机的最大功率与原汽油机相当 ,低速转矩特性明显改善 ,同时发动机使用经济性也得到提高。

增压方式对高原重型天然气发动机性能研究

国六当量重型天然气发动机普遍采用单级废气涡轮对新鲜充量进行增压,在高原低压环境下,相对较低的进气密度,单级废气涡轮增压方式无法提供工况稳定高效运行所需要的增压需求,导致发动机动力下降问题突出。为研究不同增压方式对国六当量重型天然气发动机高原性能的影响,通过发动机模拟高原台架测试,分析了单级废气涡轮增压和两级增压两种不同增压方式发动机在模拟高原低压环境下的性能表现。试验结果表明:两级增压方式可明显改善重型天然气发动机在高原低压环境下的动力下降问题。相比单级废气涡轮增压方式,在发动机安全运行的边界条件内,两级增压方式在平原环境下的功率密度可提升13.7%;2km海拔下发动机实现无功率损失,功率下降改善13%;2.5km海拔下发动机动力无损失;3km海拔下动力下降问题改善幅度较大,最大降幅由27.5%降低为10.2%。此外,高原低压环境下发动机增压器转速安全裕度的增加大大降低了增压器超速断轴问题的风险,提升了发动机运行的耐久可靠性。

带有可变喷嘴涡轮增压系统的天然气发动机试验研究

在CA4G22E发动机的基础上开发出了一台多点顺序喷射的天然气发动机。该发动机采用了增压中冷技术及可变喷嘴涡轮增压技术。试验结果表明,采用增压中冷技术和可变喷嘴涡轮技术可以提高发动机的进气量,优化发动机在全工况范围内与增压器的匹配,大幅度提高发动机的动力性与经济性。

天然气发动机可变喷嘴涡轮增压器匹配研究

针对488天然气发动机匹配了可变喷嘴涡轮增压器(VNT),设计了电子控制系统,并通过发动机试验研究了VNT匹配规律。天然气发动机VNT调节规律不仅与节气门开度(负荷)有关,也与发动机的转速有关。匹配试验结果表明:采用VNT增压技术后天然气发动机的功率和转矩显著提高,最大功率从58 kW提高到73 kW,最大转矩从156 N.m提高到212 N.m,且最大转矩点转速降低,大幅度改善了天然气发动机的动力性与经济性。

天然气发动机涡轮增压器匹配的研究

分别搭建了柴油机和改装后的天然气发动机的工作过程计算模型。在验证模型的有效性后,进一步对天然气发动机匹配增压器进行了模拟计算。结果表明,原增压器压气机对于改装后的天然气发动机流量偏大,外特性运行工况点大部分都在压气机的低效区域运行。通过计算匹配了新增压器,使天然气发动机的平均功率比采用原增压器高2.59%,最大扭矩高1.67%,而且发动机的动力性能接近原柴油机水平,为天然气发动机进一步标定奠定了基础。

VTR251涡轮增压器与12SGT纯天然气发动机的匹配研究

通过对12SGT纯天然气发动机技术参数的分析、计算，选配VTR251国产增压器，经过配机试验表明，VTR251增压器的性能完全满足12SGT纯天然气发动机的要求。其匹配性能优于原配12SGT增压器性能。

增压中冷柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性的实验研究

对天然气替代率、引燃柴油喷油时刻和中冷后进气温度等燃烧系统参数对增压中冷柴油 天然气双燃料发动机燃烧特性的影响进行了实验研究。研究结果表明:增压中冷柴油 天然气双燃料发动机的燃烧放热速率比纯柴油快,引燃柴油的着火时刻和缸内燃料空燃比值决定着双燃料发动机的燃烧特性,即着火时刻在上止点前且空燃比值较小时,其燃烧接近于定容燃烧过程,随着天然气替代率的升高,缸内最大爆发压力和最高燃烧温度升高;而着火时刻在上止点后且空燃比值较大时,其燃烧接近于等压燃烧过程,随着天然气替代率升高,缸内最大爆发压力和最高燃烧温度降低。最大爆发压力、最高燃烧放热率和最高燃烧温度随引燃柴油喷油提前角的增大而升高;而随着进气温度升高,最大爆发压力和缸内温度增大。

增压稀燃天然气发动机排放特性

为了研究增压稀燃天然气发动机的排放特性,对发动机进行了空燃比和点火提前角调整试验、十三工况排放等试验,并在增加氧化型催化转化器后进行了相关试验,对试验结果进行研究分析,获得了天然气发动机的排放规律。结果表明：NMHC排放随空燃比增大先减少后增加,NOx排放随空燃比增大先增加后减少,在空燃比19～21左右达到最大值。NMHC比排放随转速升高略有降低,NOx排放随转速升高先减小后增加,发动机最低NOx排放点所对应的发动机转速为1600～1800 r/min。定MAP下,NMHC排放随点火提前角增大先降低后增加,NOx排放随点火提前角增大而增大。加I型氧化催化器后发动机NOx、CH4、CO、NMHC排放值分别减少了15%、97%、78%6、0%。试验结果表明,增压稀燃和氧化型催化转化器相结合是天然气发动机一种有效方案。

488可调增压天然气发动机的模拟计算

将CA488汽油机改装成天然气发动机,并匹配合理的可变截面增压系统,利用软件对改装后的发动机进行性能模拟。结果表明,对可调增压器进行合理的控制,可将改装后的天然气发动机动力性恢复到原机水平。

燃烧系统参数对增压中冷柴油-天然气双燃料发动机排放特性和经济性影响的实验研究

将一台6缸、增压中冷柴油机改装为混合器进气方式的柴油 天然气双燃料发动机,对其燃烧系统参数对双燃料发动机排放和经济性的影响进行了实验研究,包括引燃柴油喷油时刻、天然气替代率、中冷后进气温度的影响。双燃料发动机的排放与空燃比及燃烧系统参数密切相关。替代率增加时,排气烟度降低,HC排放升高,当量燃油消耗率升高,CO排放在替代率较小时随替代率增加而升高,但在替代率较高时随替代率增加而略有降低。替代率对NOx排放的影响则与发动机工况有关,在最大转矩和低速大负荷工况,空燃比值较小,NOx排放随替代率的升高而增大;在标定功率工况,空燃比较大,NOx排放随替代率的升高而减小。提前角减小,NOx排放降低。中冷后温度升高,碳烟排放和NOx排放升高,HC和CO排放降低,当量燃油消耗率降低。研究结果表明,采用增压中冷技术、提高CNG替代率、减小引燃柴油喷油提前角,能够有效地降低双燃料发动机的有害排放物。

增压稀燃天然气掺氢发动机排放特性

为了研究20％掺氢比的增压稀燃天然气掺氢（HCNG）发动机的排放特性，通过对发动机进行了空燃比和点火提前角调整试验、ETC循环测试试验和加装氧化型催化器试验，获得了20％HCNG发动机的排放规律。CH4排放随着空燃比的增大先减少后增加；CO排放在高于理论空燃比后骤减；NOx排放随着空燃比的增大先增加后减少，在空燃比19～21左右达到最大值，1600～1800r／min时最低。CO、NOx随着点火提前角的增大而增加；CH4随着点火提前角的增大略有增加，并且点火提前角越大，对CH4排放的影响越小。加装催化器后，CO、CH4的转化效率均〉90％。试验结果表明：增压稀燃和氧化型催化器相结合是天然气掺氢发动机节能减排的有效方案。

稀燃增压点燃式天然气发动机运行区域拓展研究

稀燃增压天然气发动机的经济性和排放优势取决于发动机的工作区域大小。基于稀燃增压点燃式压缩天然气(CNG)发动机的试验数据,分析了发动机运行区域的限制因素,包括:爆震限制、稀燃限制、增压限制以及涡前温度限制。缸内压力通过高频率传感器采样得到,用于分析爆震相关参数特性,平均有效压力的循环变动系数用作稀燃失火判据。在不同工况,分析了各参数对各限制因素的影响。通过优化发动机结构、标定参数以及控制策略,发动机运行区域得到了有效地拓宽。

天然气发动机的涡轮增压器喘振研究

介绍了天然气发动机的进气特点及工况,分析了增压器与发动机的匹配特点及发生喘振的原因。并对不同的增压器喘振控制调节措施进行分析比较。

柴油/天然气双燃料增压发动机燃烧与排放特性研究

介绍了WD614-64涡轮增压柴油发动机燃用柴油/天然气双燃料的燃料供给系统设计和控制系统设计,研究了双燃料发动机的燃烧和排放特性,对涡轮增压柴油机改装成柴油引燃天然气的双燃料发动机的工作具有理论指导意义。

增压稀燃天然气掺氢发动机稳态标定

以东风EQD210N—20天然气发动机为原型机,在燃用体积掺氢比为20%的HCNG燃料的条件下,根据某公司电控系统的相关资料,分析了电控系统内部的控制策略,结合HCNG燃料自身的特点,对HCNG发动机进行稳态工况标定。外特性和其他工况采用不同的空燃比控制策略以使标定后的电控系统可以同样适用于HC-NG发动机,并且标定后的HCNG发动机满足国Ⅲ排放标准,其动力性和经济性与原型机水平相当。

柴油/天然气双燃料增压发动机的性能研究

针对6105增压柴油/天然气发动机,通过提高发动机的压缩比、改进燃烧室结构,改善了发动机的经济性能,尤其降低了低速工况时的比油耗和排气烟度。同时,对供油提前角和天然气替代柴油率对发动机性能的影响进行了深入的探讨。试验结果表明适当增大双燃料发动机的供油提前角对其经济性是有利的,CO和HC排放降低,但NOx排放增加;替代率是影响发动机排放的重要因素之一。

新型天然气发动机涡轮增压器热机疲劳研究

涡轮增压器蜗壳在周期性冷热交变的载荷下工作,容易产生热应力,导致蜗壳产生热机疲劳开裂,从而影响发动机性能甚至功能性失效。文章在传统的柴油发动机涡轮增压器研究的基础上,对新型的天然气发动机涡轮增压器进行了研究。通过实验研究气体与金属换热及对流情况,建立了气体与固体热交换模型,此模型可为后续的热机疲劳分析提供换热边界。同时对蜗壳进行了热机疲劳有限元数值分析,并与柴油发动机涡轮增压器蜗壳热机疲劳模型进行对比,根据分析结果,提出了天然气发动机涡轮增压器蜗壳冷热冲击试验的参考标准及蜗壳材料选择的指导性意见。

高原型无人机活塞发动机涡轮增压器匹配研究

目的为了研究利用汽车发动机开发低成本民用航空无人机活塞发动机的应用价值,方法提出基于汽车涡轮增压发动机的高海拔性能劣化补偿目标的开发方法。选取某型车用活塞式涡轮增压发动机,分析变海拔环境下的增压器-发动机匹配条件,评估汽车涡轮增压发动机在无人机飞行包线的边界内性能变差程度。通过目标海拔高度条件下的仿真计算,获得新涡轮增压器的目标增压压比和发动机进气流量。以此计算结果为目标新增压器的性能边界,选定某型号涡轮增压器,其性能输出特性能够覆盖该发动机作为无人机动力的进气目标增压压力和流量。在平原和高高原条件下开展无人机飞行性能验证,对新开发增压器的压气叶轮和涡轮叶轮产生的压比、膨胀比以及各自的折合流量分别进行校核,分析无人机在不同海拔环境下的飞行测试数据。结果结果表明,新匹配的涡轮增压器在海拔4200 m的高高原条件下搭载试验发动机,压气机压比为3.2,换算流量0.092 kg/s,运行区间在增压器叶轮的MAP包络线以内,能够使无人机达到28.2%的悬停有效载荷比,性能达到高高原载重飞行的技术要求。结论利用汽车涡轮增压发动机,按照无人机飞行包线内工况,重新匹配涡轮增压器的压气机,并校核涡轮机运行工况,能够实现满足民用航空无人机对高高原低空载重飞行性能的基本要求,匹配方法为新产品开发应用提供了理论指导。

增压天然气发动机进气流量建模研究

增压天然气发动机中进气流量对于燃气喷射脉宽和空燃比控制都有重要作用,对进气流量的计算与预测很有必要。而目前广泛应用在汽油机上的进气流量模型是平均值模型中节气门流量子模型,不适用于增压天然气发动机。本文基于平均值模型中节气门流量子模型和进气歧管子模型,依据大量实验数据,通过拟合经验公式提出了一种改进模型,将改进后的模型用于增压天然气发动机进气流量的预测,并进行了稳态工况和动态工况的验证。结果表明,新模型可以用于稳态工况和动态工况的流量预测。