船用双燃料发动机特性研究
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摘要
能源危机和环境问题使得天然气发动机的研究成为发动机技术的一个重要发展方向。其中用柴油作引燃燃料的柴油/CNG双燃料发动机以其改装方便、经济性好、热效率高等优点日益受到重视。
本文选用船用柴油机2135G改装成双燃料发动机；以MC9S12XDP512单片机为核心设计了电路板用来处理发动机状态参数信号、控制步进电机以及和监控界面进行通讯。基于LabVIEW软件,本文设计了双燃料发动机监控系统,实现了柴油机转速显示、爆震信号显示、步进电机控制等功能。
谐振进气系统是提高发动机的充气系数、改善其动力性能的一种行之有效的方法。根据谐振理论,本文设计了一套谐振腔进气系统,在双燃料发动机试验台上研究了谐振腔体积对发动机动力性能的影响。试验表明,谐振进气系统能够增加进气量,为CNG单一燃料发动机功率提升做了技术储备。
本文研究了基础油量对双燃料发动机性能的影响。试验表明,在相同负荷下,基础油量增加,CO排放减少,NOx排放增加,在中低负荷时尤为明显。在高负荷时改变基础油量对CO和NOx的排放影响变小。
本文研究了喷油提前角对双燃料发动机性能的影响。试验表明,当供油提前角增加时,NOx排放升高,CO的变化不明显,因此增大供油提前角对降低NO、排放不利。若供油提前角过小,则会出现严重的后燃现象,爆震值增加。
The energy crisis and environmental problems make natural gas engines become an important engine technology development direction. The diesel/CNG dual fuel engine causes more and more attention for its refitting convenient, economical and high thermal efficiency.
We configure a dual fuel engine by using a marine diesel engine 2135G;design a circuit board to handle engine state parameter signals、control stepping motor and communicate with monitoring interface by using a MC9S12XDP512 singlechip. We design control system based on LabVIEW software to display the diesel engine speed, knock signal and control the stepping motor.
Resonant air intake system is a kind of effective method to improve the air intake coefficient of engine and the dynamic performance. We design a resonant air intake system according to the resonance theory and study the influence of the resonator to the engine dynamic property. Test shows that resonant air intake system can increase air intake flow which does technical reserves for CNG single fuel engine power increasing.
We study the influence of base oil amount to the dual fuel engine performance. Test shows that CO emission decreases while NOx emission increases with the increasing of base oil amount under the same load.and it is more apparent under small and middle load.
We also study the influence of fuel supply advance angle to the dual fuel engine performance. Test shows that NOx emission increases while CO emission does not change significantly with the increasing of fuel supply advance angle. So it is not beneficial to NOx emission by increasing the fuel supply advance angle. But it will appear to be a serious afterburning phenomenon and the detonation value will increase if the fuel supply advance angle is too small.
本文选用船用柴油机2135G改装成双燃料发动机；以MC9S12XDP512单片机为核心设计了电路板用来处理发动机状态参数信号、控制步进电机以及和监控界面进行通讯。基于LabVIEW软件,本文设计了双燃料发动机监控系统,实现了柴油机转速显示、爆震信号显示、步进电机控制等功能。
谐振进气系统是提高发动机的充气系数、改善其动力性能的一种行之有效的方法。根据谐振理论,本文设计了一套谐振腔进气系统,在双燃料发动机试验台上研究了谐振腔体积对发动机动力性能的影响。试验表明,谐振进气系统能够增加进气量,为CNG单一燃料发动机功率提升做了技术储备。
本文研究了基础油量对双燃料发动机性能的影响。试验表明,在相同负荷下,基础油量增加,CO排放减少,NOx排放增加,在中低负荷时尤为明显。在高负荷时改变基础油量对CO和NOx的排放影响变小。
本文研究了喷油提前角对双燃料发动机性能的影响。试验表明,当供油提前角增加时,NOx排放升高,CO的变化不明显,因此增大供油提前角对降低NO、排放不利。若供油提前角过小,则会出现严重的后燃现象,爆震值增加。
The energy crisis and environmental problems make natural gas engines become an important engine technology development direction. The diesel/CNG dual fuel engine causes more and more attention for its refitting convenient, economical and high thermal efficiency.
We configure a dual fuel engine by using a marine diesel engine 2135G;design a circuit board to handle engine state parameter signals、control stepping motor and communicate with monitoring interface by using a MC9S12XDP512 singlechip. We design control system based on LabVIEW software to display the diesel engine speed, knock signal and control the stepping motor.
Resonant air intake system is a kind of effective method to improve the air intake coefficient of engine and the dynamic performance. We design a resonant air intake system according to the resonance theory and study the influence of the resonator to the engine dynamic property. Test shows that resonant air intake system can increase air intake flow which does technical reserves for CNG single fuel engine power increasing.
We study the influence of base oil amount to the dual fuel engine performance. Test shows that CO emission decreases while NOx emission increases with the increasing of base oil amount under the same load.and it is more apparent under small and middle load.
We also study the influence of fuel supply advance angle to the dual fuel engine performance. Test shows that NOx emission increases while CO emission does not change significantly with the increasing of fuel supply advance angle. So it is not beneficial to NOx emission by increasing the fuel supply advance angle. But it will appear to be a serious afterburning phenomenon and the detonation value will increase if the fuel supply advance angle is too small.
引文
[1]王东芹.点火时刻和啧气时刻对天然气发动机性能的影响.吉林大硕士学位论文.2009年5月：1-4页
[2]袁华智.电控汽油/CNG两用燃料发动机故障模拟试验及诊断研究.长安大学博士学位论文.2010年6月：5,44-45页
[3]吴家兵.CNG/柴油双燃料发动机热负荷的实验研究及其数值仿真.武汉理工大学硕士学位论文.2006年4月：10-12,27-31页
[4]钟睿.基于GT-Power的CNG摩托车发动机性能优化研究.重庆交通大学硕士学位论文.2010年6月：4-6,6-8
[5]姚鑫.电控汽油一压缩天然气(CNG)两用燃料发动机匹配标定研究.长安大学硕士学位论文.2008年11月：1-2
[6]董兵.CNG汽车市场亟待突围.中国联合商报.2010年1月25日第C03版
[7]廖均.智电控汽油-压缩天然气(CNG)两用燃料发动机动力性恢复研究.长安大学硕士学位论文.2005年05月：7-8
[8]Michihiko Tabata, et al.,In-Cylinder Fuel Distribution, Flow Field, and Combustion Characteristics of aMixture Injected SI Engine. SAE Paper 9501043
[9]Nakanishi K et al. Development of a new intake system for a 4-valve lean burn engine. Tech Pap FISITA Congr VOL.24th NO. Vol.2(1992)
[10]M. Ishii, S. Ishizawa, E. Inada, R. Idoguchi, T. Sekiba. Experimental Studies on a Natural Gas Vehicle. SAE Paper94200
[11]Yuji Yamamoto, Katsuhiko Sato and Shunich Tsuzuki. Study of Combustion Characteristics of Compressed Natural Gas as Automotive Fuel. SAE paper 940761
[12]Umiersky, M., and Huchtebrock, B. CNG concepts for Passenger Cars and Light-Duty Vehicle Challenging Diesel Powertrains. SAE_NA Paper 2003-01-45
[13]刘永峰,张幽彤,裴普成.天然气发动机汽车的优势和发展现状.现代化工.2006：395-397
[14]彭雪飞,王云鹏,隗海林.CNG/汽油两用燃料发动机点火提前角控制试验研究.交通与计算机.2008年第3期
[15]陆小明,高孝洪,冯春晃.利用进排气系统调谐改善EQ6100汽油机性能.内燃 机工程.1995年第3期.28页
[16]韩小强.CA4102天然气发动机仿真优化设计.吉林大学硕士学位论文.2007年6月.30-32
[17]贾丽冬,陈传举,李翔,李军.采用谐振进气系统的汽油/LPG双燃料.发动机农业机械学报.2006年4月第37卷第4期：38-39
[18]杨立平,马修真,宋恩哲,李君,李学民.废气再循环对天然气发动机性能影响.研究车用发动机.2010年4月第2期
[19]赵嘉鼎倪琴华王永达进气管结构参数对四冲程多缸高速车用柴油机充气效率及性能的影响.中国内燃机测试学术年会.1983年10月：36-38页
[20]杨立平,李君,马修真,高莹.进气管结构对天然气发动机性能影响的模拟与试验研究.车用分动机.2010年8月第4期
[21]朱建军.利用进排气系统的不稳定流动提高汽油机充气效率的研究.太原理工大学硕士学位论文.2002年5月
[22]薄清荣,樊久铭,孙绍重,张辑洲.利用谐振进气改善柴油机的性能.哈尔滨工业大学学报.1998年2月第30卷第1期：125
[23]黄豪中.利用谐振进气系统改善车用柴油机性能的研究.广西大学硕士学位论文.2002年6月：7-12页
[24]贾丽冬.汽油/LPG双燃料发动机谐振进气系统研究.河南科技大学硕士学位论文.2005年5月：11-15页
[25]李建文,高桐生,肖永宁.四冲程内燃机谐振进气系统的特性分析及其对进气过程的影响.内燃机工程.1987年第2期：23-27
[26]杨中极,蒋德明.谐振进气管系统的分析方法.西安交通大学学报.1982年12月第16卷第6期：2-4页
[27]邵晓杰.基于61352柴油机的CNG单燃料发动机性能模拟研究.西南交通大学硕士研究生学位论文.2008年6月：48-50
[28]万一进.CNG／汽油两用燃料发动机点火正时控制研究.吉林大学硕士学位论文.2007年6月：25-32
[29]彭雪飞.CNG单燃料多点喷射发动机电控系统开发及性能研究.吉林大学博士学位论文.2008年12月：48-50
[30]杨立平.4SH-N天然气发动机工作过程优化及排放控制.吉林大学博士学位论文2008年10月：9-11
[31]张武高,周明,欧阳明高柴油.天然气双燃料发动机的燃烧特性分析.内燃机学报.2000年第3期第18卷：299-303
[32]赵俊华.LPG/柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的研究.合肥工业大学硕士学位论文.2002年6月：55-59
[33]林志强,苏万华.柴油引燃式天然气发动机最佳引燃柴油量及过量空气系数浓限、稀限的研究内燃机学报.2002年第6期第20卷：505-509
[34]王军,王继卫.CNG/柴油双燃料车用发动机排放特性研究.汽车工程.2004年第1期：34-37
[35]程峰,梁晓娟,高玉根6105ZQS双燃料发动机的开发及试验研究内燃机200年6月第3期：34-38
[36]张纪鹏,高青,孙济美,郝利君.天然气/柴油双燃料发动机排放的影响因素.兵工学报坦克装甲车与发动机分册.2000年第2期：15-18
[37]潘志翔,罗齐江,张新塘,李格升,叶林.车用CNG/柴油双燃料发动机试验研究.武汉理工大学学报.2001年6月第25卷第2期：187-189
[38]邓焱,王磊.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用.机械工业出版社,2004.8：
[39]兰欣.电控柴油机控制模拟平台的研究.山东大学硕士学位论文.2008：1-3页
[40]龙脉工作室,岂兴明,周建兴,矫津毅.LabVIEW8.2中文版入门与典型实例.人民邮电出版社,2008年7月第一版
[41]张凯,周陆,郭栋.LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发.国防工业出版社,2004年6月第一版
[42]侯国屏,王珅,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.清华大学出版社.2005年2月第一版
[43]雷振山.LabVIEW7 Express实用技术教程.中国铁道出版社.2004年4月第一版
[44]展靖华.基于LabVIEW不同燃烧室形状的天然气发动机排放预测.西南交通大学硕士学位论文.2010：34
[45]刘斌彬.柴油机综合电控系统与监控系统的开发.北京交通大学硕士学位论文.2006：36-42
[46]邓焱,王磊.LabVIEW7.1测试技术与仪器应用.机械工业出版社2004.8：
[47]王晓明.电动机的单片机控制.北京航空航天大学出版社,2002年5月第1版：133-139页
[48]Lu Ping, Wang Zhiqiu, Zhang Zhihua, Sun Jun. Design and Experiments of a Digital Governing System for Diesel-Generator Sets. Neiranji Xue bao/Transactions of CSICE, v10, n3,1992, P.227,1000-0909
[49]Kubota Yuzuru, Hayashi Shigenobu, Kajitani Shuichi. On The Frequency Response Of Engine Speed In Internal Combustion Engines. SAE (Society of Automotive Engineers) Transactions, v 99, n Sect 3,1990,1348-1358P
[50]朱勇,陈其乐,刘浩.单片机原理与应用技术.清华大学出版社.2006年1月第一版
[51]王宜怀,刘晓升.嵌入式系统——使用HCS12微控制器的设计与应用.北京航空航天大学出版社.2008年3月第一版
[52]沙占友,王彦朋,孟志永.单片机外围电路设计.电子工业出版社.2001年1月第一版
[53]席志红.电子技术.哈尔滨工程大学出版社.2004年2月第一版
[54]席志红.电工技术.哈尔滨工程大学出版社.2003年5月第一版
[55]杨国田,白焰.摩托罗拉68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术.中国电力出版社.2003年9月第一版
[56]王威.HCS12微控制器原理及应用.北京航空航天大学出版社.2007年10月第一版：140-145
[2]袁华智.电控汽油/CNG两用燃料发动机故障模拟试验及诊断研究.长安大学博士学位论文.2010年6月：5,44-45页
[3]吴家兵.CNG/柴油双燃料发动机热负荷的实验研究及其数值仿真.武汉理工大学硕士学位论文.2006年4月：10-12,27-31页
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[30]杨立平.4SH-N天然气发动机工作过程优化及排放控制.吉林大学博士学位论文2008年10月：9-11
[31]张武高,周明,欧阳明高柴油.天然气双燃料发动机的燃烧特性分析.内燃机学报.2000年第3期第18卷：299-303
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[54]席志红.电工技术.哈尔滨工程大学出版社.2003年5月第一版
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[56]王威.HCS12微控制器原理及应用.北京航空航天大学出版社.2007年10月第一版：140-145