新型工業用火花點火雙燃料發動機的開發

【日】 K.Fujimura T.Kawasaki S.Kishi T.Tokunaga K.Shiraishi

0 前言

久保田公司已在排量1.0L以下柴油機的基礎上開發出工業用水冷汽油機。這些發動機可與柴油機實現尺寸互換，并且具有高可靠性和高耐久性。然而，由于對更高功率的追求，以及各種不同用途對先進發動機控制需求的日益增加，用戶對全電控和更大排量發動機的需求也日益增長。另一方面，美國針對非道路用火花點火發動機的排放法規越來越嚴格，尤其是計劃對排量超過1.0L的發動機收緊法規限值（表1），所以，此類發動機將被要求使用排放控制設備，如帶三效催化轉化器的電控燃料噴射系統。本文介紹為滿足上述需求和法規而開發的新型雙燃料（汽油和氣體燃料）發動機的相關技術。

表1 美國加州空氣資源局（CARB）排放法規

1 發動機技術規格

新開發的雙燃料發動機基本技術規格如表2所列，發動機外觀如圖1所示。該發動機是在柴油機基礎上開發的，通過擴大缸徑1mm來增大排量。為了將這種發動機安裝到工程機械上，以取代柴油機，其主體尺寸和輸出功率都與原柴油機的相同。這種機型的特征之一是可在運行期間切換燃用汽油和液化石油氣（LPG）。

2 降低廢氣排放的技術

2.1 空燃比反饋系統

圖2為汽油機的空燃比反饋系統示意圖。根據進氣歧管空氣壓力和空氣溫度計算進氣流量和燃料噴射量。基于催化轉化器前氧傳感器的反饋信號，將混合氣的空燃比精確控制到化學計量比，然后利用三效催化轉化器降低NOx、CO和HC排放。為減少廢氣排放，減少各氣缸之間的空燃比變動是非常重要的。必須優化噴射定時，并且使各氣缸空氣流量的變動最小化，以改善空燃比控制。

圖1 雙燃料發動機

圖2 空燃比反饋系統

2.2 燃料噴射器

在開發初期，與車用發動機一樣，將汽油噴射器設置在進氣道中，但后來被移到氣缸蓋的上部，以防止燃料附著于進氣道（圖3）。

此外，為了優化噴射器的技術規格，以及給定范圍內燃料噴霧的方向，進行計算流體動力學（CFD）分析（圖4）。結果表明，大部分噴霧附著在進氣門背面與氣門桿之間的區域，但自噴霧錐角17°起，有相當部分的噴霧在進氣道內發生碰撞并附著壁面，增加了瞬態工況下的HC排放。根據上述計算結果，噴霧錐角被確定為10°。10°和17°噴霧錐角的排放測量結果如圖5所示，采用10°錐角的噴射器可使HC排放減少17%。

圖3 噴射器布置

圖4 燃料噴霧的分析結果比較

圖5 排放比較

2.3 進氣歧管

進氣歧管形狀如圖6所示。通過保持足夠容積的穩壓箱和設計長度盡可能相等的各獨立氣道，可使瞬態循環的進氣壓力脈動幅值最小，且每個氣缸的空燃比更均勻。采用一維CFD分析（Ricardo公司，WAVE軟件）對進氣歧管設計進行優化（圖7）。圖8表示在有和沒有穩壓箱的進氣歧管中進行空氣壓力波動模擬的結果。與沒有穩壓箱的進氣歧管相比，有穩壓箱的進氣歧管壓力波動較均勻。圖9為各氣缸空燃比的測量結果。結果表明，采用穩壓箱可減小氣缸之間空燃比的差異。

圖6 進氣歧管

2.4 催化消聲器

起初，研究人員在新機型上采用一種催化轉化器。但是，催化轉化器必須保持水平放置，并且由于使用軟墊結構安裝陶瓷催化劑，催化轉化器必須通過隔振裝置固定在機器上，而且必須與下游的消聲器一起使用（圖10）。為了克服這些缺陷，開發了一種帶金屬催化劑的催化消聲器，其設計能與現有消聲器尺寸匹配，并同時具有催化轉化和消聲的功能。

圖7 一維仿真模型

圖8 進氣壓力特性的比較

圖9 各氣缸的空燃比差異

圖11是單一型催化消聲器和串聯型催化消聲器的截面圖。首先測試單一型催化消聲器，發現其噪聲性能能夠滿足目標要求，但廢氣排放性能未達到開發目標。然后，采用CFD分析（AVL公司，FIRE軟件）計算消聲器中的空氣流動，發現氣流集中在催化消聲器的中心，催化轉化功能沒有完全發揮作用。因此，將催化消聲器的設計由單一型改為串聯型。流速分布結果表明，氣流在2個催化轉化器之間的空間膨脹，完全實現了第2個催化轉化器的功能。如圖12所示，串聯型催化消聲器可以有足夠的裕度滿足CARB排放法規的要求。

圖10 催化轉化器的布局

圖11 催化消聲器的結構

圖12 具有充分裕度的廢氣排放值

通過上述改進，縮小了消聲區域的容積，利用CFD進行聲學分析，并優化消聲區域的設計。結果，串聯型催化消聲器可以實現與單一型催化消聲器大致相當的噪聲水平。圖13為傳輸損失的分析結果。圖14為噪聲測量結果。

圖13 噪聲特性

為了能垂直安裝消聲器，對固定法蘭和支架進行有限元應力分析，并對這些零部件的設計進行優化。為了檢驗可靠性，對零部件進行振動試驗。基于上述研究結果，開發了可自由固定在所有方向的催化消聲器，并能放置在有限的空間中，如發動機罩內。采用這種催化消聲器，可實現緊湊的排氣系統布局，使新機型適應各種應用領域。圖15為排氣系統的布局實例。

圖14 噪聲級的比較

圖15 排氣系統布局實例

3 緊湊型設計

新型雙燃料發動機可以燃用任何汽油、LPG或天然氣。用戶可以選擇不同燃料適應各種現實情況，例如，在室外工作時使用汽油，而在室內工作時使用氣體燃料。這種靈活性也使用戶能夠選擇在成本或可得到性方面最為有利的燃料。為了將柴油機轉換為汽油機或氣體燃料發動機，須增加表3所列燃料供給及點火裝置。

表3 主要的附加裝置

燃料系統部件在雙燃料機型上的布局如圖16所示。重要的是要將這些附加零部件設置在1個緊湊的空間中，以保持原機型與新開發機型的尺寸和布局相同。

汽車發動機的噴射器通常安裝在進氣歧管中，但新機型的噴射器被放置在氣缸蓋中，并在氣缸蓋旁布置1根燃料輸送管。此外，為了將點火線圈和燃料輸送管放置在氣缸蓋和進氣歧管之間的有限空間內，設計了可以將這些零部件固定在一起的噴射器法蘭（圖17），從而縮小了發動機的寬度，減少了新零件的數量和組裝附加裝置的時間。此外，還實現了維護保養的便利性（圖18）。

圖16 附加裝置的布局

圖17 附加裝置在有限空間內的位置

圖18 噴射器法蘭的安裝

4 燃用氣體燃料的可靠技術

與燃用汽油相比，在燃用LPG或天然氣等氣體燃料時，氣門周圍的潤滑性極差。此外，由于燃用氣體燃料在化學計量空燃比下工作時的燃燒溫度較高，往往造成排氣門的氣門錐面和氣門座磨損顯著。為此，測量排氣門的溫度（圖19），相應改變氣門錐面與氣門座的材料。選擇鈷基合金作為排氣門包層材料，這種合金可在高負荷運行期間形成高溫鉬涂層。并且，還增加了氣門座的鐵-鈷基燒結合金中的自潤滑材料含量。

圖19 排氣門溫度

此外，由于氣門落座的沖擊力對排氣門錐面和氣門座磨損有很大影響，因此，改進凸輪設計，將排氣門的落座速度降低50%，從而實現了更好的可靠性和耐久性。圖20為原凸輪和改進凸輪的運動特性。

圖20 氣門運動特性比較

5 結語

采用CFD分析，對燃料噴霧和進氣歧管設計進行優化，在很短的開發周期內改善了新機型的廢氣排放性能。此外，通過開發緊湊的催化消聲器，拓展了新機型的應用用途。

為了實現與柴油機的互換特性，開發了可燃用汽油和氣體燃料的燃料供給系統等新零部件及點火裝置，這些增加的零部件都被布置在緊湊的空間內。

為了改善排氣門錐面和氣門座在燃用氣體燃料時的磨損，對這些零部件的材料進行優化，降低了排氣門的落座速度。通過這些途徑，確保了新機型在長期運行過程中的可靠性。