農用新型雙燃料發動機控制系統及性能仿真研究—基于CFD技術

劉志強,王慶合

(洛陽職業技術學院,河南 洛陽 471000)

0 引言

21 世紀人類面臨著能源日益短缺和環境不斷污染惡化的危機。在石油供需矛盾不斷加劇的趨勢下, 采用動植物油、 廢棄食用油等作為代用燃料是一種有效的途徑。柴油燃氣雙燃料柴油機可以在不改變柴油機原來結構的基礎上,通過增加一套供給控制系統實現。近年來,隨著農業機械化程度的不斷提高,很多類型的大型化農機被使用在了農業生產過程中,大型農機的使用不僅增加了能源的消耗,污染物的排放也增加了很多。因此,采用雙燃料發動機,在滿足功率的條件下,如果還能達到節排的目的,對于現代生態農業的發展具有重要的意義。

1 農用新型雙燃料發動機及其結構原理

和傳統的發動機有所不同,雙燃料發動機可以采用燃油和氣體兩種燃料,在工作時可以進行兩種燃料模式下的互換,在滿足發動機功率需求的同時達到了節能環保的目的。隨著農業技術的不斷進步,在農業生產的很多領域開始使用大型的自動化機械,產生了較多的尾氣污染物,對于燃油的消耗也不斷增多。如果將雙燃料發動機應用到農機發動機的設計上,不僅可以有效節約能源,對于生態農業的發展也具有重要的意義。

西港公司研發的油氣共用噴射閥可以將燃氣和燃油通過電磁閥控制,實現雙燃料混用,如圖1所示。

圖1 西港公司油氣共用噴射閥Fig.1 The oil and gas common injection valve of Westport Inc

雙燃料發動機對控制系統的要求較高,一般要求控制系統具有以下特點:

1)對傳統發動機的一些部件進行了保留(如機械調速器),不需要對原來發動機進行整改,只需要控制燃氣的供給,用燃氣來代替燃油,實現油氣混用。

2)對于燃氣輸入量的控制需要遵循一定的原則,如緩升速降的原則。一開始,燃氣緩慢增加,當到達穩定狀態后,燃氣輸入量迅速下降,用燃油補充,以滿足發動機動力需求。

3)在雙燃料模式下運行時,燃氣控制是以柴油油門在全程轉速范圍內的最低燃油位置曲線且保證發動機正常運轉為目標、以控制燃氣碟閥開度為手段的閉環控制。

總體來說,油氣雙燃料發動機主要是有兩個系統組成:一部分為燃氣供給系統,一部分為電控系統。其框架結構如圖2所示。

圖2 雙燃料發動機總體框架圖Fig.2 The overall framework of dual fuel engine

電控系統主要是由改造之前的柴油控制單元和改造后的雙燃料控制單元組成;天然氣供給系統主要是由天然氣噴射閥組件、穩壓閥和混合器組成,同電控系統一起協同工作。

2 雙燃料發動機控制系統及CFD仿真

為了實現雙燃料發動機的仿真,首先對發動機的控制系統進行分析。雙燃料發動機控制器由3部分組成,包括控制電路、傳感器和執行部件。傳感器主要對發動機的作業狀態進行檢測,并將檢測信號轉換后傳送到控制電路,通過對工況的判斷和分析,利用相關算法做出決策,最后發出指令信號,實現對雙燃料的控制。其基本框架如圖3所示。

圖3 控制系統基本框架Fig.3 The basic framework of control system

為了實現控制過程的自動化,還需要結合相關軟件程序。軟件程序的設計主要參考發動機的各種工況,如轉速、冷卻水和柴油的溫度等?？刂七^程共分為3個階段,包括啟動、工作和制動,如圖4所示。

圖4 燃油燃氣控制軟件流程Fig.4 The flow chart of fuel and gas control software

發動機開啟時,由于受到一些作業工況的限制,不利用油氣混合,因此先給發動機提供柴油;在進行制動時,也為發動機提供柴油,為下次啟動做好充分的準備。在正常工作階段,可以利用油氣混用的方式,當發動機的工作狀態達到最佳且穩定時,可以直接采用燃用燃氣的方式。為了實現這一控制過程,還需要為發動機配備實時控制系統,如圖5所示。

圖5 實時控制系統框架結構Fig.5 The framework of real-time control system

實時控制系統核心部件為角標編碼和定時器,還包括電磁閥和中斷控制器等,主要負責對發動機作業的實時控制。為了研究控制系統的性能,采用實驗和CFD數值仿真模擬的方法對系統進行分析。其中,實驗研究主要針對控制系統的輸出功率,CFD仿真主要針對燃料燃燒和產物等分析。實驗采用的發動機參數如表1所示。

表1 雙燃料發動機參數表Table 1 The parameter list of dual fuel engine

實驗采用的發動機參數包括最大轉速、活塞排量、壓縮比和排氣溫度等,這些參數都可以在CFD軟件設置,通過CFD建模和數值仿真模擬,可以得到燃料燃燒產物的一些特性數據。

3 農用型雙燃料發動機性能仿真研究

目前,雙燃料發動機在農機中使用的還很少,想要普及推廣還有很多東西需要驗證。隨著農業技術的不斷進步,很多大型化農機被使用在了農業生產過程中。圖6為一種典型的農機。

圖6 履帶式大型農機Fig.6 The tracked large agricultural machinery

大型農機的使用可以極大地提高發動機的輸出功率,從而提高作業效率,在大面積農業作業時已經開始普遍使用;但是,大型農機的采用也提高了燃油的消耗,同時對環境也造成了較大的污染。 雙燃料發動機的采用不僅能夠滿足大型農機的功率需求,而且污染物排放也較少,可以達到節能減排的目的。本次主要利用實驗的方式對其輸出功率進行采集,其數據采集子系統如圖7所示。

圖7 輸出功率采集子系統Fig.7 The acquisition subsystem of output power

在系統軟件開發時,采用面向對象的方法,將采集系統的所有硬件設備通過集成的方式組成一個類別,通過設備的協調工作來實現數據的采集,結果如圖8所示。

圖8 功率特性采集Fig.8 Power characteristic acquisition

通過采集雙燃料發動機和柴油發動機的輸出功率,在不同轉速條件下繪制了輸出功率隨轉速變化曲線。對比曲線表明:采用雙燃料發動機和柴油發動機的輸出功率相差不大,雙燃料發動機可以滿足農機的作業需求。

采用表1的發動機參數,基于CFD軟件對發動機CO污染物的排放進行了仿真模擬分析,結果如圖9所示。由圖9可以看出:采用雙燃料發動機CO的排放量要明顯比柴油發動機的低。

圖9 基于CFD的CO排放對比Fig.9 Comparison of coemissions based of CFD

通過多次實驗和CFD數值仿真模擬,將得到的結果進行了匯總,得到了雙燃料發動機在相同輸出功率條件燃料的節省率和污染物排放降低率,如表2所示。匯總結果表明:采用雙燃料發動機在滿足農機作業的同時,達到了節能減排的目的,因此在大型農機上使用是可行的。

4 結論

近年來,雙燃料發動機被運用在汽車發動機的改造上,而在農機發動機中使用的還非常少。為此,通過實驗和CFD仿真的方法,對雙燃料發動機在農機上使用的可行性進行了研究。實驗結果表明:采用雙燃料發動機動力輸出沒有降低,可以滿足農機的作業需求,且污染物排放有了明顯的降低。