天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架方案的搭建

莫德赟　張?jiān)?/p>

摘 要：天然氣是優(yōu)質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料，目前廣泛用于天然氣汽車的應(yīng)用中。而天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)的代用燃料，在應(yīng)用過(guò)程中也存在一定需要解決的問(wèn)題，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究更應(yīng)持之以恒，循序漸進(jìn)。本文以MR479Q汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為基礎(chǔ)，搭建天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，介紹了該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的功能和方案要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的布置、改裝及設(shè)備選型進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：兩用發(fā)動(dòng)機(jī);實(shí)驗(yàn)臺(tái)架;總體布置;設(shè)備選型

為了完成天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放的測(cè)試，更好地進(jìn)行兩用發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，在MR479Q汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上改造，進(jìn)行天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的搭建，實(shí)現(xiàn)臺(tái)架的通用性和多功能性。

多功能發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的搭建有助于推動(dòng)兩用發(fā)動(dòng)機(jī)科研水平的長(zhǎng)足進(jìn)步，依托兩用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)展天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究，不僅能為新能源研究打下基礎(chǔ)，還能為更深入的研究發(fā)展提供幫助。

1 功能

兩用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)具有完整的發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放測(cè)試能力。按照GB/T 29125《壓縮天然氣汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》、GB/T 18297-2001《發(fā)動(dòng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)方法》、GB 14762-2002《車用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)及裝用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排放污染物排放限值及測(cè)量方法》進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性的性能研究工作。

2 實(shí)驗(yàn)搭建方案要求

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件、天然氣供給系統(tǒng)配件等必須便于安裝、調(diào)整、檢查和更換，還要為后續(xù)的設(shè)備補(bǔ)充、完善留有余地，充分體現(xiàn)兩用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架“通用性”、“靈活性”的功能要求。

（2）實(shí)驗(yàn)方案須考慮天然氣應(yīng)用研究的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，保證能完成不同項(xiàng)目、不同目的的實(shí)驗(yàn)，適應(yīng)能力強(qiáng)。

（3）能夠獲取更精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要對(duì)試驗(yàn)參數(shù)更嚴(yán)格控制，滿足國(guó)家規(guī)定的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架布置

本方案中采用的天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)是在MR479Q汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上改造而成，主體結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生改變。在原機(jī)上增加CNG（壓縮天然氣）供給系統(tǒng)和供給控制系統(tǒng)，完成對(duì)天然氣的輸送和分配。兩用發(fā)動(dòng)機(jī)采用多點(diǎn)順序噴射模式，工作穩(wěn)定。表1為MR479Q發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架總體布置圖。

3.1 天然氣供給系統(tǒng)

天然氣供給系統(tǒng)的作用是由儲(chǔ)氣罐充裝儲(chǔ)存天然氣，通過(guò)輸送管路向發(fā)動(dòng)機(jī)輸送天然氣，輸送過(guò)程中調(diào)節(jié)天然氣的輸送壓力，并且執(zhí)行天然氣的分配和噴射。圖2所示天然氣供給系統(tǒng)圖。

壓縮天然氣儲(chǔ)存在型號(hào)為CNG2-G-325-60的儲(chǔ)氣瓶中，總?cè)萘繛?0L，充滿后最高壓力可達(dá)到20～30MPa。高壓天然氣從氣瓶中出來(lái)后，經(jīng)過(guò)氣瓶閥、流量計(jì)、減壓器，通過(guò)燃?xì)鈬娚淦鳎瑢p壓后的天然氣（約0.08～0.25MPa）輸送到各缸進(jìn)氣歧管中實(shí)現(xiàn)天然氣的供給和分配。

3.2 天然氣供給控制系統(tǒng)

整個(gè)天然氣供氣過(guò)程必須受燃?xì)釫CU控制。燃?xì)釫CU以采集的汽油噴射時(shí)間為基礎(chǔ)，計(jì)算出燃?xì)獾膰娚鋾r(shí)間，燃?xì)釫CU將汽油噴射的執(zhí)行命令翻譯成適用天然氣噴射的控制命令。天然氣供給系統(tǒng)只是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的需要定時(shí)定量地向發(fā)動(dòng)機(jī)供氣就行了，而發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、怠速等控制還需要原機(jī)ECU進(jìn)行控制，二者相輔相成。

天然氣控制系統(tǒng)的主要功能有：

（1）控制燃料間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作由燃用汽油轉(zhuǎn)換為天然氣時(shí)，燃?xì)釫CU控制其轉(zhuǎn)換時(shí)間，使轉(zhuǎn)換平穩(wěn)、順利。

（2）控制天然氣噴射量。由于燃?xì)釫CU是以原機(jī)ECU為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)控制，其為一個(gè)附加裝置，因此能效仿汽油機(jī)多點(diǎn)燃油噴射的供給方式實(shí)現(xiàn)天然氣的定時(shí)定量分缸噴射，同時(shí)能繼承原機(jī)ECU的各項(xiàng)功能。

（3）輸出汽油噴射模擬信號(hào)。天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)在燃用CNG時(shí)，必須要切斷汽油的噴射動(dòng)作，進(jìn)而正常的汽油噴射信號(hào)也被切斷。為了避免當(dāng)原機(jī)ECU判斷汽油噴射停止，從而不正常工作的現(xiàn)象發(fā)生，在切斷汽油噴射的同時(shí)，燃?xì)釫CU向原機(jī)ECU輸入模擬的汽油噴射信號(hào)，使發(fā)動(dòng)機(jī)能正常工作而不出現(xiàn)故障信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

4.1 測(cè)功機(jī)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架測(cè)功機(jī)為湖南湘儀GW160電渦流測(cè)功機(jī)，額定吸收功率160Kw，額定扭矩600N.m，最高轉(zhuǎn)速8000r/min。GW160電渦流測(cè)功機(jī)由制動(dòng)器、測(cè)力機(jī)構(gòu)、測(cè)速裝置等組成。制動(dòng)器調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的載荷，并把原動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)換為熱能，由冷卻水帶走。測(cè)力機(jī)構(gòu)根據(jù)作用力矩與反作用力矩大小相等、方向相反的原理來(lái)測(cè)量扭矩，可以通過(guò)作用在測(cè)功機(jī)上的旋轉(zhuǎn)力矩來(lái)指示。測(cè)速裝置將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

電渦流測(cè)功機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便、制動(dòng)力矩大、測(cè)試精度高、工作穩(wěn)定、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、性價(jià)比高的特點(diǎn)。

4.2 油耗儀

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架采用FC2210Z智能油耗儀，該油耗儀屬于稱重式油耗儀。其原理是采用定時(shí)間測(cè)重量的方法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)消耗燃油的重量，單位為kg/h。FC2210Z油耗儀的測(cè)量范圍是0～40kg，測(cè)量精度達(dá)到0.4%F.S，測(cè)量時(shí)間可以在1～99s任意設(shè)定。

4.3 天然氣流量計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架采用DMF-1-1-A型質(zhì)量流量計(jì)作為天然氣耗氣量的測(cè)量?jī)x器，其量程為0～40kg/h，精度為±0.2%。該流量計(jì)根據(jù)科里奧利原理，實(shí)現(xiàn)流體質(zhì)量流量的直接精密測(cè)量，具有很高的測(cè)量精確度。可測(cè)量的流體范圍廣，并且測(cè)量的流體壓力高，其工作壓力為0～32MPa，安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

4.4 尾氣分析儀

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架采用日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-730λ排放分析儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。可監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOX、HC、CO、CO2、O2等氣體的含量。

5 小結(jié)

天然氣/汽油兩用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的搭建，意味著對(duì)兩用發(fā)動(dòng)機(jī)甚至發(fā)動(dòng)機(jī)使用新能源的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和教學(xué)創(chuàng)造了優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件。兩用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架不僅能為汽車應(yīng)用新能源的研究提供技術(shù)支撐，還能培育一批年輕的高水平科研人員和學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“研究項(xiàng)目-研究人員-研究平臺(tái)”的有機(jī)結(jié)合。

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研究基金項(xiàng)目：2017年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目《基于ANSYS的汽車驅(qū)動(dòng)橋殼性能分析及輕量化設(shè)計(jì)》（2017KY0869）

作者簡(jiǎn)介：莫德赟（1983-），男，廣西桂林人，碩士研究生，講師，研究方向：汽車節(jié)能技術(shù)。