新型工業(yè)用火花點火雙燃料發(fā)動機的開發(fā)

【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(chǔ)上開發(fā)出工業(yè)用水冷汽油機。這些發(fā)動機可與柴油機實現(xiàn)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(fā)動機控制需求的日益增加，用戶對全電控和更大排量發(fā)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(fā)動機的排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，尤其是計劃對排量超過1.0L的發(fā)動機收緊法規(guī)限值（表1），所以，此類發(fā)動機將被要求使用排放控制設(shè)備，如帶三效催化轉(zhuǎn)化器的電控燃料噴射系統(tǒng)。本文介紹為滿足上述需求和法規(guī)而開發(fā)的新型雙燃料（汽油和氣體燃料）發(fā)動機的相關(guān)技術(shù)。

表1 美國加州空氣資源局（CARB）排放法規(guī)

1 發(fā)動機技術(shù)規(guī)格

新開發(fā)的雙燃料發(fā)動機基本技術(shù)規(guī)格如表2所列，發(fā)動機外觀如圖1所示。該發(fā)動機是在柴油機基礎(chǔ)上開發(fā)的，通過擴大缸徑1mm來增大排量。為了將這種發(fā)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(shù)

2.1 空燃比反饋系統(tǒng)

圖2為汽油機的空燃比反饋系統(tǒng)示意圖。根據(jù)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?；诖呋D(zhuǎn)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(xué)計量比，然后利用三效催化轉(zhuǎn)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(yōu)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(fā)動機

圖2 空燃比反饋系統(tǒng)

2.2 燃料噴射器

在開發(fā)初期，與車用發(fā)動機一樣，將汽油噴射器設(shè)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(yōu)化噴射器的技術(shù)規(guī)格，以及給定范圍內(nèi)燃料噴霧的方向，進行計算流體動力學(xué)（CFD）分析（圖4）。結(jié)果表明，大部分噴霧附著在進氣門背面與氣門桿之間的區(qū)域，但自噴霧錐角17°起，有相當(dāng)部分的噴霧在進氣道內(nèi)發(fā)生碰撞并附著壁面，增加了瞬態(tài)工況下的HC排放。根據(jù)上述計算結(jié)果，噴霧錐角被確定為10°。10°和17°噴霧錐角的排放測量結(jié)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(jié)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(wěn)壓箱和設(shè)計長度盡可能相等的各獨立氣道，可使瞬態(tài)循環(huán)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(shè)計進行優(yōu)化（圖7）。圖8表示在有和沒有穩(wěn)壓箱的進氣歧管中進行空氣壓力波動模擬的結(jié)果。與沒有穩(wěn)壓箱的進氣歧管相比，有穩(wěn)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(jié)果。結(jié)果表明，采用穩(wěn)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(zhuǎn)化器。但是，催化轉(zhuǎn)化器必須保持水平放置，并且由于使用軟墊結(jié)構(gòu)安裝陶瓷催化劑，催化轉(zhuǎn)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(fā)了一種帶金屬催化劑的催化消聲器，其設(shè)計能與現(xiàn)有消聲器尺寸匹配，并同時具有催化轉(zhuǎn)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(lián)型催化消聲器的截面圖。首先測試單一型催化消聲器，發(fā)現(xiàn)其噪聲性能能夠滿足目標(biāo)要求，但廢氣排放性能未達到開發(fā)目標(biāo)。然后，采用CFD分析（AVL公司，F(xiàn)IRE軟件）計算消聲器中的空氣流動，發(fā)現(xiàn)氣流集中在催化消聲器的中心，催化轉(zhuǎn)化功能沒有完全發(fā)揮作用。因此，將催化消聲器的設(shè)計由單一型改為串聯(lián)型。流速分布結(jié)果表明，氣流在2個催化轉(zhuǎn)化器之間的空間膨脹，完全實現(xiàn)了第2個催化轉(zhuǎn)化器的功能。如圖12所示，串聯(lián)型催化消聲器可以有足夠的裕度滿足CARB排放法規(guī)的要求。

圖10 催化轉(zhuǎn)化器的布局

圖11 催化消聲器的結(jié)構(gòu)

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(qū)域的容積，利用CFD進行聲學(xué)分析，并優(yōu)化消聲區(qū)域的設(shè)計。結(jié)果，串聯(lián)型催化消聲器可以實現(xiàn)與單一型催化消聲器大致相當(dāng)?shù)脑肼曀?。圖13為傳輸損失的分析結(jié)果。圖14為噪聲測量結(jié)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(yīng)力分析，并對這些零部件的設(shè)計進行優(yōu)化。為了檢驗可靠性，對零部件進行振動試驗?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，開發(fā)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(fā)動機罩內(nèi)。采用這種催化消聲器，可實現(xiàn)緊湊的排氣系統(tǒng)布局，使新機型適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域。圖15為排氣系統(tǒng)的布局實例。

圖14 噪聲級的比較

圖15 排氣系統(tǒng)布局實例

3 緊湊型設(shè)計

新型雙燃料發(fā)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(yīng)各種現(xiàn)實情況，例如，在室外工作時使用汽油，而在室內(nèi)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(zhuǎn)換為汽油機或氣體燃料發(fā)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(tǒng)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(shè)置在1個緊湊的空間中，以保持原機型與新開發(fā)機型的尺寸和布局相同。

汽車發(fā)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(nèi)，設(shè)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(fā)動機的寬度，減少了新零件的數(shù)量和組裝附加裝置的時間。此外，還實現(xiàn)了維護保養(yǎng)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(nèi)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(shù)

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(xué)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(yīng)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(fù)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(jié)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(shè)計，將排氣門的落座速度降低50%，從而實現(xiàn)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(jié)語

采用CFD分析，對燃料噴霧和進氣歧管設(shè)計進行優(yōu)化，在很短的開發(fā)周期內(nèi)改善了新機型的廢氣排放性能。此外，通過開發(fā)緊湊的催化消聲器，拓展了新機型的應(yīng)用用途。

為了實現(xiàn)與柴油機的互換特性，開發(fā)了可燃用汽油和氣體燃料的燃料供給系統(tǒng)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(nèi)。

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(yōu)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。