農(nóng)用新型雙燃料發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)及性能仿真研究—基于CFD技術(shù)

劉志強(qiáng),王慶合

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 洛陽 471000)

0 引言

21 世紀(jì)人類面臨著能源日益短缺和環(huán)境不斷污染惡化的危機(jī)。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?xì)怆p燃料柴油機(jī)可以在不改變柴油機(jī)原來結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過增加一套供給控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。近年來,隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度的不斷提高,很多類型的大型化農(nóng)機(jī)被使用在了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,大型農(nóng)機(jī)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(fā)動機(jī),在滿足功率的條件下,如果還能達(dá)到節(jié)排的目的,對于現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

1 農(nóng)用新型雙燃料發(fā)動機(jī)及其結(jié)構(gòu)原理

和傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)有所不同,雙燃料發(fā)動機(jī)可以采用燃油和氣體兩種燃料,在工作時可以進(jìn)行兩種燃料模式下的互換,在滿足發(fā)動機(jī)功率需求的同時達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域開始使用大型的自動化機(jī)械,產(chǎn)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(fā)動機(jī)應(yīng)用到農(nóng)機(jī)發(fā)動機(jī)的設(shè)計上,不僅可以有效節(jié)約能源,對于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展也具有重要的意義。

西港公司研發(fā)的油氣共用噴射閥可以將燃?xì)夂腿加屯ㄟ^電磁閥控制,實(shí)現(xiàn)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(fā)動機(jī)對控制系統(tǒng)的要求較高,一般要求控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

1)對傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的一些部件進(jìn)行了保留(如機(jī)械調(diào)速器),不需要對原來發(fā)動機(jī)進(jìn)行整改,只需要控制燃?xì)獾墓┙o,用燃?xì)鈦泶嫒加?實(shí)現(xiàn)油氣混用。

2)對于燃?xì)廨斎肓康目刂菩枰裱欢ǖ脑瓌t,如緩升速降的原則。一開始,燃?xì)饩徛黾?當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后,燃?xì)廨斎肓垦杆傧陆?用燃油補(bǔ)充,以滿足發(fā)動機(jī)動力需求。

3)在雙燃料模式下運(yùn)行時,燃?xì)饪刂剖且圆裼陀烷T在全程轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最低燃油位置曲線且保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)為目標(biāo)、以控制燃?xì)獾y開度為手段的閉環(huán)控制。

總體來說,油氣雙燃料發(fā)動機(jī)主要是有兩個系統(tǒng)組成:一部分為燃?xì)夤┙o系統(tǒng),一部分為電控系統(tǒng)。其框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙燃料發(fā)動機(jī)總體框架圖Fig.2 The overall framework of dual fuel engine

電控系統(tǒng)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(tǒng)主要是由天然氣噴射閥組件、穩(wěn)壓閥和混合器組成,同電控系統(tǒng)一起協(xié)同工作。

2 雙燃料發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)及CFD仿真

為了實(shí)現(xiàn)雙燃料發(fā)動機(jī)的仿真,首先對發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。雙燃料發(fā)動機(jī)控制器由3部分組成,包括控制電路、傳感器和執(zhí)行部件。傳感器主要對發(fā)動機(jī)的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行檢測,并將檢測信號轉(zhuǎn)換后傳送到控制電路,通過對工況的判斷和分析,利用相關(guān)算法做出決策,最后發(fā)出指令信號,實(shí)現(xiàn)對雙燃料的控制。其基本框架如圖3所示。

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

為了實(shí)現(xiàn)控制過程的自動化,還需要結(jié)合相關(guān)軟件程序。軟件程序的設(shè)計主要參考發(fā)動機(jī)的各種工況,如轉(zhuǎn)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?xì)饪刂栖浖鞒蘁ig.4 The flow chart of fuel and gas control software

發(fā)動機(jī)開啟時,由于受到一些作業(yè)工況的限制,不利用油氣混合,因此先給發(fā)動機(jī)提供柴油;在進(jìn)行制動時,也為發(fā)動機(jī)提供柴油,為下次啟動做好充分的準(zhǔn)備。在正常工作階段,可以利用油氣混用的方式,當(dāng)發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)達(dá)到最佳且穩(wěn)定時,可以直接采用燃用燃?xì)獾姆绞?。為了?shí)現(xiàn)這一控制過程,還需要為發(fā)動機(jī)配備實(shí)時控制系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 實(shí)時控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)Fig.5 The framework of real-time control system

實(shí)時控制系統(tǒng)核心部件為角標(biāo)編碼和定時器,還包括電磁閥和中斷控制器等,主要負(fù)責(zé)對發(fā)動機(jī)作業(yè)的實(shí)時控制。為了研究控制系統(tǒng)的性能,采用實(shí)驗和CFD數(shù)值仿真模擬的方法對系統(tǒng)進(jìn)行分析。其中,實(shí)驗研究主要針對控制系統(tǒng)的輸出功率,CFD仿真主要針對燃料燃燒和產(chǎn)物等分析。實(shí)驗采用的發(fā)動機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 雙燃料發(fā)動機(jī)參數(shù)表Table 1 The parameter list of dual fuel engine

實(shí)驗采用的發(fā)動機(jī)參數(shù)包括最大轉(zhuǎn)速、活塞排量、壓縮比和排氣溫度等,這些參數(shù)都可以在CFD軟件設(shè)置,通過CFD建模和數(shù)值仿真模擬,可以得到燃料燃燒產(chǎn)物的一些特性數(shù)據(jù)。

3 農(nóng)用型雙燃料發(fā)動機(jī)性能仿真研究

目前,雙燃料發(fā)動機(jī)在農(nóng)機(jī)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(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,很多大型化農(nóng)機(jī)被使用在了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。圖6為一種典型的農(nóng)機(jī)。

圖6 履帶式大型農(nóng)機(jī)Fig.6 The tracked large agricultural machinery

大型農(nóng)機(jī)的使用可以極大地提高發(fā)動機(jī)的輸出功率,從而提高作業(yè)效率,在大面積農(nóng)業(yè)作業(yè)時已經(jīng)開始普遍使用;但是,大型農(nóng)機(jī)的采用也提高了燃油的消耗,同時對環(huán)境也造成了較大的污染。 雙燃料發(fā)動機(jī)的采用不僅能夠滿足大型農(nóng)機(jī)的功率需求,而且污染物排放也較少,可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。本次主要利用實(shí)驗的方式對其輸出功率進(jìn)行采集,其數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)如圖7所示。

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

在系統(tǒng)軟件開發(fā)時,采用面向?qū)ο蟮姆椒?將采集系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備通過集成的方式組成一個類別,通過設(shè)備的協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集,結(jié)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(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)的輸出功率,在不同轉(zhuǎn)速條件下繪制了輸出功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線。對比曲線表明:采用雙燃料發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)的輸出功率相差不大,雙燃料發(fā)動機(jī)可以滿足農(nóng)機(jī)的作業(yè)需求。

采用表1的發(fā)動機(jī)參數(shù),基于CFD軟件對發(fā)動機(jī)CO污染物的排放進(jìn)行了仿真模擬分析,結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出:采用雙燃料發(fā)動機(jī)CO的排放量要明顯比柴油發(fā)動機(jī)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(shí)驗和CFD數(shù)值仿真模擬,將得到的結(jié)果進(jìn)行了匯總,得到了雙燃料發(fā)動機(jī)在相同輸出功率條件燃料的節(jié)省率和污染物排放降低率,如表2所示。匯總結(jié)果表明:采用雙燃料發(fā)動機(jī)在滿足農(nóng)機(jī)作業(yè)的同時,達(dá)到了節(jié)能減排的目的,因此在大型農(nóng)機(jī)上使用是可行的。

4 結(jié)論

近年來,雙燃料發(fā)動機(jī)被運(yùn)用在汽車發(fā)動機(jī)的改造上,而在農(nóng)機(jī)發(fā)動機(jī)中使用的還非常少。為此,通過實(shí)驗和CFD仿真的方法,對雙燃料發(fā)動機(jī)在農(nóng)機(jī)上使用的可行性進(jìn)行了研究。實(shí)驗結(jié)果表明:采用雙燃料發(fā)動機(jī)動力輸出沒有降低,可以滿足農(nóng)機(jī)的作業(yè)需求,且污染物排放有了明顯的降低。