天然氣/汽油兩用發(fā)動機多功能實驗臺架方案的搭建

莫德赟　張云

摘 要：天然氣是優(yōu)質(zhì)的發(fā)動機代用燃料，目前廣泛用于天然氣汽車的應用中。而天然氣作為發(fā)動機的代用燃料，在應用過程中也存在一定需要解決的問題，對天然氣發(fā)動機的研究更應持之以恒，循序漸進。本文以MR479Q汽油機實驗臺架為基礎，搭建天然氣/汽油兩用發(fā)動機臺架，介紹了該實驗臺架的功能和方案要求，對實驗臺架的布置、改裝及設備選型進行了闡述。

關鍵詞：兩用發(fā)動機;實驗臺架;總體布置;設備選型

為了完成天然氣/汽油兩用發(fā)動機性能與排放的測試，更好地進行兩用發(fā)動機的研究，在MR479Q汽油機實驗平臺基礎上改造，進行天然氣/汽油兩用發(fā)動機實驗臺架的搭建，實現(xiàn)臺架的通用性和多功能性。

多功能發(fā)動機實驗臺架的搭建有助于推動兩用發(fā)動機科研水平的長足進步，依托兩用發(fā)動機實驗臺架開展天然氣發(fā)動機的應用研究，不僅能為新能源研究打下基礎，還能為更深入的研究發(fā)展提供幫助。

1 功能

兩用發(fā)動機實驗臺架應具有完整的發(fā)動機性能與排放測試能力。按照GB/T 29125《壓縮天然氣汽車燃料消耗量試驗方法》、GB/T 18297-2001《發(fā)動機性能實驗方法》、GB 14762-2002《車用點燃式發(fā)動機及裝用點燃式發(fā)動機汽車排放污染物排放限值及測量方法》進行發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性及排放性的性能研究工作。

2 實驗搭建方案要求

（1）發(fā)動機及其零部件、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)的設備補充、完善留有余地，充分體現(xiàn)兩用發(fā)動機實驗臺架“通用性”、“靈活性”的功能要求。

（2）實驗方案須考慮天然氣應用研究的長遠發(fā)展，保證能完成不同項目、不同目的的實驗，適應能力強。

（3）能夠獲取更精確的實驗數(shù)據(jù)，需要對試驗參數(shù)更嚴格控制，滿足國家規(guī)定的實驗標準。

3 實驗臺架布置

本方案中采用的天然氣/汽油兩用發(fā)動機是在MR479Q汽油機實驗平臺上改造而成，主體結(jié)構基本不發(fā)生改變。在原機上增加CNG（壓縮天然氣）供給系統(tǒng)和供給控制系統(tǒng)，完成對天然氣的輸送和分配。兩用發(fā)動機采用多點順序噴射模式，工作穩(wěn)定。表1為MR479Q發(fā)動機的技術參數(shù)。

圖1為發(fā)動機臺架總體布置圖。

3.1 天然氣供給系統(tǒng)

天然氣供給系統(tǒng)的作用是由儲氣罐充裝儲存天然氣，通過輸送管路向發(fā)動機輸送天然氣，輸送過程中調(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。

壓縮天然氣儲存在型號為CNG2-G-325-60的儲氣瓶中，總?cè)萘繛?0L，充滿后最高壓力可達到20～30MPa。高壓天然氣從氣瓶中出來后，經(jīng)過氣瓶閥、流量計、減壓器，通過燃氣噴射器，將減壓后的天然氣（約0.08～0.25MPa）輸送到各缸進氣歧管中實現(xiàn)天然氣的供給和分配。

3.2 天然氣供給控制系統(tǒng)

整個天然氣供氣過程必須受燃氣ECU控制。燃氣ECU以采集的汽油噴射時間為基礎，計算出燃氣的噴射時間，燃氣ECU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)動機的需要定時定量地向發(fā)動機供氣就行了，而發(fā)動機點火、怠速等控制還需要原機ECU進行控制，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。當發(fā)動機工作由燃用汽油轉(zhuǎn)換為天然氣時，燃氣ECU控制其轉(zhuǎn)換時間，使轉(zhuǎn)換平穩(wěn)、順利。

（2）控制天然氣噴射量。由于燃氣ECU是以原機ECU為基礎實現(xiàn)控制，其為一個附加裝置，因此能效仿汽油機多點燃油噴射的供給方式實現(xiàn)天然氣的定時定量分缸噴射，同時能繼承原機ECU的各項功能。

（3）輸出汽油噴射模擬信號。天然氣/汽油兩用發(fā)動機在燃用CNG時，必須要切斷汽油的噴射動作，進而正常的汽油噴射信號也被切斷。為了避免當原機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，燃氣ECU向原機ECU輸入模擬的汽油噴射信號，使發(fā)動機能正常工作而不出現(xiàn)故障信號。

4 實驗設備及儀器

4.1 測功機

實驗臺架測功機為湖南湘儀GW160電渦流測功機，額定吸收功率160Kw，額定扭矩600N.m，最高轉(zhuǎn)速8000r/min。GW160電渦流測功機由制動器、測力機構、測速裝置等組成。制動器調(diào)節(jié)原動機的載荷，并把原動機功率轉(zhuǎn)換為熱能，由冷卻水帶走。測力機構根據(jù)作用力矩與反作用力矩大小相等、方向相反的原理來測量扭矩，可以通過作用在測功機上的旋轉(zhuǎn)力矩來指示。測速裝置將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成電信號。

電渦流測功機具有結(jié)構簡單、操作維護方便、制動力矩大、測試精度高、工作穩(wěn)定、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應速度快、性價比高的特點。

4.2 油耗儀

實驗臺架采用FC2210Z智能油耗儀，該油耗儀屬于稱重式油耗儀。其原理是采用定時間測重量的方法測量發(fā)動機消耗燃油的重量，單位為kg/h。FC2210Z油耗儀的測量范圍是0～40kg，測量精度達到0.4%F.S，測量時間可以在1～99s任意設定。

4.3 天然氣流量計

實驗臺架采用DMF-1-1-A型質(zhì)量流量計作為天然氣耗氣量的測量儀器，其量程為0～40kg/h，精度為±0.2%。該流量計根據(jù)科里奧利原理，實現(xiàn)流體質(zhì)量流量的直接精密測量，具有很高的測量精確度?？蓽y量的流體范圍廣，并且測量的流體壓力高，其工作壓力為0～32MPa，安裝簡單，運行可靠。

4.4 尾氣分析儀

實驗臺架采用日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-730λ排放分析儀對發(fā)動機尾氣進行監(jiān)測。可監(jiān)測發(fā)動機尾氣中NOX、HC、CO、CO2、O2等氣體的含量。

5 小結(jié)

天然氣/汽油兩用發(fā)動機實驗臺架的搭建，意味著對兩用發(fā)動機甚至發(fā)動機使用新能源的研究打下了堅實的基礎，為天然氣發(fā)動機的研究和教學創(chuàng)造了優(yōu)越的實驗條件。兩用發(fā)動機實驗臺架不僅能為汽車應用新能源的研究提供技術支撐，還能培育一批年輕的高水平科研人員和學術團隊，同時實現(xiàn)“研究項目-研究人員-研究平臺”的有機結(jié)合。

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研究基金項目：2017年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目《基于ANSYS的汽車驅(qū)動橋殼性能分析及輕量化設計》（2017KY0869）

作者簡介：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。