电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术研究

【摘要】：本文对电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术进行了深入研究。 在CA6DE1-21柴油机基础上,进行了CA6SE1-21N天然气发动机的结构设计。 试验研究了天然气发动机稀薄燃烧规律,基于稀燃规律研究结果,提出了分区控制空燃比及采用氧化催化器实现开发目标的稀薄燃烧控制总体方案。并从保证燃烧稳定性、有效控制排放、保证发动机可靠性几个方面给出了确定稀燃天然气发动机各工况过量空气系数等关键参数的阈值。 采用CFD模拟方法研究了发动机工作过程中缸内速度场、湍流动能、浓度场和温度场的分布规律。发现缸内混合气浓度场呈现为自上而下由稀到浓的逆分层分布,这种逆分层浓度场不利于稀燃天然气发动机稳定燃烧。提出了在采用原基础柴油机的气缸盖情况下,通过合理推迟天然气喷气时刻,实现气缸内混合气自上而下由浓到稀的弱分层分布的观点,使火花塞处因混合气较浓实现可靠点火和稳定燃烧。并通过试验初步验证了该观点的正确性。同时,模拟研究了燃烧室形状对缸内流动和燃烧的影响,结果表明:2号缩口燃烧室使燃烧室内湍流加强,湍流动能提高,使燃烧速度加快,燃烧完善。 研制的稀燃天然气发动机多点顺序喷射空燃比闭环控制电控系统,可以实现空气进气量、天然气喷射量和点火正时的精确控制和调整。采用该电控系统标定的CA6SE1-21N天然气发动机的动力性和经济性达到了开发目标,排放满足欧Ⅲ(ESC)排放法规要求。并且该发动机已经装用在公交车和卡车上。 揭示了天然气发动机低速小负荷进气冲程时缸内形成负压,造成低速小负荷机油消耗量过高的机理。通过改进气环结构,增加油环撑簧弹力,减小油环刮油刃宽度,CA6SE1-21N发动机的8h怠速机油消耗量降低33.1%。发动机经过500h可靠性试验后,活塞、活塞环和气缸套磨损情况正常,没有出现机油消耗量过高的问题。