农用新型双燃料发动机控制系统及性能仿真研究—基于CFD技术

刘志强,王庆合

(洛阳职业技术学院,河南 洛阳 471000)

0 引言

21 世纪人类面临着能源日益短缺和环境不断污染恶化的危机。在石油供需矛盾不断加剧的趋势下, 采用动植物油、 废弃食用油等作为代用燃料是一种有效的途径。柴油燃气双燃料柴油机可以在不改变柴油机原来结构的基础上,通过增加一套供给控制系统实现。近年来,随着农业机械化程度的不断提高,很多类型的大型化农机被使用在了农业生产过程中,大型农机的使用不仅增加了能源的消耗,污染物的排放也增加了很多。因此,采用双燃料发动机,在满足功率的条件下,如果还能达到节排的目的,对于现代生态农业的发展具有重要的意义。

1 农用新型双燃料发动机及其结构原理

和传统的发动机有所不同,双燃料发动机可以采用燃油和气体两种燃料,在工作时可以进行两种燃料模式下的互换,在满足发动机功率需求的同时达到了节能环保的目的。随着农业技术的不断进步,在农业生产的很多领域开始使用大型的自动化机械,产生了较多的尾气污染物,对于燃油的消耗也不断增多。如果将双燃料发动机应用到农机发动机的设计上,不仅可以有效节约能源,对于生态农业的发展也具有重要的意义。

西港公司研发的油气共用喷射阀可以将燃气和燃油通过电磁阀控制,实现双燃料混用,如图1所示。

图1 西港公司油气共用喷射阀Fig.1 The oil and gas common injection valve of Westport Inc

双燃料发动机对控制系统的要求较高,一般要求控制系统具有以下特点:

1)对传统发动机的一些部件进行了保留(如机械调速器),不需要对原来发动机进行整改,只需要控制燃气的供给,用燃气来代替燃油,实现油气混用。

2)对于燃气输入量的控制需要遵循一定的原则,如缓升速降的原则。一开始,燃气缓慢增加,当到达稳定状态后,燃气输入量迅速下降,用燃油补充,以满足发动机动力需求。

3)在双燃料模式下运行时,燃气控制是以柴油油门在全程转速范围内的最低燃油位置曲线且保证发动机正常运转为目标、以控制燃气碟阀开度为手段的闭环控制。

总体来说,油气双燃料发动机主要是有两个系统组成:一部分为燃气供给系统,一部分为电控系统。其框架结构如图2所示。

图2 双燃料发动机总体框架图Fig.2 The overall framework of dual fuel engine

电控系统主要是由改造之前的柴油控制单元和改造后的双燃料控制单元组成;天然气供给系统主要是由天然气喷射阀组件、稳压阀和混合器组成,同电控系统一起协同工作。

2 双燃料发动机控制系统及CFD仿真

为了实现双燃料发动机的仿真,首先对发动机的控制系统进行分析。双燃料发动机控制器由3部分组成,包括控制电路、传感器和执行部件。传感器主要对发动机的作业状态进行检测,并将检测信号转换后传送到控制电路,通过对工况的判断和分析,利用相关算法做出决策,最后发出指令信号,实现对双燃料的控制。其基本框架如图3所示。

图3 控制系统基本框架Fig.3 The basic framework of control system

为了实现控制过程的自动化,还需要结合相关软件程序。软件程序的设计主要参考发动机的各种工况,如转速、冷却水和柴油的温度等。控制过程共分为3个阶段,包括启动、工作和制动,如图4所示。

图4 燃油燃气控制软件流程Fig.4 The flow chart of fuel and gas control software

发动机开启时,由于受到一些作业工况的限制,不利用油气混合,因此先给发动机提供柴油;在进行制动时,也为发动机提供柴油,为下次启动做好充分的准备。在正常工作阶段,可以利用油气混用的方式,当发动机的工作状态达到最佳且稳定时,可以直接采用燃用燃气的方式。为了实现这一控制过程,还需要为发动机配备实时控制系统,如图5所示。

图5 实时控制系统框架结构Fig.5 The framework of real-time control system

实时控制系统核心部件为角标编码和定时器,还包括电磁阀和中断控制器等,主要负责对发动机作业的实时控制。为了研究控制系统的性能,采用实验和CFD数值仿真模拟的方法对系统进行分析。其中,实验研究主要针对控制系统的输出功率,CFD仿真主要针对燃料燃烧和产物等分析。实验采用的发动机参数如表1所示。

表1 双燃料发动机参数表Table 1 The parameter list of dual fuel engine

实验采用的发动机参数包括最大转速、活塞排量、压缩比和排气温度等,这些参数都可以在CFD软件设置,通过CFD建模和数值仿真模拟,可以得到燃料燃烧产物的一些特性数据。

3 农用型双燃料发动机性能仿真研究

目前,双燃料发动机在农机中使用的还很少,想要普及推广还有很多东西需要验证。随着农业技术的不断进步,很多大型化农机被使用在了农业生产过程中。图6为一种典型的农机。

图6 履带式大型农机Fig.6 The tracked large agricultural machinery

大型农机的使用可以极大地提高发动机的输出功率,从而提高作业效率,在大面积农业作业时已经开始普遍使用;但是,大型农机的采用也提高了燃油的消耗,同时对环境也造成了较大的污染。 双燃料发动机的采用不仅能够满足大型农机的功率需求,而且污染物排放也较少,可以达到节能减排的目的。本次主要利用实验的方式对其输出功率进行采集,其数据采集子系统如图7所示。

图7 输出功率采集子系统Fig.7 The acquisition subsystem of output power

在系统软件开发时,采用面向对象的方法,将采集系统的所有硬件设备通过集成的方式组成一个类别,通过设备的协调工作来实现数据的采集,结果如图8所示。

图8 功率特性采集Fig.8 Power characteristic acquisition

通过采集双燃料发动机和柴油发动机的输出功率,在不同转速条件下绘制了输出功率随转速变化曲线。对比曲线表明:采用双燃料发动机和柴油发动机的输出功率相差不大,双燃料发动机可以满足农机的作业需求。

采用表1的发动机参数,基于CFD软件对发动机CO污染物的排放进行了仿真模拟分析,结果如图9所示。由图9可以看出:采用双燃料发动机CO的排放量要明显比柴油发动机的低。

图9 基于CFD的CO排放对比Fig.9 Comparison of coemissions based of CFD

通过多次实验和CFD数值仿真模拟,将得到的结果进行了汇总,得到了双燃料发动机在相同输出功率条件燃料的节省率和污染物排放降低率,如表2所示。汇总结果表明:采用双燃料发动机在满足农机作业的同时,达到了节能减排的目的,因此在大型农机上使用是可行的。

4 结论

近年来,双燃料发动机被运用在汽车发动机的改造上,而在农机发动机中使用的还非常少。为此,通过实验和CFD仿真的方法,对双燃料发动机在农机上使用的可行性进行了研究。实验结果表明:采用双燃料发动机动力输出没有降低,可以满足农机的作业需求,且污染物排放有了明显的降低。