摘 要

LNG增压发动机在气门重叠期间，预混合的LNG会通过排气道泄漏，LNG泄漏不仅增加了发动机的燃料消耗，还极大增加了发动机的HC排放。本文设计并搭建LNG燃料发动机多点喷射系统模拟试验平台，该平台可以为不同机型LNG发动机的多点喷射系统的电控策略设计开发提供实物的模拟仿真。

首先根据设计要求，设计了多种模拟方案。通过比较多种模拟方案，选择其中最合理的模拟方案，并根据该方案制定了模拟试验平台的设计方案。然后通过相应的设计计算绘制设计图纸以及对平台中各部分的组成设备进行选型，根据设计图纸完成实物的加工与模拟试验平台的组装。

LNG燃料发动机多点喷射系统模拟试验平台可以为不同机型发动机多点喷射电控系统设计开发提供实物模拟仿真平台，显著减少发动机台架试验工作量和试验成本，提高了发动机多点喷射电控系统设计开发的效率。

在模拟仿真平台上开展Z6170ZLC-19发动机多点喷射电控策略的研究，电控系统策略在模拟试验平台的试验结果与实际发动机台架试验结果吻合较好。试验表明，双阀组喷射持续角度120°CA，转速为397r/min，喷射背压为0.13MPa时，单缸模拟试验平台的天然气进气量可以达到原发动机在额定推进负荷的50%及LNG替代率为60%条件下发动机单缸对燃料的需求，这验证了在模拟试验平台上设计开发的多点喷射电控系统策略是正确的。

此外，在喷射阀流量校核试验台上研究了喷射阀在临界压力环境下的流量特性，分析其喷射流量与占空比及理论最大流量的关系，验证了此时天然气与空气作为喷射介质在校核试验台上的流量分布，得到两者喷射流量大致为线性关系，二者流量线性拟合斜率为0.767。然后，在模拟喷射试验平台上进行了验证试验，模拟试验平台的试验结果与喷射特性校核试验台上的结果吻合较好。试验表明，喷射阀喷射持续角度120°CA，转速为397r/min，喷射背压为0.13MPa时，二者喷射流量大致为线性关系。因此，在模拟试验平台上进行多点喷射电控系统策略的设计开发时，可使用压缩空气替代天然气作为喷射介质。通过读取当前空气喷射流量可以换算在相同条件下的天然气喷射流量，既可以节约实验材料成本，也可以避免使用天然气带来的危险性。

关键词：LNG燃料发动机；多点喷射；电控系统；实物仿真；设计研究

Abstract

The LNG/air mixtures leakage via the exhaust during the valve overlap angle in LNG turbocharged engine was difficult to avoid, and the mixtures leakage not only increased fuels consumption, but also greatly increased HC emissions. Multi-point injection system simulation test platform of engine was designed and set up, design and development electronic control strategy of multi-point injection system for LNG engine with different models are physically simulated in this test platform.

A variety of simulation programs were designed according to the requirements, the most reasonable simulation program was chosen via simulation scenarios compared, then design of simulation test platform was developed according to the program. Drawings are drawn and components were chosen via corresponding calculated., and the processing and assembly of simulated platform were completed according to drawing.

Design and development electronic control strategy of multi-point injection system for LNG engine with different models are physically simulated in this test platform, the workload and cost were significant reduced for engine test in this test platform, and the efficiency of design and development of electronic control system for multi-point injection of engine was improved in this test platform.

The Z6170ZLC-19 engine multi-point injection electronic control strategy is researched on the simulation platform, the test results of the electronic control system strategy on the simulation test platform are in good agreement with the actual engine bench test results. The result show that, when single cylinder simulated in the test platform, the intake rate of LNG was equal to 50% propulsion load and 60% substitution rate of engine at double valve group injection duration angle 120°CA, the speed is 397 r / min and the jet back pressure is 0.13MPa, the result show that, it is true for the multi-point injection control strategy developed on the simulated platform.

In addition, flow characteristics of the injection valve under the critical pressure were studied via the injection valve flow check bench, and the relationship between the jet flow rate and the duty ratio and the theoretical maximum flow was analyzed, and the flow distribution of jet medium that were the natural gas and air were verified in the test bench. The result show that, the jet flow of air and LNG was roughly linear, and the slope was 0.767. Then the verification test was carried out on the simulated spray test platform, the test results of the simulation test platform were agreement well with data of the jetting test bench. The result show that, injection valve duration angle 120°CA, the speed is 397 r / min and the jet back pressure is 0.13MPa, the jet flow of air and LNG was roughly linear. Therefore, when multi-point injection of electronic control system strategy designed and developed, compressed air could be used as a jet medium instead of natural gas. The jet flow of current air that was read could be converted to jet flow of natural gas in the same conditions, which both save the cost of experimental materials, and avoided the use of natural gas brought the risk.

Key word：LNG engine; Multi-point injection; Electronic control system;

Physical simulation; Design and research

中文摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义及目的 2

1.3 电控系统策略应用于LNG发动机多点喷射的研究现状 2

1.4 本文主要工作内容 3

第2章 LNG发动机多点喷射系统模拟试验平台方案设计 5

2.1 设计要求 5

2.2 模拟方案 5

2.3 模拟方案设计 7

2.4 本章小结 7

第3章 LNG发动机多点喷射系统模拟试验平台设计 8

3.1 试验平台整体结构 8

3.2 试验平台台架设计 9

3.2.1支撑架本体设计 10

3.2.2电机底座设计 12

3.2.3气缸套密封板设计 12

3.2.4台架脚轮设计 13

3.3 驱动机构设计 14

3.3.1驱动电机和变频器 14

3.3.2联轴器选型 16

3.3.3上凸轮轴设计 17

3.3.4轴承和轴承座设计 18

3.3.5飞轮装置设计 19

3.4预混合气体排气装置 20

3.4.1控制阀设计 21

3.4.2控制阀弹簧设计 21

3.4.3控制阀弹簧座设计 22

3.4.4皮带及皮带轮设计 22

3.4.5下凸轮轴设计 23

3.5 天然气供给系统设备选型 24

3.5.1 LNG储气罐 24

3.5.2 减压阀 25

3.5.3 气体流量计 25

3.5.4 天然气喷射阀 26

3.6 传感器选型安装 27

3.6.1 传感器选型 27

3.6.2 传感器设计安装 28

3.7真空泵选型 29

3.8试验平台加工 30

3.9本章小结 31

第4章 LNG发动机多点喷射系统模拟试验平台试验研究 31

4.1电控喷射装置介绍 32

4.1.1天然气喷射阀标定 32

4.1.2天燃气喷射阀开启控制 34

4.2双阀组与单阀模拟喷射试验 35

4.2.1试验目的 35

4.2.2试验设备 35

4.2.3试验方法 36

4.2.4试验结果分析 36

4.3与发动机台架试验结果对比分析 40

4.4本章小结 40

第5章 全文总结与未来展望 40

5.1 全文总结 41

5.2 未来展望 42

参考文献 42

致 谢 45

附 录 A 46

附 录 B 47

附 录 C 48

附 录 D 49

附 录 E 50

附 录 F 51

附 录 G 52

第1章 绪论

1.1 研究背景

为了提高发动机的经济效益，减少了HC排放，在发动机领域不断引进了新的电控技术^[1]。随着电控技术越来越成熟，在发动机行业的社会应用领域越来越受关注，被视为是未来发动机技术发展不可或缺的环节^[2]。

二十世纪九十年代初，国外推出的双燃料发动机开始采用先进的电子控制技术。这一时期的双燃料发动机的共同特点是采用在进气总管安装电控混合器或天然气喷射阀的天然气电控供给系统，即电控混合器式或天然气单点喷射式双燃料发动机。如今电控系统的核心技术却掌握在世界上少数发达国家里，他们拥有成熟、系统的电控策略技术^[3]，能够随时应对市场的需求变化和经济快速发展的趋势，使其电控策略的设计开发技术始终能够达到世界最先进的水平。近几年来，我国在单一天然气发动机电控技术上进行了初步尝试和研究。但因为国内的电控技术发展时间短暂，与世界先进水平还有很大的差距，缺乏国产化成熟、系统的技术，也没有电控系统的开发设计平台，无法应对市场需求变化和经济快速发展的趋势，一定程度也会迟缓发动机技术的研发，而且引进国外的先进技术价格昂贵^[3]，大多数国内研发企业无法承担，导致国内更多的只是基于一种理论的研究或者是通过计算机进行仿真平台的开发，缺乏实物开发操控仿真平台，从而导致电控技术的发展停滞。因此，建立电控技术的实物仿真平台就显得更加的意义非凡，且具有很大的使用价值和工程意义，能够从根本上解决电控技术的开发周期长等问题。