潍柴WT615大型公交车用柴油机改为单一燃料CNG电喷发动机研究.docx

1、专题编号：99-A04-02-02-07 承担单位：潍坊柴油厂 北方交通大学 总体评价：研制开发的 WT615 增压（CNG）单一燃料电喷发动机与国外同类产品 相比具有较好的性能价格比， 填补了我国大型公交车用单一燃料 CNG 电喷发动机 的空白。 潍柴 WT615 大型公交车用柴油机改为单一燃料 CNG 电 喷 发 动 机 研 究 与 开 发一 、 立 项 背 景1、攻关目标及技术经济指标 本专题研制开发的 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机的主要考核指标如 下： （1）排放指标达到欧标准要求； （2）与原型柴油机相比动力性下降幅度小于 10； （3）按汽车发动机可靠性试验方法

2、的要求进行 1000h 可靠性试验，可 靠性不低于原型柴油机的水平； （4） 整车可靠性按 压缩天然气汽车定性试验规程 中可靠性试验的要求， 进行 7000km（试车场）或 1万 km（普通道路）的可靠性试验，可靠性不低于原 型柴油机的水平； （ 5） 进 行 全 面 的 技 术 经 济 分 析 。 在 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机成 本方面，考虑回收期并使成本控制在用户可承受范围之内； （6）在充分考虑潍柴厂生产工艺特点的前提下，制订发动机的技术方案， 并形成能指导批量生产的完整技术文件。 2、主要研究内容 1） 选择满足 WT615 增压 （CNG） 电喷发动机性能要求

3、的优化参数组合， 确定 燃烧系统的总体设计方案。 2）优选气门及气门座圈材料，研制新型活塞。 3）电喷系统的软硬件开发，其中包括：电控单元硬件系统的研制、电喷系 统控制软件的开发、点火线圈的选型与匹配、火花塞的选型与匹配等。 4）进行 CNG 电喷发动机匹配标定的试验研究。 5）进行电喷发动机排放控制措施的研究。 6）进行发动机各系统之间的匹配试验和优化改进以及电喷发动机的排放性 能认证试验。 7）进行 1000h 发动机台架可靠性试验。 8） 整 车 配 套 及 整 车 定 型 产 品 的 7000km（试车场） 或 1万 km（ 普 通 道 路 ） 的 可靠性试验。二 、 主 要 技 术

4、成 果 介 绍1、目标、任务完成情况 潍 坊 柴 油 机 厂 和 北 方 交 通 大 学 依 据 攻 关 合 同 内 容 要 求 ， 共 同 完 成 了 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机研制开发工作。 1）高效低排放电喷 CNG 发动机燃烧系统是样机研制开发的首要工作。针对 WY615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机总体设计方案的要求和实际使用中不同气源 成分的特点， 通过天然气发动机循环模拟计算， 分析燃烧系统主要结构参数和运 行参数对整机综合性能的影响，选择能够满足发动机性能要求的优化参数组合。 通过计算分析进行了增压系统的选型、 匹配、 冷却系统的改进设计， 为 W

5、T615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机的燃烧系统总体设计方案的确定、优选提供了理论依 据。 2）专题组根据理论分析所确定的参数，重点设计了符合 CNG 燃烧特性的新 型活塞和进气系统。 由于在稀薄燃烧环境下， 天然气火焰前锋传播速度较慢， 因 此设计时在分析研究排气面积容积比、 燃烧室内涡流与排压等参数对天然气燃烧 过程影响的基础上， 最大程度减少燃烧室死区， 增加燃烧室中的扰流强度， 使新 设计的燃烧带天然气火焰传播速度均衡，有效抑制有害排放物生成和爆燃倾向。 3）在发动机设计过程中，为解决燃气发动机气门座和气门热负荷高、磨损 严重的问题， 重新优选匹配了气门和气门座圈材料， 气门座

6、采用了具有高温强度 和润滑性良好的材料，在原有气门材料中添加了硬质颗粒，增加了气门的硬度， 从而提高了气阀组件工作的可靠性， 使发动机燃烧系统更为适应天然气燃烧放热 规律。 4）为满足 CNG 电喷发动机开发和产业化生产需要，专题组对发动机燃气供 给系统关键部件调压器进行了研制开发， 该调压器由一级调压器、 二级调压器和 电磁截止阀等部件组成， 为整体式两级调压装置。 为防止在减压过程中产生脉动， 确保在任何工况下都能提供稳定的压力， 减压后的天然气压力通过各级调压器自 身的背压来达到稳定压力的目的， 最终使减压压力变化在 22kPa 以内。 调压器在 设 计 中 ， 为 了 克 服 由 于

7、焦 耳 汤 姆 逊 效 应 、 CNG 急剧降温给发动机稳定工作造成 的影响， 整体式两级调压器设置了预热室， 并具有自动调控功能。 该调压器技术 性能稳定，工作安全可靠，产品整体性能达到国内外同类产品的先进水平。 5）为了提高天然气发动机的燃烧稳定性和适应气体燃料的特点，在项目执 行过程中设计开发了无分电器高能电控点火系统，完成了点火驱动电路的设计、 点火线圈的选型与匹配以及火花塞的选型等工作。 6）根据发动机的具体技术要求，进行了天然气发动机电控系统及其主要传 感器的选型开发工作， 进行了输入采集电路、 主控系统电路、 输出驱动电路的设 计调试以及电路的抗干扰设计。 应用面向数据流的结构化

8、设计方法， 进行控制软 件的概要设计， 设计出具有层次体系、 模块化结构的实时控制系统软件。 系统具 有高集成度、 良好动态响应、 工作稳定可靠的特点， 较好地满足单燃料电喷发动 机工况变化的需要。 7）完成了 CNG 电喷发动机匹配标定的试验研究、发动机各系统间的综合匹 配试验和性能及排放测定， 根据试验结果对各系统进行了改进和优化， 确保各项 指标满足技术文件要求。 在完成上述试验的基础上， 通过了发动机台架可靠性试 验， 进一步考核各系统间的匹配及零部件的可靠性， 并通过了山东省内燃机产品质量监督检验站的性能测试， 完成试验后进行了整机拆检， 对薄弱部件进行了改 进设计工作。 8）依据国

9、家整车可靠性试验规程要求，将 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发 动机装配在常州客车厂、 陕西欧舒特汽车股份有限公司的客车上， 进行了整车普 通道路的可靠性试验， 已取得的试验结果表明， 发动机可靠件不低于原型柴油机 水平。 9）在进行攻关研制工作的同时，注重开展攻关的新技术和新成果的转化工 作， 新开发的 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机不仅可以应用于城市大型公交 车和大客车等，还可作为燃气发电机组的配套发动机。目前潍柴已生产了 20 台 配套 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机的发电机组， 良好的产品性能受到用户 的好评。 另外， 天然气高能直接电控

10、点火系统和燃气电喷系统及相关技术也被推 广应用在潍柴 100-150GFT 等多个发电机组产品中。 2、解决的关键技术、取得的重大科技成果 WT615.64Q 增 压 中 冷 CNG 电 喷 发 动 机 在 研 制 开 发 的 过 程 中 主 要 取 得 的 技 术 成 果如下。 l）天然气稀燃均质燃烧系统的研制 天然气是一种经济、 清洁的燃料， 但要实现天然气的高效清洁燃烧， 必须同 时采取适当的技术措施。 本专题主要目标之一就是应用新技术设计单一燃料低排 放天然气发动机。 根据内燃机缸内燃烧机理分析， 运用天然气稀燃、 预混合均质 燃烧技术， 研制出了新一代天然气稀燃均质燃烧系统。 该系统

11、与增压中冷技术和电子控制技术相结合， 有效地降低了单燃料天然气发动机有害物排放量， 使开发 的 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机排放指标达到欧标准要求， 其动力性基 本保持原型机水平。 2）增压 CNG 发动机高能电控直接点火系统的研制开发 在 增 压 天 然 气 发 动 机 中 燃 气 空 气 混 合 物 的 着 火 过 程 与 传 统 燃 油 空 气 混 合 物 有较大的差别， 要获得天然气可靠着火所需的点火能量较大， 而它与空气混合物 的层流火焰速度较低， 着火滞燃期较长， 因此需要开发一套能够满足发动机在整 个工况范围内正常点火的高能点火系统。 电控直接点火系统取消了分

12、电器， 使得 安装方便， 可靠性提高， 而且能根据发动机不同运行工况， 控制各缸的点火定时 和点火时间， 从而为发动机的正常工作创造了条件。 开发高能电控直接点火系统 是实现增压发动机高效稀薄燃烧的关键技术之一。 高能电控直接点火系统通过判缸信号的识别， 根据发动机的运行工况， 精确 控制各缸的点火定时以及点火时间。 系统硬件部分由输入信号处理电路、 单片机 为核心的主控系统电路、 点火线圈驱动电路以及通讯接口电路等构成， 并可以离 线通过标定系统对该系统的点火脉谱数据进行修改或重新处理。 该系统具有适用工况范围广、 点火定时控制精度高、 抗干扰性能强和工作性 能稳定的特点，系统的开发填补了国

13、内同类产品的空白。 3）天然气发动机匹配标定系统的开发及优化匹配方法的研究 天然气电喷发动机性能匹配的标定系统由电控单元、 接口管理系统、 通讯模 块和监控管理系统等组成。 标定系统具有三个特点： 第一， 能够实现对发动机运行参数和电控单元控制参数的实时采集和数字方式、 图形方式的同步显示； 第二， 可以对控制参数和匹配参数进行实时在线调整； 第三， 可以对分析结果进行处理， 如保存、 打印等。 该标定系统的研制成功为电喷发动机开发提供了有效而先进的 手段，对提高电喷发动机的优化匹配的效率具有重要价值。 专 题 组 对 发 动 机 优 化 匹 配 理 论 、 方 法 和 技 术 进 行 了 系

14、 统 研 究 ， 提 出 了 CNG 电喷发动机优化匹配新方法。 在确定天然气电喷发动机性能优化目标、 优化变量 和约束条件的基础上， 采用多参量交叉组合法， 在稳定条件下， 根据动力性、 经 济性、 排放性等指标， 综合优化电控系统天然气喷射量、 点火提前角等控制参数， 进行优化匹配试验。 电喷发动机优化问题是一个多维有约束非线性规划问题。 专 题组在匹配试验过程中建立了相关优化数学模型， 选择合适的优化算法， 最终得 出了优化天然气喷射量 MAP 图和点火提前角 MAP 图。 4）天然气电喷系统的研制 发动机电喷系统由电控单元、 喷射执行器和各种传感器所构成。 根据标准设 计及可靠性原则，

15、 采用模块化设计方法， 进行电控单元硬件系统设计， 优化元器 件布置，提高了抗干扰性能。应用现代软件工程技术开发成功了具有层次体系、 模块化结构的实时控制软件， 软件功能完善、 易于管理、 便于调试； 设计了电控 系统的多种故障诊断和应急处理方案。 系统所选用的各种传感器均采用成熟汽车 用标准配件，可靠性高，价格合理，易于实现产业化。 3、整体水平与配套生产情况 1）整体水平与评价 WT61564Q 增压中冷 CNG 电喷发动机在发动机台架可靠性试验和整车道路 可靠性试验中表明，该发动机的改装专用部件及系统设计合理、工作性能稳定， 其它主要零部件继承了原机耐久可靠的特点，因而使 WT615.6

16、4Q 增压中冷 CNG 电喷发动机整机具有较好的工作可靠性。 近一年油田运行和城市车辆使用考核表 明， 该发动机性能稳定、 工作安全可靠， 能够满足不同工况的使用要求。 从发动 机整体技术水平上看， WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机具有高能直接电控点 火系统和燃气电喷系统、 应用天然气稀燃均质燃烧技术等先进技术， 已达到国内 同类机型的先进水平。 2）产品配套及生产情况 该产品作为城市大型公交车的理想配套动力， 已经按合同要求实现了与 12m 以上大型公交车配套，安装在常州客车厂的长江 CJ6110G1Y10H 客车、陕西欧舒 特汽车股份有限公司的 SX6120 客车上， 其中

17、 CJ6110G1Y10H 客车通过国家电力公 司已与秘鲁利马市公交公司签订正式的供货合同， 2001 年底将初步实现供货 100 辆，2001 年上半年供货总量在 400 辆左右。 专题组在实施攻关任务的同时， 尤其注重攻关产品的市场开发工作， 促使攻 关技术和成果尽快转化， 使其通过配套实现新技术的“嫁接”， 推动现有燃气发 动 机 产 品 的 更 新 换 代 工 作 。 在 项 目 开 发 的 过 程 中 ， WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷 发动机不仅配套在大型公交车上，还被应用在潍柴 75GFT 和 100GFT 两个绿色环 保型燃气发电机组上， 为攻关成果开辟了固定式发电

18、机组新天地。 另外， 高能直 接电控点火系统和燃气电喷系统及相关技术也被推广应用在潍柴 120GFT 等五个 发电机组产品中。 在专题研究过程中， 潍坊柴油机厂投入 60O 多万元人民币组建了气体发动机 分厂，该厂专门从事各系列气体发动机的研究、开发、生产和销售工作。目前， 该分厂的生产设备、 测试仪器已安装到位， 编制完成了各种技术文件和工艺文件， 已初步具备了年产各类型气体发动机 500 台的生产能力。三、成果转化情况及产业化前景1、成果转化及生产情况 1） 本专题依据合同要求生产了 3 台 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机， 1 台为台架性能样机、2 台进行整车性能和可靠

19、性试验。 2）专题开发的 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机与常州客车厂的长江 CJ6110G1Y10H 客车、陕西欧舒特汽车股份有限公司的 SX6120 客车进行了配套， 其中长江 CJ6110G1Y10H 客车已经完成了 1万 km 道路试验。 3） 生 产 了 20 台 WT615.64Q 增 压 中 冷 CNG 电 喷 发 动 机 ， 配 套 安 装 在 75GFT 和 100GFT 两个类型的发电机组上，分别销往大庆油田、山东诸城、中原油田、 山东临沂等地，产品受到用户广泛好评，为企业创造产值 300 多万元。 4） 专题研制的天然气高能直接电控点火系统和燃气电喷系统共

20、有 50 套被推 广应用在潍柴 120GFT 等五个发电机组产品中。 2、成果推广应用前景 1）推广应用条件 WT615.64Q 增 压 中 冷 CNG 电 喷 发 动 机 的 机 体 等 主 要 部 件 均 以 潍 柴 的 WD615.64Q 柴 油 机 为 基 础 ， 与 原 型 机 从 体 积 、 外 形 、 重 量 上 都 很 接 近 ， 安 装 尺 寸 完全一致， 具有良好的配车性能， 发动机容易被客车厂接受， 从而可以大大加快 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机进入市场的进程。 WD615.64Q 柴油机是驻港部队军车的主要动力， 也是“国庆”五十周年阅兵 式上的军车

21、中唯一的国产发动机。 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机整机主要 零部件与 WD615.64Q 柴油机通用， 改进部件进行了反复综合匹配和优选改进， 完 全能够满足公交车对发动机可靠性的要求， 这是该产品形成产业化生产能力的重 要可靠性保障。 2）产品配套及推广应用前景 WT615.64Q 增压中冷 CNG 发动机体积小、功率大，各项经济技术指标先进， 可以为 1112m 普通 （或空调） 公交车进行配套， 它在研制开发过程中始终受到 国内汽车生产厂家、城市公交公司的关注。 目 前 ， WT615.64Q 增 压 中 冷 CNG 电 喷 发 动 机 已 经 与 常 州 客 车 厂

22、 的 长 江 CJ6110G1Y10H 客 车 、 陕 西 欧 舒 特 汽 车 股 份 有 限 公 司 的 SX6120 进 行 了 配 套 ， 并 已 经完成了 1万 km 道路试验，分别在两个公司进行实地运行。 已提供一台样机与广州客车厂的客车进行了配套， 目前正在深圳进行道路试 验，产品具有广阔的市场配套空间。 中国重汽集团、 丹东黄海客车厂、 青岛专用汽车厂等有关汽车生产厂家也先 后与该厂签订配套协议， 随着燃气汽车推广应用条件的成熟， 这些企业将逐步成 为该厂的骨干配套企业。 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机不仅可做客车的配套动力源， 而且在固 定发电机组领域有良好的

23、推广前景。我国目前固定式燃气机组发动机多为 70 年 代前后的产品， 技术含量普遍较低， 而随着社会各界环保意识的不断增强， 加上 燃气发动机无可比拟的经济性， 以及市场需要环保型发电机组， 因此 WT615 增压（ CNG） 电 喷 发 动 机 在 这 一 领 域 将 有 更 大 的 作 为 。 潍 柴 生 产 了 20 台 WT615.64Q 增 压 中 冷 CNG 电 喷 发 动 机 ， 配 套 安 装 在 75GFT 和 100GFT 两 个 发 电 机 组 上 ， 分 别 销 往 大 庆 油 田 、 山 东 诸 城 、 临 沂 、 中 原 油 田 等 地 ， 产 品 受 到 用 户 广 泛 好 评 ， 为 企 业创造产值 300 多万元。 但是， WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机在研制开发过程中尚有一些工作 需进一步完善。 第一， 需要进一步开展电控系统集成化的研究工作。 车载电控系统的集成化 是近年来国际上车用发动机的发展趋势， 集成化系统具有工作效率高， 抗干扰能 力强和控制精度高的特点，在这些方面尚无法与国际水平看齐。 第二，需要进一步推进 WT615.64Q 增压中冷 CNG 电喷发动机成果转化工 作， 提高其配车能力和适应多种气体燃料能力， 为攻关成果推广应用营造更宽广 的空间。