秦華鋒，聞志君,2，步 瓊，付貴勇QIN Hua-feng, WEN Zhi-jun, BU Qiong, FU Gui-yong（.北京南車時(shí)代機(jī)車車輛機(jī)械有限公司，北京 02249；2.北京科技大學(xué)，北京 0083）

Design & Research 設(shè)計(jì)研究

雙燃料混燃動(dòng)力混凝土泵車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

秦華鋒1，聞志君1,2，步 瓊1，付貴勇1
QIN Hua-feng, WEN Zhi-jun, BU Qiong, FU Gui-yong
（1.北京南車時(shí)代機(jī)車車輛機(jī)械有限公司，北京 102249；2.北京科技大學(xué)，北京 10083）

[摘 要]在雙燃料混燃動(dòng)力混凝土泵車產(chǎn)品上作了積極的嘗試，對(duì)混燃動(dòng)力的48m混凝土泵車做了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析，總結(jié)混燃動(dòng)力工作狀態(tài)下，LNG 燃油替代率的規(guī)律，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。

[關(guān)鍵詞]混凝土泵車；雙燃料混燃動(dòng)力；燃油替代率；LNG

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的要求，工程機(jī)械行業(yè)近年來逐步開始應(yīng)用綠色動(dòng)力，綠色動(dòng)力將是未來科技發(fā)展的必然趨勢(shì)?？ㄌ乇壤?、沃爾沃、康明斯已經(jīng)成功研制了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，并且成功應(yīng)于用貨船、叉車、裝載機(jī)等機(jī)械設(shè)備，燃料成本可節(jié)約40%，減排效果明顯。國(guó)內(nèi)曾有報(bào)道高原混燃動(dòng)力油氣田修井車，滿足施工需求，且燃油替代率達(dá)到70%以上[1]。

混凝土機(jī)械與混凝土施工都將積極地向著綠色高效的方向發(fā)展，2013年福田雷薩重工展出基于稀薄燃燒技術(shù)的LNG混凝土泵車，北京南車基于泵車施工特點(diǎn)考慮積極地發(fā)展了雙燃料混燃動(dòng)力混凝土泵車。

工程機(jī)械柴油機(jī)油耗高，污染物排放多，面臨燃料使用和排放的雙重壓力；LNG、CNG等氣體動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)適用于固定場(chǎng)所或載荷均衡的場(chǎng)所工況。雙燃料動(dòng)力的柴油機(jī)不僅能滿足工程機(jī)械動(dòng)力輸出的需求，而且能夠不嚴(yán)重依賴工作場(chǎng)所的供氣能力，更適合無固定工作場(chǎng)所的工程機(jī)械。雙燃料動(dòng)力在混凝土泵車產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用，也處于工程機(jī)械研究的前列。

1 雙燃料混燃動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 混燃動(dòng)力

高壓直噴技術(shù)：加拿大西港創(chuàng)新公司采取HPDI技術(shù)路線，通過一體化的燃油噴射裝置可以同時(shí)向氣缸內(nèi)直接噴柴油和天然氣，主要特點(diǎn)是采用雙重共軌的高壓混燃噴射系統(tǒng)，當(dāng)氣缸內(nèi)的空氣被壓縮到接近沖程末點(diǎn)時(shí)，按一定配比的柴油與天然氣先后通過各自的燃料通路，以很高壓力直接噴入汽缸而燃燒做功。

單點(diǎn)噴射混燃技術(shù)：基于柴油原動(dòng)機(jī)ECU，開發(fā)燃?xì)庀到y(tǒng)ECU，同時(shí)控制噴氣量，噴氣時(shí)刻，噴油量，噴油時(shí)刻，使空氣和天然氣在缸內(nèi)混合實(shí)現(xiàn)混燃做功。

1.2 混燃混凝土泵車工作原理

混凝土泵車在啟動(dòng)和怠速時(shí)采用柴油工作，當(dāng)ECU感受到發(fā)動(dòng)機(jī)的加載信號(hào)，由ECU控制天然氣噴射閥，使天然氣噴射量增加，同時(shí)限定柴油量。ECU根據(jù)傳感器傳入的發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置，轉(zhuǎn)速和排氣溫度，由控制器軟件進(jìn)行模擬分析對(duì)比，輸出控制參數(shù)，控制天然氣和引燃柴油的噴射量。ECU經(jīng)CAN總線信號(hào)給原車柴油機(jī)ECU控制噴油量，并根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化增加或減少噴油量。由天然氣噴射閥噴出的天然氣噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，與空氣混合進(jìn)入氣缸。由ECU根據(jù)接收到的信號(hào)控制天然氣噴射閥來調(diào)節(jié)噴射量，以獲得所需的功率和轉(zhuǎn)速。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用ECU智能電子控制、正壓、單點(diǎn)噴射供氣技術(shù)，將混凝土泵車柴油機(jī)改裝成柴油LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

1）LNG供氣系統(tǒng)，包括LNG儲(chǔ)罐、截止閥、2位3通閥、低溫金屬軟管、LNG汽化器、減壓穩(wěn)壓閥等。LNG儲(chǔ)氣罐采用雙層金屬加真空多層纏繞技術(shù)，汽化器由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水作熱源。來自儲(chǔ)罐的LNG經(jīng)氣化成天然氣后，經(jīng)緩沖罐和減壓閥調(diào)壓后，將壓力穩(wěn)定在0.4MPa，供發(fā)動(dòng)機(jī)使用。

2）柴油-LNG雙燃料電控噴射系統(tǒng)由天然氣電控噴射系統(tǒng)、柴油燃油控制系統(tǒng)、模式選擇器系統(tǒng)組成。

3）減壓后的天然氣進(jìn)入低壓電磁閥和天然氣噴射閥、天然氣的噴射量由ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速來控制。該系統(tǒng)采用了兩種流量不等的6個(gè)天然氣噴射閥，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的噴射量。

4）柴油燃油控制系統(tǒng)用來控制雙燃料工作狀態(tài)下的引燃油量，主要由柴油機(jī)ECU和噴油泵組成。電子控制系統(tǒng)主要有電子控制單元，油門位置傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器，排氣溫度傳感器等組成。電控單元利用CAN總線與柴油機(jī)ECU通訊，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，轉(zhuǎn)速，排氣溫度，由柴油機(jī)燃油控制系統(tǒng)控制柴油噴射量。

2 試驗(yàn)說明

2.1 樣車描述

試驗(yàn)樣機(jī)為柴油-LNG天然氣混燃動(dòng)力48m泵車；柴油系統(tǒng)，油氣混合系統(tǒng)可獨(dú)立切換；康明斯ISME114835柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；采用閉式液壓系統(tǒng)，主泵系統(tǒng)采用無桿腔驅(qū)動(dòng)泵送。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

適用于樣車模擬泵送負(fù)載的工裝一套。

油耗儀：型號(hào)HZB2000，精度0.01kg/h。

氣耗儀：型號(hào)CMF025M315NWBAMZZZ，精度0.1g/h。

2.3 試驗(yàn)要求

柴油模式、油氣混合模式分別進(jìn)行泵水試驗(yàn)，在相同的工況下比較燃油模式與油氣混合模式發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況，記錄各工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍，并與理論值進(jìn)行比較，記錄異常狀況。模擬負(fù)載水試驗(yàn)采用負(fù)載可變的工裝，從料斗出口處作壓力截?cái)?，臂架不需要展開。

1）在主泵3檔、4檔、5檔、6檔、7檔等不同排量狀況分別模擬泵水試驗(yàn)。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 250rpm，1 300rpm，1 400rpm，1 650rpm，模擬不同功率工況。

3）負(fù)載壓力分別為10MPa、16MPa、20MPa。

4）每個(gè)工況試驗(yàn)10min，記錄各排量下泵送次數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油耗、氣耗。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 混凝土泵送壓力、泵送排量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

在施工過程中，判斷混凝土泵送機(jī)械是否可以滿足泵送要求，經(jīng)?？紤]的因素是泵送機(jī)械的最大泵送壓力、最大排量。泵送壓力與泵送排量之間的關(guān)系[2]為

N＝PQ/25 （1）

P＝Pf/I （2）

Q＝QfI＝nVgI （3）

式中 P—泵送壓力，bar；

Q—泵送排量，m3/h；

N—泵送功率，kW；

Pf—液壓系統(tǒng)主泵壓力，bar;

I— 主油缸截面積與料缸截面積的比，系統(tǒng)常數(shù)；

Qf—液壓系統(tǒng)主泵流量，mL;

n— 主泵轉(zhuǎn)速（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速乘以傳動(dòng)比即得到主泵轉(zhuǎn)速），rpm；

實(shí)際工作中泵送壓力、泵送排量以及泵送功率決定了混凝土泵送機(jī)械的工作能力，在測(cè)試中將泵送壓力轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的主泵壓力、主泵排量以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.2 柴油工作模式

柴油工作模式下，泵車主泵液壓系統(tǒng)負(fù)載20MPa。主泵分別在排量4（主泵排量的40%）、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 300rpm；排量5（主泵排量50%）、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 300rpm；排量6（主泵排量60%）、排量7（主泵排量70%），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1400rpm的數(shù)據(jù)曲線見圖2。

圖2試驗(yàn)曲線顯示，柴油工作模式下，主泵系統(tǒng)負(fù)載壓力20MPa，轉(zhuǎn)速基本相同，液壓主泵排量將增大，隨著泵送排量增大，泵車功率需求增大，消耗的柴油量增加。從工作曲線可以得出測(cè)試結(jié)果，工作平穩(wěn)，工作狀態(tài)良好。

3.3 典型工況混燃模式

模擬泵車系統(tǒng)負(fù)載16MPa和20MPa工況下，混燃模式試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1、表2。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次，表內(nèi)省去了中間的第4～9次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1顯示，負(fù)載一定（16MPa），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本一定，主泵系統(tǒng)排量增加，整機(jī)功率需求增加。燃油替代率呈降低趨勢(shì)，在6檔時(shí)，迅速降至29.88%。而4檔時(shí)燃油替代率最高，表明4檔是混燃狀態(tài)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)域。6檔代表大排量工作區(qū)域，燃油替代率明顯下降。

圖3數(shù)據(jù)曲線顯示，主泵系統(tǒng)工作在排量4、5檔時(shí)，主要燃燒天然氣就可保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作。燃油替代率也比較高。工作過程中氣體消耗比較平穩(wěn)，工作狀態(tài)穩(wěn)定；主泵系統(tǒng)工作在6檔燃油時(shí)，整機(jī)工作震蕩比較大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，此時(shí)天然氣的燃燒做功已經(jīng)不能適應(yīng)泵送負(fù)荷，雙燃料控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整油氣比例，燃油消耗震蕩比較大，氣體消耗也有波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于不穩(wěn)定工作區(qū)域，整機(jī)工作不穩(wěn)定，在燃油替代率29.88%時(shí)穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)。

圖2 20MPa負(fù)載下柴油消耗曲線

表1 主泵16MPa混燃模式燃料消耗數(shù)據(jù)表

表2 主泵20MPa燃料消耗數(shù)據(jù)表

從以上數(shù)據(jù)分析可得以下結(jié)論：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 650rpm時(shí)比1 300rpm排量大，功率需求大，油耗增加明顯，燃油替代率從54.81%下降至34.62%，下降比較明顯，混燃模式下氣體消耗反而減少。

2）混燃模式下，低速狀態(tài)油耗波動(dòng)比較大，高速工作區(qū)波動(dòng)平穩(wěn)。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 650rpm狀態(tài)下油耗明顯高于氣體消耗，1300rpm狀態(tài)下油耗、氣體消耗大體相當(dāng)。

3.4 大排量、高功率工況混燃模式

表3數(shù)據(jù)顯示，主泵系統(tǒng)壓力一定，主泵排量一定，若增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大，混凝土泵排量也隨之增加，燃油替代率27.4%迅速下降為19.2%。混燃狀態(tài)下，氣體消耗量趨于穩(wěn)定，高速大功率狀態(tài)下，功率增加，油耗增加，氣體消耗基本不變，燃油替代率下降，且發(fā)動(dòng)機(jī)功率基本滿足工作需求。

表4數(shù)據(jù)顯示，主泵系統(tǒng)壓力一定，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，主泵排量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加，混凝土泵送排量將增加。在4檔、5檔、6檔工作狀態(tài)下，燃油替代率分別為39.24%，34，6%，19.2%，呈逐步下降的趨勢(shì)?；烊紶顟B(tài)下，氣體消耗量趨于穩(wěn)定，高速大功率狀態(tài)下，功率增加，油耗增加，氣體消耗基本不變，燃油替代率下降，且整體燃油替代率不高。

圖3 主泵16MPa混燃模式燃料消耗數(shù)據(jù)曲線

表3 主泵6檔燃料消耗數(shù)據(jù)表

表4 主泵20MPa高速燃料消耗數(shù)據(jù)表

圖4 大排量高功率工作數(shù)據(jù)曲線

圖4顯示，在主泵排量7檔位，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 400rpm工作狀態(tài)下，氣體燃燒做功已經(jīng)不能滿足負(fù)載動(dòng)力需求，出現(xiàn)功率降低。同6檔位相比，燃油替代率基本穩(wěn)定不變，但是測(cè)試時(shí)間內(nèi)，已經(jīng)出現(xiàn)功率不能滿足需求的狀況，發(fā)動(dòng)機(jī)將自動(dòng)調(diào)整油氣供給比例，最終穩(wěn)定在一個(gè)狀態(tài)，此時(shí)主要依靠燃燒柴油滿足動(dòng)力輸出。

3.5 燃油替代率變化規(guī)律

1）在3檔工作狀態(tài)下，負(fù)載輕時(shí)，燃油替代率高，隨著負(fù)載增加，燃油替代率逐漸增加，工作曲線平穩(wěn)，整體燃油替代率較高達(dá)到56.6%。

2）隨著負(fù)載的增加，燃油替代率逐漸升高，但負(fù)載過大時(shí)，泵送進(jìn)入不穩(wěn)定工況時(shí)，4檔時(shí)，燃油替代率為56.5%、62.7%、63.5%，高轉(zhuǎn)速高功率狀態(tài)，燃油替代率從63.5%迅速下降為39.2%。

3）在5檔工作狀態(tài)下，負(fù)載增加，燃油替代率趨于穩(wěn)定，從58.1%、54.21% 、54.81%。大功率狀態(tài)下，燃油替代率從54.81%迅速下降為34.5%。

4）大排量、高功率工作區(qū)，氣體燃料消耗穩(wěn)定，燃油替代率維持在20%左右，主要依靠燃燒柴油來滿足動(dòng)力輸出。

4 結(jié) 論

雙燃料動(dòng)力混凝土泵車泵送能力與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)泵送相當(dāng)。低檔位低功率工作條件下，燃油替代率高達(dá)到60%，且在能夠滿足工作需求動(dòng)力輸出前提下，在典型工作負(fù)載16MPa、20MPa條件下，4、5檔位燃油替代率在50%左右，是理想工作范圍。在大排量條件下，為保證動(dòng)力對(duì)負(fù)載的跟隨性，無論高功率還是低功率工作條件，燃油替代率維持在20%左右。綜上所述，雙燃料混凝土泵車可根據(jù)負(fù)載變化，自適應(yīng)修正油氣燃料供比，克服了單一燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在可變負(fù)荷時(shí)燃燒的局限性。

[參考文獻(xiàn)]

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（編輯 吳學(xué)松）

［中圖分類號(hào)］TU64+6

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)04-0038-05

［收稿日期］2015-03-10

Design and test analysis of dual fuel mixed combustion dynamic system