雙燃料混燃動力混凝土泵車系統設計與試驗分析

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

Design & Research 設計研究

雙燃料混燃動力混凝土泵車系統設計與試驗分析

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.北京南車時代機車車輛機械有限公司，北京 102249；2.北京科技大學，北京 10083）

[摘 要]在雙燃料混燃動力混凝土泵車產品上作了積極的嘗試，對混燃動力的48m混凝土泵車做了系統設計與試驗分析，總結混燃動力工作狀態下，LNG 燃油替代率的規律，并提出了優化設計方向。

[關鍵詞]混凝土泵車；雙燃料混燃動力；燃油替代率；LNG

為響應國家節能減排的要求，工程機械行業近年來逐步開始應用綠色動力，綠色動力將是未來科技發展的必然趨勢。卡特比勒、沃爾沃、康明斯已經成功研制了雙燃料發動機，并且成功應于用貨船、叉車、裝載機等機械設備，燃料成本可節約40%，減排效果明顯。國內曾有報道高原混燃動力油氣田修井車，滿足施工需求，且燃油替代率達到70%以上[1]。

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

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

1 雙燃料混燃動力系統設計

1.1 混燃動力

高壓直噴技術：加拿大西港創新公司采取HPDI技術路線，通過一體化的燃油噴射裝置可以同時向氣缸內直接噴柴油和天然氣，主要特點是采用雙重共軌的高壓混燃噴射系統，當氣缸內的空氣被壓縮到接近沖程末點時，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。

單點噴射混燃技術：基于柴油原動機ECU，開發燃氣系統ECU，同時控制噴氣量，噴氣時刻，噴油量，噴油時刻，使空氣和天然氣在缸內混合實現混燃做功。

1.2 混燃混凝土泵車工作原理

混凝土泵車在啟動和怠速時采用柴油工作，當ECU感受到發動機的加載信號，由ECU控制天然氣噴射閥，使天然氣噴射量增加，同時限定柴油量。ECU根據傳感器傳入的發動機油門位置，轉速和排氣溫度，由控制器軟件進行模擬分析對比，輸出控制參數，控制天然氣和引燃柴油的噴射量。ECU經CAN總線信號給原車柴油機ECU控制噴油量，并根據轉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動機進氣道，與空氣混合進入氣缸。由ECU根據接收到的信號控制天然氣噴射閥來調節噴射量，以獲得所需的功率和轉速。

1.3 系統設計

采用ECU智能電子控制、正壓、單點噴射供氣技術，將混凝土泵車柴油機改裝成柴油LNG雙燃料發動機，如圖1。

圖1 系統設計原理圖

1）LNG供氣系統，包括LNG儲罐、截止閥、2位3通閥、低溫金屬軟管、LNG汽化器、減壓穩壓閥等。LNG儲氣罐采用雙層金屬加真空多層纏繞技術，汽化器由發動機冷卻水作熱源。來自儲罐的LNG經氣化成天然氣后，經緩沖罐和減壓閥調壓后，將壓力穩定在0.4MPa，供發動機使用。

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

3）減壓后的天然氣進入低壓電磁閥和天然氣噴射閥、天然氣的噴射量由ECU根據發動機的負荷和轉速來控制。該系統采用了兩種流量不等的6個天然氣噴射閥，以滿足發動機在不同工況下的噴射量。

4）柴油燃油控制系統用來控制雙燃料工作狀態下的引燃油量，主要由柴油機ECU和噴油泵組成。電子控制系統主要有電子控制單元，油門位置傳感器，轉速傳感器，排氣溫度傳感器等組成。電控單元利用CAN總線與柴油機ECU通訊，根據發動機的負荷，轉速，排氣溫度，由柴油機燃油控制系統控制柴油噴射量。

2 試驗說明

2.1 樣車描述

試驗樣機為柴油-LNG天然氣混燃動力48m泵車；柴油系統，油氣混合系統可獨立切換；康明斯ISME114835柴油發動機；采用閉式液壓系統，主泵系統采用無桿腔驅動泵送。

2.2 試驗設備

適用于樣車模擬泵送負載的工裝一套。

油耗儀：型號HZB2000，精度0.01kg/h。

氣耗儀：型號CMF025M315NWBAMZZZ，精度0.1g/h。

2.3 試驗要求

柴油模式、油氣混合模式分別進行泵水試驗，在相同的工況下比較燃油模式與油氣混合模式發動機工作狀況，記錄各工況下發動機轉速波動范圍，并與理論值進行比較，記錄異常狀況。模擬負載水試驗采用負載可變的工裝，從料斗出口處作壓力截斷，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。

2）發動機轉速1 250rpm，1 300rpm，1 400rpm，1 650rpm，模擬不同功率工況。

3）負載壓力分別為10MPa、16MPa、20MPa。

4）每個工況試驗10min，記錄各排量下泵送次數、發動機轉速、油耗、氣耗。

3 試驗結果分析

3.1 混凝土泵送壓力、泵送排量、發動機轉速之間的關系

在施工過程中，判斷混凝土泵送機械是否可以滿足泵送要求，經常考慮的因素是泵送機械的最大泵送壓力、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—液壓系統主泵壓力，bar;

I— 主油缸截面積與料缸截面積的比，系統常數；

Qf—液壓系統主泵流量，mL;

n— 主泵轉速（發動機轉速乘以傳動比即得到主泵轉速），rpm；

實際工作中泵送壓力、泵送排量以及泵送功率決定了混凝土泵送機械的工作能力，在測試中將泵送壓力轉換為可檢測的主泵壓力、主泵排量以及發動機轉速。

3.2 柴油工作模式

柴油工作模式下，泵車主泵液壓系統負載20MPa。主泵分別在排量4（主泵排量的40%）、發動機轉速1 300rpm；排量5（主泵排量50%）、發動機轉速1 300rpm；排量6（主泵排量60%）、排量7（主泵排量70%），發動機轉速1400rpm的數據曲線見圖2。

圖2試驗曲線顯示，柴油工作模式下，主泵系統負載壓力20MPa，轉速基本相同，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試結果，工作平穩，工作狀態良好。

3.3 典型工況混燃模式

模擬泵車系統負載16MPa和20MPa工況下，混燃模式試驗數據詳見表1、表2。實驗進行10次，表內省去了中間的第4～9次實驗數據。

表1顯示，負載一定（16MPa），發動機轉速基本一定，主泵系統排量增加，整機功率需求增加。燃油替代率呈降低趨勢，在6檔時，迅速降至29.88%。而4檔時燃油替代率最高，表明4檔是混燃狀態經濟工作區域。6檔代表大排量工作區域，燃油替代率明顯下降。

圖3數據曲線顯示，主泵系統工作在排量4、5檔時，主要燃燒天然氣就可保證發動機穩定工作。燃油替代率也比較高。工作過程中氣體消耗比較平穩，工作狀態穩定；主泵系統工作在6檔燃油時，整機工作震蕩比較大，系統不穩定，此時天然氣的燃燒做功已經不能適應泵送負荷，雙燃料控制系統自動調整油氣比例，燃油消耗震蕩比較大，氣體消耗也有波動，發動機處于不穩定工作區域，整機工作不穩定，在燃油替代率29.88%時穩定發動機工作狀態。

圖2 20MPa負載下柴油消耗曲線

表1 主泵16MPa混燃模式燃料消耗數據表

表2 主泵20MPa燃料消耗數據表

從以上數據分析可得以下結論：

1）發動機轉速1 650rpm時比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，低速狀態油耗波動比較大，高速工作區波動平穩。

3）發動機轉速1 650rpm狀態下油耗明顯高于氣體消耗，1300rpm狀態下油耗、氣體消耗大體相當。

3.4 大排量、高功率工況混燃模式

表3數據顯示，主泵系統壓力一定，主泵排量一定，若增加發動機轉速，發動機功率增大，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%。混燃狀態下，氣體消耗量趨于穩定，高速大功率狀態下，功率增加，油耗增加，氣體消耗基本不變，燃油替代率下降，且發動機功率基本滿足工作需求。

表4數據顯示，主泵系統壓力一定，發動機轉速一定，主泵排量增加，發動機功率增加，混凝土泵送排量將增加。在4檔、5檔、6檔工作狀態下，燃油替代率分別為39.24%，34，6%，19.2%，呈逐步下降的趨勢。混燃狀態下，氣體消耗量趨于穩定，高速大功率狀態下，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據曲線

表3 主泵6檔燃料消耗數據表

表4 主泵20MPa高速燃料消耗數據表

圖4 大排量高功率工作數據曲線

圖4顯示，在主泵排量7檔位，發動機轉速1 400rpm工作狀態下，氣體燃燒做功已經不能滿足負載動力需求，出現功率降低。同6檔位相比，燃油替代率基本穩定不變，但是測試時間內，已經出現功率不能滿足需求的狀況，發動機將自動調整油氣供給比例，最終穩定在一個狀態，此時主要依靠燃燒柴油滿足動力輸出。

3.5 燃油替代率變化規律

1）在3檔工作狀態下，負載輕時，燃油替代率高，隨著負載增加，燃油替代率逐漸增加，工作曲線平穩，整體燃油替代率較高達到56.6%。

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

3）在5檔工作狀態下，負載增加，燃油替代率趨于穩定，從58.1%、54.21% 、54.81%。大功率狀態下，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，氣體燃料消耗穩定，燃油替代率維持在20%左右，主要依靠燃燒柴油來滿足動力輸出。

4 結 論

雙燃料動力混凝土泵車泵送能力與柴油發動機泵送相當。低檔位低功率工作條件下，燃油替代率高達到60%，且在能夠滿足工作需求動力輸出前提下，在典型工作負載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，為保證動力對負載的跟隨性，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負載變化，自適應修正油氣燃料供比，克服了單一燃料發動機在可變負荷時燃燒的局限性。

[參考文獻]

[1] 宋國俊，徐海昌．柴油-天然氣混合動力技術在高原油氣田的開發與應用[J]．青海石油，2013，31(2)：103-106.

[2] 蘇建良．混凝土泵送能力需求與泵送機械的泵送能力供給分析[J]．建設機械技術與管理，2009，(9)：107-111.

[3] 翟 昕．壓縮空氣/燃油混合動力的研究[D]．杭州：浙江大學，2005.

（編輯 吳學松）

［中圖分類號］TU64+6

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)04-0038-05

［收稿日期］2015-03-10

Design and test analysis of dual fuel mixed combustion dynamic system