摻燒比對電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料燃燒特性的影響

宋建桐， 張春化， 呂江毅

(1. 北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 北京　100176；2. 長安大學(xué)交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710064)

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摻燒比對電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料燃燒特性的影響

宋建桐1， 張春化2， 呂江毅1

(1. 北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 北京100176；2. 長安大學(xué)交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710064)

為了在柴油機(jī)上使用液化天然氣(LNG)，將電控共軌柴油機(jī)改裝為柴油引燃天然氣的雙燃料發(fā)動機(jī)，通過天然氣噴嘴將LNG噴入進(jìn)氣管。利用雙燃料發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，對比分析了轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，100%負(fù)荷下，摻燒比對電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料燃燒特性的影響。研究結(jié)果表明，隨著摻燒比的增大，雙燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力先升高后降低，壓力升高率和瞬時(shí)放熱率增大，峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)增大。

共軌柴油機(jī)； 天然氣； 雙燃料； 摻燒比； 燃燒特性

柴油機(jī)憑借其良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和低排放等優(yōu)點(diǎn)，在各類車輛上得到了廣泛的應(yīng)用。然而柴油機(jī)的顆粒(PM)與NOx排放對環(huán)境的污染一直是個(gè)比較嚴(yán)重的問題，為了滿足環(huán)保法規(guī)的要求，降低柴油機(jī)的PM和NOx排放已迫在眉睫[1]。

天然氣被認(rèn)為是最清潔的石化燃料，其主要成分為甲烷，甲烷的氫碳體積比(H/C)接近3.8，在所有碳?xì)淙剂现凶罡?。天然氣中碳的質(zhì)量含量為75%，汽油和柴油的為86%～88%，所以天然氣單位能量的二氧化碳排放較低[2]。與傳統(tǒng)燃料相比，天然氣不含芳香烴，含有很少的硫，其顆粒排放明顯降低[3]。常溫下，壓力為20 MPa的壓縮天然氣(CNG)的密度為175 kg/m3，液化天然氣(LNG)的密度為435 kg/m3[4-5]。作為車用燃料，與CNG相比，LNG能量密度高，在提高車輛續(xù)駛里程方面具有較大優(yōu)勢[6]。

柴油引燃天然氣發(fā)動機(jī)的燃燒過程既有柴油機(jī)擴(kuò)散的燃燒特點(diǎn)，也有汽油機(jī)奧托循環(huán)的燃燒特點(diǎn)。很多學(xué)者已經(jīng)在傳統(tǒng)柴油機(jī)上對LNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)的排放、性能和燃燒特性進(jìn)行了大量研究。近年來，隨著電控共軌技術(shù)的快速發(fā)展，電控共軌柴油機(jī)已經(jīng)在各種車輛上得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)柴油機(jī)不同，電控共軌柴油機(jī)的噴油量和噴油正時(shí)都比較容易控制，這為提高柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)的性能提供了便利。

為了研究摻燒比對電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料的燃燒特性的影響，進(jìn)一步優(yōu)化雙燃料發(fā)動機(jī)的摻燒比和引燃柴油的噴油正時(shí)，在1臺電控共軌柴油機(jī)上加裝電控系統(tǒng)和天然氣供給系統(tǒng)，控制引燃柴油的噴射量、噴油正時(shí)和天然氣供給量。通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，對比分析了不同摻燒比對柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)缸壓、壓力升高率、缸內(nèi)溫度和循環(huán)變動的影響，為開發(fā)電控共軌柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)提供摻燒比控制的理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用LNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)由1臺6缸、四沖程、增壓中冷、強(qiáng)制水冷、電控共軌、直噴式柴油機(jī)改造而成，其主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1　試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)見圖1。雙燃料ECU是在原柴油機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了LNG-柴油雙燃料控制系統(tǒng)，雙燃料控制系統(tǒng)與原機(jī)共享冷卻水溫度、曲軸位置、凸輪軸位置、油軌壓力等信號。雙燃料ECU可控制柴油噴油器及天然氣供給系統(tǒng)的通斷電磁閥和天然氣噴射電磁閥(安裝在氣軌上)，也可監(jiān)測天然氣液位和壓力等。雙燃料模式下，發(fā)動機(jī)的軌壓、渦輪增壓、廢氣再循環(huán)等仍由原機(jī)ECU控制。雙燃料發(fā)動機(jī)的工作模式通過外部繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該繼電器由雙燃料ECU控制。

圖1　發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)

天然氣混合器安裝在中冷器和發(fā)動機(jī)之間的進(jìn)氣總管上，在混合器內(nèi)天然氣與空氣混合后進(jìn)入發(fā)動機(jī)。缸壓采集及放熱率分析采用kistler 6052A壓電式缸壓傳感器、5019電荷放大器及2893A Kibox燃燒分析儀。缸壓傳感器安裝在氣缸蓋上，采集到的信號為電荷信號，經(jīng)電荷放大器放大處理后轉(zhuǎn)化為正比于外力的電壓輸出信號傳給燃燒分析儀。電渦流測功機(jī)用來對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率、水溫、進(jìn)氣溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和測量。

1.2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)研究了LNG-柴油摻燒比對電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料的缸內(nèi)壓力、壓力升高率、瞬時(shí)放熱率及燃燒循環(huán)變動的影響。試驗(yàn)工況選取轉(zhuǎn)速1 200 r/min，功率輸出107 kW(負(fù)荷率為100%)。試驗(yàn)時(shí)，首先在選定工況下，采集原柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力、油軌壓力、油門位置、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、水溫和排氣溫度等參數(shù)。然后發(fā)動機(jī)以LNG-柴油雙燃料的模式運(yùn)行，在油門位置和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變的前提下(與原機(jī)相同)調(diào)節(jié)天然氣和柴油的供給量，并將引燃柴油的噴油正時(shí)設(shè)置為最大扭矩噴油正時(shí)，使雙燃料發(fā)動機(jī)以相同轉(zhuǎn)速和功率輸出運(yùn)行，記錄不同摻燒比下雙燃料發(fā)動機(jī)的各個(gè)參數(shù)(見表2)。

由表2可知，該工況下原柴油機(jī)的有效燃料消耗率為215.4 g/(kW·h)，雙燃料發(fā)動機(jī)摻燒比為96%時(shí)有效燃料消耗率最低；隨著摻燒比增大，雙燃料發(fā)動機(jī)引燃柴油的最大扭矩噴油正時(shí)推遲，因?yàn)榇筘?fù)荷時(shí)，雙燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣較濃，而且缸內(nèi)溫度和壓力較高，引燃柴油滯燃期減小，隨著摻燒比的增大，盡管引燃柴油的滯燃期變大，但是混合氣變濃，在引燃柴油量產(chǎn)生的著火點(diǎn)數(shù)量和能量足夠多的前提下，燃燒速率提高，所以噴油正時(shí)略有推遲。

表2　雙燃料發(fā)動機(jī)參數(shù)

2　結(jié)果與分析

2.1摻燒比對缸內(nèi)壓力的影響

不同摻燒比下，雙燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力對比見圖2。從中可以看出，與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力升高，在壓縮沖程的缸內(nèi)壓力降低。隨著摻燒比的增大，雙燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力先升高后降低，摻燒比為36%時(shí)雙燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)峰值壓力最大。摻燒比為73%和96%的噴油正時(shí)相同，隨著摻燒比增大，缸內(nèi)壓力最大值相位推遲。

圖2　摻燒比對雙燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力的影響

當(dāng)摻燒比過小時(shí)，混合氣過稀，天然氣燃燒速率降低，缸內(nèi)壓力降低；隨著摻燒比的增大，缸內(nèi)混合氣變濃，燃燒速率增加，缸內(nèi)壓力升高；隨著摻燒比的繼續(xù)增大，引燃柴油量減少，造成天然氣的著火點(diǎn)的數(shù)量和能量降低，而且以氣態(tài)形式進(jìn)入氣缸的天然氣進(jìn)一步增加，缸內(nèi)空氣量減少，使缸內(nèi)最高壓力降低。所以，隨著摻燒比的增大，雙燃料缸內(nèi)壓力先升高后降低。

摻燒比73%和96%的噴油正時(shí)相同，隨著摻燒比增大，缸內(nèi)峰值壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角推遲。這是因?yàn)殡S著摻燒比的增大，滯燃期變長，燃燒推遲，使缸內(nèi)峰值壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角推遲。另外，由于滿負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣較濃，摻燒比為96%時(shí)，引燃柴油很少，混合氣濃，氧濃度較低，焰前反應(yīng)中混合氣里的柴油與CH4爭奪自由基的活動加劇，導(dǎo)致著火滯燃時(shí)間加長，再加上天然氣的燃燒速率較慢，且引燃柴油的減少會降低天然氣的著火源數(shù)量，也會造成峰值壓力出現(xiàn)較晚。

2.2摻燒比對壓力升高率的影響

壓力升高率是表征內(nèi)燃機(jī)燃燒等容度和粗暴度的指標(biāo)。不同摻燒比下，雙燃料和柴油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力升高率對比見圖3?？梢钥闯?，雙燃料發(fā)動機(jī)的壓力升高率相對于原機(jī)有所升高，隨著摻燒比的增大，雙燃料發(fā)動機(jī)的壓力升高率逐漸升高。摻燒比73%和96%的噴油正時(shí)相同，隨著摻燒比增大，缸內(nèi)壓力升高率降低，且其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角推遲。這是由于96%摻燒比燃燒壓力降低，再加上峰值壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角推遲(見圖2)，使壓力升高率降低。另外，摻燒比為96%時(shí)，燃料中的柴油量很少，基本只起引燃作用，再加上混合燃料滯燃期較長，引燃柴油在滯燃期內(nèi)形成的柴油-空氣混合氣較均勻，類似于汽油機(jī)的火焰?zhèn)鞑ピ龆?，與柴油的多點(diǎn)發(fā)火、容積式燃燒相比壓力升高率降低。

圖3　摻燒比對雙燃料發(fā)動機(jī)壓力升高率的影響

對比圖2和圖3可以看出，摻燒比為36%時(shí)，缸內(nèi)壓力最高；摻燒比為73%時(shí)，壓力升高率最高。同一工況下，缸內(nèi)最高壓力和最大壓力升高率并沒有出現(xiàn)在同一摻燒比下，這是因?yàn)閴毫ι呗什粌H與最高壓力相關(guān)，還與燃料的燃燒速率、燃燒室容積變化以及放熱規(guī)律等相關(guān)。

2.3燃燒放熱規(guī)律

不同摻燒比下，雙燃料和柴油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)瞬時(shí)放熱率對比見圖4。

圖4　摻燒比對雙燃料發(fā)動機(jī)放熱率的影響

可以看出，雙燃料發(fā)動機(jī)的瞬時(shí)放熱率相對于原機(jī)增大，而且隨著摻燒比的增大，雙燃料發(fā)動機(jī)的瞬時(shí)放熱率逐漸增大。這是因?yàn)殡S著摻燒比的增大，混合氣變濃，多點(diǎn)同時(shí)著火，燃燒速率增大，使放熱率增大。另外，與柴油相比，天然氣和空氣更容易發(fā)生焰前反應(yīng)，一旦引燃柴油著火，天然氣-空氣均質(zhì)混合氣的燃燒速度增快，放熱率提高[7]。摻燒比為96%的放熱率峰值出現(xiàn)在上止點(diǎn)后10°左右，此時(shí)活塞早已開始下行，這也是盡管瞬時(shí)放熱率峰值增大，而缸內(nèi)壓力和壓力升高率降低的重要原因[7](見圖2和圖3)。

2.4循環(huán)變動

不同摻燒比下，雙燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)峰值壓力隨循環(huán)序數(shù)的變化見圖5，雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表3。可以看出，與原機(jī)相比，雙燃料燃燒的峰值壓力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差升高。隨著摻燒比的增大，雙燃料的峰值壓力平均值先增大后減小，標(biāo)準(zhǔn)差增大。

圖5　雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力隨循環(huán)序數(shù)的變化

摻燒比L/%峰值壓力平均值pmax/MPa標(biāo)準(zhǔn)差σ/MPa011．430．071914．850．103615．720．115415．120．147313．960．189613．940．21

不同摻燒比下，缸內(nèi)峰值壓力循環(huán)分布見圖6?？梢钥闯?，與原機(jī)相比，摻燒比為19%～73%時(shí)峰值壓力出現(xiàn)的時(shí)刻φpmax分布較集中，隨著摻燒比的增大，φpmax分布分散；噴油正時(shí)相同時(shí)，隨著摻燒比從73%增加到96%，φpmax明顯增大，且分布分散。

圖6　雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)分布

不同摻燒比下，雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)見圖7。與柴油機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)的工作方式有所不同，柴油機(jī)進(jìn)入氣缸的只是空氣，各缸的噴油量比較均勻，而且空氣比較充足，所以循環(huán)變動相對較低，而雙燃料發(fā)動機(jī)的循環(huán)變動包括引燃柴油燃燒和天然氣燃燒兩部分，引燃柴油的燃燒波動會造成更嚴(yán)重的天然氣燃燒波動，所以雙燃料發(fā)動機(jī)的循環(huán)變動較大[8]。隨著摻燒比的增大，雙燃料發(fā)動機(jī)循環(huán)變動增大，這是因?yàn)殡S著摻燒比的增大，天然氣供給量增大，引燃柴油減少，噴油霧化性能惡化，部分柴油無法正常壓燃著火；引燃柴油減少，天然氣的點(diǎn)火數(shù)量和能量減小，導(dǎo)致天然氣燃燒惡化甚至失火[9]；混合氣中天然氣增多，氧濃度降低，使引燃柴油與氧氣接觸的概率降低，難于著火燃燒；天然氣增多，使壓縮壓力和溫度均降低，造成柴油著火困難；天然氣空氣混合氣過濃或過稀都會影響其燃燒和火焰正常傳播[10]。

圖7　摻燒比對雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)的影響

3　結(jié)論

a) 與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)燃燒壓力、瞬時(shí)放熱率、壓力升高率和循環(huán)變動系數(shù)升高；

b) 隨著摻燒比的增大，雙燃料缸內(nèi)壓力先升高后降低，壓力升高率和瞬時(shí)放熱率增大；

c) 隨著摻燒比的增大，雙燃料的峰值壓力平均值先增大后減小，標(biāo)準(zhǔn)差增大，峰值壓力出現(xiàn)的時(shí)刻φpmax分布分散，循環(huán)變動系數(shù)增大；在相同引燃柴油噴油正時(shí)下，雙燃料φpmax增大，且分布分散。

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[編輯：姜曉博]

Effects of Fuel Mixing Ratio on Combustion Characteristics of Electronic Control Common Rail Diesel Engine Fuelled with LNG-diesel Dual Fuel

SONG Jiantong1, ZHANG Chunhua2， LV Jiangyi1

(1. School of Automotive Engineering, Beijing Polytechnic, Beijing100176, China;2. Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Chang’an University, Xi’an710064, China)

For the availability of liquefied natural gas (LNG) to diesel engine, an electronic control common rail diesel engine was modified into a dual fuel engine fuelled with LNG-diesel fuel by injecting LNG into intake manifold. Then the effects of fuel mixing ratio on dual fuel engine combustion characteristics were analyzed under the condition of 1 200 r/min with full load. The results show that the in-cylinder pressure of dual fuel engine first increases and then decreases, and the pressure rise rate , the transient heat release rate and the cyclic variation coefficient of peak pressure increase with the increase of fuel mixing ratio.

common rail diesel engine; natural gas; dual fuel; fuel mixing ratio; combustion characteristic

2016-03-08；

2016-08-17

北京市教育委員會科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201410858004)；陜西省交通新能源開發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目(2014G1502035)

宋建桐(1980—)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ履茉磁c節(jié)能工程；tjsjt@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.007

TK421.2

B

1001-2222(2016)05-0033-05