唐盛世 李 壯 朱 贊 謝正良 潘明章 黃豪中

(1.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院,南寧 530004;2.廣西玉柴機器股份有限公司,玉林 537005)

0 前言

隨著能源危機的日益嚴峻及環(huán)保意識的提高,促使人們不斷尋找新的替代燃料,開發(fā)新的技術(shù)。天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機具有較大的優(yōu)勢。首先,天然氣儲量豐富,碳氫比低,在燃燒過程中產(chǎn)生較低的碳煙排放,對環(huán)境污染較小[1]。其次,天然氣具有較高的辛烷值,可以應(yīng)用到高壓縮比的發(fā)動機中,提高熱效率[2]。此外,天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機改裝方便,而且在運行過程中2種模式(雙燃料和純柴油模式)可以實現(xiàn)自由切換[3]。

在天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機中,天然氣一般采用進氣道噴射,與空氣混合后進入氣缸,在壓縮上止點附近由微量柴油引燃燃燒。因此,雙燃料發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程主要分為2個階段：首先由預(yù)噴柴油和部分天然氣形成的柴油-天然氣-空氣混合氣進行預(yù)混燃燒;之后由天然氣引燃預(yù)噴柴油開始擴散燃燒[4]。為了探索其規(guī)律,對雙燃料發(fā)動機進行研究。

LOUNICI等人[1]研究了柴油/天然氣發(fā)動機雙燃料燃燒模式對燃燒和排放的影響。研究結(jié)果表明,相比于純柴油發(fā)動機,雙燃料發(fā)動機產(chǎn)生的NOx、碳煙和有效燃油消耗率減少,未燃碳氫化合物(UHC)和CO排放增加。EGU'SQUIZA等人[5]在1臺天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機上(純柴油及雙燃料2種模式下)進行了天然氣替代比,發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及負荷對燃燒和排放的研究。研究結(jié)果表明,在較寬的運行工況范圍內(nèi)(不同的轉(zhuǎn)速及負荷),雙燃料燃燒模式可以有效降低NOx和碳煙的排放。而在較低負荷下,CO及HC排放較高。PAPAGIANNAk等開展了噴油正時及天然氣所占比例對不同負荷下天然氣/柴油雙燃料均質(zhì)充量壓燃(HCCI)發(fā)動機燃燒和排放影響的研究工作。研究結(jié)果表明,增加天然氣的比例會使CO的排放及最大缸內(nèi)壓力增加,NO及碳煙排放降低。

綜上所述,在雙燃料發(fā)動機上,存在CO和UHC排放較高的問題。為了研究噴油正時及壓力對CO和UHC排放的影響,本文開展了噴油正時及壓力對天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機燃燒與排放特性的影響研究。

1 試驗裝置及方法

試驗采用的是1臺6缸增壓中冷柴油機,在原機上加裝天然氣供給系統(tǒng)。在燃油供給不變的情況下設(shè)計天然氣管路,并對電子控制單元(ECU)進行匹配設(shè)計,使得天然氣進氣能夠準確控制。雙燃料發(fā)動機首先以純柴油的模式啟動,此時天然氣管路總閥處于斷開狀態(tài),天然氣中斷。當(dāng)柴油壓縮著火后,天然氣開始通入,與空氣混合后進入氣缸燃燒。引燃天然氣由ECU進行控制,天然氣進氣量由天然氣供給系統(tǒng)進行控制。試驗發(fā)動機具體參數(shù)見表1,燃料的理化性質(zhì)見表2,試驗裝置及測量儀器見圖1。

表1 實驗發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

表2 燃料性能

為了對比不同噴油正時及噴油壓力下燃油消耗情況,本文引入折合油耗的概念。通過能量轉(zhuǎn)化折合成純柴油時的消耗量,折合耗油量為

式中,mdual為雙燃料的質(zhì)量流量;H ucng為天然氣的低熱值;H udiesel為柴油的低熱值為1.15;m為天然cng氣的質(zhì)量流量。

熱值折合油耗為

式中,mdual為雙燃料的質(zhì)量流量;bdual熱值折合油耗,Pe為發(fā)動機有效功率。

試驗時,發(fā)動機轉(zhuǎn)速固定為1 220 r/min,扭矩為1 215 N·m(約71%負荷),柴油引燃量為2.1 kg/h,天然氣23 kg/h,無EGR。通過改變噴油正時(-5～-25°CA ATDC)和噴油壓力(80 MPa、100 MPa、120 MPa)來研究噴油參數(shù)對雙燃料發(fā)動機燃燒和排放的影響。

2 結(jié)果及分析

2.1 噴油正時和噴油壓力對天然氣/柴油雙燃料燃燒特性的影響

圖1 發(fā)動機試驗臺架示意

圖2 不同噴油正時及壓力下缸壓和放熱率

圖2示出了不同噴油正時及壓力下天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機的缸內(nèi)壓力和放熱率的關(guān)系圖。從圖2(a)可知,缸內(nèi)壓力和放熱率峰值隨噴油正時提前而升高。這是因為隨著噴油正時的提前,柴油燃燒起始點提前,增強了對缸內(nèi)天然氣-空氣混合氣的引燃效果,提高了缸內(nèi)混合氣的燃燒強度,缸內(nèi)壓力及放熱率峰值增加。由圖2(b)可知,缸壓及放熱率峰值隨噴油壓力的增加而增加。由于噴油壓力增加,燃油的霧化和蒸發(fā)效果更好,缸內(nèi)混合氣的燃燒強度增加,缸壓及放熱率峰值增加。此外,由放熱率曲線可知,缸內(nèi)燃燒出現(xiàn)明顯的兩階段放熱特征。這是因為雙燃料發(fā)動機缸內(nèi)存在2個階段燃燒。第一階段主要是預(yù)噴柴油與空氣混合氣的預(yù)混燃燒放熱,第二階段主要是預(yù)噴柴油的擴散燃燒和天然氣的引燃及火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

圖3示出了不同噴油策略下天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機的指示熱效率、熱值折合油耗和CA50(燃燒重心)的對比圖。由圖3(a)可知,噴油正時提前或者噴油壓力增加都會導(dǎo)致CA50提前。由于放熱起始點隨噴油正時提前而提前,使得缸內(nèi)混合氣更早開始燃燒,CA50提前。當(dāng)噴油壓力增加時,促進了可燃混合氣的形成,燃燒放熱起始點提前。由圖3(b)可知,當(dāng)噴油正時提前,熱效率先升高后降低,熱值折合油耗先降低后升高。這是因為CA50隨著噴油正時的提前或噴油壓力的增加而提前,燃燒重心靠近上止點,發(fā)動機有效容積做功能力增強,熱效率提高。隨著噴油正時繼續(xù)提前,燃燒重心越過上止點,壓縮負功增加,熱效率開始降低,熱值折合燃油耗開始增加。

圖3 不同噴油正時及壓力下燃燒重心、指示熱效率和熱值折合油耗

圖4給出了不同噴油策略下天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機的最大壓力升高率曲線圖。最大壓力升高率通常用來表示燃燒噪聲的強弱,其主要與預(yù)混燃燒的比例有關(guān)。隨著噴油正時的提前,最大壓力升高率增大。這主要是因為噴油正時提前,缸內(nèi)溫度、壓力相對降低,滯燃期增加,預(yù)混燃燒的比例增加,最大壓力升高率隨之增加。由圖2還可以看出,最大壓力升高率隨著噴油壓力的增加而增加。這主要也是因為噴油壓力增加,促進了柴油的霧化、蒸發(fā),提高了燃燒速率,最大壓力升高率增加。另外,當(dāng)噴油壓力從100 MPa升高到120 MPa時,最大壓力升高率不再有明顯的變化。

圖4 不同噴油正時下最大壓力升高率

2.2 噴油正時和噴油壓力對天然氣/柴油雙燃料排放特性的影響

圖5示出了不同噴油正時及噴油壓力下天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機NOx排放曲線圖。由圖5可知,NOx的排放隨著噴油正時的提前而增加。這是因為噴油時刻提前,較高的溫度及壓力使得噴射的柴油較早開始燃燒,更多的燃料在壓縮過程中燃燒使得CA50提前,缸內(nèi)溫度增加,NOx排放增加。由圖5還可以看出噴油壓力增加,NOx的排放增加。這主要是因為較高的噴油壓力會增加預(yù)混燃燒的比例,缸溫較高,促進了NOx的生成。

圖5 不同噴油正時下NO x排放

天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機中,CH4的排放高有以下幾個原因：天然氣/空氣的混合氣燃燒速度較慢;混合氣較稀而不能徹底燃燒;燃氣進入溫度較低的狹隙區(qū)域;火焰碰壁出現(xiàn)淬熄現(xiàn)象;試驗過程中會出現(xiàn)氣門重疊,燃氣出現(xiàn)“逃逸”現(xiàn)象等。CO的排放主要與缸內(nèi)燃氣的不完全燃燒有關(guān)。因此,CO是燃燒過程中的中間產(chǎn)物,主要形成于缺氧或者低溫區(qū)域。圖6示出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機在不同噴油正時及噴油壓力下的CO及CH4排放曲線圖。由圖6可知,CO和CH4具有相同的排放規(guī)律。當(dāng)噴油時刻提前時,CA50提前且接近上止點(圖3(a)),缸內(nèi)溫度壓力較高,促進了燃燒產(chǎn)物的氧化,CO及CH4排放隨之降低。由圖6還可以看出,噴油壓力增加,CO及CH4排放降低。這主要也是因為較高的噴油壓力促進了柴油的霧化、蒸發(fā),缸內(nèi)燃燒更充分。

圖6 不同噴油正時下CH 4和CO的排放

此外,由圖5及圖6可知,NOx-CH4和NOx-CO出現(xiàn)明顯的“此消彼長”關(guān)系。NOx排放降低的同時會伴隨著CO及CH4排放的升高。因此,綜合考慮熱效率及排放的情況下,當(dāng)噴油正時為-20°CA ATDC,噴油壓力為120 MPa時,可以實現(xiàn)較高的熱效率(約為39%)以及較低的CH4及CO的排放(各自為1 869×10-6,373×10-6)。

3 結(jié)論

本文研究了噴油正時及壓力對天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機燃燒和排放的影響,結(jié)論如下：

(1)當(dāng)柴油噴油正時提前,缸內(nèi)壓力、放熱率、最大壓力升高率以及NOx排放增加,CH4及CO排放降低,指示熱效率先升高后降低,熱值折合油耗先降低后升高。

(2)當(dāng)噴油壓力增加時,缸壓及放熱率峰值增加,NOx排放增加,CH4及CO排放降低。

(3)NOx-CH4和NOx-CO會出現(xiàn)明顯的“此消彼長”關(guān)系。因此,綜合考慮雙燃料發(fā)動機的燃燒與排放特性,在噴油正時為-20°CA ATDC,噴油壓力為120 MPa時,可以實現(xiàn)較高的熱效率(39%)以及較低的CH4及CO的排放。