高壓共軌雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)試驗(yàn)研究

任立童　王洪榮　張衡　鄧鵬毅

摘 要：對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同摻燒控制系數(shù)下的燃燒變動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在中等負(fù)荷和大負(fù)荷下分別調(diào)整不同摻燒控制系數(shù)改變?nèi)紵匦裕瑢?duì)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)比分析了雙燃料與純柴油模式下最大缸壓值、IMEPn、燃燒起始角及燃燒持續(xù)期、放熱率等燃燒性能循環(huán)變動(dòng)的影響。測(cè)試數(shù)據(jù)的分析表明，中等負(fù)荷時(shí)需要優(yōu)化選擇摻燒的天然氣量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能的穩(wěn)定；大負(fù)荷時(shí)可選擇較大天然氣摻燒量以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：共軌柴油機(jī)；雙燃料；摻燒控制系數(shù)；燃燒性能；循環(huán)變動(dòng)率

中圖分類號(hào)：U464.173文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.09

Abstract：The paper experimentally studied the combustion cyclic variations of a diesel /CNG dual-fuel engine with different blending control coefficients. Under the medium-loading and high loading conditions， different blending control coefficients were respectively adjusted to change the combustion characteristics of the fuel engine. Meanwhile， the cylinder pressure was measured in dual-fuel mode and in pure diesel mode to analyze the influence of the combustion cyclic variations， including the maximum cylinder pressure， IMEPn， the combustion starting angle， the duration of combustion and the heat release rate etc. Test results show that for medium-loading conditions， the amount of blended natural gas needs to be optimized in order to ensure the stability of engine performance； and for high loading conditions， a larger amount of gas mixture can be used to improve fuel economy.

Key words：common rail diesel engine；dual-fuel； blending control coefficient； combustion characte-ristic；coefficient of variation

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)石油資源的消耗也越來(lái)巨大。而我國(guó)天然氣資源非常豐富，如何有效利用天然氣已成為相關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。柴油機(jī)因其良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，在我國(guó)作為汽車和工程機(jī)械的動(dòng)力被廣泛應(yīng)用，柴油機(jī)的氮氧化物和碳煙排放比較嚴(yán)重，對(duì)生活環(huán)境及人體健康危害很大。天然氣成分以CH4為主，具有熱值高、抗爆性好和著火溫度高的特點(diǎn)。而壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG）在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)與空氣混合時(shí)同為氣態(tài)，與柴油機(jī)相比，燃料混合更均勻，燃燒也更完全，因此，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以明顯降低有害物質(zhì)的排放[1]。

采用柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，對(duì)原柴油機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)少、見(jiàn)效快、費(fèi)用低，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、可靠性方面幾乎與原機(jī)相當(dāng)，經(jīng)濟(jì)性比原柴油機(jī)好，還可以大幅降低碳煙顆粒等排放物，節(jié)能環(huán)保。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)已得到了廣泛關(guān)注[2-6]。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式比較復(fù)雜，由少量柴油壓燃后點(diǎn)燃天然氣混合氣，不同摻燒參數(shù)下的燃燒過(guò)程穩(wěn)定性的影響也不同[7-8]。本文試驗(yàn)中采用自主開(kāi)發(fā)的雙燃料控制系統(tǒng)，研究了不同摻燒控制系數(shù)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大燃燒壓力值、燃燒起始角、燃燒持續(xù)期、放熱率等燃燒性能變動(dòng)的影響。

1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制原理

在原機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)不改變的前提下，加裝天然氣燃料供給系統(tǒng)和雙燃料控制系統(tǒng)，進(jìn)行減油、噴氣控制，實(shí)現(xiàn)天然氣與柴油的混合燃燒。自主開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)具有純柴油和雙燃料摻燒兩種工作模式，可以通過(guò)硬件選擇開(kāi)關(guān)或者軟件條件判斷選用純柴油模式工作還是雙燃料摻燒模式工作。純柴油模式下，僅以柴油為燃料，由純柴油控制模塊控制原機(jī)燃油系統(tǒng)工作；在摻燒模式下，純柴油模塊和燃?xì)饪刂颇K協(xié)同控制同時(shí)燃用柴油與天然氣兩種燃料，由發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮柴油著火，再引燃噴入汽缸的天然氣，在保證動(dòng)力性能基本不變的前提下，減小柴油噴射量，增加燃?xì)鈬娚淞?，以?shí)現(xiàn)期望的替代率要求。

高壓共軌系統(tǒng)的軌壓是閉環(huán)控制的，軌壓跟隨純柴油控制模塊內(nèi)部軌壓設(shè)定值而變化。摻燒模式時(shí)，純柴油控制模塊采集到的軌壓值是由燃?xì)饪刂颇K輸出的模擬軌壓而非真實(shí)軌壓。模擬軌壓基于實(shí)時(shí)真實(shí)軌壓生成，反映真實(shí)軌壓變化情況，但是與真實(shí)軌壓之間存在差異，通常模擬軌壓比真實(shí)軌壓大。模擬軌壓與真實(shí)軌壓之間的具體關(guān)系由采用的算法確定。當(dāng)純柴油控制模塊檢測(cè)到軌壓（模擬軌壓）大于軌壓設(shè)定值時(shí)，將做出降低軌壓的調(diào)整，這將使真實(shí)軌壓下降。當(dāng)純柴油控制模塊檢測(cè)到的軌壓（模擬軌壓）接近軌壓設(shè)定值時(shí)，實(shí)際上真實(shí)軌壓已經(jīng)小于此時(shí)純柴油控制模塊內(nèi)部的軌壓設(shè)定值，這將使實(shí)際的噴油量小于設(shè)定噴油量，達(dá)到減小柴油噴射量的目的。燃?xì)饪刂颇K則根據(jù)減掉的柴油量計(jì)算出需要的天然氣量并進(jìn)行燃?xì)夤┙o控制。基于此控制原理，控制系統(tǒng)中引入摻燒控制系數(shù)的概念。調(diào)節(jié)摻燒控制系數(shù)以調(diào)節(jié)模擬軌壓和實(shí)際軌壓的差值，進(jìn)而調(diào)節(jié)摻燒的天然氣量。摻燒控制系數(shù)值大，引燃的柴油量就少，摻燒的天然氣量就大，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)備及測(cè)試方案

以2.5 L四缸高壓共軌柴油機(jī)為原機(jī)，原機(jī)燃料供給系統(tǒng)不變，加裝天然氣氣瓶、減壓閥、過(guò)濾器、噴氣控制閥等燃?xì)庀到y(tǒng)，采用純柴油控制系統(tǒng)和燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)協(xié)同控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇純柴油工作模式或雙燃料工作模式。發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。選取2 000 r/min下51%負(fù)荷和100%負(fù)荷兩個(gè)工況，供油提前角、油門(mén)開(kāi)度等條件不變，僅調(diào)節(jié)不同摻燒控制系數(shù)，以調(diào)節(jié)燃?xì)獾膿綗?。測(cè)試過(guò)程中分別記錄100個(gè)燃燒循環(huán)值，得出最大缸壓值、指示平均有效壓力、燃燒起始角、燃燒持續(xù)期、I50放熱率角度和放熱率等燃燒參數(shù)值的變動(dòng)情況，與純柴油模式下的燃燒參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)摻燒控制系數(shù)對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)

影響的分析

通常，最大缸壓值的變動(dòng)能夠很好地表示燃燒接近終了時(shí)刻的變動(dòng)狀況，而指示平均有效壓力的變動(dòng)和轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)有直接的關(guān)系，燃燒持續(xù)期、放熱重心角度等參數(shù)可以尋找燃燒變動(dòng)的原因。因此，我們將從這幾個(gè)方面研究不同摻燒控制系數(shù)對(duì)它們的影響。

燃燒循環(huán)變動(dòng)通常用循環(huán)變動(dòng)率（Coefficient of Variation，COV）表示：

其結(jié)果的大小可以直觀地反映該項(xiàng)性能在循環(huán)過(guò)程中的穩(wěn)定程度。

3.1 對(duì)最大缸壓值循環(huán)變動(dòng)的影響

51%負(fù)荷時(shí)缸壓最大值的波動(dòng)曲線如圖3所示。從圖中可以看出，隨著摻燒控制系數(shù)的增加，最大缸壓值波動(dòng)呈增大趨勢(shì)，在1.2、1.4、1.6摻燒控制系數(shù)下，其波動(dòng)幅度和純柴油機(jī)模式（摻燒控制系數(shù)為1.0時(shí)）下相當(dāng)，此時(shí)由于天然氣量少，部分混合氣和引燃柴油的量充分混合，燃燒速率較快，能夠快速點(diǎn)燃未燃混合氣，燃燒過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)。而繼續(xù)增大摻燒控制系數(shù)，其最大缸壓值的波動(dòng)幅度也超過(guò)純柴油模式的幅度，這是由于天然氣量增加較多，混合氣含氧量低，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停笕荚黾?，此時(shí)的燃燒很不穩(wěn)定。

100%負(fù)荷時(shí)的最大缸壓值波動(dòng)曲線如圖4所示，摻燒后的最大缸壓值的波動(dòng)幅度均超過(guò)了純柴油模式下的波動(dòng)幅度，燃燒穩(wěn)定性比純柴油模式下要差。

3.2 對(duì)指示平均有效壓力循環(huán)變動(dòng)的影響

51%負(fù)荷時(shí)的指示平均有效壓力（IMEPn）的波動(dòng)曲線如圖5所示。從圖中可以看出，摻燒控制系數(shù)越大，IMEPn值也呈現(xiàn)出波動(dòng)幅度增大趨勢(shì)。同樣，在1.2、1.4、1.6摻燒控制系數(shù)下的波動(dòng)幅度和純柴油模式相差不大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不大，但在1.8、2.0摻燒控制系數(shù)下的波動(dòng)幅度明顯超過(guò)了純柴油模式，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

圖6顯示了100%負(fù)荷時(shí)不同摻燒控制系數(shù)的IMEPn波動(dòng)幅度和純柴油模式下波動(dòng)幅度相差不大，說(shuō)明摻燒后的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和純柴油模式下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相近。

3.3 主要燃燒角度的影響

對(duì)于柴油機(jī)來(lái)講，一般以放熱零點(diǎn)定義為燃燒始點(diǎn)。計(jì)算出100個(gè)燃燒循環(huán)各主要燃燒角度的平均值，對(duì)比分析不同摻燒控制參數(shù)對(duì)燃燒角度的影響。如圖7所示，51%負(fù)荷時(shí)的燃燒起始角度隨著摻燒控制系數(shù)的增加而減?。拷现裹c(diǎn)），這是因?yàn)殡p燃料模式時(shí)，天然氣和空氣混合進(jìn)入氣缸，因氧含量減少，引燃柴油的自燃時(shí)間增長(zhǎng)引起的。燃燒持續(xù)期隨著摻燒控制系數(shù)的增加而延遲長(zhǎng)，I50放熱率的角度也增大，說(shuō)明燃燒重心后移，燃燒速度放緩。

如圖8所示，在100%負(fù)荷時(shí)，隨著摻燒控制系數(shù)的增加，燃燒起始角逐漸靠近上止點(diǎn)，I50放熱率的角度逐漸減少，但其值差值變化不大；燃燒持續(xù)期有先長(zhǎng)后短的趨勢(shì)，燃燒重心稍微提前。

3.4 對(duì)放熱率的影響

由圖9可知，在51%負(fù)荷時(shí)，摻燒后的放熱率峰值明顯比純柴油模式下低。隨著摻燒控制系數(shù)的增加，由于燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，放熱重心后移，放熱率峰值變小，而在摻燒控制系數(shù)為2.0時(shí)的放熱率比1.8時(shí)放熱率要大些。結(jié)合前面的分析結(jié)果，摻燒控制系數(shù)為2.0時(shí)最大缸壓值和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值非常大，燃燒起始角減小，燃燒持續(xù)期長(zhǎng)，后燃增加，燃燒極其不穩(wěn)定。

100%負(fù)荷時(shí)，如圖10所示的放熱率曲線，摻燒后發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱率峰值相當(dāng)，均比純柴油模式稍微高些。摻燒前后放熱比較集中，燃燒速度較快，由于燃燒重心角度變小，放熱點(diǎn)峰值有些前移。

3.5 主要參數(shù)的循環(huán)變動(dòng)率比較

在51%負(fù)荷時(shí)摻燒控制系數(shù)和最大缸壓值、IMEPn及I50放熱率角度的循環(huán)變動(dòng)率的關(guān)系如圖11所示。綜合前面的分析，隨著摻燒控制系數(shù)的增加，由于混合氣氧濃度逐漸降低、變稀，燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，燃燒過(guò)程減慢，燃燒重心波動(dòng)明顯增大，燃燒不完全，且燃燒過(guò)程惡劣，后燃現(xiàn)象增加，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯變大，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性降低。因此，在部分負(fù)荷時(shí)，需要選取最佳天然氣摻燒量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒平穩(wěn)，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

100%負(fù)荷時(shí)的摻燒控制系數(shù)和最大缸壓值、IMEPn及I50放熱率角度循環(huán)變動(dòng)率的關(guān)系如圖12所示。綜合以上分析，隨著摻燒控制系數(shù)的增加，I50放熱率角度的波動(dòng)率和燃燒終了最大缸壓值的變動(dòng)率呈增大趨勢(shì)，IMEPn的變動(dòng)率變化不大，摻燒前后輸出的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不大。所以，在大負(fù)荷時(shí)選取較大的天然氣替代率，也可以獲得穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

（1） 中等負(fù)荷時(shí)摻燒控制系數(shù)（燃?xì)馓娲剩┎淮蟮那闆r下，燃燒較為穩(wěn)定，最大缸壓值波動(dòng)較小，IMEPn比較穩(wěn)定，但摻燒控制系數(shù)繼續(xù)增大時(shí)，最大缸壓值波動(dòng)變大，轉(zhuǎn)矩輸出波動(dòng)越大。隨著摻燒控制系數(shù)的增大，燃燒放熱率降低，燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，燃燒重心的角度也變大，因此中等負(fù)荷時(shí)不需要太大的燃料替代率，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的穩(wěn)定性。

（2）大負(fù)荷時(shí)摻燒控制系數(shù)變大，最大缸壓值的變動(dòng)率增大量不大，轉(zhuǎn)矩輸出、燃燒持續(xù)期和純柴油模式下相當(dāng)，放熱率峰值比純柴油模式稍大，因此大負(fù)荷時(shí)可以選用較大的燃料替代率，以明顯提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

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