柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性研究*

宋建桐　李　婕　劉敏杰　成　林（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院　北京　100176）

柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放特性研究*

宋建桐李婕劉敏杰成林
（北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院北京100176）

在傳統(tǒng)柴油機(jī)的壓縮比下，天然氣不能夠被壓燃。為了在柴油機(jī)上應(yīng)用天然氣，必須采用雙燃料的特殊工作方式。燃燒室內(nèi)預(yù)混合的天然氣-空氣混合氣的著火源由直接噴入燃燒室的高十六烷值的引燃燃料提供。為了研究柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性，分析了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，研究了引燃柴油噴油正時(shí)、噴油量、EGR和進(jìn)氣溫度對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放、CO排放、CO2排放、NOχ排放和炭煙排放的影響。

柴油/天然氣 雙燃料 燃燒 排放

引言

自發(fā)明柴油機(jī)起，人們就開始對(duì)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的研究與設(shè)計(jì)，而且也一直為柴油機(jī)開發(fā)更適宜的新燃料［1］。后來，隨著柴油價(jià)格持續(xù)走低，人們失去了開發(fā)代用燃料的熱情。直到20世紀(jì)70年代，石油危機(jī)的到來，又激起了人們開發(fā)代用燃料的熱情［2］。

截至2011年8月16日，世界汽車保有量突破10億輛。根據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2014年11月27日，我國民用機(jī)動(dòng)車總保有量達(dá)2.64億輛。其中，各類汽車1.54億輛，摩托車1.1億輛。隨著汽車保有量的迅速增長，能源危機(jī)，環(huán)境污染和城市擁堵等變得日益嚴(yán)重。開發(fā)可替代清潔能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排成為全球各國能源政策的重要內(nèi)容，發(fā)展新能源汽車成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然選擇。2013年2月，國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)節(jié)能減排的意見中就明確指出，重點(diǎn)發(fā)展替代燃料內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)，鼓勵(lì)積極發(fā)展柴油/天然氣雙燃料內(nèi)燃機(jī)［3］。

天然氣是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烷烴混合物，還含有少量的烯烴，如乙烯及微量的硫化氫和氮?dú)?。天然氣汽車可以以壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）為燃料。天然氣作為車用燃料已經(jīng)具有數(shù)十年的歷史。常壓下，天然氣沸點(diǎn)為-162℃，天然氣液化后，其體積縮小為原來的1/600。液化天然氣的甲烷含量大于98%，其性質(zhì)與甲烷非常接近。在常溫下，壓力為20MPa的壓縮天然氣密度為175kg/m3，液化天然氣的密度為435 kg/m3［4］。

為了研究柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性，本文分析了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，研究了引燃柴油噴油正時(shí)、噴油量、EGR率和進(jìn)氣溫度對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放、CO排放、CO2排放、NOχ排放和炭煙排放的影響。

1　燃燒分析

目前，車用內(nèi)燃機(jī)以壓燃（柴油機(jī)）和點(diǎn)燃（汽油機(jī)）兩種為主。壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入氣缸的空氣被壓縮，缸內(nèi)溫度和壓力升高，并且達(dá)到燃料（高十六烷值）的自燃溫度，當(dāng)燃料噴入氣缸時(shí)，燃料自燃并開始燃燒；而點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入氣缸的燃料（高辛烷值）和空氣混合氣被壓縮，并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候被點(diǎn)燃。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒具有上述兩種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式的雙重特點(diǎn)，具有較高辛烷值的燃料和空氣混合氣進(jìn)入傳統(tǒng)柴油機(jī)并被壓縮，但由于燃料自燃溫度很高，缸內(nèi)溫度不足以使其自燃，所以在壓縮終了時(shí)，要向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)噴入高十六烷值燃料來引燃。例如利用柴油引燃天然氣的柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)天然氣用完后，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)換為柴油機(jī)，繼續(xù)工作，但它的缺點(diǎn)就是其必須依賴于柴油［5］。

柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒缸內(nèi)壓力如圖1所示。AB為引燃柴油滯燃期，BC為引燃柴油速燃期，CD為天然氣的滯燃期，DE為天然氣的主燃期，EF為天然氣擴(kuò)散燃燒階段。與柴油機(jī)相比，相同噴油提前角下，引燃柴油的滯燃期增大，這主要是因?yàn)樘烊粴庖詺怏w形式進(jìn)入氣缸，占去一部分氧氣，混合氣中氧濃度下降。與原機(jī)相比，引燃柴油量非常少，所以BC段壓力升高較小。由于天然氣滯燃期較長，自燃溫度較高，再加上活塞下行，造成CD段壓力略有降低。DE段的燃燒始于引燃柴油的點(diǎn)燃，燃燒很不穩(wěn)定，但由于此時(shí)活塞下行，缸內(nèi)壓力升高較慢。天然氣的擴(kuò)散燃燒EF段始于最高壓力時(shí)刻，并持續(xù)到排氣沖程，這主要是因?yàn)樘烊粴馊紵俾瘦^低，而且引燃柴油燃燒產(chǎn)生的廢氣稀釋了缸內(nèi)混合氣濃度［5］。

圖1　柴油引燃天然氣雙燃料缸內(nèi)壓力

2　排放特性

2.1HC排放

與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放明顯升高［6-7］。小負(fù)荷時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放為傳統(tǒng)柴油機(jī)的60倍［7］。這主要是因?yàn)樘烊粴?空氣混合氣過稀而不能完全燃燒［8］，燃燒火焰不能傳播到整個(gè)燃燒室［9］。隨負(fù)荷的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放降低，在大負(fù)荷時(shí)，與傳統(tǒng)柴油機(jī)的HC排放接近［9］，這是因?yàn)榇筘?fù)荷時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣較濃，燃燒溫度較高，大部分的燃料完全燃燒。隨著噴油正時(shí)的增大，小負(fù)荷時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放略有降低［10］，這是因?yàn)殡S著噴油正時(shí)的增大，燃料氧化時(shí)間變長。隨著引燃柴油量的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放降低，中、小負(fù)荷特別明顯，這是因?yàn)樾∝?fù)荷時(shí)，混合氣過稀，引燃柴油的火焰無法傳播到整個(gè)燃燒室，部分燃料無法燃燒。隨著引燃柴油量的增加，引燃柴油燃燒釋放的能量增加，天然氣-空氣混合氣的燃燒得到改善，HC排放降低。理論上，較多的引燃柴油會(huì)在天然氣-空氣混合氣中產(chǎn)生較多個(gè)著火點(diǎn)，火焰從每個(gè)著火點(diǎn)迅速傳播滿整個(gè)燃燒室［11-12］。因此，在小負(fù)荷時(shí)，增大引燃柴油量能夠顯著改善天然氣-空氣混合氣的燃燒，降低HC排放。在大負(fù)荷時(shí)，天然氣-空氣混合氣的濃度達(dá)到著火下限，能夠正常燃燒，增大引燃柴油量對(duì)HC排放影響不大［13］。隨著EGR率的增加，雙燃料的HC排放降低，特別是在小負(fù)荷。這主要是因?yàn)樾∝?fù)荷時(shí)，混合氣很稀，有足夠的氧氣使EGR引入的HC排放燃燒，而且EGR引入的廢氣占去部分空氣，混合氣變濃也會(huì)使HC排放降低。另外，EGR使進(jìn)氣溫度升高，改善燃燒，進(jìn)一步降低HC排放。隨著進(jìn)氣溫度升高，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放降低［14］。

2.2CO排放

在小負(fù)荷下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放明顯升高，隨著負(fù)荷增大，其排放逐漸降低，并與傳統(tǒng)柴油機(jī)接近，這是因?yàn)榇筘?fù)荷其燃燒溫度較高，小負(fù)荷時(shí)混合氣過稀，天然氣燃燒不完全。隨著噴油正時(shí)的增大，雙燃料的CO排放降低，特別是在大負(fù)荷［10］。隨著引燃柴油量的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放降低，中、小負(fù)荷特別明顯，在大負(fù)荷時(shí)影響不大。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放與HC排放的變化規(guī)律相近。隨著EGR率的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放降低。這主要是因?yàn)镋GR將部分尾氣中的未燃HC引入氣缸，混合氣變濃，缸內(nèi)溫度升高，燃燒狀況得到改善，降低了CO排放［15］。大負(fù)荷時(shí)，由于混合氣變濃，而且EGR引入的廢氣又占去了部分空氣的容積，所以EGR率為20%時(shí)CO排放較高［16-18］。

2.3CO2排放

與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放降低約30%［9］，這主要是因?yàn)榕c柴油相比，天然氣的質(zhì)量低熱值較高，而且天然氣的碳含量較低，每克的甲烷完全燃燒產(chǎn)生2.75 g的CO2，而每克的柴油完全燃燒要產(chǎn)生3.2 g的CO2。隨著噴油正時(shí)的增大，雙燃料的CO2排放降低。CO2和H2O是完全燃燒的產(chǎn)物，因此，CO2排放在一定程度上能反映內(nèi)燃機(jī)熱效率［10］。部分負(fù)荷時(shí)，隨EGR率的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放增加。這主要是因?yàn)椴糠謴U氣中的CO 和HC排放再次燃燒生成CO2排放，而且EGR改善燃燒，使燃燒完全。大負(fù)荷時(shí)，隨EGR率升高，混合氣過濃，燃燒不充分，使CO2排放降低［16-18］。

2.4NOχ排放

與傳統(tǒng)的柴油機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOχ排放降低［6-7］。柴油引燃天然氣雙燃料的燃燒包括引燃柴油的擴(kuò)散燃燒和天然氣的預(yù)混合燃燒。與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，由于引燃柴油量非常少，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)散燃燒產(chǎn)生的NOχ明顯降低。天然氣-空氣混合氣的預(yù)混合燃燒產(chǎn)生的NOχ排放較少，這是因?yàn)樾∝?fù)荷，盡管混合氣的氧濃度很高，但是混合氣很稀，燃燒溫度較低；而大負(fù)荷時(shí)，盡管缸內(nèi)溫度升高，但天然氣以氣態(tài)的形式進(jìn)入氣缸，占去了一部分空氣，降低了氧濃度［19］。另外，與柴油相比，天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，缸內(nèi)溫度降低［7］。隨著引燃柴油噴油量的增大，天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOχ排放升高，特別是在小負(fù)荷。這主要是因?yàn)樵谔烊粴?空氣混合氣濃度不變的情況下，增加引燃柴油量，天然氣的燃燒得到改善，燃燒溫度升高，造成NOχ排放增加。大負(fù)荷時(shí)，天然氣-空氣混合氣較濃，燃燒充分，NOχ排放較高，引燃柴油量的影響較?。?3］。隨EGR率的增大，雙燃料的NOχ排放降低。這主要是因?yàn)镋GR將廢氣引入氣缸，缸內(nèi)工質(zhì)被稀釋，氧濃度下降，同時(shí)混合氣的熱容增大，燃燒溫度下降，所以NOχ排放降低。隨著進(jìn)氣溫度升高，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOχ升高，但仍然比2007年美國環(huán)境保護(hù)署（U.S Environmental Protection Agency）規(guī)定的NOχ排放標(biāo)準(zhǔn)低［14］。

2.5炭煙排放

與柴油機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的炭煙排放非常低，在某些工況下甚至檢測不到［6-7］。這主要是因?yàn)樘烊粴獾闹饕煞譃榧淄?，與柴油相比，天然氣的碳原子數(shù)較低，沒有C-C化學(xué)鍵，降低了炭煙的生成趨勢(shì)［20］。另外，常溫常壓下，天然氣為氣態(tài)，與空氣為預(yù)混合，混合氣質(zhì)量較高。因此，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所有的炭煙排放均為引燃柴油的燃燒而生成的，其與傳統(tǒng)的柴油機(jī)炭煙生成原因類似［9］。另外，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引燃柴油燃燒產(chǎn)生的炭煙會(huì)在天然氣-空氣混合氣燃燒時(shí)繼續(xù)燃燒，進(jìn)一步降低雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的炭煙排放。

3　結(jié)論

在傳統(tǒng)柴油機(jī)上應(yīng)用柴油引燃天然氣雙燃料，與柴油機(jī)相比，相同噴油提前角下，引燃柴油的滯燃期變長，天然氣滯燃期壓力略有降低，天然氣燃燒階段缸內(nèi)壓力升高較慢，出現(xiàn)明顯的“雙峰”現(xiàn)象。

與柴油機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放明顯升高；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放，隨著噴油正時(shí)增大而降低，隨著引燃柴油量的增大而降低，隨著EGR率的增加而降低，隨著進(jìn)氣溫度升高而降低。在小負(fù)荷下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放明顯升高；雙燃料的CO排放，隨著噴油正時(shí)增大而降低，隨著引燃柴油量的增大而降低，隨著EGR率的增大而降低。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放降低約30%；雙燃料的CO2排放，隨著噴油正時(shí)增大而降低；部分負(fù)荷時(shí)，隨著EGR率的增大而增加，大負(fù)荷時(shí)，隨著EGR率升高而降低。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOχ排放降低，隨著引燃柴油噴油量的增大而升高，隨著EGR率的增大而降低。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的炭煙排放非常低。

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Study on the Combustion and Exhaust Emissions of Dual-Fuel Engine Fuelled with Natural Gas Piloted by Diesel

Song Jiantong，Li Jie，Liu Minjie，Cheng Lin
School of Automotive Engineering，Bejing Polytechnic（Beijing，100176，China）

Natural gas does not auto ignite under compression alone with typical CI-engine compression ratios.For use in CI engines，a special mode of operation known as dual-fueling is required.This ignition source is provided by a spontaneously igniting"pilot"fuel.A small amount of a high-cetane fuel is injected directly into the combustion chamber，where the spray mixes with a premixed natural gas-air charge.In order to study on the combustion and exhaust emissions of dual-fuel engine fuelled with natural gas piloted by diesel，the change rule of in-cylinder pressure in dual-fuel engine compared with crank angle was analyzed and the effect of pilot diesel injection timing，pilot diesel quantities，EGR rates and intake air temperature on HC，CO，CO2，NOχand smoke emissions were researched.

Diesel/natural gas，Dual-fuel，Combustion，Exhaust emissions

TK421+.5

A

2095-8234（2016）01-0084-04

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（KM201410858004）。

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。

2015-12-07）