預(yù)噴參數(shù)對(duì)柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

潘玉萍，張波，朱贊，蔡西忠，王耀東

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林537005；3.江蘇國信靖江發(fā)電有限公司，江蘇泰州214500）

檢測與測試

預(yù)噴參數(shù)對(duì)柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

潘玉萍1，張波2，朱贊2，蔡西忠3，王耀東1

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林537005；3.江蘇國信靖江發(fā)電有限公司，江蘇泰州214500）

在一臺(tái)由柴油機(jī)加裝天然氣供給系統(tǒng)改裝而成的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，分別探討了預(yù)噴正時(shí)和預(yù)噴油量對(duì)柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能的影響。結(jié)果表明：隨著預(yù)噴提前角的增大，熱值折合油耗先減小后增大，最大壓力升高率呈現(xiàn)下降-上升的趨勢(shì)，爆壓減小。同一預(yù)噴時(shí)刻，預(yù)噴油量增大，最大壓力升高率和爆壓增大，熱值折合油耗先減小后增大。隨著預(yù)噴提前角的增大，NOx、HC、CO和CH4比排放均減小。同一預(yù)噴時(shí)刻，隨著預(yù)噴油量的增加，NOx比排放增大，HC、CO和CH4比排放減小。碳煙排放隨預(yù)噴提前角的增大而略微下降，隨預(yù)噴油量的增大而增大。

引燃柴油；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；預(yù)噴正時(shí)；預(yù)噴油量；試驗(yàn)

在日趨嚴(yán)峻的能源供需問題及更為嚴(yán)格的排放法規(guī)驅(qū)動(dòng)下，柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以其較好的經(jīng)濟(jì)性、較低的碳煙排放和與柴油機(jī)相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性，成為目前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究和開發(fā)的重點(diǎn)[1-2]。為提高經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)減少引燃柴油的噴射，但由于柴油/天然氣雙燃料的特性，較大天然氣替代比例會(huì)帶來較高的未燃碳?xì)浠衔颱HC（大部分為CH4）排放[3]，CH4是比CO2威力更強(qiáng)勁的溫室氣體，滿足嚴(yán)苛的排放法規(guī)存在一定的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究，得出了降低油耗、改善排放性和保持動(dòng)力性的結(jié)論。Cameretti等[4]采用試驗(yàn)和CFD模擬的方式研究了柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)性能，得出柴油引燃能提高燃燒效率，但隨著噴油時(shí)刻的提前，燃燒速率增大，缸內(nèi)壓力的大幅增大使NOx排放增加。Yousefi等[5]研究了低負(fù)荷下帶有預(yù)燃燒室的柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在天然氣替代率和噴油正時(shí)影響下的燃燒和排放特性。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)大大降低了NOx排放，其中天然氣替代率為60%時(shí)NOx排放最低；采用預(yù)燃燒室可減少46%的甲烷排放。Zhang等[6]研究了LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)隨天然氣替代率的變化在燃燒和排放方面的影響，結(jié)果顯示隨著天然氣替代率的增加，有效燃油消耗率在低負(fù)荷工況下升高，在高負(fù)荷及全負(fù)荷工況下降低，HC排放明顯上升，CO增加，NOx排放基本不變，煙度大幅降低。由此得出，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)一步優(yōu)化以獲得動(dòng)力、排放和效率上的最優(yōu)折中方案。

為降低UHC排放，應(yīng)減少缸內(nèi)混合氣局部過濃區(qū)域，可以采用早噴的噴油策略，使柴油和天然氣/空氣混合充分，減少燃燒局部過濃區(qū)域，但是同時(shí)會(huì)使滯燃期延長，最大壓力升高率及爆壓增加，運(yùn)行粗暴[7]，可以通過在主噴射前進(jìn)行預(yù)噴射來改善[8]。采用兩次噴射時(shí)，預(yù)噴正時(shí)和預(yù)噴油量對(duì)缸內(nèi)放熱有著至關(guān)重要的影響，本文在一臺(tái)加裝天然氣供氣系統(tǒng)的柴油機(jī)上，采用“預(yù)噴+主噴”兩次噴射的噴油策略，在不同預(yù)噴油量下探究柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用六缸增壓中冷柴油機(jī)，在原機(jī)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(jì)天然氣管路，并對(duì)ECU進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，使得天然氣進(jìn)氣能夠準(zhǔn)確控制。發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)首先以純柴油的模式啟動(dòng)，此時(shí)總開關(guān)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(jìn)入氣缸燃燒。引燃柴油由原機(jī)ECU進(jìn)行控制，天然氣進(jìn)氣量由天然氣供給系統(tǒng)進(jìn)行控制。試驗(yàn)裝置及測量儀器圖詳見文獻(xiàn)[9].

為了更好比較雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，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(shí)的消耗量，得出對(duì)比，換算過程如下：

折合每小時(shí)耗油量mdual：

mair是空氣質(zhì)量流量，ldiesel和lCNG分別是柴油和天然氣的化學(xué)計(jì)量空燃比。

試驗(yàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)速為1 220 r/min、扭矩為810 N·m（相當(dāng)于48%的負(fù)荷）、主噴油量為7.2 mg/cyc，主噴角為6°CA BTDC、預(yù)噴柴油量分別為5 mg/cyc、10 mg/cyc和15 mg/cyc的條件下進(jìn)行不同噴油提前角（3~70°CA BTDC）對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響的分析研究。

式中，mdual、mdiesel、mCNG分別為雙燃料、柴油和天然氣的質(zhì)量流量；HuCNG和Hudiesel分別為天然氣和柴油的低熱值，HuCNG/Hudiesel=1.15.

此外，過量空氣系數(shù)λ定義如下：

熱值折合油耗bdual：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 預(yù)噴油量和預(yù)噴提前角對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

圖1為預(yù)噴油量和預(yù)噴提前角對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)熱值折合油耗的影響?？梢钥闯?，隨著預(yù)噴提前角的增大，熱值折合油耗呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)轭A(yù)噴定時(shí)的提前，使柴油與天然氣/空氣混合氣有更長的時(shí)間混合，混合質(zhì)量提高，缸內(nèi)燃燒局部過濃區(qū)域減少，燃燒放熱重心靠近上止點(diǎn)位置，缸內(nèi)燃燒較好，缸內(nèi)壓力及放熱率升高，燃燒效率增加，熱值折合油耗下降。但是預(yù)噴提前角繼續(xù)增大時(shí)，在壓縮過程中的放熱比重增大，壓縮負(fù)功的增加使熱值折合油耗上升。隨著預(yù)噴油量的增加，熱值折合油耗呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。預(yù)噴油量較小時(shí)，噴霧貫穿距較小，燃油霧化和蒸發(fā)效果較差，點(diǎn)火能量減少，燃燒不充分，熱值折合油耗較高。當(dāng)預(yù)噴油量增大時(shí)，燃油的霧化和蒸發(fā)得到改善，燃燒速率上升，引燃柴油的燃燒直接影響著天然氣的燃燒，缸內(nèi)壓力和放熱率升高，熱值折合油耗下降。但是較大的預(yù)噴油量使主噴油量過少，點(diǎn)火能量較小，著火強(qiáng)度降低，混合氣擴(kuò)散燃燒速度變慢，缸壓和放熱率降低，熱值折合油耗升高。

圖1 不同預(yù)噴時(shí)刻在不同預(yù)噴油量下的熱值折合油耗

圖2 、圖3為預(yù)噴油量和預(yù)噴提前角對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最大壓力升高率和爆壓的影響?？梢钥闯?，隨著預(yù)噴提前角的增大，最大壓力升高率呈現(xiàn)下降-上升的趨勢(shì)。雙燃料模式下的燃燒分為預(yù)噴柴油形成的濃預(yù)混合氣燃燒，主噴柴油的擴(kuò)散燃燒和天然氣/空氣形成的稀預(yù)混合氣燃燒[10]。預(yù)噴提前角的大小能夠控制缸內(nèi)混合氣濃度分層，當(dāng)預(yù)噴提前角較小時(shí)，預(yù)噴射區(qū)域與主噴區(qū)域趨于一致，缸內(nèi)形成濃柴油、天然氣/空氣混合區(qū)和邊緣稀天然氣/空氣混合區(qū)，分層區(qū)域明顯，放熱較小，最大壓力升高率下降。而預(yù)噴提前角較大時(shí)，濃預(yù)混合氣向邊緣擴(kuò)散，分層區(qū)域不明顯，局部過濃區(qū)域減少，放熱增加，最大壓力升高率上升。

圖2 不同預(yù)噴時(shí)刻在不同預(yù)噴油量下的最大壓力升高率

圖3 不同預(yù)噴時(shí)刻在不同預(yù)噴油量下的爆壓

隨著預(yù)噴油量增大，最大壓力升高率和爆壓也隨之增大。這是因?yàn)樵龃箢A(yù)噴油量，燃油的霧化和蒸發(fā)得到改善，燃燒速率上升，同時(shí)主噴油量相應(yīng)減小，預(yù)噴柴油的燃燒使缸內(nèi)壓力和溫度增加，滯燃期縮短，燃燒相位提前，最大壓力升高率和爆壓增大。2.2預(yù)噴油量和預(yù)噴提前角對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響

圖4為預(yù)噴油量和預(yù)噴提前角對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NOx比排放的影響，可以看出，NOx比排放隨預(yù)噴提前角的增大而減小，隨預(yù)噴油量的增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)預(yù)噴提前角增大時(shí)，有充分的時(shí)間使缸內(nèi)形成更加均勻的混合氣，且燃燒相位后移、缸內(nèi)放熱速率降低，缸內(nèi)溫度降低使NOx比排放減小。而增大預(yù)噴油量有利于柴油的霧化和蒸發(fā)，減少局部過濃區(qū)域，并使燃燒放熱速率增加，缸內(nèi)溫度升高導(dǎo)致NOx排放隨預(yù)噴油量的增加呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。

圖4 不同預(yù)噴時(shí)刻在不同預(yù)噴油量下的NOx比排放

圖5 、圖6和圖7為預(yù)噴油量和預(yù)噴提前角對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)HC、CO和CH4比排放的影響?？梢钥闯?，HC、CO和CH4比排放趨勢(shì)一致。隨著預(yù)噴提前角的增大，HC、CO和CH4比排放均減少，且預(yù)噴油量越大，HC、CO和CH4比排放越小。這是因?yàn)轭A(yù)噴提前角增大時(shí)，混合時(shí)間增加，缸內(nèi)混合氣更均勻，不完全燃燒減少，HC、CO和CH4排放減少。預(yù)噴油量較小時(shí)，缸內(nèi)形成的預(yù)混合氣相對(duì)稀薄，燃燒火焰容易焠熄和失火，氧化作用減弱，導(dǎo)致HC、CO和CH4比排放略高。隨著預(yù)噴油量增大，形成的預(yù)混合氣增多，主噴油量減少，缸內(nèi)預(yù)混合燃燒溫度較高，使主噴射時(shí)燃油燃燒初始?jí)毫蜏囟容^高，有利于氧化，HC和CO和CH4比排放減少。

圖5 不同預(yù)噴時(shí)刻在不同預(yù)噴油量下的HC比排放

圖6 不同預(yù)噴時(shí)刻在不同預(yù)噴油量下的CO比排放

圖7 不同預(yù)噴時(shí)刻在不同預(yù)噴油量下的CH4比排放

圖8 為預(yù)噴油量和預(yù)噴提前角對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)碳煙排放的影響，可以看出，碳煙隨預(yù)噴提前角的增大而略微下降，隨預(yù)噴油量的增大而增大。這是因?yàn)樘紵熓侨剂显诟邷厝毖醯臈l件下經(jīng)過裂解脫氫后的產(chǎn)物，當(dāng)預(yù)噴提前角增大時(shí)，缸內(nèi)過濃區(qū)域減少，放熱增加，碳煙減小。當(dāng)預(yù)噴油量增大時(shí)，由于形成的預(yù)混合氣增多，缸內(nèi)預(yù)混合燃燒溫度升高，致使主噴燃燒在較高的初始?jí)毫蜏囟认逻M(jìn)行，碳煙排放增加。

圖8 不同預(yù)噴時(shí)刻在不同預(yù)噴油量下的碳煙排放

3 結(jié)束語

綜上分析得出以下結(jié)論：

（1）隨著預(yù)噴提前角的增大，熱值折合油耗先減小后增大，最大壓力升高率呈下降-上升的趨勢(shì)，爆壓減小。同一預(yù)噴時(shí)刻，預(yù)噴油量增大，最大壓力升高率和爆壓增大，熱值折合油耗先減小后增大。

（2）隨著預(yù)噴提前角的增大，NOx、HC、CO和CH4比排放均減小。同一預(yù)噴時(shí)刻，隨著預(yù)噴油量的增加，NOx比排放增大，HC、CO和CH4比排放減小。故采用適當(dāng)大小的預(yù)噴油量和預(yù)噴提前角，可同時(shí)降低NOx、HC、CO和CH4的排放。

（3）隨著預(yù)噴提前角的增大，碳煙略微下降，當(dāng)預(yù)噴油量增大時(shí)碳煙升高。

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Experimental Study of Pilot Injection Parameters on Performance Influence of NG-diesel Dual Fuel Engine

PAN Yu-ping1，ZHANG Bo2，ZHU Zan2，CAI Xi-zhong3，WANG Yao-dong1
（1.School of Mechanical Engineering Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China；2.Guangxi Yuchai Machinery Limited by Share Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005，China；3.Jiangsu Guoxin Jingjiang Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou Jiangsu 214500，China）

Tests were conducted in a diesel engine by adding natural gas supply system which is converted into a dual fuel engine，respectively discusses the performance influence with pilot injection timing and pilot injection quantity variable of the dual fuel engine.The results show that with the increase of the advance of pilot injection timing，the calorific value of the fuel consumption decreases first and then increases，and the maximum pressure rise rate shows a trend of decline to rise.At a pilot injection timing，with the pilot injection quantity increasing，the maximum pressure rise rate and detonation pressure increase，and the calorific value of the fuel consumption decreases first and then increases.With the advance of the pilot injection angle，the specific emission of NOx，HC，CO and CH4decreased.At the same time，with the increase of the pilot injection quantity，the NOxspecific emission increases，and the HC，CO and CH4emissions decrease.The smaller pilot injection amount，the lower the smoke and slightly decreased with the advance of the pilot injection angle.Soot emissions decreased slightly with the increase of the advance of pilot injection angle，and increased with the increase of pilot injection quantity.

diesel；dual fuel engine；pilot injection timing；pilot injection quantity；test

TK421

A

1672-545X（2017）06-0219-04

2017-03-17

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃（桂科攻1598007-44）；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014GXNSFGA118005）

潘玉萍（1991-），女，廣西玉林人，碩士，主要研究方向?yàn)樘烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制；王耀東（1956-），男，廣西南寧人，博士，教授，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放控制。