電控共軌柴油機(jī)燃用液化天然氣—柴油雙燃料循環(huán)變動的特點(diǎn)

宋建桐　張春化　李婕

摘要：為在柴油機(jī)上應(yīng)用液化天然氣，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)，天然氣在進(jìn)氣歧管前通過混合器與空氣混合，引燃柴油由原高壓共軌系統(tǒng)供應(yīng)，噴油量和噴油正時由雙燃料電控單元（electronic control unit，簡稱ECU）控制。在雙燃料發(fā)動機(jī)試驗臺架上，對比研究發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，負(fù)荷率為25%、75%時，原柴油機(jī)與雙燃料發(fā)動機(jī)的燃燒循環(huán)變動。結(jié)果表明，與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均升高；與25%負(fù)荷率相比，75%負(fù)荷率時，原機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)和峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)增大，平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)降低；雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均降低。

關(guān)鍵詞：電控共軌；柴油機(jī)；液化天然氣；雙燃料；循環(huán)變動

中圖分類號： TK46+4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0209-05

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的進(jìn)一步加劇，代用燃料應(yīng)用技術(shù)得到了快速發(fā)展。在眾多車用代用燃料中，天然氣憑借其辛烷值高、燃燒清潔和價格低廉等特點(diǎn)，占據(jù)了較大的市場份額。天然氣在汽油機(jī)和柴油機(jī)上均可應(yīng)用，一般情況下，以壓縮天然氣（CNG）或液化天然氣（LNG）的形式應(yīng)用于車上。20 MPa的CNG的密度為175 kg/m3，而LNG的密度為 435 kg/m3，因此，LNG應(yīng)用于重型車上具有續(xù)駛里程長的優(yōu)勢[1]。

往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)以柴油機(jī)和汽油機(jī)為主，柴油機(jī)為擴(kuò)散燃燒，汽油機(jī)為預(yù)混合燃燒，而LNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)的燃燒過程既包含引燃柴油的擴(kuò)散燃燒，也包含天然氣的預(yù)混合燃燒[2]。LNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)的天然氣與空氣預(yù)混合進(jìn)入汽缸，但由于其自燃溫度較高，在壓縮沖程不能夠自燃，所以在接近壓縮沖程終了時，噴入少量柴油，柴油自燃后引燃周圍的天然氣和空氣的混合氣[3-4]。這種燃燒方式不但降低了碳煙和氮氧化合物（NOx）排放，還具有較高的熱效率[5-6]。

近年來，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，柴油機(jī)噴射系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸廣泛[7-8]。與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，電控共軌柴油機(jī)的噴油正時和噴油量控制精確且方便，這有利于LNG-柴油雙燃料的應(yīng)用[9]。

燃燒循環(huán)變動是指發(fā)動機(jī)在某一穩(wěn)定工況下，某個氣缸相鄰循環(huán)燃燒過程的變化[10-11]。與汽油機(jī)相比，柴油機(jī)進(jìn)入氣缸的只是空氣，各缸的噴油量比較均勻，而且空氣量比較充足，所以柴油機(jī)的循環(huán)變動相對較小，但柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)在燃燒過程中具有預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒的特殊性，有必要對其循環(huán)變動特性展開研究，對于認(rèn)識這一復(fù)雜的燃燒過程、闡明循環(huán)變動產(chǎn)生的原因、尋求降低循環(huán)變動特性的措施意義很大[12-13]。

為研究電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料的燃燒循環(huán)變動，在1臺電控共軌柴油機(jī)上加裝天然氣供給系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，控制引燃柴油的噴射量、噴油正時和天然氣供給量。在雙燃料發(fā)動機(jī)試驗臺架上，對比分析原機(jī)與LNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動、峰值壓力升高率循環(huán)變動和平均有效壓力循環(huán)變動，為開發(fā)電控共軌柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)提供研究基礎(chǔ)。

1試驗方法與數(shù)據(jù)處理

1.1試驗裝置

試驗用LNG-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)由1臺6缸、4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。

試驗用發(fā)動機(jī)臺架測試系統(tǒng)如圖1所示，在原柴油機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加LNG-柴油雙燃料控制系統(tǒng)。雙燃料發(fā)動機(jī)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，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ECU可以通過控制外部繼電器進(jìn)行雙燃料發(fā)動機(jī)的工作模式轉(zhuǎn)換。

天然氣混合器安裝在發(fā)動機(jī)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奇石樂（Kistler）公司的6052A型壓電式缸壓傳感器、5019型電荷放大器及2893A型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)化為正比于缸內(nèi)壓力的電壓信號，并傳給燃燒分析儀。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試驗方法

試驗工況選取的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，負(fù)荷率為25%（27 kW）、75%（79 kW）。試驗時，首先在選定工況下，采集原柴油機(jī)的缸內(nèi)壓力。然后使發(fā)動機(jī)以天然氣-柴油雙燃料模式運(yùn)行，在油門位置不變的前提下，調(diào)節(jié)引燃柴油量和天然氣供給量，將引燃柴油的噴油正時調(diào)節(jié)為最大轉(zhuǎn)矩噴油正時，使雙燃料發(fā)動機(jī)以相同轉(zhuǎn)速和功率輸出運(yùn)行，運(yùn)行平穩(wěn)后采集雙燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力。連續(xù)測量100個工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力，壓力傳感器采集的缸壓信號，經(jīng)電荷放大器放大后傳送至燃燒分析儀。各工況雙燃料發(fā)動機(jī)的天然氣與柴油供給量、摻燒比和引燃柴油噴油正時見表2。

雙燃料發(fā)動機(jī)的天然氣與空氣為預(yù)混合，而且多點(diǎn)同時著火，燃燒速率快，等容度比原機(jī)高，所以其峰值壓力平均值較高。由于天然氣的著火是由柴油引燃，而引燃柴油的噴入狀態(tài)受到多種因素的影響，很難保持各循環(huán)噴入狀態(tài)完全相同，所以各缸著火點(diǎn)的數(shù)量和能量均不相同，引起雙燃料的峰值壓力標(biāo)準(zhǔn)差增大，此外，由于天然氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，也導(dǎo)致其峰值壓力標(biāo)準(zhǔn)差增大[14]。與25%負(fù)荷率相比，75%負(fù)荷率時，柴油機(jī)缸內(nèi)溫度升高，燃燒狀況得到改善，缸內(nèi)壓力逐步升高；對于雙燃料發(fā)動機(jī)來說，與25%負(fù)荷率相比，75%負(fù)荷率時，天然氣-空氣混合氣變濃，再加上多點(diǎn)同時著火，燃燒加快，缸內(nèi)壓力升高幅度較大。endprint

不同負(fù)荷下，原機(jī)與雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)分布對比如圖3所示。可以看出，與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（φpmax）分布分散；25%負(fù)荷率時，雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)分布極其分散；隨著負(fù)荷的增大，天然氣-空氣混合氣變濃，燃燒得到改善，75%負(fù)荷率時峰值壓力循環(huán)分布相對集中。

2.2峰值壓力升高率循環(huán)變動

不同負(fù)荷率下，原機(jī)與雙燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)峰值壓力升高率隨循環(huán)序數(shù)的變化如圖4所示，峰值壓力升高率平均值[（dp/dφ）[TX-]max]和標(biāo)準(zhǔn)差見表4。與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力升高率平均值升高，標(biāo)準(zhǔn)差增大；75%負(fù)荷率時，雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力升高率平均值比原機(jī)的升高幅度大，這是因為壓力升高率由缸內(nèi)壓力對曲軸轉(zhuǎn)角微分得到，微小的壓力變化都會造成壓力升高率較大的波動[15]。與25%負(fù)荷率相比，75%負(fù)荷率時，原機(jī)與雙燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)峰值壓力升高率平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均增大。

不同負(fù)荷下，原機(jī)與雙燃料發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)峰值壓力升高率循環(huán)分布如圖5所示。與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力升高率所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角[φ（dp/dφ）max]分布分散；25%負(fù)荷率時，雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力升高率循環(huán)分布極其分散，隨著負(fù)荷率的增大，天然氣-空氣混合氣變濃，燃燒得到改善，所以75%負(fù)荷率的相對集中。

2.4循環(huán)變動系數(shù)

從圖7可以看出，與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均升高；與25%負(fù)荷率相比，75%負(fù)荷率時，原機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)和峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)增大，平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)降低；雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均降低。

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[CM（25]空氣比較充足，所以循環(huán)變動相對較低。雙燃料發(fā)動機(jī)的工作方式有所不同，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2個部分，引燃柴油的燃燒波動會造成更嚴(yán)重的天然氣燃燒波動。另外，雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒循環(huán)變動系數(shù)增大也因為天然氣以氣態(tài)形式進(jìn)入汽缸，占用一部分汽缸容積，混合氣氧濃度降低，使引燃柴油與氧氣接觸的概率降低，難于著火燃燒；雙燃料發(fā)動機(jī)25%、75%負(fù)荷率下，引燃柴油量分別為原機(jī)該工況下的13.92%、7.36%， 噴油量的大幅降低造成噴油霧化性能惡化，部分柴油無法正常壓燃著火；引燃柴油的量降低，天然氣的點(diǎn)火數(shù)量和能量減小，也會導(dǎo)致天然氣燃燒惡化甚至失火[16]。隨負(fù)荷增大，天然氣-空氣混合氣變濃，雙燃料發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度升高，缸內(nèi)燃燒條件得到改善，燃燒循環(huán)變動系數(shù)均降低[17]。

3結(jié)論

在雙燃料發(fā)動機(jī)試驗臺架上，對比研究了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，負(fù)荷率為25%、75%時，原柴油機(jī)與雙燃料發(fā)動機(jī)的燃燒循環(huán)變動。研究結(jié)果表明，與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力、峰值壓力升高率和平均指示壓力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均增大。與25%負(fù)荷率相比，75%負(fù)荷率時，原機(jī)和雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力、峰值壓力升高率和平均指示壓力的平均值均增大。與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)分布和峰值壓力升高率循環(huán)分布分散；與25%負(fù)荷率相比，75%負(fù)荷率時，雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)分布和峰值壓力升高率循環(huán)分布相對集中。與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動機(jī)峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均升高；與25%負(fù)荷率相比，75%負(fù)荷率時，原機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)和峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)增大，平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)降低；雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均降低。由結(jié)果可知，雙燃料發(fā)動機(jī)的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

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