高替代率下CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性研究

趙 岑，王 華，劉 曉，湯 東

1 引言

隨著溫室氣體二氧化碳排放的增加和全球化石燃料資源的短缺，為了保護(hù)全球環(huán)境和滿足能源需求，實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)替代燃料的研究受到了廣泛關(guān)注。天然氣是一種很有前途的替代燃料，是化石能源中的清潔能源，與其他可再生能源相比，其穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性都具有一定的優(yōu)勢，天然氣將在能源體系轉(zhuǎn)型過程中扮演重要角色。CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是以少量柴油引燃天然氣-空氣混合氣，實(shí)現(xiàn)雙燃料模式運(yùn)行。它具有熱效率較高、功率損失小、對(duì)原柴油機(jī)改動(dòng)少及使用靈活方便等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)替代率影響天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、燃燒及排放性能，展開了廣泛研究。文獻(xiàn)[2]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同替代率下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程。研究發(fā)現(xiàn)，隨著替代率的增加發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)生爆震，如果能夠有效地控制進(jìn)氣混合氣的溫度以及供給的天然氣量，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震將不會(huì)發(fā)生。在保持發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩不變的情況下，不斷增加天然氣的替代率會(huì)使得等價(jià)的這部分天然氣增加放熱率，它會(huì)加速燃燒過程。文獻(xiàn)[3]通過實(shí)驗(yàn)和仿真手段研究了預(yù)混雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同替代率下的燃燒和排放特性。結(jié)果表明，天然氣（CH4）的替代率大于75%的時(shí)候會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)處于爆震邊界。文獻(xiàn)[4]以六缸柴油機(jī)為載體，對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與純柴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能相比，雙燃料模式下的HC、CO排放較高，NOX排放減少30%，THC排放隨著引燃柴油量的增加而減少。文獻(xiàn)[5]對(duì)不同替代率對(duì)柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著替代率的增大，雙燃料有效燃油消耗率降低，NOX排放先降低后升高，HC排放升高；CO和碳煙排放降低。文獻(xiàn)[6]對(duì)天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用預(yù)混稀燃技術(shù)，發(fā)現(xiàn)NOX排放生成減少，同時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)加裝DOC后，THC與CO的排放明顯降低。

天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的替代率是指在發(fā)動(dòng)機(jī)在純柴油模式下運(yùn)行的柴油消耗率與相應(yīng)工況下雙燃料模式運(yùn)行的柴油消耗率之間的差值占純柴油模式下柴油消耗率的百分比。對(duì)于柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)而言，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、排放特性和工作可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)較高的天然氣替代率是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的目標(biāo)[7]。

目前，有關(guān)替代率影響天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能的研究較多，但對(duì)高替代率下CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的研究相對(duì)較少。以CNG/柴油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，基于實(shí)測示功圖，對(duì)（80～90）%左右天然氣替代率下CNG/柴油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性隨工況變化的規(guī)律進(jìn)行研究與分析。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸直列增壓中冷高壓共軌柴油機(jī)。在不改變原有燃油供給系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了天然氣供氣系統(tǒng)（在中冷器后進(jìn)氣歧管前加裝混合器）及天然氣量電子控制系統(tǒng)，采用雙電控系統(tǒng)共同控制，柴油機(jī)電控系統(tǒng)控制噴油，天然氣電控系統(tǒng)控制噴氣，改裝成為CNG/柴油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)采用柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)性能測試采用NCK 2000發(fā)動(dòng)機(jī)測功系統(tǒng)，缸內(nèi)燃燒壓力采集采用EWE-2010 DAQ。改裝后的CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試系統(tǒng)，如圖1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical Parameters of the Engine

圖1 臺(tái)架測試系統(tǒng)簡圖Fig.1 Test System Diagram

試驗(yàn)時(shí)選用0#柴油和川東氣田壓縮天然氣，采用GB17691-2005中規(guī)定的穩(wěn)態(tài)循環(huán)（ESC）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試，怠速工況時(shí)天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為純柴油運(yùn)行模式，因此在分析時(shí)去除怠速工況，試驗(yàn)循環(huán)工況，如表2所示。

表2 ESC試驗(yàn)循環(huán)工況Tab.2 Cyclic Condition of ESC Test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 氣缸壓力

在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) ESC 試驗(yàn)循環(huán)中，A25、A50、A75、B25、B50、B75六個(gè)工況點(diǎn)的氣缸壓力曲線，如圖2所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大氣缸壓力增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大氣缸壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也增大，且處于上止點(diǎn)后（4～8）°之間；負(fù)荷不變時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的減少，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大氣缸壓力減小，雙燃料發(fā)動(dòng)的最大氣缸壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也減?。晦D(zhuǎn)速對(duì)最大氣缸壓力變化程度的影響要小于負(fù)荷，且相比于高負(fù)荷，低負(fù)荷時(shí)最高燃燒壓力變化程度受轉(zhuǎn)速影響較明顯。這是由于當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速時(shí)，氣缸中湍流減少，火焰?zhèn)鞑ニ俾蕼p緩，大部分的天然氣都在遠(yuǎn)離上止點(diǎn)位置才開始燃燒，燃燒重心后移，這與文獻(xiàn)[8]中的研究結(jié)果趨于一致，同時(shí)燃燒始點(diǎn)相對(duì)提前，如表3所示。燃燒持續(xù)期增加，缸內(nèi)的壓力降低；隨負(fù)荷的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引燃柴油與天然氣的供給量增多，天然氣-空氣混合氣變濃，燃燒速率不斷增加，瞬時(shí)放熱率也不斷增大，因此隨著負(fù)荷的增大，最大氣缸壓力增大，最大氣缸壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也增大，且處于上止點(diǎn)后（4～8）°之間。

圖2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壓力變化Fig.2 Change on Cylinder Pressure of the Dual-Fuel Engine

3.2 氣缸壓力升高率

在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) ESC 試驗(yàn)循環(huán)中，A25、A50、A75、B25、B50、B75六個(gè)工況點(diǎn)的壓力升高率曲線，如圖3所示。由圖3可知，轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著負(fù)荷增加，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大壓力升高率增大，在B75工況下達(dá)到0.35MPa/CA。這是由于負(fù)荷增大時(shí)，缸內(nèi)混合氣變濃，缸內(nèi)溫度不斷升高，有利于柴油與天然氣混合，燃料燃燒更加充分，從而致使壓力升高率不斷增大。大負(fù)荷時(shí)，一方面轉(zhuǎn)速增加，火焰?zhèn)鞑ゼ涌?，因此氣缸壓力升高率變大；另一方面低轉(zhuǎn)速時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角每度運(yùn)轉(zhuǎn)所用的時(shí)間較長，由于天然氣-空氣混合氣混合較均勻，燃燒了更多的燃料，因此最大壓力升高率較高，故在大負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)壓力升高率影響較小。

圖3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力升高率變化Fig.3 Change on Pressure Raise Rate of the Dual-Fuel Engine

3.3 放熱規(guī)律

在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) ESC 試驗(yàn)循環(huán)中，A25、A50、A75、B25、B50、B75六個(gè)工況點(diǎn)的燃燒特性數(shù)據(jù)，如表3所示。大負(fù)荷時(shí)，燃燒始點(diǎn)相對(duì)提前，最大放熱率升高，且最大放熱率對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后，排氣溫度升高。這是由于隨負(fù)荷增大，天然氣-空氣混合氣濃度增加，燃燒速率不斷增加，且氣缸壓力增大，混合氣密度增加，使得氣缸內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的加速，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間縮短，燃燒始點(diǎn)提前；又由于大負(fù)荷時(shí)，燃燒始點(diǎn)提前，在滯燃期內(nèi)預(yù)混的可燃混合氣增加，燃燒迅猛，最大放熱率增大，燃燒持續(xù)期延長，溫度升高，排氣溫度較高。負(fù)荷降低時(shí)則相反，燃燒減緩，最大放熱率降低，燃燒持續(xù)期縮短。低轉(zhuǎn)速時(shí)，燃燒放熱速率較慢，燃燒始點(diǎn)相對(duì)提前，放熱率峰值降低，且峰值對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前。一方面，轉(zhuǎn)速升高時(shí)引燃柴油的噴油壓力有所增加，使得柴油霧化改善，燃料燃燒更加充分，燃燒速率加快，燃燒始點(diǎn)提前；另一方面，轉(zhuǎn)速的升高使得以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)的滯燃期延長，故燃燒始點(diǎn)推遲并不明顯。

表3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性數(shù)據(jù)Tab.3 Combustion Characteristic Data of the Dual-Fuel Engine

3.4 最大氣缸壓力循環(huán)變動(dòng)

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)循環(huán)變動(dòng)的評(píng)價(jià)，可以采用最大氣缸壓力、最高壓力升高率、平均指示壓力以及燃燒始點(diǎn)的循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行分析[9]。最大氣缸壓力比較容易測量，且對(duì)氣缸內(nèi)的燃燒循環(huán)變動(dòng)比較敏感，故采用最大氣缸壓力的循環(huán)變動(dòng)來反映氣缸內(nèi)燃燒的循環(huán)變動(dòng)情況。其計(jì)算公式為：

式中：X—特征參數(shù)；COVx—特征參數(shù)的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)；σX—特征參數(shù)的樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差；Xˉ—特征參數(shù)的平均值；Xi—特征參數(shù)第i個(gè)樣本；N—采樣循環(huán)數(shù)。

在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī) ESC 試驗(yàn)循環(huán)中，A25、A50、A75、A100 四個(gè)工況點(diǎn)的最大氣缸壓力平均值、最大氣缸壓力標(biāo)準(zhǔn)差、循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COV曲線，如圖4所示。轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨負(fù)荷增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大氣缸壓力平均值不斷增大，最大氣缸壓力標(biāo)準(zhǔn)差、循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COV先降低后升高，且循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COV在50%負(fù)荷時(shí)最小。這是因?yàn)殡S負(fù)荷增加，氣缸內(nèi)溫度不斷升高，燃燒不斷改善[10]，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大氣缸壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COV先降低；在50%負(fù)荷增大到100%時(shí)，燃燒始點(diǎn)提前，著火延遲期縮短，對(duì)混合氣的形成產(chǎn)生不利，燃燒不充分，壓力升高率增大，故雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大氣缸壓力標(biāo)準(zhǔn)差、循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COV反而升高。試驗(yàn)結(jié)果表明在（80～90）%左右天然氣替代率下CNG/柴油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性循環(huán)波動(dòng)較小，燃燒過程較穩(wěn)定。

圖4 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最大氣缸壓力的循環(huán)變動(dòng)情況Fig.4 Cyclical Variation on the Maximum Cylinder Pressure of the Dual-Fuel Engine

4 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)速不變時(shí)，負(fù)荷增加，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力升高率、最大氣缸壓力平均值、最大放熱率及排氣溫度均增大，燃燒始點(diǎn)提前；（2）負(fù)荷不變時(shí)，轉(zhuǎn)速增加，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒放熱率增大，燃燒始點(diǎn)相對(duì)滯后；但轉(zhuǎn)速對(duì)壓力升高率影響較小；（3）（80～90）%左右的高天然氣替代率下，CNG/柴油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)的最大氣缸壓力循環(huán)波動(dòng)較小，燃燒過程較穩(wěn)定。高替代率下，轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是影響CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的重要因素。后續(xù)工作將在此基礎(chǔ)上研究雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)參數(shù)。