摻燒比對電控共軌柴油機(jī)燃用LNG

徐鴻坤

摘 要：為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)對LNG，即液化天然氣的高效使用，對電控共軌柴油機(jī)進(jìn)行改裝，形成雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，由柴油將天然氣引燃。將LNG經(jīng)由天然氣噴嘴實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣管的噴入。通過雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)，在100%負(fù)荷條件，1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，對摻燒比對電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料燃燒特性進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)摻燒比逐漸增大時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)自身的缸內(nèi)壓力先呈現(xiàn)出升高趨勢，后呈現(xiàn)出降低趨勢，壓力升高率以及瞬時(shí)放熱率均出現(xiàn)增大。

關(guān)鍵詞：摻燒比;共軌柴油機(jī);燃燒特性

中圖分類號：TK421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 前言

柴油機(jī)具備的動(dòng)力性良好，且具有較強(qiáng)的可靠性，加上排放量較低，在各類船舶中的應(yīng)用日漸廣泛。但是，柴油機(jī)運(yùn)行會(huì)排放出NOx和PM顆粒，嚴(yán)重污染環(huán)境。對此，有必要推動(dòng)天然氣在柴油機(jī)中的應(yīng)用。天然氣作為石化燃料具有較強(qiáng)的清潔性，LNG，即液化天然氣已成為重要燃料，能促進(jìn)船舶有效提升其續(xù)駛里程。當(dāng)前，電控共軌柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于各類船舶中。此類柴油機(jī)易于控制其噴油正時(shí)和噴油量，有助于提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能。對此，有必要研究摻燒比對此類柴油機(jī)用LNG-柴油雙燃料相應(yīng)的燃燒特性產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)對摻燒比的優(yōu)化，以及對引燃柴油相應(yīng)的噴油正時(shí)的優(yōu)化。對此，可開展發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)裝置

將LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)裝置。該裝置的性能結(jié)構(gòu)以及各項(xiàng)參數(shù)如下表1示：

雙燃料ECU是基于柴油機(jī)原有的控制系統(tǒng)，對LNG-柴油雙燃料控制系統(tǒng)進(jìn)行增加，該系統(tǒng)與原柴油機(jī)共享曲軸位置、油軌壓力、冷卻水溫度、凸輪軸位置等信號。雙燃料ECU不僅能實(shí)現(xiàn)對柴油噴油器的控制，還能實(shí)現(xiàn)對天然氣供給系統(tǒng)相應(yīng)的通斷電磁閥以及噴射電磁閥的控制，且能對天然氣壓力和液位進(jìn)行監(jiān)測。在雙燃料工作模式下，原機(jī)ECU仍能實(shí)現(xiàn)對渦輪增壓、發(fā)動(dòng)機(jī)軌壓以及廢氣再循環(huán)的控制。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)借助外部繼電器實(shí)現(xiàn)對工作模式的轉(zhuǎn)換，由雙燃料ECU對繼電器進(jìn)行控制[1]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)與中冷器二者間存在的進(jìn)氣總管上，安裝天然氣混合器。空氣和天然氣在混合器內(nèi)混合后，再完成對發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)入。通過Kistler 6052A壓電式缸壓傳感器、2893A kibox燃燒分析儀和5019電荷放大器實(shí)施缸壓采集，并分析放射率。在氣缸蓋上安裝缸壓傳感器，以采集的電荷信號為信號，通過電荷放大器對信號進(jìn)行放大處理，并有效轉(zhuǎn)化為與外力成正比的電壓輸出信號，并向燃燒分析儀傳遞[2]。通過電渦流測功機(jī)監(jiān)控測量發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，諸如功率、轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣溫度、水溫等。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)工況轉(zhuǎn)速選取1 200 r/min，功率輸出選取為107 kW。在試驗(yàn)過程中，基于選定工況，對原柴油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，諸如缸內(nèi)壓力、進(jìn)氣壓力、油門位置、油軌壓力、進(jìn)氣溫度、排氣溫度以及水溫等進(jìn)行采集。然后，設(shè)置LNG-柴油雙燃料工作模式，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，在原油門位置上，發(fā)動(dòng)機(jī)保持轉(zhuǎn)速不變，在此基礎(chǔ)上，對柴油和天然氣的實(shí)際供給量進(jìn)行調(diào)節(jié)，對引燃柴油相應(yīng)的噴油正時(shí)進(jìn)行設(shè)置，采用最大扭矩噴油正時(shí)，確保雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)保持相同功率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)行，對摻燒比不同情況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的參數(shù)進(jìn)行記錄[3]。如下表2所示：

觀察分析上表可知，在試驗(yàn)工況下，原柴油機(jī)呈現(xiàn)215.4 g/（kW·h）的有效燃料消耗率，在96%的摻燒比下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)出最低的有效燃料消耗率;雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)隨著不斷增大的摻燒比，其引燃柴油相應(yīng)的最大扭矩噴油正時(shí)出現(xiàn)推遲。究其原因，在大負(fù)荷條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)存在較濃的混合氣，且缸內(nèi)具有較高的壓力和溫度，引燃柴油減少其滯燃期。雖然引燃柴油在摻燒比增大的情況下增大其滯燃期，但混合氣也開始變濃，在著火點(diǎn)能量和數(shù)量充足的基礎(chǔ)上，可提高其燃燒效率，并稍微推遲其噴油正時(shí)[4]。

3 結(jié)果與分析

3.1 摻燒比對缸內(nèi)壓力的影響

如下圖1所示，相比于原機(jī)，在摻燒比不同的情況下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的缸內(nèi)壓力出現(xiàn)升高，在壓縮沖程內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力出現(xiàn)降低。缸內(nèi)壓力在摻燒比逐漸增大的情況下先呈現(xiàn)出升高趨勢，后呈現(xiàn)出降低趨勢。在36%的摻燒比下，缸內(nèi)出現(xiàn)最大的峰值壓力。在73%的摻燒比和96%的摻燒比下，出現(xiàn)相同的噴油正時(shí)。缸內(nèi)壓力在摻燒比逐漸增大的情況下，推遲其最大值相位。

在過低的摻燒比條件下，混合氣過稀，將降低天然氣的實(shí)際燃燒效率，并降低缸內(nèi)壓力。在摻燒比出現(xiàn)增大的情況下，缸內(nèi)存在的混合氣變濃，并增加其燃燒速率，缸內(nèi)壓力出現(xiàn)升高。繼續(xù)增大燃燒比，將減少引燃柴油量，并減少天然氣著火點(diǎn)實(shí)際數(shù)量，且降低其能量。進(jìn)入氣缸的氣態(tài)天然氣逐漸增加，導(dǎo)致缸內(nèi)存在的空氣量出現(xiàn)減少，缸內(nèi)相應(yīng)的最高壓力出現(xiàn)降低。因此，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在摻燒比出現(xiàn)增大的情況下，其缸內(nèi)壓力先呈現(xiàn)出升高趨勢，后呈現(xiàn)出降低趨勢。

在73%的摻燒比和96%的摻燒比條件下，形成相同的噴油正時(shí)，在摻燒比逐漸增大的情況下，對應(yīng)于缸內(nèi)峰值壓力的曲軸轉(zhuǎn)角將出現(xiàn)推遲。究其原因，滯燃期隨摻燒比增大而變長，并推遲燃燒，導(dǎo)致對應(yīng)于缸內(nèi)峰值壓力的曲軸轉(zhuǎn)角出現(xiàn)推遲[5]。另外，在滿負(fù)荷條件下，柴油機(jī)缸內(nèi)具有較濃的混合氣，在96%的摻燒比下，引燃柴油相對較少，加上較濃的混合氣和較低的氧濃度，在焰前反應(yīng)過程中，混合氣中存在的柴油加劇與CH4對自由基的爭奪，延長著火滯燃的實(shí)際時(shí)間，同時(shí)，天然氣保持較慢的燃燒速率，引燃柴油出現(xiàn)減少后，天然氣實(shí)際的著火源數(shù)量將出現(xiàn)降低，并導(dǎo)致峰值壓力較晚出現(xiàn)。

3.2 摻燒比對壓力升高率的影響

壓力升高率指標(biāo)，用于對內(nèi)燃機(jī)燃燒相應(yīng)的粗暴度和等容度的表征。如下圖2所示，在摻燒比不同的情況下，與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的壓力升高率出現(xiàn)一定程度的升高。在73%的摻燒比和96%的摻燒比下，出現(xiàn)相同的噴油正時(shí)，缸內(nèi)壓力相應(yīng)的升高率隨摻燒比的增大而降低，其曲軸轉(zhuǎn)角也出現(xiàn)推遲。究其原因，96%的摻燒比降低了燃燒壓力，且對應(yīng)于峰值壓力的曲軸轉(zhuǎn)角出現(xiàn)推遲，導(dǎo)致壓力升高率出現(xiàn)降低。另外，在96%的摻燒比條件下，燃料中含有較少的柴油量，僅能發(fā)揮引燃作用，同時(shí)，混合燃料具有較長的滯燃期，在滯燃期內(nèi)，引燃柴油形成較為均勻的混合氣，其作用與汽油器增多火焰?zhèn)鞑ヮ愃?，相對于柴油的容積式燃燒，其壓力升高率出現(xiàn)降低。

在36%的摻燒比條件下，出現(xiàn)最高的缸內(nèi)壓力;在73%的摻燒比條件下，出現(xiàn)最高的壓力升高率。在工況相同的條件下，同一摻燒比并未形成最高的缸內(nèi)壓力和壓力升高率，究其原因，壓力升高率并非僅受到最高壓力的影響，且與燃燒速率、放熱規(guī)律等因素有關(guān)。

3.3 燃燒放熱規(guī)律

如圖3所示，與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)增大了其瞬時(shí)放熱率。在摻燒比逐漸增大的情況下，其瞬時(shí)放熱率也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。究其原因，在摻燒比增大的情況下，混合氣進(jìn)一步變濃，多點(diǎn)同時(shí)實(shí)施點(diǎn)火，能增大燃燒速率，并促進(jìn)放熱率出現(xiàn)增大。相比于柴油，天然氣和空氣的焰前反應(yīng)更易發(fā)生，引燃柴油一旦著火，天然氣與空氣形成的均質(zhì)混合氣將加快其實(shí)際燃燒速度，進(jìn)而提高其放熱率。在96%的摻燒比下，上止點(diǎn)后大約10℃出現(xiàn)放熱率峰值，活塞在此時(shí)開始出現(xiàn)下行，因此，雖然瞬時(shí)放熱率增大了其峰值，但缸內(nèi)壓力及其壓力升高率卻出現(xiàn)降低。

3.4 循環(huán)變動(dòng)

相比于原機(jī)，雙燃料燃燒相應(yīng)的峰值壓力平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差均出現(xiàn)升高。峰值壓力平均值隨摻燒比的逐漸增大，先呈現(xiàn)出增大趨勢，后呈現(xiàn)出減小趨勢，且其標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)增大。

在19%～73%的摻燒比范圍內(nèi)，出現(xiàn)峰值壓力的時(shí)刻呈現(xiàn)出集中分布，且伴隨摻燒比的逐漸增大，呈現(xiàn)出分散分布;在相同的噴油正時(shí)下，73%的摻燒比增加，在96%的摻燒比下，增大較為明顯，且呈現(xiàn)出分散分布。

4 結(jié)語

綜上所述，相對于原機(jī)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)的缸內(nèi)燃燒壓力、壓力升高率、瞬時(shí)放熱率以及循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均出現(xiàn)升高，其缸內(nèi)壓力隨著摻燒比逐漸增大，先呈現(xiàn)出升高趨勢，后呈現(xiàn)出降低趨勢，其壓力升高率和瞬時(shí)放熱率出現(xiàn)增大。雙燃料相應(yīng)的峰值壓力平均值隨摻燒比逐漸增大而先呈現(xiàn)出增大趨勢，后呈現(xiàn)出減小趨勢，并增大其標(biāo)準(zhǔn)差。出現(xiàn)峰值壓力時(shí)，呈現(xiàn)出分散分布，并增大其循環(huán)變動(dòng)系數(shù);在引燃柴油相同的噴油正時(shí)下，雙燃料相應(yīng)的出現(xiàn)增大，且呈現(xiàn)出分散分布。

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