不同替代比下CNG/柴油復(fù)合噴射柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

王雷，李海玉，王銳，曹永，陳廣源

(1. 濰坊職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院, 山東 濰坊 262737；2.濰坊職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 濰坊 262737；3.盛瑞傳動(dòng)股份有限公司 工程技術(shù)研究院, 山東 濰坊 261021)

天然氣是一種高效、清潔的能源，其存儲(chǔ)量巨大、價(jià)格相對(duì)低廉，在發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-2]。目前，天然氣主要以壓縮氣瓶的存儲(chǔ)方式應(yīng)用于汽油車，通過(guò)使用一個(gè)單獨(dú)的天然氣燃料供給管路系統(tǒng)，直接實(shí)現(xiàn)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃用，此種燃用方式雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但無(wú)法發(fā)揮天然氣作為氣體燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用的固有優(yōu)勢(shì)。因此，研究和探索天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用方式具有重要的工程實(shí)際意義[3-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)柴油直噴引燃?jí)嚎s天然氣(compressed natural gas, CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能開(kāi)展了廣泛而深入的研究。近年來(lái)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)CNG/柴油雙燃料的燃燒性能(主要是針對(duì)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[5-7]，結(jié)果表明,在保持原機(jī)動(dòng)力性的同時(shí)，NOx和soot得到大幅降低。基于各類計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)軟件對(duì)CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能(主要是針對(duì)影響燃燒的關(guān)鍵參數(shù)，如噴油正時(shí)、射流角度、噴射壓力以及燃燒室形狀尺寸)進(jìn)行了大量的仿真研究[8-11]，結(jié)果表明，合理的關(guān)鍵參數(shù)邊界能夠促進(jìn)柴油的引燃燃燒和降低有害氣體的排放量。其中，針對(duì)柴油引燃噴油正時(shí)對(duì)CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放影響的研究[12-14]表明，在適當(dāng)范圍內(nèi)推進(jìn)最佳噴油正時(shí)，HC、CO和碳煙排放能得到有效改善。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了較全面的研究，但針對(duì)柴油機(jī)摻燒天然氣最佳替代比燃燒特性的深入研究報(bào)道很少。我國(guó)山地面積廣闊，交通運(yùn)輸依賴柴油能源，使用天然氣替代部分柴油能源在柴油機(jī)上燃用，既能夠節(jié)省寶貴的柴油資源，也可以實(shí)現(xiàn)天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的多元化。因此，本文以等熱值方式使用天然氣替代部分柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用，研究柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的變化規(guī)律，以期為CNG在柴油機(jī)上的燃用方式和燃用技術(shù)提供參考。

1 天然氣理化特性概述

相比于傳統(tǒng)的汽油和柴油化石能源，天然氣的理化特性不盡相同。天然氣的主要成分為甲烷，主要由碳和氫兩種元素組成，分子式為CH4，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度為0.717 4 kg/m3，該密度小于空氣密度，燃燒時(shí)發(fā)出淡藍(lán)色的火焰。天然氣與柴油的理化特性對(duì)比見(jiàn)表1。由于天然氣的能量密度低，常采用壓縮存儲(chǔ)的方式應(yīng)用于柴油機(jī)，CNG體積大約為壓縮前的1/600。

表1 天然氣和柴油的主要理化特性指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用燃油為0號(hào)柴油和CNG，在JL4JB1柴油機(jī)上分別進(jìn)行摻燒不同替代比天然氣量的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的試驗(yàn)研究。天然氣替代比定義為天然氣熱值與總熱值的比值，總熱值指柴油熱值和天然氣熱值之和，即

(1)

式中：RN/D為天然氣替代比；HNG和HD分別為天然氣和柴油的熱值，單位為MJ。

為了實(shí)現(xiàn)天然氣在柴油機(jī)上摻燒，給發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架增設(shè)了一套天然氣供給系統(tǒng)，主要包括CNG高壓氣瓶、調(diào)壓器、熱交換器、天然氣計(jì)量?jī)x和混合器等，其中混合器安裝在進(jìn)氣總管上，確保所供給的天然氣與空氣形成均質(zhì)混合氣。天然氣供給系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 天然氣供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

考慮到天然氣以均質(zhì)混合氣形式供給柴油機(jī)燃用，因此天然氣替代比不能太低，即混合氣不能過(guò)稀。這是由于柴油機(jī)壓縮比較高，在壓縮過(guò)程中過(guò)稀的天然氣與空氣的混合物會(huì)被擠入面容比較大的狹縫，造成不完全燃燒或失火，導(dǎo)致柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性下降。同時(shí)天然氣的空燃比大于柴油，過(guò)高的天然氣替代比會(huì)使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)下降，從而引起柴油機(jī)性能的降低。綜合分析認(rèn)為，設(shè)定天然氣替代比為0.2～0.8，可以保證天然氣摻燒試驗(yàn)研究的有效進(jìn)行。

測(cè)試儀器設(shè)備主要有CW160型電渦流測(cè)功器、FC2210型天然氣計(jì)量?jī)x、FEV油耗測(cè)量?jī)x、MT20U2開(kāi)發(fā)型ECU、SWK03冷卻水恒溫系統(tǒng)和FEV TCM臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)等。試驗(yàn)用柴油機(jī)型號(hào)為JL4JB1，燃燒室類型為直噴ω型，試驗(yàn)用柴油機(jī)為自然吸氣、水冷、四沖程、直列、頂置氣門形式的發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要參數(shù)

3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 不同替代比天然氣供給量確定

柴油機(jī)運(yùn)行于不同工況下時(shí)，每個(gè)循環(huán)的噴油量不盡相同，柴油機(jī)循環(huán)噴油量計(jì)算公式為

(2)

式中：mD為柴油機(jī)每循環(huán)柴油噴射量，單位為mg/str；BD為柴油機(jī)每小時(shí)油耗，單位為kg/h；n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；i為氣缸數(shù)。

在計(jì)算出柴油機(jī)循環(huán)燃油噴射量基礎(chǔ)上，結(jié)合天然氣替代比的定義式，可以確定不同替代比下柴油機(jī)每循環(huán)在各個(gè)工況需要的天然氣供給量，即

(3)

式中：mNG為柴油機(jī)每循環(huán)天然氣噴射量，單位為mg/str；hNG和hD分別為天然氣和柴油低熱值，單位為MJ/kg。結(jié)合公式(1)、(2)和(3)計(jì)算出柴油機(jī)運(yùn)行于不同工況時(shí)，燃用不同替代比的天然氣-柴油混合燃料每循環(huán)天然氣和柴油的供給量，結(jié)果見(jiàn)表3。

綜上所述，解剖鎖定板聯(lián)合喙鎖縫線固定治療鎖骨遠(yuǎn)端骨折的臨床療效優(yōu)于鉤鋼板，且并發(fā)癥少，是一種較可靠而有效的手術(shù)方法。但本研究是回顧性分析而非前瞻性隨機(jī)試驗(yàn)，不是一個(gè)大樣本或多中心病例對(duì)照，同時(shí)也不能確定什么情況下需要輔助何種喙鎖固定方式為最佳是本研究的不足和缺陷，也是未來(lái)需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

表3 不同替代比下天然氣和柴油的供給量

3.2 不同替代比下柴油機(jī)性能的變化

為研究柴油機(jī)燃用不同替代比的天然氣-柴油混合燃料的動(dòng)力性，分別在800、1 400、1 800、2 400、3 200、3 600 r/min的6種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，始終保持天然氣-柴油混合燃料的熱值與柴油機(jī)原機(jī)各工況循環(huán)噴油量的熱值相等。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，圖中虛線為柴油機(jī)原機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的外特性扭矩水平。

從圖2可以看出，柴油機(jī)燃用天然氣-柴油混合燃料時(shí)，在一定的替代比下，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩均能超過(guò)柴油機(jī)原機(jī)外特性水平，體現(xiàn)在扭矩曲線部分位于虛線上方；同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，扭矩特性超過(guò)原機(jī)水平時(shí)的天然氣替代比減小且低轉(zhuǎn)速小替代比、高轉(zhuǎn)速大替代比的燃用效率較差；扭矩上升最大值出現(xiàn)在1 800 r/min ，增幅為6.8%。

(a)n1=800 r/min (b)n2=1 400 r/min (c)n3=1 800 r/min

對(duì)上述柴油機(jī)燃用不同替代比天然氣-柴油混合燃料在不同工況下扭矩性能變化規(guī)律的分析表明：

1)天然氣以一定替代比代用部分柴油燃用時(shí)，能夠提高缸內(nèi)的最高燃燒溫度，擴(kuò)大做功沖程燃燒循環(huán)的溫度階梯，且柴油的燃燒完全程度獲得改善，從而提高了熱效率；因此，在同樣熱值燃料的供給條件下，天然氣-柴油機(jī)混合燃料的扭矩會(huì)高于柴油機(jī)原機(jī)水平。

2)當(dāng)柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，且功率較低，缸內(nèi)平均溫度較低，此時(shí)較小的替代所形成的稀混合氣在狹縫處不容易完全燃燒；反之，高轉(zhuǎn)速時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，功率高導(dǎo)致缸內(nèi)平均溫度升高，改善了天然氣混合氣的完全燃燒，這些因素的作用使轉(zhuǎn)速升高時(shí)，天然氣-柴油混合燃料的扭矩特性呈現(xiàn)出扭矩超過(guò)原機(jī)水平時(shí)替代比減小的規(guī)律。

3)由于柴油機(jī)高速、高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)相對(duì)較小，且天然氣的化學(xué)計(jì)量空燃比大于柴油，因此隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，替代比的不斷增大，天然氣-柴油混合燃料的過(guò)量空氣系數(shù)將進(jìn)一步下降，會(huì)出現(xiàn)由于氧含量供應(yīng)不充分而發(fā)生不完全燃燒現(xiàn)象，導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速、大替代比時(shí)燃用效率差，扭矩下降。

4)柴油機(jī)中等轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)合理，充氣效率和熱效率都較高，有利于柴油機(jī)-天然氣混合燃料的充分燃燒，因此扭矩上升幅度最大。

3.3 柴油機(jī)燃用天然氣-柴油的最佳替代比

從圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取對(duì)應(yīng)最大扭矩時(shí)的天然氣-柴油混合燃料的替代比，并與柴油機(jī)原機(jī)外特性扭矩對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，通過(guò)選擇天然氣-柴油混合燃料燃用的最佳替代比，可以使柴油機(jī)的外特性扭矩在所有試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)上升，這表明在柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上摻燒天然氣能夠提升柴油機(jī)的動(dòng)力性，使柴油機(jī)的強(qiáng)化程度加強(qiáng)，且最佳替代比呈現(xiàn)出低轉(zhuǎn)速較高、高轉(zhuǎn)速較低的變化規(guī)律。

圖3 最佳替代比天然氣-柴油的扭矩特性

圖4給出了柴油機(jī)外特性運(yùn)行時(shí)，燃用最佳替代比天然氣-柴油混合燃料和柴油的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。從圖4可以看出，由于在試驗(yàn)中保持各個(gè)工況供給燃料的總熱值不變，動(dòng)力性增強(qiáng)將改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，所以使有效燃油消耗率呈現(xiàn)與圖3中扭矩相反的變化規(guī)律。

圖4 天然氣-柴油和柴油的外特性經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4 結(jié)論

本文在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上增設(shè)了一套天然氣供給系統(tǒng)，對(duì)柴油機(jī)燃用天然氣的最佳替代比特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，全面分析了不同替代比下CNG/柴油復(fù)合噴射對(duì)運(yùn)行于外特性工況柴油機(jī)扭矩性能的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)天然氣在柴油機(jī)上以進(jìn)氣管混合的方式摻燒，能夠有效提升柴油機(jī)的外特性扭矩性能。

2)柴油機(jī)運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，天然氣的最佳燃用替代比不同，低轉(zhuǎn)速時(shí)適合采用高的替代比，高轉(zhuǎn)速時(shí)適合采用低的替代比。

3)在中等轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)燃用天然氣扭矩上升的幅度最大，相比于柴油原機(jī)扭矩最大值提高了6.8%。

4)天然氣在柴油機(jī)上以合理的替代比摻燒，能夠提升柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)柴油機(jī)強(qiáng)化程度。