喷油参数对双燃料发动机燃烧与排放的影响
唐盛世1李壮2朱赞2谢正良2潘明章1黄豪中1
(1.广西大学机械工程学院，南宁530004;2.广西玉柴机器股份有限公司，玉林537005)摘要：为了进一步解决柴油/天然气双燃料发动机中C H4和C O排放较高以及热效率较低的问题，在1台6缸发动机上进行了柴油喷油正时和喷油压力对燃烧和排放特性影响的试验㊂研究结果表明：双燃料发动机的燃烧过程出现明显的两阶段放热现象；随着喷油正时的提前，燃烧放热起始点提前，柴油引燃天然气的效果更为明显；最大压力升高率㊁缸内压力和放热率峰值升高,N O x排放增加，而C H4和C O排放降低，指示热效率先升高后降低，热值折合燃油耗先降低后升高；随着喷油压力增加，缸内压力㊁放热率峰值增加,N O x排放增加，而C H4和C O排放降低㊂因此，综合考虑双燃料发动机的燃烧与排放特性，当喷油正时为-20ʎC A A T D C，喷油压力为120M P a时，可以实现较高的热效率以及较低的C H4和C O的排放㊂
关键词：双燃料发动机；喷油正时；喷油压力；燃烧与排放
0前言
随着能源危机的日益严峻及环保意识的提高，促使人们不断寻新的替代燃料，开发新的技术㊂天然气/柴油双燃料发动机具有较大的优势㊂首先，天然气储量丰富，碳氢比低，在燃烧过程中产生较低的碳烟排放，
对环境污染较小[1]㊂其次，天然气具有较高的辛烷值，可以应用到高压缩比的发动机中，提高热效率[2]㊂
此外，天然气-柴油双燃料发动机改装方便，而且在运行过程中2种模式(双燃料和纯柴油模式)可以实现自由切换[3]㊂
在天然气/柴油双燃料发动机中，天然气一般采用进气道喷射，与空气混合后进入气缸，在压缩上止点附近由微量柴油引燃燃烧㊂因此，双燃料发动机缸内燃烧过程主要分为2个阶段：首先由预喷柴油和部分天然气形成的柴油-天然气-空气混合气进行预混燃烧；之后由天然气引燃预喷柴油开始扩散燃烧[4]㊂为了探索其规律，对双燃料发动机进行研究㊂
L O U N I C I等人[1]研究了柴油/天然气发动机双燃料燃烧模式对燃烧和排放的影响㊂研究结果表明，相比于纯柴油发动机，双燃料发动机产生的N O x㊁碳烟和有效燃油消耗率减少，未燃碳氢化合物(UH C)和C O 排放增加㊂E G U'S Q U I Z A等人[5]在1台天然气/柴油双燃料发动机上(纯柴油及双燃料2种模式下)进行了天然气替代比，发动机转速以及负荷对燃烧和排放的研究㊂研究结果表明，在较宽的运行工况范围内(不同的转速及负荷)，双燃料燃烧模式可以有效降低N O x 和碳烟的排放㊂而在较低负荷下,C O及H C排放较高㊂P A P A G I A N N A k等开展了喷油正时及天然气所占比例对不同负荷下天然气/柴油双燃料均质充量压燃(H C C I)发动机燃烧和排放影响的研究工作㊂研究结果表明，增加天然气的比例会使C O的排放及最大缸内压力增加,N O及碳烟排放降低㊂
综上所述，在双燃料发动机上，存在C O和UH C 排放较高的问题㊂为了研究喷油正时及压力对C O和UH C排放的影响，本文开展了喷油正时及压力对天然气/柴油双燃料发动机燃烧与排放特性的影响研究㊂1试验装置及方法
试验采用的是1台6缸增压中冷柴油机，在原机上加装天然气供给系统㊂在燃油供给不变的情况下设计天然气管路，并对电子控制单元(E C U)进行匹配设计，使得天然气进气能够准确控制㊂双燃料发动机首先以纯柴油的模式启动，此时天然气管路总阀处于断开状态，天然气中断㊂当柴油压缩着火后，天然气开始通入，与空气混合后进入气缸燃烧㊂引燃天然气由E C U进行控制，天然气进气量由天然气供给系统进行
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控制㊂试验发动机具体参数见表1，燃料的理化性质见表2，试验装置及测量仪器见图1㊂
表1 实验发动机技术参数
项目
参数缸径/m m 123行程/m m 145
压缩比17.5每缸气门数4标定功率/k W
265标定功率转速/(r ㊃m i n
-1)
1900最大扭矩/(N ㊃m )
1700
最大扭矩转速/(r ㊃m i n
-1)1200~1500
表2 燃料性能
燃料性质柴油天然气辛烷值-
130十六烷值52.5-
沸点/ʎC
180~360
-162低热值/(M J ㊃k g
-1)43.550.0自燃温度/ʎC
250650空燃比
14.316.4 为了对比不同喷油正时及喷油压力下燃油消耗情况，本文引入折合油耗的概念㊂通过能量转化折合成纯柴油时的消耗量，折合耗油量为
m d u a l =m d i e s e l +
H u
c n g
H u d
i e s e l
㊃m c n g
(1)式中,m d u a l 为双燃料的质量流量;H u c n g
为天然气的低热值;H u d i e s e l
为柴油的低热值;H u c
n g
H u d
i e s e l
为1.15;m c n g 为天然气的质量流量㊂
热值折合油耗为
b d u a l =
m d u a l
P e ㊃1000(2
)式中,m d u a l 为双燃料的质量流量;b d u a l 热值折合油耗,
P e 为发动机有效功率㊂
试验时，发动机转速固定为1220r /
m i n
，扭矩为1215N ㊃m (约71%负荷)，柴油引燃量为2.1k g
/
h ，天然气23k g
/h ，无E G R ㊂通过改变喷油正时(-5~-25ʎC A A
T D C )和喷油压力(80M P a ㊁100M P a ㊁120M P a )来研究喷油参数对双燃料发动机燃烧和排放的影响㊂2 结果及分析
2.1 喷油正时和喷油压力对天然气/柴油双燃料燃烧特性的影响
图1 发动机试验台架示意
图2示出了不同喷油正时及压力下天然气/柴油
双燃料发动机的缸内压力和放热率的关系图㊂从图2
(a
)可知，缸内压力和放热率峰值随喷油正时提前而升高㊂这是因为随着喷油正时的提前，柴油燃烧起始点
图2 不同喷油正时及压力下缸压和放热率
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提前，增强了对缸内天然气-空气混合气的引燃效果，提高了缸内混合气的燃烧强度，缸内压力及放热率峰值增加㊂由图2(b )可知，缸压及放热率峰值随喷油压力的增加而增加㊂由于喷油压力增加，燃油的雾化和蒸发效果更好，缸内混合气的燃烧强度增加，缸压及放热率峰值增加㊂此外，由放热率曲线可知，缸内燃烧出现明显的两阶段放热特征㊂这是因为双燃料发动机缸内存在2个阶段燃烧㊂第一阶段主要是预喷柴油与空气混合气的预混燃烧放热，第二阶段主要是预喷柴油的扩散燃烧和天然气的引燃及火焰传播㊂
图3 不同喷油正时及压力下燃烧重心㊁
指示热效率和热值折合油耗
图3示出了不同喷油策略下天然气/柴油双燃料
发动机的指示热效率㊁热值折合油耗和C A 50(燃烧重心)的对比图㊂由图3(a )可知，喷油正时提前或者喷油压力增加都会导致C A 50提前㊂由于放热起始点随喷油正时提前而提前，使得缸内混合气更早开始燃烧,
C A 50提前㊂当喷油压力增加时，促进了可燃混合气的形成，燃烧放热起始点提前㊂由图3(b )可知，当喷油正时提前，热效率先升高后降低，热值折合油耗先降低后升高㊂这是因为C A 50随着喷油正时的提前或喷油压力的增加而提前，燃烧重心靠近上止点，发动机有效容积做功能力增强，热效率提高㊂随着喷油正时继续提前，燃烧重心越过上止点，压缩负功增加，热效率开始降低，热值折合燃油耗开始增加㊂
图4给出了不同喷油策略下天然气/柴油双燃料
发动机的最大压力升高率曲线图㊂最大压力升高率通常用来表示燃烧噪声的强弱，其主要与预混燃烧的比例有关㊂随着喷油正时的提前，最大压力升高率增大㊂这主要是因为喷油正时提前，缸内温度㊁压力相对降低，滞燃期增加，预混燃烧的比例增加，最大压力升高率随之增加㊂由图2还可以看出，最大压力升高率随着喷油压力的增加而增加㊂这主要也是因为喷油压力增加，促进了柴油的雾化㊁蒸发，提高了燃烧速率，最大压力升高率增加㊂另外，当喷油压力从100M P a 升高到120M P a 时,
最大压力升高率不再有明显的变化
㊂图4 不同喷油正时下最大压力升高率
2.2 喷油正时和喷油压力对天然气/柴油双燃料排放
特性的影响
图5示出了不同喷油正时及喷油压力下天然气/
柴油双燃料发动机N O x 排放曲线图㊂由图5可知,N O x 的排放随着喷油正时的提前而增加㊂这是因为
喷油时刻提前，较高的温度及压力使得喷射的柴油较早开始燃烧，更多的燃料在压缩过程中燃烧使得C A 50
提前，缸内温度增加,N O x 排放增加㊂由图5还可以看出喷油压力增加,N O x 的排放增加㊂这主要是因为较高的喷油压力会增加预混燃烧的比例，缸温较高，促进了N O x 的生成㊂
天然气-柴油双燃料发动机中,C H 4的排放高有以下几个原因：天然气/空气的混合气燃烧速度较慢；混
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图5 不同喷油正时下N O x 排放
合气较稀而不能彻底燃烧；燃气进入温度较低的狭隙区域；火焰碰壁出现淬熄现象；试验过程中会出现气门重叠，燃气出现 逃逸 现象等㊂C O 的排放主要与缸内燃气的不完全燃烧有关㊂因此,C O 是燃烧过
程中的中间产物，主要形成于缺氧或者低温区域㊂图6示出了天然气/柴油双燃料发动机在不同喷油正时及喷油压力下的C O 及C H 4排放曲线图㊂由图6可知,C O 和
C H 4具有相同的排放规律㊂当喷油时刻提前时,C A 50
提前且接近上止点(图3(a ))，缸内温度压力较高，促进了燃烧产物的氧化,C O 及C H 4排放随之降低㊂由图6还可以看出，喷油压力增加,C O 及C H 4排放降低㊂这主要也是因为较高的喷油压力促进了柴油的雾化㊁蒸发，缸内燃烧更充分㊂
图6 不同喷油正时下C H 4和C O 的排放
此外，由图5及图6可知,N O x -C H 4和N O x
江淮汽车-C O 出现明显的 此消彼长 关系㊂N O x 排放降低的同时会伴随着C O 及C H 4排放的升高㊂因此，综合考虑热效率及排放的情况下，当喷油正时为-20ʎC A A T D C ，喷油压力为120M P a 时,
可以实现较高的热效率(约为39%)以及较低的C H 4及C O 的排放(各自为1869ˑ10-6,373ˑ10-6
)㊂3 结论
本文研究了喷油正时及压力对天然气/柴油双燃料发动机燃烧和排放的影响，结论如下:
(1
)当柴油喷油正时提前，缸内压力㊁放热率㊁最大压力升高率以及N O x 排放增加,C H 4及C O 排放降低，指示热效率先升高后降低，热值折合油耗先降低后升高㊂
(2)当喷油压力增加时，缸压及放热率峰值增加,N O x 排放增加,
C H 4及C O 排放降低㊂(3)N O x -C H 4和N O x -C O 会出现明显的 此消彼长 关系㊂因此，综合考虑双燃料发动机的燃烧与排放特性，在喷油正时为-20ʎC A A T
D C ，喷油压力为120
M P a 时，可以实现较高的热效率(39%)以及较低的C H 4及C O 的排放㊂
参 考 文 献
[1]L O U N I C I M S ,L O U B A R K ,T A R A B E T L ,e ta l .T o w a r d s i m -p r o v e m e n t o f n a t u r a l g a s -d i e s e l d u a l f u e lm o d e :a ne x p
e r i m e n t a l i n -v e s t i g a t i o no n p e r
f o r m a n c ea n d e x h a u s te m i s s i o n s [J ].E n e r
g y ,2014,64:200-211.
[2]X U M ,C H E N G W ,Z H A N G H ,e t a l .E f f e c t o f d i e s e l p r e -i n j e c t i o n t i m i n g o n c o m b u s t i o n a n d e m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o m p r e s s i o n i g -n i t e dn a t u r a l g a se n g i n e [J ].E n e r g y C o n v e r s i o na n d M a n a g
e m e n t ,2016,117:86-94.
[3]Y O U S E F IA ,B I R O U K M.I n v e s t i g a t i o no f n a t u r a l g a s e n e r g y
f r a c -t i o na n d i n j e c t i o n t i m i n
g o n t
h e p e r f o r m a n c e a n d e m
i s s i o n s o f a d u a l -f u e l e n g i n ew i t h p r e -c o m b u s t i o n c h a m b e r u n d e r l o we n g
i n e l o a d [J ].A p p l i e dE n e r g y
,2017,189:492-505.[4]Z HA N GQ ,L IM ,S HA OS .C o m b u s t i o n p r o c e s s a n d e m i s s i o n s o f a h e a v y -d u t y e n g i n e f u e l e dw i t hd i r e c t l y i n j
e c t e dn a t u r a l g a sa n d p i l o t d i e s e l [J ].A p p l i e dE n e r g y
,2015,157:217-228.[5]E G U 'S Q U I Z A J C ,B R A G A S L ,B R A G A C VM.P e r f o r m a n c ea n d
g
a s e o u se m i s s i o n sc h a r a c t e r i s t i c so fan a t u r a l g a s /d i e s e ld u a lf u e l t u r
b o
c h a r g e
d a n da f t
e r c o o l e de n g i n e [J ].JB r a zS o c M e c hS c iE n g 2009,31(2):142-50.
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