掺烧比对电控共轨柴油引燃LNG发动机影响的试验研究

林少芳

(福州职业技术学院 技术工程系，福州 35000)



掺烧比对电控共轨柴油引燃LNG发动机影响的试验研究

林少芳

(福州职业技术学院 技术工程系，福州 35000)

摘要：双燃料发动机排放在很大程度上由掺烧比决定，作者分别对发动机燃用纯柴油和柴油/LNG双燃料进行台架试验，测试不同的掺烧比对电控共轨柴油引燃LNG发动机的影响，研究结果发现：随着掺烧比的增大，油耗有所降低；随着转速的升高，油耗在低负荷下时有所升高，而在中高负荷工况下，油耗率降低；柴油引燃LNG发动机HC与CO排放劣于纯柴油模式，且HC随着掺烧比的增大而增大、CO则反之。

关键词：柴油引燃LNG；发动机；掺烧

目前，对双燃料发动机的研究已经从普通的机械式燃料供给装置发展为电控系统；从单点喷射发展到多点喷射；以及闭环控制的缸内直喷等技术，使天然气发动机具有越来越优秀的动力性、经济性与排放性[1]。双燃料发动机的最大掺烧比与发动机的转速、负荷密切相关,同时掺烧比对排烟和HC、CO、NOX的排放量也有一定的影响[2]。通过前期的试验，发现在LNG/柴油发动机中应用掺烧，与柴油掺烧相比，对发动机的动力性影响较小。为了进一步研究掺烧比对LNG/柴油双燃料发动机油耗、排放等性能的影响，本试验一共设置了12个工况点分别进行纯柴油和双燃料模式测试，寻找各种工况下的最佳掺烧比。

1电控共轨柴油引燃LNG发动机掺烧方案

双燃料系统中的天然气是主要的燃料，天然气的喷射量、引燃柴油量是燃料供给系统中两个最重要的控制参数。NG/柴油双燃料发动机中，天然气/柴油的掺烧形式可以分为两种：一种是部分负荷燃烧，即天然气在发动机处于中小负荷时，不参与燃烧；另一种是天然气在发动机所有工况中均参与燃烧做功。LNG/柴油双燃料发动机选取电控共轨柴油机作为研究对象，此处选择第一种燃烧方式，即随发动机转速、负荷的变化，天然气的供给量也随之变化，并在中、高负荷工况时，作为主要燃料进行燃烧做功[3，4]。

本试验采用的LNG/柴油双燃料发动机仍继续沿用原柴油机的供油系统，加装独立的LNG供气系统。进气方式选择进气口喷射的形式，LNG经过汽化器汽化后经调压器进入喷漆轨，喷气轨根据发动机的工况在预定的配气相位向进气口喷气。

2试验装置和方法

2.1试验装置

发动机性能测试的最主要方法是台架试验，本试验采用的台架主要分为两个部分，发动机测试台架和控制部分，台架主要包括有冷却液温度控制系统、电力测功机及相应控制系统、燃料供给系统等。控制系统由控制器和显示器组成。发动机测试台架安装在配备空调恒温恒湿系统的实验室中，实验室通过该系统将试验温度控制在25℃左右，湿度控制在50%±10%RH范围内。试验用柴油机由6缸、四冲程、涡轮增压中冷、强制水冷柴油机改造而成，主要技术参数见表1，试验中所用测试设备见表2。

表1　试验用柴油机主要技术参数

表2　设备主要技术参数

2.2试验方法

本试验采取低负荷下采用纯柴油，中高负荷下采取柴油引燃LNG的方案，对LNG的掺烧特性及燃烧特性进行研究。

首先手动操作将燃料模式开关调至纯柴油模式，将油门开到最大，通过操作台架控制系统，逐渐增加发动机负荷，使转速分别稳定于1000rpm、1600rpm、2200rpm下进行测试。然后再通过操作燃料模式开关至柴油/LNG双燃料模式，待发动机工作平稳后，控制测功机增加发动机负载，使发动机在相应目标转速下运转，然后调整燃油供给量和供气量至目标工况，待运行稳定后对相关指标进行测试。为了测试发动机纯柴油模式和双燃料掺烧模式下的油耗，测试还将在部分负荷工况下进行，本试验选择以1600rpm作为目标转速，负荷率分别为25%、50%、75%、100%四个工况点进行测试，测得每一负荷率下的纯燃油消耗量之后，切换到掺烧模式下，利用测功机进行加载，仍然保持发动机转速1600rpm进行双燃料模式试验测试。

3试验结果与分析

3.1最大掺烧比

图3.1　测试工况下最大掺烧比

当发动机处于不同转速时，其各试验工况点的最大掺烧比如图3.1所示。通过对比可以得知：当固定发动机的负荷时，提高发动机转速，最大掺烧比下降趋势明显；当转速不变，随着负荷的增大，掺烧比呈上升趋势，在负荷率为75%左右时达到最大，此时，如果再增加负荷，掺烧比有所回落。

3.2过量空气系数

发动机在不同掺烧比工况1000rpm、1600rpm及2200rpm三个测试转速下，燃用双燃料与纯柴油模式的过量空气系数曲线对比如图3.2所示。通过对比可以得出，固定发动机转速与掺烧比时，提高发动机负荷有利于降低过量空气系数；而在发动机处于相同转速下时，同等负荷工况下，随掺烧比的增大，LNG与柴油的掺混燃料的过量空气系数变化趋势不明显；这是因为提高掺烧比，降低引燃柴油喷射量，而以气态的形式进入气缸的天然气将会占据了比柴油更多体积，使进入燃烧室新鲜空气的量进一步降低，导致过量空气系数一定程度的降低；另一方面，天然气理论空气比为17.4∶1，柴油的理论空燃比为14.3∶1，天然气的低热值hμ等于49.54MJ/kg，柴油的低热值hμ等于42.5MJ/kg，也就意味着在天然气与柴油都完全燃烧的情况下，释放相同的热量，天然气-空气混合气需要略多于柴油-空气理论混合气的量，从而在一定程度上改变了原过量空气系数。小负荷、大掺烧比时，由于小负荷时燃料消耗率的增加，造成双燃料过量空气系数略有增大。

图3.2　不同工况下λ对比曲线

图3.3　最佳喷油正时

3.3喷油正时

发动机在不同掺烧比工况时，在三个测试转速下，四个负荷下的最佳喷油正时曲线对比如图3.3所示。通过对比可得，提高掺烧比时，负荷率为25%的最佳喷油正时曲线在低掺烧比时走向较为平稳，当掺烧比大于50%后出现不同增长趋势，在1000rpm工况下，最佳喷油正时呈推迟趋势；而当发动机转速为1600rpm时，提高掺烧比将会导致最佳喷油正时增加；在2200rpm时则出现呈先上升后回落趋势。另一方面在1000rpm时，随着负荷率的上升呈现出相同趋势；而在2200rpm时，提高发动机负荷率，发动机的最佳喷油正时与转速为1000rpm时的变化趋势恰恰相反。

3.4燃油经济性分析

当发动机处于不同掺烧比、不同转速、不同负荷时，其经济性曲线对比如图3.4所示。可以得出，负荷率为25%时，在三种转速下掺烧比呈先升后降的变化趋势；在发动机处于负荷率为50%、75%及100%工况时，在相同掺烧比下双燃料模式下的油耗率下降更为明显。当发动机在小负荷工况下工作时，随着掺烧比的增大，油耗率上升的原因在于随着引燃柴油量的减少，为了保证发动机的动力输出，必须相应供应更多的天然气，而气态的天然气势必会比柴油占据更多的燃烧室空间，导致进入燃烧室的新鲜充气量有所降低，使得天然气难以充分燃烧，残余天然气中的未燃燃料增多，导致油耗率上升。当掺烧比达到某一极值点后，继续升高会使发动机油耗率有所下降，这是因为随着天然气比例的上升，以气态进入气缸的天然气更容易与缸内空气形成均匀的混合气，使气缸中混合气浓度可以略微上升，加速火焰传播速度，从而使双燃料模式发动机的油耗率有所降低。

图3.4　油耗率对比曲线

图3.5　涡后排温对比曲线

3.5排气温度分析

不同掺烧比下，发动机在天然气-柴油掺烧模式与纯柴油模式的总排气温度对比曲线如图3.5所示。与纯柴油模式相比，当发动机转速处于1000rpm时，随着掺烧比的增大，排气温度变化不大，仅在50%与75%负荷时，在掺烧比大于90%时排温有少许上升；在发动机转速处于1600rpm和2200rpm转速时，涡轮增压器后排气温度与纯柴油模式时相比，略有降低。这是由于天然气-柴油掺混模式的混合气与纯柴油相比，混合气更加均匀，燃烧速度快，使缸内热量在缸内快速累积，使排气温度更高。

3.6排放性能分析

(1)NOx

发动机在三种转速下不同掺烧比工况时，NOx排放对比情况如图3.6所示。通过对比可以得出，在不同掺烧比下，在1000rpm转速下，与纯柴油模式相比，天然气-柴油掺烧模式的NOx排放在掺烧比低于50%时略高于纯柴油模式，但随着掺烧比的变化不大；掺烧比继续升高则会影响NOx的升高，至掺烧比70%左右时达到极值点，继续升高NOx的排放有所下降；在转速为1600rpm与2200rpm时，随着负荷的升高NOx的排放均呈先升后降趋势。

(2)HC

图3.7为不同掺烧比，发动机在1000rpm、1600rpm、2200rpm三个测试转速下HC排放对比。随着掺烧比升高，发动机燃用双燃料时HC排放大都呈现逐渐升高趋势，而仅在在少数工况下出现在掺烧比为70%左右时HC骤然下降后再升高现象。在天然气-柴油模式下发动机HC排放高于纯柴油模式是由于天然气是在被喷气阀喷入进气歧管与空气预混，在采用可变正时(VVT)发动机中，大都采用气门叠开技术提高充气效率，在气门叠开期间，会有一部分预混混合气随残余废气进入排气管；同时，与柴油的随喷随燃相比形成的局部较浓混合气相比，天然气与空气混合形成的混合气更稀，不易燃烧完全；另外，在压缩冲程中被挤入活塞与气缸、气缸盖与箱体之间的天然气亦无法燃烧。处于气缸壁附近激冷区的HC也是排放中的重要组成部分。在某些工况下，掺烧比为70%左右时，HC排放剧烈不稳定现象是由于此处喷油正时增大所致，随引燃柴油喷射量的增加，由提前喷油时刻而带来利处被很快消除，HC排放亦随之升高。

图3.6　NOx排放对比曲线

图3.7　HC排放对比曲线Figure4.13 HC Emission Curve

(3)CO

不同掺烧比下双燃料与纯柴油模式CO排放变化曲线对比如图3.8所示。在所有试验测试工况点，纯柴油模式的CO的排量均低于双燃料模式，且随着掺烧比的增高，CO排放在双燃料模式下呈现先增加后减少趋势。当发动机处于1000rpm外特性工况时，CO排放恶化严重，而在1600rpm、2200rpm外特性下未见该现象发生。

在发动机中，CO的排放主要是由于引燃柴油和天然气在燃烧过程中未完全氧化生成，生成条件主要受氧气浓度、反应时间及温度影响。在掺烧比较低时，由于燃烧室中的混合气浓度较低，燃烧过程中容易产生失火现象，导致不完全氧化生成的CO的量增加。提高掺烧比，混合气浓度随之增加，燃烧条件得以改善，抑制了CO生成。而在在大负荷工况，由于缸内温度升高导致排温也随之升高，CO的后氧化条件得以改善，因此，在大负荷乃至外特性下CO的排放稍低。

4)CO2

发动机在测试工况下不同掺烧比工况CO2排放的对比如图3.9所示。随着掺烧比的增大，在各个测试转速下发动机的CO2排放均呈现降低趋势；当保持转速不变时，提高发动机负荷，CO2排放也随之增加。这是由于天然气中的C所占的比重较低，一般情况下，在烷烃燃料中，C/H越低，燃烧产物中CO2中占比就越低；在另一方面，随着掺烧比的升高，双燃料发动机中的天然气所占的比重就越来越多，也会导致CO2的排放量降低。另外，保持掺烧比不变时，提升掺烧比也有益于增加CO2排放量。

图3.8　CO排放对比曲线

图3.9　CO2排放对比曲线

4结论

(1)在低速小负荷工况下，双燃料模式经济性比纯柴油略差，提升掺烧比有助于经济性的提高；而提升转速时，油耗率呈现先增后减趋势。

(2)在部分负荷工况下，柴油引燃LNG发动机HC与CO排放劣于纯柴油模式，提高HC与掺烧比成正比例关系、CO则反之；双燃料模式碳烟排放明显优于原机。

参考文献：

[1]杜连功．各国天然气汽车的现状和趋势[J].世界汽车，1997(2):6-8.

[2]邵恩坡，等. 柴油机燃用液化石油气的掺烧比和排放的试验研究[J]．交通标准化，2006(154):183-186.

[3]张延峰，等. 柴油/天然气双燃料发动机技术改装方案分析[J]. 农业机械学报，2004(3):167-171.

[4]汪佳丽．LNG缸内液喷对混合气形成影响的仿真研究[D]．长春：吉林大学，2011.

责任编辑：程艳艳

Experimental Research on Affects of Mixed Burning Ratio on LNG Engine Combusted by Electronic Control Common Rail Diesel

LIN Shaofang

(Department of Technology Engineering, Fuzhou Polytechnic College, Fuzhou 35000, China)

Abstract：The emissions of dual-fuel engine are decided by mixed burning ratio to a big extent. This paper respectively makes bench tests on the engines burning pure diesel and diesel/LNG dual-fuel to test the affects of different mixed burning ratios on LNG engine ignited by common rail diesel with electronic control. The results show that, with the increase of mixed burning ratio, the fuel consumption reduces; with the increase of speed, fuel consumption increases under the low load condition, while the fuel consumption rate reduces in middle or high load condition; HC and CO emissions of LNG engine ignited by diesel are worse than those with pure diesel pattern, and HC will increase but CO decrease with the increase of mixed burning ratio.

Keywords：LNG engine ignited by diesel; engine; mixed burning

收稿日期：2016-03-23

基金项目：2015年福建省中青年教师教育科研项目(JA15803)

作者简介：林少芳(1976-)，女，福建莆田人，讲师，硕士，主要从事汽车新能源和汽车材料方面研究。

中图分类号：U464；TK437

文献标志码：A

文章编号：1009-3907(2016)06-0013-06