燃油喷射压力对双燃料柴油机性能的影响



燃油喷射压力对双燃料柴油机性能的影响

将气体燃料作为内燃机燃料由来已久。许多大型不能移动发动机均采用两种类型的燃料，这样的发动机因而被称为双燃料发动机。双燃料发动机可以被视为一个有特殊供给装置的传统柴油机。早在19世纪30年代双燃料发动机就已经应用于工业中，其主要优势在于燃料的灵活性、气体燃料的经济性以及仅提供柴油时的仍可用性。由于气体燃料具有较高的自燃温度，因而为保证其燃烧效率需要提供较高的压缩比。正是由于这个原因，多将柴油机作为双燃料发动机。此外，还由于柴油机可使用的燃料种类较多，从柴油机状态切换至双燃料柴油机状态相当简单，甚至在一些特殊情况下可以瞬间转换完成。当需要较高车速时，控制单元可通过负荷与性能需要控制双燃料发动机中天然气与柴油的比例，满足汽车的需要，并且其排放的NOx及颗粒较少。

为了满足发动机高性能和燃油经济性的需要，对发动机设计时需要考虑多种因素，如燃烧室形状、进气口位置、燃油喷射压力、喷嘴几何形状，喷雾形状等。喷雾形成的质量很大程度上决定了柴油机的性能与排放。而燃油喷射压力又影响着燃油的雾化，其间接影响着柴油机的性能与排放。当发动机燃油喷射压力增大时，喷射出的油气颗粒直径较小，导致油雾迅速蒸发，并且由于油气颗粒直径较小，其惯性也较小，因此导致其不能深入燃烧室，同时由于其在较短的时间内产生大量的热，使得气缸表面的空气不能有效利用，有效功率和扭矩将会降低。当燃油喷射压力减小时，喷射出的油气颗粒直径较大，这将导致柴油喷雾的蒸发需要较多时间，点火时间会推迟，产生热量损失，转换成有用功的效率也会下降，并且由于燃油颗粒的增大，将会使得燃油燃烧不完全。

许多试验表明，在柴油机中，棕榈油甲酯可以替代20%的柴油，并对功率输出没有任何影响。在减少排放方面，气体燃料具有显著的优势，沼气、煤气、氢气、液化石油气和压缩天然气均可以作为燃料在内燃机中使用。相关试验表明，由于液化石油气的化学结构最为简单、含碳量较低，因而在减少废气排放方面其最为显著。因而，试验将使用棕榈油甲酯以及液化石油气这两种燃料。

试验在具有双燃料模式试验台上进行，采用单缸4冲程水冷式柴油机。试验时，主要将棕榈油甲酯代替双燃料柴油机中的柴油，以液化石油气作为主要燃料。棕榈油甲酯的喷射压力从19MPa开始，之后升至21MPa、23MPa。记录整个过程，并对排放的废气进行相关分析。

试验结果表明，棕榈油甲酯及液化石油气可以很好地在双燃料柴油机中燃烧。在一定负荷下，双燃料柴油机与柴油机相比，其功率稍低，产生的NOx以及烟雾颗粒较少，但CO及未完全燃烧HC较高。喷射压力对双燃料柴油机性能的影响主要表现在以下几方面。

（1）全负荷时，喷射压力为23MPa、液化石油气以2L/min的速度混合时，双燃料柴油机的有效热效率最高。

（2）全负荷时，喷射压力为23MPa、液化石油气以2L/min的速度混合时，双燃料柴油机的HC排放量最低。

（3）全负荷时，喷射压力为23MPa、液化石油气以2L/min的速度混合时，双燃料柴油机的CO排放量最低。

（4）全负荷时，喷射压力为23MPa、液化石油气以2L/min的速度混合时，双燃料柴油机的NOx排放量最低。

（5）全负荷时，喷射压力为23MPa、液化石油气以2L/min的速度混合时，双燃料柴油机的烟度最低。

最后得出以下结论：为减少排放和提高柴油机的有效热效率，最好在保持喷射压力为21MPa时运行柴油机，喷射压力为23MPa时运行双燃料柴油机。

Hariprasad T. SAE 2013-01-2887.

编译：王祥.