预喷参数对柴油引燃天然气双燃料发动机性能影响的试验研究

潘玉萍，张波，朱赞，蔡西忠，王耀东

（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；2.广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005；3.江苏国信靖江发电有限公司，江苏泰州214500）

检测与测试

预喷参数对柴油引燃天然气双燃料发动机性能影响的试验研究

潘玉萍1，张波2，朱赞2，蔡西忠3，王耀东1

（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；2.广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林537005；3.江苏国信靖江发电有限公司，江苏泰州214500）

在一台由柴油机加装天然气供给系统改装而成的双燃料发动机上进行试验，分别探讨了预喷正时和预喷油量对柴油引燃天然气双燃料发动机燃烧和排放性能的影响。结果表明：随着预喷提前角的增大，热值折合油耗先减小后增大，最大压力升高率呈现下降-上升的趋势，爆压减小。同一预喷时刻，预喷油量增大，最大压力升高率和爆压增大，热值折合油耗先减小后增大。随着预喷提前角的增大，NOx、HC、CO和CH4比排放均减小。同一预喷时刻，随着预喷油量的增加，NOx比排放增大，HC、CO和CH4比排放减小。碳烟排放随预喷提前角的增大而略微下降，随预喷油量的增大而增大。

引燃柴油；双燃料发动机；预喷正时；预喷油量；试验

在日趋严峻的能源供需问题及更为严格的排放法规驱动下，柴油引燃天然气双燃料发动机以其较好的经济性、较低的碳烟排放和与柴油机相当的动力性，成为目前天然气发动机研究和开发的重点[1-2]。为提高经济性，应减少引燃柴油的喷射，但由于柴油/天然气双燃料的特性，较大天然气替代比例会带来较高的未燃碳氢化合物UHC（大部分为CH4）排放[3]，CH4是比CO2威力更强劲的温室气体，满足严苛的排放法规存在一定的挑战。

国内外研究学者对柴油/天然气双燃料发动机进行了研究，得出了降低油耗、改善排放性和保持动力性的结论。Cameretti等[4]采用试验和CFD模拟的方式研究了柴油/天然气双燃料发动机的相关性能，得出柴油引燃能提高燃烧效率，但随着喷油时刻的提前，燃烧速率增大，缸内压力的大幅增大使NOx排放增加。Yousefi等[5]研究了低负荷下带有预燃烧室的柴油/天然气双燃料发动机在天然气替代率和喷油正时影响下的燃烧和排放特性。结果表明：与传统柴油机相比，双燃料发动机大大降低了NOx排放，其中天然气替代率为60%时NOx排放最低；采用预燃烧室可减少46%的甲烷排放。Zhang等[6]研究了LNG/柴油双燃料发动机随天然气替代率的变化在燃烧和排放方面的影响，结果显示随着天然气替代率的增加，有效燃油消耗率在低负荷工况下升高，在高负荷及全负荷工况下降低，HC排放明显上升，CO增加，NOx排放基本不变，烟度大幅降低。由此得出，双燃料发动机需要进一步优化以获得动力、排放和效率上的最优折中方案。

为降低UHC排放，应减少缸内混合气局部过浓区域，可以采用早喷的喷油策略，使柴油和天然气/空气混合充分，减少燃烧局部过浓区域，但是同时会使滞燃期延长，最大压力升高率及爆压增加，运行粗暴[7]，可以通过在主喷射前进行预喷射来改善[8]。采用两次喷射时，预喷正时和预喷油量对缸内放热有着至关重要的影响，本文在一台加装天然气供气系统的柴油机上，采用“预喷+主喷”两次喷射的喷油策略，在不同预喷油量下探究柴油引燃天然气双燃料发动机燃烧和排放性能。

1 试验装置及试验方法

试验采用六缸增压中冷柴油机，在原机上加装天然气供给系统，在燃油供给不变的情况下设计天然气管路，并对ECU进行匹配设计，使得天然气进气能够准确控制。发动机主要性能参数如表1所示。

表1 柴油机主要参数

双燃料发动机首先以纯柴油的模式启动，此时总开关阀处于断开状态，天然气中断，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。引燃柴油由原机ECU进行控制，天然气进气量由天然气供给系统进行控制。试验装置及测量仪器图详见文献[9].

为了更好比较双燃料发动机的燃油消耗率，本文引入折合油耗的概念。通过能量转化折合成纯柴油时的消耗量，得出对比，换算过程如下：

折合每小时耗油量mdual：

mair是空气质量流量，ldiesel和lCNG分别是柴油和天然气的化学计量空燃比。

试验时，在转速为1 220 r/min、扭矩为810 N·m（相当于48%的负荷）、主喷油量为7.2 mg/cyc，主喷角为6°CA BTDC、预喷柴油量分别为5 mg/cyc、10 mg/cyc和15 mg/cyc的条件下进行不同喷油提前角（3~70°CA BTDC）对双燃料发动机燃烧和排放的影响的分析研究。

式中，mdual、mdiesel、mCNG分别为双燃料、柴油和天然气的质量流量；HuCNG和Hudiesel分别为天然气和柴油的低热值，HuCNG/Hudiesel=1.15.

此外，过量空气系数λ定义如下：

热值折合油耗bdual：

2 实验结果与讨论

2.1 预喷油量和预喷提前角对双燃料发动机燃烧特性的影响

图1为预喷油量和预喷提前角对双燃料发动机热值折合油耗的影响。可以看出，随着预喷提前角的增大，热值折合油耗呈现先减小后增大的趋势。这是因为预喷定时的提前，使柴油与天然气/空气混合气有更长的时间混合，混合质量提高，缸内燃烧局部过浓区域减少，燃烧放热重心靠近上止点位置，缸内燃烧较好，缸内压力及放热率升高，燃烧效率增加，热值折合油耗下降。但是预喷提前角继续增大时，在压缩过程中的放热比重增大，压缩负功的增加使热值折合油耗上升。随着预喷油量的增加，热值折合油耗呈现先减小后增大的趋势。预喷油量较小时，喷雾贯穿距较小，燃油雾化和蒸发效果较差，点火能量减少，燃烧不充分，热值折合油耗较高。当预喷油量增大时，燃油的雾化和蒸发得到改善，燃烧速率上升，引燃柴油的燃烧直接影响着天然气的燃烧，缸内压力和放热率升高，热值折合油耗下降。但是较大的预喷油量使主喷油量过少，点火能量较小，着火强度降低，混合气扩散燃烧速度变慢，缸压和放热率降低，热值折合油耗升高。

图1 不同预喷时刻在不同预喷油量下的热值折合油耗

图2 、图3为预喷油量和预喷提前角对双燃料发动机最大压力升高率和爆压的影响。可以看出，随着预喷提前角的增大，最大压力升高率呈现下降-上升的趋势。双燃料模式下的燃烧分为预喷柴油形成的浓预混合气燃烧，主喷柴油的扩散燃烧和天然气/空气形成的稀预混合气燃烧[10]。预喷提前角的大小能够控制缸内混合气浓度分层，当预喷提前角较小时，预喷射区域与主喷区域趋于一致，缸内形成浓柴油、天然气/空气混合区和边缘稀天然气/空气混合区，分层区域明显，放热较小，最大压力升高率下降。而预喷提前角较大时，浓预混合气向边缘扩散，分层区域不明显，局部过浓区域减少，放热增加，最大压力升高率上升。

图2 不同预喷时刻在不同预喷油量下的最大压力升高率

图3 不同预喷时刻在不同预喷油量下的爆压

随着预喷油量增大，最大压力升高率和爆压也随之增大。这是因为增大预喷油量，燃油的雾化和蒸发得到改善，燃烧速率上升，同时主喷油量相应减小，预喷柴油的燃烧使缸内压力和温度增加，滞燃期缩短，燃烧相位提前，最大压力升高率和爆压增大。2.2预喷油量和预喷提前角对双燃料发动机排放特性的影响

图4为预喷油量和预喷提前角对双燃料发动机NOx比排放的影响，可以看出，NOx比排放随预喷提前角的增大而减小，随预喷油量的增大而增大。这是因为当预喷提前角增大时，有充分的时间使缸内形成更加均匀的混合气，且燃烧相位后移、缸内放热速率降低，缸内温度降低使NOx比排放减小。而增大预喷油量有利于柴油的雾化和蒸发，减少局部过浓区域，并使燃烧放热速率增加，缸内温度升高导致NOx排放随预喷油量的增加呈现出增大趋势。

图4 不同预喷时刻在不同预喷油量下的NOx比排放

图5 、图6和图7为预喷油量和预喷提前角对双燃料发动机HC、CO和CH4比排放的影响。可以看出，HC、CO和CH4比排放趋势一致。随着预喷提前角的增大，HC、CO和CH4比排放均减少，且预喷油量越大，HC、CO和CH4比排放越小。这是因为预喷提前角增大时，混合时间增加，缸内混合气更均匀，不完全燃烧减少，HC、CO和CH4排放减少。预喷油量较小时，缸内形成的预混合气相对稀薄，燃烧火焰容易焠熄和失火，氧化作用减弱，导致HC、CO和CH4比排放略高。随着预喷油量增大，形成的预混合气增多，主喷油量减少，缸内预混合燃烧温度较高，使主喷射时燃油燃烧初始压力和温度较高，有利于氧化，HC和CO和CH4比排放减少。

图5 不同预喷时刻在不同预喷油量下的HC比排放

图6 不同预喷时刻在不同预喷油量下的CO比排放

图7 不同预喷时刻在不同预喷油量下的CH4比排放

图8 为预喷油量和预喷提前角对双燃料发动机碳烟排放的影响，可以看出，碳烟随预喷提前角的增大而略微下降，随预喷油量的增大而增大。这是因为碳烟是燃料在高温缺氧的条件下经过裂解脱氢后的产物，当预喷提前角增大时，缸内过浓区域减少，放热增加，碳烟减小。当预喷油量增大时，由于形成的预混合气增多，缸内预混合燃烧温度升高，致使主喷燃烧在较高的初始压力和温度下进行，碳烟排放增加。

图8 不同预喷时刻在不同预喷油量下的碳烟排放

3 结束语

综上分析得出以下结论：

（1）随着预喷提前角的增大，热值折合油耗先减小后增大，最大压力升高率呈下降-上升的趋势，爆压减小。同一预喷时刻，预喷油量增大，最大压力升高率和爆压增大，热值折合油耗先减小后增大。

（2）随着预喷提前角的增大，NOx、HC、CO和CH4比排放均减小。同一预喷时刻，随着预喷油量的增加，NOx比排放增大，HC、CO和CH4比排放减小。故采用适当大小的预喷油量和预喷提前角，可同时降低NOx、HC、CO和CH4的排放。

（3）随着预喷提前角的增大，碳烟略微下降，当预喷油量增大时碳烟升高。

[1]Sellier F.Numerical and Experimental Analysis of Combus tion and Exhaust Emissions in a Dual-Fuel Diesel/Natural Gas Engine[J].Energy&Fuels，2008，22（3）:193-197.

[2]Park S H，Yoon S H.Effect of dual-fuel combustion strate gies on combustion and emission characteristics in reactivity controlled compression ignition（RCCI）engine[J].Fuel，2016（181）:310-318.

[3]Liu J，Yang F，Wang H，et al.Effects of pilot fuel quantity on the emissions characteristics of a CNG/diesel dual fuel en gine with optimized pilot injection timing[J].Applied Energy， 2013，110（1）:201-206.

[4]Cameretti M C，Tuccillo R，Simio L D，et al.A numerical and experimental study of dual fuel diesel engine for different injection timings[J].Applied Thermal Engineering，2016，（101）:630-638.

[5]Amin Yousefi，Madjid Birouk.Investigation of natural gas en ergy fraction and injection timing on the performance and e missions of a dual-fuel engine with pre-combustion chamber under low engine load[J].Applied Energy，2017（03）:492–505. [6]Zhang C H，Song J T.Experimental study of co-combustion ratio on fuel consumption and emissions of NG–diesel dualfuel heavy-duty engine equipped with a common rail injection system[J].Journal of the Energy Institute，2015，89（4）:578-585. [7]史强，翟海鹏.柴油引燃天然气发动机的性能研究[J].交通节能与环保，2014（2）:28-31.

[8]Tanaka T，Ando A，Ishizaka K.Study on pilot injection of DI diesel engine using common-rail injection system[J].Jsae Review，2002，23（3）:297-302.

[9]朱赞，潘玉萍.EGR对柴油-天然气双燃料发动机稀燃的影响[J].车用发动机，2017（1）:49-51.

[10]李永志.柴油/天然气双燃料发动机柴油喷油控制策略试验研究[D].天津：天津大学，2014.

Experimental Study of Pilot Injection Parameters on Performance Influence of NG-diesel Dual Fuel Engine

PAN Yu-ping1，ZHANG Bo2，ZHU Zan2，CAI Xi-zhong3，WANG Yao-dong1
（1.School of Mechanical Engineering Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China；2.Guangxi Yuchai Machinery Limited by Share Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005，China；3.Jiangsu Guoxin Jingjiang Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou Jiangsu 214500，China）

Tests were conducted in a diesel engine by adding natural gas supply system which is converted into a dual fuel engine，respectively discusses the performance influence with pilot injection timing and pilot injection quantity variable of the dual fuel engine.The results show that with the increase of the advance of pilot injection timing，the calorific value of the fuel consumption decreases first and then increases，and the maximum pressure rise rate shows a trend of decline to rise.At a pilot injection timing，with the pilot injection quantity increasing，the maximum pressure rise rate and detonation pressure increase，and the calorific value of the fuel consumption decreases first and then increases.With the advance of the pilot injection angle，the specific emission of NOx，HC，CO and CH4decreased.At the same time，with the increase of the pilot injection quantity，the NOxspecific emission increases，and the HC，CO and CH4emissions decrease.The smaller pilot injection amount，the lower the smoke and slightly decreased with the advance of the pilot injection angle.Soot emissions decreased slightly with the increase of the advance of pilot injection angle，and increased with the increase of pilot injection quantity.

diesel；dual fuel engine；pilot injection timing；pilot injection quantity；test

TK421

A

1672-545X（2017）06-0219-04

2017-03-17

广西科学研究与技术开发计划（桂科攻1598007-44）；广西自然科学基金资助项目（2014GXNSFGA118005）

潘玉萍（1991-），女，广西玉林人，硕士，主要研究方向为天然气发动机燃烧与排放控制；王耀东（1956-），男，广西南宁人，博士，教授，研究方向：发动机燃烧与排放控制。