喷油参数对双燃料发动机燃烧与排放的影响

唐盛世 李 壮 朱 赞 谢正良 潘明章 黄豪中

(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)

0 前言

随着能源危机的日益严峻及环保意识的提高,促使人们不断寻找新的替代燃料,开发新的技术。天然气/柴油双燃料发动机具有较大的优势。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]。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]。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]。

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。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]。为了探索其规律,对双燃料发动机进行研究。

LOUNICI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。研究结果表明,相比于纯柴油发动机,双燃料发动机产生的NOx、碳烟和有效燃油消耗率减少,未燃碳氢化合物(UHC)和CO排放增加。EGU'SQUIZA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。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NOx和碳烟的排放。而在较低负荷下,CO及HC排放较高。PAPAGIANNAk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(HCCI)发动机燃烧和排放影响的研究工作。研究结果表明,增加天然气的比例会使CO的排放及最大缸内压力增加,NO及碳烟排放降低。

综上所述,在双燃料发动机上,存在CO和UHC排放较高的问题。为了研究喷油正时及压力对CO和UHC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。

1 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。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(ECU)进行匹配设计,使得天然气进气能够准确控制。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。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。引燃天然气由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1。

表1 实验发动机技术参数

表2 燃料性能

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。通过能量转化折合成纯柴油时的消耗量,折合耗油量为

式中,mdual为双燃料的质量流量;H ucng为天然气的低热值;H udiesel为柴油的低热值为1.15;m为天然cng气的质量流量。

热值折合油耗为

式中,mdual为双燃料的质量流量;bdual热值折合油耗,Pe为发动机有效功率。

试验时,发动机转速固定为1 220 r/min,扭矩为1 215 N·m(约71%负荷),柴油引燃量为2.1 kg/h,天然气23 kg/h,无EGR。通过改变喷油正时(-5～-25°CA ATDC)和喷油压力(80 MPa、100 MPa、120 MPa)来研究喷油参数对双燃料发动机燃烧和排放的影响。

2 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 不同喷油正时及压力下缸压和放热率

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。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。这是因为随着喷油正时的提前,柴油燃烧起始点提前,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。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。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。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。这是因为双燃料发动机缸内存在2个阶段燃烧。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。

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、热值折合油耗和CA50(燃烧重心)的对比图。由图3(a)可知,喷油正时提前或者喷油压力增加都会导致CA50提前。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,CA50提前。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。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。这是因为CA50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。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。

图3 不同喷油正时及压力下燃烧重心、指示热效率和热值折合油耗

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。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。随着喷油正时的提前,最大压力升高率增大。这主要是因为喷油正时提前,缸内温度、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。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。这主要也是因为喷油压力增加,促进了柴油的雾化、蒸发,提高了燃烧速率,最大压力升高率增加。另外,当喷油压力从100 MPa升高到120 MPa时,最大压力升高率不再有明显的变化。

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NOx排放曲线图。由图5可知,NOx的排放随着喷油正时的提前而增加。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CA50提前,缸内温度增加,NOx排放增加。由图5还可以看出喷油压力增加,NOx的排放增加。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NOx的生成。

图5 不同喷油正时下NO x排放

天然气-柴油双燃料发动机中,CH4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。CO的排放主要与缸内燃气的不完全燃烧有关。因此,CO是燃烧过程中的中间产物,主要形成于缺氧或者低温区域。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CO及CH4排放曲线图。由图6可知,CO和CH4具有相同的排放规律。当喷油时刻提前时,CA50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,CO及CH4排放随之降低。由图6还可以看出,喷油压力增加,CO及CH4排放降低。这主要也是因为较高的喷油压力促进了柴油的雾化、蒸发,缸内燃烧更充分。

图6 不同喷油正时下CH 4和CO的排放

此外,由图5及图6可知,NOx-CH4和NOx-CO出现明显的“此消彼长”关系。NOx排放降低的同时会伴随着CO及CH4排放的升高。因此,综合考虑热效率及排放的情况下,当喷油正时为-20°CA ATDC,喷油压力为120 MPa时,可以实现较高的热效率(约为39%)以及较低的CH4及CO的排放(各自为1 869×10-6,373×10-6)。

3 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、放热率、最大压力升高率以及NOx排放增加,CH4及CO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。

(2)当喷油压力增加时,缸压及放热率峰值增加,NOx排放增加,CH4及CO排放降低。

(3)NOx-CH4和NOx-CO会出现明显的“此消彼长”关系。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-20°CA ATDC,喷油压力为120 MPa时,可以实现较高的热效率(39%)以及较低的CH4及CO的排放。