CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性研究

王曉輝 秦克印 郝寶玉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性研究

王曉輝 秦克印 郝寶玉

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

基于某高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)行CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性研究。在不同工況下通過改變引燃柴油的噴射參數(shù)及空燃比改變?nèi)紵匦裕瑢?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)比分析雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)的燃燒差異及引燃油量、引燃時(shí)刻和空燃比對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響。基于試驗(yàn)得出雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的放熱率、起燃時(shí)刻及燃燒持續(xù)期等特征，從而給出雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升建議。

1 試驗(yàn)樣機(jī)

以一汽CA6DL2-35E4R發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，增加節(jié)氣門、天然氣減壓部件、氣軌、天然氣噴嘴及燃?xì)怆娍叵到y(tǒng)。燃料供給系統(tǒng)采用電裝高壓共軌系統(tǒng)及一汽天然氣供給系統(tǒng)(進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射)；控制系統(tǒng)采用雙ECU協(xié)同控制:單柴油模式工作時(shí)由柴油機(jī)ECU控制工作，雙燃料工作時(shí)由柴油機(jī)ECU控制噴油、天然氣ECU控制噴氣協(xié)調(diào)工作。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取發(fā)動(dòng)機(jī)歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（ESC循環(huán)）中A25、A75、C25、C75 4個(gè)工況點(diǎn)，覆蓋排放區(qū)內(nèi)高低轉(zhuǎn)速及高低負(fù)荷，以表征雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性。在無進(jìn)氣控制和有進(jìn)氣控制兩種燃料調(diào)節(jié)模式下分別研究引燃油量（替代率）、引燃時(shí)刻（柴油噴射時(shí)刻SOI）及空燃比λ對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響特點(diǎn)。

天然氣質(zhì)量替代率φm為發(fā)動(dòng)機(jī)工作在相同工況且改用雙燃料工作方式后，被天然氣所替代的柴油量與原純柴油工作方式的總柴油量之比，其表示天然氣替代柴油量的多少，替代率越大，燃料經(jīng)濟(jì)性越好。其計(jì)算公式為:

式中，ma為柴油單燃料工作時(shí)柴油量；mb為雙燃料工作時(shí)柴油量。

天然氣能量替代效率φe為發(fā)動(dòng)機(jī)工作在相同工況時(shí)，改用雙燃料工作方式后,被替代柴油的理論能量與所消耗天然氣的理論能量之比，其表示天然氣燃燒有效熱效率與柴油燃燒有效熱效率之比，替代率越大，天然氣燃燒完善程度越高。計(jì)算公式為:

式中，Hd為柴油低熱值；mg為雙燃料工作時(shí)燃?xì)饬浚籋g為天然氣低熱值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同替代率下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性

圖1所示為噴油提前角為0°時(shí)各工況放熱率隨替代率的變化情況。可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于小負(fù)荷時(shí)，隨著替代率增大，放熱率峰值變小，滯燃期變長(zhǎng)，燃燒持續(xù)期加長(zhǎng)，燃燒重心后移；放熱率峰值均小于原柴油機(jī)，其原因是此時(shí)λ較大，天然氣燃燒速度較低。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于較大負(fù)荷時(shí)，隨著替代率增大，放熱率峰值變大，滯燃期及燃燒持續(xù)期縮短，燃燒重心提前；高轉(zhuǎn)速時(shí)，缸內(nèi)燃燒放熱率峰值較高，且放熱率與柴油機(jī)放熱率相當(dāng)，沒有明顯的預(yù)混燃燒及擴(kuò)散燃燒階段，放熱較為集中，放熱率峰值均要大于原柴油機(jī)。

圖2所示為能量替代效率隨著替代率的變化情況。可知，大負(fù)荷時(shí)的替代效率及有效熱效率要高于小負(fù)荷，且隨替代率變化不明顯；而小負(fù)荷時(shí)，替代效率隨著替代率增大而降低。因此，從發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性、排放限值及經(jīng)濟(jì)性考慮，在較小負(fù)荷時(shí)應(yīng)采用小的替代率以保證燃料熱效率，在較大負(fù)荷時(shí)應(yīng)該盡可能提高替代率。

3.2 不同SOI下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性

圖3所示為各工況下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒放熱率隨SOI的變化情況。可知，隨著SOI的提前，燃燒始點(diǎn)和燃燒中心前移，放熱主要集中在上止點(diǎn)附近，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率有所增大，但滯燃期短，形成的引燃點(diǎn)少，整體燃燒速度慢，燃燒持續(xù)期反而較長(zhǎng)；隨著SOI的推遲，放熱主要集中在活塞下行階段，缸內(nèi)體積增大，散熱損失增大，導(dǎo)致熱效率降低。

圖4所示為各工況不同替代率時(shí)天然氣替代效率隨SOI的變化情況。由圖4可以看出，隨著SOI的提前，替代效率升高，即缸內(nèi)燃燒熱效率提高，這是因?yàn)镾OI提前，放熱中心更接近上止點(diǎn)，工質(zhì)做功能力更強(qiáng)。當(dāng)SOI后推，隨著替代率的增大，缸內(nèi)燃燒滯燃期增加，形成的引燃點(diǎn)增多，因此有助于缸內(nèi)混合氣的快速燃燒，縮短燃燒持續(xù)期，替代效率增大。圖4中替代效率大于1時(shí)，表征此時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率比原發(fā)動(dòng)機(jī)要高。因此，考慮天然氣替代率和SOI對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響，SOI對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性及熱效率的影響更大一些。

3.3 不同λ下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性

圖5所示為各工況下放熱率隨λ變化情況。由圖5可以看出，小負(fù)荷工況時(shí)，隨著λ變大，放熱規(guī)律逐漸呈現(xiàn)出雙峰規(guī)律，即會(huì)出現(xiàn)預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒峰值，說明混合氣越稀，燃燒火焰的傳播速度較慢，燃燒持續(xù)期更長(zhǎng)，放熱率峰值降低，從而使有效熱效率降低。因此，在低負(fù)荷時(shí)應(yīng)在滿足排放限值下盡量采取較小的λ，以有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能。且從圖5中還可以看出，小負(fù)荷、大替代率時(shí)的總體熱效率要低于小替代率時(shí)。隨著λ變小，滯燃期變長(zhǎng)，其原因是λ變小使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)充量減少，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮沖程最大壓力變小，推遲了引燃柴油的自燃時(shí)刻。滯燃期變長(zhǎng)，產(chǎn)生的引燃點(diǎn)增多，混合氣燃燒速度加快，放熱率峰值變大，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率升高。

圖6所示為替代效率隨λ的變化情況。從圖6中可以看出,存在最優(yōu)的λ區(qū)間，即1.5左右，此時(shí)替代效率最大。

4 結(jié)束語

a.替代率、SOI、λ等供給系統(tǒng)參數(shù)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性影響顯著，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性。

b.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)，由于天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俾瘦^低，導(dǎo)致燃燒速率比柴油機(jī)低，燃燒放熱率降低，燃燒持續(xù)期長(zhǎng)，最高爆發(fā)壓力降低，壓力升高率降低，燃燒噪聲下降；而在較大負(fù)荷時(shí)，燃燒放熱率與柴油機(jī)相當(dāng)，峰值放熱率則高于柴油機(jī)。

c.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)，為保證燃料高效利用及滿足排放限值，應(yīng)適當(dāng)降低替代率；而在較大負(fù)荷時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率較大，在保證排放限值前提下盡量提高替代率以保證經(jīng)濟(jì)性。

d.隨著SOI的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒更加充分，熱效率更高，高負(fù)荷爆震可能性增加。

e.λ對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性影響顯著，控制系統(tǒng)中應(yīng)加以控制，試驗(yàn)得出雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)λ最優(yōu)范圍區(qū)在1.5左右。

Research on Combustion Characteristicsof Diesel/CNG Dual Fuel Engine

Wang Xiaohui1,Qin Keyin1,Hao Baoyu1
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

The combustion characteristics of a diesel/CNG dual fuel engine based on CR diesel engine is studied in this paper.At different working conditions,diesel injection parameter and A/F ratio are altered to change combustion characteristic and measure the combustion pressure in real-time,the difference in combustion characteristic of the dual fuel engine and the diesel engine aswell as the influence of the pilot fuel quantity and A/F ratio on the engine combustion are compared and analyzed.Based on the test results,the heat release rate,the start time of the combustion and the duration of combustion are obtained,themethods to improve the performance of the dual fuel engine are suggested.

Diesel/CNG dual fuel engine,Combustion characteristic,Pilot fuel quantity, Pilot fuel supply tim ing

CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性引燃油量引燃時(shí)刻

U464.172

A

1000-3703（2014）09-0013-05