進氣道預混天然氣對生物柴油發動機燃燒與排放性能的影響

敬啟建， 羅斌， 何卓遙， 朱磊， 張武高

(上海交通大學動力機械與動力工程教育部重點實驗室, 上海 200240)

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·性能研究·

進氣道預混天然氣對生物柴油發動機燃燒與排放性能的影響

敬啟建， 羅斌， 何卓遙， 朱磊， 張武高

(上海交通大學動力機械與動力工程教育部重點實驗室, 上海 200240)

在1臺QCH 1105單缸柴油機上，試驗研究了進氣道預混天然氣對生物柴油發動機燃燒與排放性能的影響。結果表明：隨著天然氣預混比例的升高，生物柴油發動機最大燃燒壓力減小，燃燒相位推遲，缸內平均溫度略有下降，NOx排放明顯降低；預混天然氣時，大負荷工況下燃油消耗率有所下降，HC和CO排放有所增加，炭煙排放隨著天然氣預混率的升高大幅降低。可見，進氣道預混天然氣對改善生物柴油發動機的經濟性和排放性具有良好的潛力。

生物柴油； 天然氣； 進氣預混合； 燃燒； 排放

傳統壓燃式發動機的擴散燃燒模式在大負荷下難以同時降低炭煙和NOx排放，而在天然氣部分預混壓縮點燃柴油的燃燒模式下，發動機兼具壓燃式和點燃式的優勢。有研究表明[1-4]，與柴油機相比，部分預混天然氣條件下的柴油機具有與原柴油機相同的功率輸出和負載響應性，CO2排放減少，炭煙排放顯著下降，但NOx排放有所增加。

與普通化石柴油燃料相比，生物柴油的十六烷值高，含氧量高，且不含硫和芳香烴。生物柴油能從多種渠道獲得，能從傳統的油料經濟作物(如大豆、油菜)、農林廢棄物、陳化糧、動物油脂以及近海灘涂大面積繁殖的微藻中制取[5]，是一種非常有前景的柴油替代燃料。然而，生物柴油的黏度和表面張力比化石柴油高，對燃油噴射與霧化性能造成了不利影響[6]。

1 試驗臺架與裝置

研究采用單缸、立式、四沖程QCH1105柴油機，并將原機的自然水冷形式改為強制水冷，試驗機的主要技術參數見表1。

發動機試驗臺架示意見圖1，包括試驗發動機、試驗燃料加注系統及試驗測試系統。

表1 QCH1105發動機主要技術參數

測控系統采用的是FC2010；燃料消耗測試系統包括油耗儀、氣體流量計；缸內燃燒分析系統由缸壓測試系統、曲軸轉速測試系統和燃燒分析儀組成；排放測試系統主要包括AVL五氣體分析儀和不透光煙度計。

本試驗所采用的生物柴油為車用普通生物柴油(由地溝油制取)，CNG采用市售的車用壓縮天然氣，主要成分為CH4。天然氣體積流量采用LZB-15和LZB-10轉子流量計測量，天然氣體積流量的換算公式為

(1)

式中：Q1為換算后的天然氣流量；Q2為轉子流量計實際讀數；p2/p1為進入流量計前的天然氣絕對壓力與標準大氣壓力的比；T1/T2為天然氣的絕對溫度與標準狀況下絕對溫度的比；ρ2/ρ1為標準情況下天然氣密度和空氣密度的比。所有測試都在穩態工況下進行。天然氣消耗量轉化為當量生物柴油消耗率的公式為

(2)

式中：be_CNG為天然氣轉換的當量有效燃油消耗率；τ為天然氣標準流量轉換因子；Q2為天然氣體積流量；HL_CNG為標準狀態下天然氣的低熱值；HL_bio為生物柴油的低熱值；P為發動機的輸出功率。

以熱值計量的天然氣預混比rp的計算公式：

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(3)

式中：rp為天然氣預混比；mbio/P為生物柴油當量燃料消耗率;mbio為直噴生物柴油消耗量。

研究在最大扭矩對應的發動機轉速1 600r/min下進行，針對該轉速下75%和25%兩種負荷，研究了天然氣預混比對生物柴油發動機燃燒與排放性能的影響。

2 試驗結果分析

2.1 對發動機燃燒性能的影響

圖2和圖3分別示出25%和75%負荷下，天然氣預混比分別在0%，30%，50%時的缸內壓力、放熱率和缸內燃燒溫度比較。

由圖2a可知，在低負荷下，隨著預混天然氣量的增加，缸內最大燃燒壓力和放熱率峰值減小，燃燒柔和，滯燃期差別很小。由于CH4的化學性質穩定，隨著預混天然氣量的增加，生物柴油的量減少，滯燃期內形成的活化基團的量隨之減少[7]。故天然氣量的增加使得滯燃期內缸內形成的總體活化基團總量減少，引起預混燃燒初始階段的放熱率峰值降低。

在高負荷下，由圖3a可以看出，隨著天然氣量的增加，放熱率峰值先增后減。隨著天然氣量的增加，燃燒相位推遲(即滯燃期增加)，滯燃期形成的生物柴油活化基團的量隨之增加[7]。因此，當天然氣的替代率為0%～30%時，放熱率峰值隨天然氣量的增加而增大。隨著天然氣的量進一步增加，大量的天然氣表現出預混火焰傳播的特點，降低了生物柴油預混合燃燒的比例，引起可燃混合物總體燃燒速度降低。故當天然氣的替代率約為50%時，其放熱率峰值相對降低，且缸內壓力明顯降低。

2.2 對發動機經濟性的影響

圖4和圖5分別示出發動機在不同天然氣預混比rp下的當量燃油消耗率及燃料消耗量。由圖4可看出，低負荷工況、天然氣預混模式下，生物柴油發動機的當量燃油消耗率高于純生物柴油模式，且當量燃油消耗率隨著天然氣預混比的增加而升高。主要是因為在低負荷工況下缸內可燃混合物的當量比小，隨著預混天然氣比例的增加，直噴生物柴油量減少(見圖5)，可燃混合物的燃燒速度降低，燃燒相位向后推遲，從而使得發動機熱效率降低，燃油消耗率增加；高負荷工況下，直噴生物柴油的量很大，預混天然氣的量為20%～40%時對直噴生物柴油自身形成的預混燃燒比例基本沒影響，此時預混天然氣加大了預混燃燒的總燃料量，引起燃燒速度加快，當量油耗率下降；當天然氣預混率rp超過40%后，直噴柴油的量不再增加，綜合燃燒速度反而因為燃燒速度較低的天然氣的量的增多而降低，最終導致燃油消耗率升高。

2.3 對發動機排放的影響

圖6示出天然氣預混率對發動機HC排放的影響。由圖可知：預混天然氣后，發動機的HC排放遠高于純生物柴油發動機的HC排放，且隨著天然氣預混率的增加而增加。這主要是由于隨著預混天然氣量的增加，由壁面淬熄和狹縫效應所引起天然氣不完全燃燒的量增加。

由圖6還可以看出，低負荷下的HC明顯高于高負荷下的HC排放。這是由于天然氣的主要成分為CH4，其結構較穩定，低當量比下氧化困難，且低負荷下缸內燃燒溫度較低，故燃料不易完全燃燒，導致HC排放較高；而在高負荷下，缸內的燃燒溫度高，有利于燃料的氧化和燃燒。

圖7示出CO排放量隨預混天然氣量的變化，由圖可知：1)高負荷下的CO排放高于低負荷下，這是由于高負荷下噴入的燃料總量高于低負荷下噴入的燃料總量，缸內氧濃度低于低負荷下的氧濃度，即高負荷下的當量比相對于低負荷下的當量比高，故其CO排放較高；2)CO排放隨著rp的增加而增大，這是由于天然氣是從進氣道噴入，天然氣占據一定的體積，那么隨著天然氣量的增加，進入到氣缸的空氣量降低，即當量比增加，故CO隨著天然氣替代率的增加而升高。

圖8示出天然氣預混率rp對NOx排放的影響?？梢娫诟哓摵上翹Ox排放遠高于低負荷下的NOx排放；隨著天然氣預混率的增加，NOx排放先降低后增加。低負荷下，在天然氣預混率不超過30%時，NOx排放比純生物柴油時的NOx排放低，由圖2b可知，隨著天然氣預混率的增加，缸內最高燃燒溫度是先降低后升高，即當天然氣預混率超過30%時，NOx排放因缸內溫度升高而逐漸增加。

高負荷下，摻混天然氣后的NOx排放低于純生物柴油時的NOx排放，這是由于發動機燃料摻混天然氣后缸內最高燃燒溫度有所降低。同理，由圖3b可知，隨著天然氣預混率的增加，缸內最高燃燒溫度也是先降低后升高，在天然氣預混率從0%增加到40%左右，NOx排放逐漸降低，當天然氣預混率繼續增加到50%左右，NOx排放量有所升高。

圖9示出排氣中炭煙排放隨rp的變化。由圖可知：1)發動機高負荷下的炭煙排放高于低負荷下的炭煙排放，這是因為高負荷下生物柴油形成的擴散燃燒比例增大，局部過濃區增多。2)在低負荷工況下，隨著天然氣替代率的增加，炭煙排放呈緩慢增加的趨勢。炭煙的生成主要是在高溫缺氧環境下，而在低負荷下，燃料總量較少，缸內溫度較低，當量比在低rp時較低，因此，當rp低于30%時，炭煙排放幾乎不變。而當rp達到30%之后，缸內燃燒溫度有所升高，且隨著當量比的進一步增加，出現局部過濃區域，炭煙排放隨之增加。3)在大負荷工況下，隨著天然氣替代率的增加，炭煙排放先大幅下降后上升。炭煙的主要來源是生物柴油，當rp由0%增加到約40%，隨著rp的升高，噴入缸內的生物柴油量減少，故其生成炭煙的概率降低，且由圖3b可知，缸內燃燒溫度逐漸降低，隨著rp的升高，炭煙排放大幅降低。而當rp進一步增加到約50%時，炭煙排放急劇增大。這是因為天然氣由進氣道噴入，擠占了部分新鮮空氣，即當量比隨著rp的升高而變大，當rp增加到40%后，局部高當量比區域增多，且由圖3b可知，此時缸內燃燒溫度升高，故高溫下過濃區增多導致炭煙急劇增高。

3 結論

a) 隨著天然氣預混率的增加，著火時刻及燃燒相位延遲，且在高負荷下較明顯；摻混天然氣后，發動機的燃燒速度加快，最高燃燒壓力降低，缸內最高燃燒溫度降低；

b) 在大負荷下，通過合理優化天然氣和生物柴油的比例，可以促進發動機缸內燃燒，降低有效燃油消耗率，提高發動機的熱效率；

c) 低負荷時，當rp低于40%時，天然氣對發動機的炭煙排放沒有明顯的影響，但可以明顯降低發動機的NOx排放；而在大負荷時，合理組織天然氣和生物柴油的比例可以同時降低炭煙和NOx排放。

[1] Lim O,Iida N,Cho G,et al.The Research about Engine Optimization and Emission Characteristic of Dual Fuel Engine Fueled with Natural Gas and Diesel[C].SAE Paper 2012-32-0008.

[2] Shiraiwa N M,Mozardo R,da Costa C M,et al.Dual Fuel Engine-Diesel and Compressed Natural Gas Engine and After Treatment System[C].SAE Paper 2013-36-0490.

[3] Ozener O,Yüksek L,Ergenc A T,et al.Effects of soybean biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics[J].Fuel, 2014,115: 875-883.

[4] Ryu K.Effects of pilot injection pressure on the combustion and emissions characteristics in a diesel engine using biodiesel-CNG dual fuel[J].Energy Conversion and Management, 2013,76:506-516.

[5] 孔維寶,華紹烽,宋昊,等.利用微藻生產生物柴油的研究進展[J].中國油脂,2010(8):51-56.

[6] 劉宇.生物柴油燃料噴霧、燃燒及碳煙生成過程可視化研究[D].長春：吉林大學，2011.

[7] James E.House.Principles of Chemical Kinetics[M].2nd ed. America: Academic Press, 2007.

[編輯: 李建新]

Effects of Premixed CNG in Intake Port on Combustion and Emission Performance of Biodiesel Engine

JING Qijian, LUO Bin, HE Zhuoyao, ZHU Lei, ZHANG Wugao

(Key Laboratory of Power Machinery and Engineering, Ministry of Education,Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240, China)

The effects of premixed CNG in intake port on the combustion and emission performance of biodiesel engine were investigated on a QCH 1105 single cylinder diesel engine. The results show that the maximum combustion pressure decreases, the combustion phase retarded, the average in-cylinder temperature decreases slightly and the NOxemission reduces significantly with the increase of CNG premixed ratio. At high loads, the specific fuel consumption decreases, the HC and CO emissions increase and the soot emission reduces greatly. Accordingly, the premixed CNG in intake port has great potentials to improve fuel economy and emissions.

biodiesel; CNG; intake premixing; combustion; emission

2014-11-21;

2015-05-25

國家支撐計劃項目(51376118)；上海交通大學科研啟動計劃

敬啟建(1989—)，男，碩士，研究方向為車用發動機燃燒與排放研究；jingqj@sjtu.edu.cn。

張武高，副教授，博士；zhangwg@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.007

TK411.71

B

1001-2222(2015)04-0032-05