摻燒比對電控共軌柴油引燃LNG發動機影響的試驗研究

林少芳

(福州職業技術學院 技術工程系，福州 35000)

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摻燒比對電控共軌柴油引燃LNG發動機影響的試驗研究

林少芳

(福州職業技術學院 技術工程系，福州 35000)

摘要：雙燃料發動機排放在很大程度上由摻燒比決定，作者分別對發動機燃用純柴油和柴油/LNG雙燃料進行臺架試驗，測試不同的摻燒比對電控共軌柴油引燃LNG發動機的影響，研究結果發現：隨著摻燒比的增大，油耗有所降低；隨著轉速的升高，油耗在低負荷下時有所升高，而在中高負荷工況下，油耗率降低；柴油引燃LNG發動機HC與CO排放劣于純柴油模式，且HC隨著摻燒比的增大而增大、CO則反之。

關鍵詞：柴油引燃LNG；發動機；摻燒

目前，對雙燃料發動機的研究已經從普通的機械式燃料供給裝置發展為電控系統；從單點噴射發展到多點噴射；以及閉環控制的缸內直噴等技術，使天然氣發動機具有越來越優秀的動力性、經濟性與排放性[1]。雙燃料發動機的最大摻燒比與發動機的轉速、負荷密切相關,同時摻燒比對排煙和HC、CO、NOX的排放量也有一定的影響[2]。通過前期的試驗，發現在LNG/柴油發動機中應用摻燒，與柴油摻燒相比，對發動機的動力性影響較小。為了進一步研究摻燒比對LNG/柴油雙燃料發動機油耗、排放等性能的影響，本試驗一共設置了12個工況點分別進行純柴油和雙燃料模式測試，尋找各種工況下的最佳摻燒比。

1電控共軌柴油引燃LNG發動機摻燒方案

雙燃料系統中的天然氣是主要的燃料，天然氣的噴射量、引燃柴油量是燃料供給系統中兩個最重要的控制參數。NG/柴油雙燃料發動機中，天然氣/柴油的摻燒形式可以分為兩種：一種是部分負荷燃燒，即天然氣在發動機處于中小負荷時，不參與燃燒；另一種是天然氣在發動機所有工況中均參與燃燒做功。LNG/柴油雙燃料發動機選取電控共軌柴油機作為研究對象，此處選擇第一種燃燒方式，即隨發動機轉速、負荷的變化，天然氣的供給量也隨之變化，并在中、高負荷工況時，作為主要燃料進行燃燒做功[3，4]。

本試驗采用的LNG/柴油雙燃料發動機仍繼續沿用原柴油機的供油系統，加裝獨立的LNG供氣系統。進氣方式選擇進氣口噴射的形式，LNG經過汽化器汽化后經調壓器進入噴漆軌，噴氣軌根據發動機的工況在預定的配氣相位向進氣口噴氣。

2試驗裝置和方法

2.1試驗裝置

發動機性能測試的最主要方法是臺架試驗，本試驗采用的臺架主要分為兩個部分，發動機測試臺架和控制部分，臺架主要包括有冷卻液溫度控制系統、電力測功機及相應控制系統、燃料供給系統等。控制系統由控制器和顯示器組成。發動機測試臺架安裝在配備空調恒溫恒濕系統的實驗室中，實驗室通過該系統將試驗溫度控制在25℃左右，濕度控制在50%±10%RH范圍內。試驗用柴油機由6缸、四沖程、渦輪增壓中冷、強制水冷柴油機改造而成，主要技術參數見表1，試驗中所用測試設備見表2。

表1　試驗用柴油機主要技術參數

表2　設備主要技術參數

2.2試驗方法

本試驗采取低負荷下采用純柴油，中高負荷下采取柴油引燃LNG的方案，對LNG的摻燒特性及燃燒特性進行研究。

首先手動操作將燃料模式開關調至純柴油模式，將油門開到最大，通過操作臺架控制系統，逐漸增加發動機負荷，使轉速分別穩定于1000rpm、1600rpm、2200rpm下進行測試。然后再通過操作燃料模式開關至柴油/LNG雙燃料模式，待發動機工作平穩后，控制測功機增加發動機負載，使發動機在相應目標轉速下運轉，然后調整燃油供給量和供氣量至目標工況，待運行穩定后對相關指標進行測試。為了測試發動機純柴油模式和雙燃料摻燒模式下的油耗，測試還將在部分負荷工況下進行，本試驗選擇以1600rpm作為目標轉速，負荷率分別為25%、50%、75%、100%四個工況點進行測試，測得每一負荷率下的純燃油消耗量之后，切換到摻燒模式下，利用測功機進行加載，仍然保持發動機轉速1600rpm進行雙燃料模式試驗測試。

3試驗結果與分析

3.1最大摻燒比

圖3.1　測試工況下最大摻燒比

當發動機處于不同轉速時，其各試驗工況點的最大摻燒比如圖3.1所示。通過對比可以得知：當固定發動機的負荷時，提高發動機轉速，最大摻燒比下降趨勢明顯；當轉速不變，隨著負荷的增大，摻燒比呈上升趨勢，在負荷率為75%左右時達到最大，此時，如果再增加負荷，摻燒比有所回落。

3.2過量空氣系數

發動機在不同摻燒比工況1000rpm、1600rpm及2200rpm三個測試轉速下，燃用雙燃料與純柴油模式的過量空氣系數曲線對比如圖3.2所示。通過對比可以得出，固定發動機轉速與摻燒比時，提高發動機負荷有利于降低過量空氣系數；而在發動機處于相同轉速下時，同等負荷工況下，隨摻燒比的增大，LNG與柴油的摻混燃料的過量空氣系數變化趨勢不明顯；這是因為提高摻燒比，降低引燃柴油噴射量，而以氣態的形式進入氣缸的天然氣將會占據了比柴油更多體積，使進入燃燒室新鮮空氣的量進一步降低，導致過量空氣系數一定程度的降低；另一方面，天然氣理論空氣比為17.4∶1，柴油的理論空燃比為14.3∶1，天然氣的低熱值hμ等于49.54MJ/kg，柴油的低熱值hμ等于42.5MJ/kg，也就意味著在天然氣與柴油都完全燃燒的情況下，釋放相同的熱量，天然氣-空氣混合氣需要略多于柴油-空氣理論混合氣的量，從而在一定程度上改變了原過量空氣系數。小負荷、大摻燒比時，由于小負荷時燃料消耗率的增加，造成雙燃料過量空氣系數略有增大。

圖3.2　不同工況下λ對比曲線

圖3.3　最佳噴油正時

3.3噴油正時

發動機在不同摻燒比工況時，在三個測試轉速下，四個負荷下的最佳噴油正時曲線對比如圖3.3所示。通過對比可得，提高摻燒比時，負荷率為25%的最佳噴油正時曲線在低摻燒比時走向較為平穩，當摻燒比大于50%后出現不同增長趨勢，在1000rpm工況下，最佳噴油正時呈推遲趨勢；而當發動機轉速為1600rpm時，提高摻燒比將會導致最佳噴油正時增加；在2200rpm時則出現呈先上升后回落趨勢。另一方面在1000rpm時，隨著負荷率的上升呈現出相同趨勢；而在2200rpm時，提高發動機負荷率，發動機的最佳噴油正時與轉速為1000rpm時的變化趨勢恰恰相反。

3.4燃油經濟性分析

當發動機處于不同摻燒比、不同轉速、不同負荷時，其經濟性曲線對比如圖3.4所示。可以得出，負荷率為25%時，在三種轉速下摻燒比呈先升后降的變化趨勢；在發動機處于負荷率為50%、75%及100%工況時，在相同摻燒比下雙燃料模式下的油耗率下降更為明顯。當發動機在小負荷工況下工作時，隨著摻燒比的增大，油耗率上升的原因在于隨著引燃柴油量的減少，為了保證發動機的動力輸出，必須相應供應更多的天然氣，而氣態的天然氣勢必會比柴油占據更多的燃燒室空間，導致進入燃燒室的新鮮充氣量有所降低，使得天然氣難以充分燃燒，殘余天然氣中的未燃燃料增多，導致油耗率上升。當摻燒比達到某一極值點后，繼續升高會使發動機油耗率有所下降，這是因為隨著天然氣比例的上升，以氣態進入氣缸的天然氣更容易與缸內空氣形成均勻的混合氣，使氣缸中混合氣濃度可以略微上升，加速火焰傳播速度，從而使雙燃料模式發動機的油耗率有所降低。

圖3.4　油耗率對比曲線

圖3.5　渦后排溫對比曲線

3.5排氣溫度分析

不同摻燒比下，發動機在天然氣-柴油摻燒模式與純柴油模式的總排氣溫度對比曲線如圖3.5所示。與純柴油模式相比，當發動機轉速處于1000rpm時，隨著摻燒比的增大，排氣溫度變化不大，僅在50%與75%負荷時，在摻燒比大于90%時排溫有少許上升；在發動機轉速處于1600rpm和2200rpm轉速時，渦輪增壓器后排氣溫度與純柴油模式時相比，略有降低。這是由于天然氣-柴油摻混模式的混合氣與純柴油相比，混合氣更加均勻，燃燒速度快，使缸內熱量在缸內快速累積，使排氣溫度更高。

3.6排放性能分析

(1)NOx

發動機在三種轉速下不同摻燒比工況時，NOx排放對比情況如圖3.6所示。通過對比可以得出，在不同摻燒比下，在1000rpm轉速下，與純柴油模式相比，天然氣-柴油摻燒模式的NOx排放在摻燒比低于50%時略高于純柴油模式，但隨著摻燒比的變化不大；摻燒比繼續升高則會影響NOx的升高，至摻燒比70%左右時達到極值點，繼續升高NOx的排放有所下降；在轉速為1600rpm與2200rpm時，隨著負荷的升高NOx的排放均呈先升后降趨勢。

(2)HC

圖3.7為不同摻燒比，發動機在1000rpm、1600rpm、2200rpm三個測試轉速下HC排放對比。隨著摻燒比升高，發動機燃用雙燃料時HC排放大都呈現逐漸升高趨勢，而僅在在少數工況下出現在摻燒比為70%左右時HC驟然下降后再升高現象。在天然氣-柴油模式下發動機HC排放高于純柴油模式是由于天然氣是在被噴氣閥噴入進氣歧管與空氣預混，在采用可變正時(VVT)發動機中，大都采用氣門疊開技術提高充氣效率，在氣門疊開期間，會有一部分預混混合氣隨殘余廢氣進入排氣管；同時，與柴油的隨噴隨燃相比形成的局部較濃混合氣相比，天然氣與空氣混合形成的混合氣更稀，不易燃燒完全；另外，在壓縮沖程中被擠入活塞與氣缸、氣缸蓋與箱體之間的天然氣亦無法燃燒。處于氣缸壁附近激冷區的HC也是排放中的重要組成部分。在某些工況下，摻燒比為70%左右時，HC排放劇烈不穩定現象是由于此處噴油正時增大所致，隨引燃柴油噴射量的增加，由提前噴油時刻而帶來利處被很快消除，HC排放亦隨之升高。

圖3.6　NOx排放對比曲線

圖3.7　HC排放對比曲線Figure4.13 HC Emission Curve

(3)CO

不同摻燒比下雙燃料與純柴油模式CO排放變化曲線對比如圖3.8所示。在所有試驗測試工況點，純柴油模式的CO的排量均低于雙燃料模式，且隨著摻燒比的增高，CO排放在雙燃料模式下呈現先增加后減少趨勢。當發動機處于1000rpm外特性工況時，CO排放惡化嚴重，而在1600rpm、2200rpm外特性下未見該現象發生。

在發動機中，CO的排放主要是由于引燃柴油和天然氣在燃燒過程中未完全氧化生成，生成條件主要受氧氣濃度、反應時間及溫度影響。在摻燒比較低時，由于燃燒室中的混合氣濃度較低，燃燒過程中容易產生失火現象，導致不完全氧化生成的CO的量增加。提高摻燒比，混合氣濃度隨之增加，燃燒條件得以改善，抑制了CO生成。而在在大負荷工況，由于缸內溫度升高導致排溫也隨之升高，CO的后氧化條件得以改善，因此，在大負荷乃至外特性下CO的排放稍低。

4)CO2

發動機在測試工況下不同摻燒比工況CO2排放的對比如圖3.9所示。隨著摻燒比的增大，在各個測試轉速下發動機的CO2排放均呈現降低趨勢；當保持轉速不變時，提高發動機負荷，CO2排放也隨之增加。這是由于天然氣中的C所占的比重較低，一般情況下，在烷烴燃料中，C/H越低，燃燒產物中CO2中占比就越低；在另一方面，隨著摻燒比的升高，雙燃料發動機中的天然氣所占的比重就越來越多，也會導致CO2的排放量降低。另外，保持摻燒比不變時，提升摻燒比也有益于增加CO2排放量。

圖3.8　CO排放對比曲線

圖3.9　CO2排放對比曲線

4結論

(1)在低速小負荷工況下，雙燃料模式經濟性比純柴油略差，提升摻燒比有助于經濟性的提高；而提升轉速時，油耗率呈現先增后減趨勢。

(2)在部分負荷工況下，柴油引燃LNG發動機HC與CO排放劣于純柴油模式，提高HC與摻燒比成正比例關系、CO則反之；雙燃料模式碳煙排放明顯優于原機。

參考文獻：

[1]杜連功．各國天然氣汽車的現狀和趨勢[J].世界汽車，1997(2):6-8.

[2]邵恩坡，等. 柴油機燃用液化石油氣的摻燒比和排放的試驗研究[J]．交通標準化，2006(154):183-186.

[3]張延峰，等. 柴油/天然氣雙燃料發動機技術改裝方案分析[J]. 農業機械學報，2004(3):167-171.

[4]汪佳麗．LNG缸內液噴對混合氣形成影響的仿真研究[D]．長春：吉林大學，2011.

責任編輯：程艷艷

Experimental Research on Affects of Mixed Burning Ratio on LNG Engine Combusted by Electronic Control Common Rail Diesel

LIN Shaofang

(Department of Technology Engineering, Fuzhou Polytechnic College, Fuzhou 35000, China)

Abstract：The emissions of dual-fuel engine are decided by mixed burning ratio to a big extent. This paper respectively makes bench tests on the engines burning pure diesel and diesel/LNG dual-fuel to test the affects of different mixed burning ratios on LNG engine ignited by common rail diesel with electronic control. The results show that, with the increase of mixed burning ratio, the fuel consumption reduces; with the increase of speed, fuel consumption increases under the low load condition, while the fuel consumption rate reduces in middle or high load condition; HC and CO emissions of LNG engine ignited by diesel are worse than those with pure diesel pattern, and HC will increase but CO decrease with the increase of mixed burning ratio.

Keywords：LNG engine ignited by diesel; engine; mixed burning

收稿日期：2016-03-23

基金項目：2015年福建省中青年教師教育科研項目(JA15803)

作者簡介：林少芳(1976-)，女，福建莆田人，講師，碩士，主要從事汽車新能源和汽車材料方面研究。

中圖分類號：U464；TK437

文獻標志碼：A

文章編號：1009-3907(2016)06-0013-06