柴油引燃天然氣雙燃料發動機燃燒與排放特性研究*

宋建桐　李　婕　劉敏杰　成　林（北京電子科技職業學院汽車工程學院　北京　100176）

柴油引燃天然氣雙燃料發動機燃燒與排放特性研究*

宋建桐李婕劉敏杰成林
（北京電子科技職業學院汽車工程學院北京100176）

在傳統柴油機的壓縮比下，天然氣不能夠被壓燃。為了在柴油機上應用天然氣，必須采用雙燃料的特殊工作方式。燃燒室內預混合的天然氣-空氣混合氣的著火源由直接噴入燃燒室的高十六烷值的引燃燃料提供。為了研究柴油引燃天然氣雙燃料發動機的燃燒和排放特性，分析了雙燃料發動機缸內壓力隨曲軸轉角的變化規律，研究了引燃柴油噴油正時、噴油量、EGR和進氣溫度對雙燃料發動機HC排放、CO排放、CO2排放、NOχ排放和炭煙排放的影響。

柴油/天然氣 雙燃料 燃燒 排放

引言

自發明柴油機起，人們就開始對柴油機的結構進行大量的研究與設計，而且也一直為柴油機開發更適宜的新燃料［1］。后來，隨著柴油價格持續走低，人們失去了開發代用燃料的熱情。直到20世紀70年代，石油危機的到來，又激起了人們開發代用燃料的熱情［2］。

截至2011年8月16日，世界汽車保有量突破10億輛。根據公安部統計，截至2014年11月27日，我國民用機動車總保有量達2.64億輛。其中，各類汽車1.54億輛，摩托車1.1億輛。隨著汽車保有量的迅速增長，能源危機，環境污染和城市擁堵等變得日益嚴重。開發可替代清潔能源，實現節能減排成為全球各國能源政策的重要內容，發展新能源汽車成為汽車行業發展的必然選擇。2013年2月，國務院辦公廳關于加強內燃機工業節能減排的意見中就明確指出，重點發展替代燃料內燃機產品的研發，鼓勵積極發展柴油/天然氣雙燃料內燃機［3］。

天然氣是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烷烴混合物，還含有少量的烯烴，如乙烯及微量的硫化氫和氮氣。天然氣汽車可以以壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）為燃料。天然氣作為車用燃料已經具有數十年的歷史。常壓下，天然氣沸點為-162℃，天然氣液化后，其體積縮小為原來的1/600。液化天然氣的甲烷含量大于98%，其性質與甲烷非常接近。在常溫下，壓力為20MPa的壓縮天然氣密度為175kg/m3，液化天然氣的密度為435 kg/m3［4］。

為了研究柴油引燃天然氣雙燃料發動機的燃燒和排放特性，本文分析了雙燃料發動機缸內壓力隨曲軸轉角的變化規律，研究了引燃柴油噴油正時、噴油量、EGR率和進氣溫度對雙燃料發動機HC排放、CO排放、CO2排放、NOχ排放和炭煙排放的影響。

1　燃燒分析

目前，車用內燃機以壓燃（柴油機）和點燃（汽油機）兩種為主。壓燃發動機進入氣缸的空氣被壓縮，缸內溫度和壓力升高，并且達到燃料（高十六烷值）的自燃溫度，當燃料噴入氣缸時，燃料自燃并開始燃燒；而點燃發動機進入氣缸的燃料（高辛烷值）和空氣混合氣被壓縮，并在恰當的時候被點燃。雙燃料發動機的燃燒具有上述兩種發動機燃燒方式的雙重特點，具有較高辛烷值的燃料和空氣混合氣進入傳統柴油機并被壓縮，但由于燃料自燃溫度很高，缸內溫度不足以使其自燃，所以在壓縮終了時，要向發動機內噴入高十六烷值燃料來引燃。例如利用柴油引燃天然氣的柴油/天然氣雙燃料發動機，當天然氣用完后，雙燃料發動機可以轉換為柴油機，繼續工作，但它的缺點就是其必須依賴于柴油［5］。

柴油/天然氣雙燃料發動機燃燒缸內壓力如圖1所示。AB為引燃柴油滯燃期，BC為引燃柴油速燃期，CD為天然氣的滯燃期，DE為天然氣的主燃期，EF為天然氣擴散燃燒階段。與柴油機相比，相同噴油提前角下，引燃柴油的滯燃期增大，這主要是因為天然氣以氣體形式進入氣缸，占去一部分氧氣，混合氣中氧濃度下降。與原機相比，引燃柴油量非常少，所以BC段壓力升高較小。由于天然氣滯燃期較長，自燃溫度較高，再加上活塞下行，造成CD段壓力略有降低。DE段的燃燒始于引燃柴油的點燃，燃燒很不穩定，但由于此時活塞下行，缸內壓力升高較慢。天然氣的擴散燃燒EF段始于最高壓力時刻，并持續到排氣沖程，這主要是因為天然氣燃燒速率較低，而且引燃柴油燃燒產生的廢氣稀釋了缸內混合氣濃度［5］。

圖1　柴油引燃天然氣雙燃料缸內壓力

2　排放特性

2.1HC排放

與傳統柴油機相比，雙燃料發動機的HC排放明顯升高［6-7］。小負荷時，雙燃料發動機的HC排放為傳統柴油機的60倍［7］。這主要是因為天然氣-空氣混合氣過稀而不能完全燃燒［8］，燃燒火焰不能傳播到整個燃燒室［9］。隨負荷的增大，雙燃料發動機的HC排放降低，在大負荷時，與傳統柴油機的HC排放接近［9］，這是因為大負荷時，雙燃料發動機的混合氣較濃，燃燒溫度較高，大部分的燃料完全燃燒。隨著噴油正時的增大，小負荷時雙燃料發動機的HC排放略有降低［10］，這是因為隨著噴油正時的增大，燃料氧化時間變長。隨著引燃柴油量的增大，雙燃料發動機的HC排放降低，中、小負荷特別明顯，這是因為小負荷時，混合氣過稀，引燃柴油的火焰無法傳播到整個燃燒室，部分燃料無法燃燒。隨著引燃柴油量的增加，引燃柴油燃燒釋放的能量增加，天然氣-空氣混合氣的燃燒得到改善，HC排放降低。理論上，較多的引燃柴油會在天然氣-空氣混合氣中產生較多個著火點，火焰從每個著火點迅速傳播滿整個燃燒室［11-12］。因此，在小負荷時，增大引燃柴油量能夠顯著改善天然氣-空氣混合氣的燃燒，降低HC排放。在大負荷時，天然氣-空氣混合氣的濃度達到著火下限，能夠正常燃燒，增大引燃柴油量對HC排放影響不大［13］。隨著EGR率的增加，雙燃料的HC排放降低，特別是在小負荷。這主要是因為小負荷時，混合氣很稀，有足夠的氧氣使EGR引入的HC排放燃燒，而且EGR引入的廢氣占去部分空氣，混合氣變濃也會使HC排放降低。另外，EGR使進氣溫度升高，改善燃燒，進一步降低HC排放。隨著進氣溫度升高，雙燃料發動機的HC排放降低［14］。

2.2CO排放

在小負荷下，雙燃料發動機的CO排放明顯升高，隨著負荷增大，其排放逐漸降低，并與傳統柴油機接近，這是因為大負荷其燃燒溫度較高，小負荷時混合氣過稀，天然氣燃燒不完全。隨著噴油正時的增大，雙燃料的CO排放降低，特別是在大負荷［10］。隨著引燃柴油量的增大，雙燃料發動機的CO排放降低，中、小負荷特別明顯，在大負荷時影響不大。雙燃料發動機的CO排放與HC排放的變化規律相近。隨著EGR率的增大，雙燃料發動機的CO排放降低。這主要是因為EGR將部分尾氣中的未燃HC引入氣缸，混合氣變濃，缸內溫度升高，燃燒狀況得到改善，降低了CO排放［15］。大負荷時，由于混合氣變濃，而且EGR引入的廢氣又占去了部分空氣的容積，所以EGR率為20%時CO排放較高［16-18］。

2.3CO2排放

與傳統柴油機相比，雙燃料發動機的CO2排放降低約30%［9］，這主要是因為與柴油相比，天然氣的質量低熱值較高，而且天然氣的碳含量較低，每克的甲烷完全燃燒產生2.75 g的CO2，而每克的柴油完全燃燒要產生3.2 g的CO2。隨著噴油正時的增大，雙燃料的CO2排放降低。CO2和H2O是完全燃燒的產物，因此，CO2排放在一定程度上能反映內燃機熱效率［10］。部分負荷時，隨EGR率的增大，雙燃料發動機的CO2排放增加。這主要是因為部分廢氣中的CO 和HC排放再次燃燒生成CO2排放，而且EGR改善燃燒，使燃燒完全。大負荷時，隨EGR率升高，混合氣過濃，燃燒不充分，使CO2排放降低［16-18］。

2.4NOχ排放

與傳統的柴油機相比，雙燃料發動機的NOχ排放降低［6-7］。柴油引燃天然氣雙燃料的燃燒包括引燃柴油的擴散燃燒和天然氣的預混合燃燒。與傳統柴油機相比，由于引燃柴油量非常少，雙燃料發動機擴散燃燒產生的NOχ明顯降低。天然氣-空氣混合氣的預混合燃燒產生的NOχ排放較少，這是因為小負荷，盡管混合氣的氧濃度很高，但是混合氣很稀，燃燒溫度較低；而大負荷時，盡管缸內溫度升高，但天然氣以氣態的形式進入氣缸，占去了一部分空氣，降低了氧濃度［19］。另外，與柴油相比，天然氣的火焰傳播速度較低，缸內溫度降低［7］。隨著引燃柴油噴油量的增大，天然氣-柴油雙燃料發動機的NOχ排放升高，特別是在小負荷。這主要是因為在天然氣-空氣混合氣濃度不變的情況下，增加引燃柴油量，天然氣的燃燒得到改善，燃燒溫度升高，造成NOχ排放增加。大負荷時，天然氣-空氣混合氣較濃，燃燒充分，NOχ排放較高，引燃柴油量的影響較小［13］。隨EGR率的增大，雙燃料的NOχ排放降低。這主要是因為EGR將廢氣引入氣缸，缸內工質被稀釋，氧濃度下降，同時混合氣的熱容增大，燃燒溫度下降，所以NOχ排放降低。隨著進氣溫度升高，雙燃料發動機的NOχ升高，但仍然比2007年美國環境保護署（U.S Environmental Protection Agency）規定的NOχ排放標準低［14］。

2.5炭煙排放

與柴油機相比，雙燃料發動機的炭煙排放非常低，在某些工況下甚至檢測不到［6-7］。這主要是因為天然氣的主要成分為甲烷，與柴油相比，天然氣的碳原子數較低，沒有C-C化學鍵，降低了炭煙的生成趨勢［20］。另外，常溫常壓下，天然氣為氣態，與空氣為預混合，混合氣質量較高。因此，雙燃料發動機所有的炭煙排放均為引燃柴油的燃燒而生成的，其與傳統的柴油機炭煙生成原因類似［9］。另外，雙燃料發動機引燃柴油燃燒產生的炭煙會在天然氣-空氣混合氣燃燒時繼續燃燒，進一步降低雙燃料發動機的炭煙排放。

3　結論

在傳統柴油機上應用柴油引燃天然氣雙燃料，與柴油機相比，相同噴油提前角下，引燃柴油的滯燃期變長，天然氣滯燃期壓力略有降低，天然氣燃燒階段缸內壓力升高較慢，出現明顯的“雙峰”現象。

與柴油機相比，雙燃料發動機的HC排放明顯升高；雙燃料發動機的HC排放，隨著噴油正時增大而降低，隨著引燃柴油量的增大而降低，隨著EGR率的增加而降低，隨著進氣溫度升高而降低。在小負荷下，雙燃料發動機的CO排放明顯升高；雙燃料的CO排放，隨著噴油正時增大而降低，隨著引燃柴油量的增大而降低，隨著EGR率的增大而降低。雙燃料發動機的CO2排放降低約30%；雙燃料的CO2排放，隨著噴油正時增大而降低；部分負荷時，隨著EGR率的增大而增加，大負荷時，隨著EGR率升高而降低。雙燃料發動機的NOχ排放降低，隨著引燃柴油噴油量的增大而升高，隨著EGR率的增大而降低。雙燃料發動機的炭煙排放非常低。

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Study on the Combustion and Exhaust Emissions of Dual-Fuel Engine Fuelled with Natural Gas Piloted by Diesel

Song Jiantong，Li Jie，Liu Minjie，Cheng Lin
School of Automotive Engineering，Bejing Polytechnic（Beijing，100176，China）

Natural gas does not auto ignite under compression alone with typical CI-engine compression ratios.For use in CI engines，a special mode of operation known as dual-fueling is required.This ignition source is provided by a spontaneously igniting"pilot"fuel.A small amount of a high-cetane fuel is injected directly into the combustion chamber，where the spray mixes with a premixed natural gas-air charge.In order to study on the combustion and exhaust emissions of dual-fuel engine fuelled with natural gas piloted by diesel，the change rule of in-cylinder pressure in dual-fuel engine compared with crank angle was analyzed and the effect of pilot diesel injection timing，pilot diesel quantities，EGR rates and intake air temperature on HC，CO，CO2，NOχand smoke emissions were researched.

Diesel/natural gas，Dual-fuel，Combustion，Exhaust emissions

TK421+.5

A

2095-8234（2016）01-0084-04

北京市教育委員會科技計劃面上項目（KM201410858004）。

宋建桐（1980-），男，副教授，博士，主要研究方向為交通新能源與節能工程。

2015-12-07）