摻燒比對電控共軌柴油機燃用LNG

徐鴻坤

摘 要：為實現柴油機對LNG，即液化天然氣的高效使用，對電控共軌柴油機進行改裝，形成雙燃料發動機，由柴油將天然氣引燃。將LNG經由天然氣噴嘴實現對進氣管的噴入。通過雙燃料發動機臺架試驗，在100%負荷條件，1 200 r/min轉速下，對摻燒比對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料燃燒特性進行對比分析。試驗結果顯示，當摻燒比逐漸增大時，雙燃料發動機自身的缸內壓力先呈現出升高趨勢，后呈現出降低趨勢，壓力升高率以及瞬時放熱率均出現增大。

關鍵詞：摻燒比;共軌柴油機;燃燒特性

中圖分類號：TK421 文獻標識碼：A

0 前言

柴油機具備的動力性良好，且具有較強的可靠性，加上排放量較低，在各類船舶中的應用日漸廣泛。但是，柴油機運行會排放出NOx和PM顆粒，嚴重污染環境。對此，有必要推動天然氣在柴油機中的應用。天然氣作為石化燃料具有較強的清潔性，LNG，即液化天然氣已成為重要燃料，能促進船舶有效提升其續駛里程。當前，電控共軌柴油機廣泛應用于各類船舶中。此類柴油機易于控制其噴油正時和噴油量，有助于提高雙燃料發動機的各項性能。對此，有必要研究摻燒比對此類柴油機用LNG-柴油雙燃料相應的燃燒特性產生的影響，實現對摻燒比的優化，以及對引燃柴油相應的噴油正時的優化。對此，可開展發動機臺架試驗進行研究。

1 試驗裝置

將LNG-柴油雙燃料發動機作為試驗裝置。該裝置的性能結構以及各項參數如下表1示：

雙燃料ECU是基于柴油機原有的控制系統，對LNG-柴油雙燃料控制系統進行增加，該系統與原柴油機共享曲軸位置、油軌壓力、冷卻水溫度、凸輪軸位置等信號。雙燃料ECU不僅能實現對柴油噴油器的控制，還能實現對天然氣供給系統相應的通斷電磁閥以及噴射電磁閥的控制，且能對天然氣壓力和液位進行監測。在雙燃料工作模式下，原機ECU仍能實現對渦輪增壓、發動機軌壓以及廢氣再循環的控制。雙燃料發動機借助外部繼電器實現對工作模式的轉換，由雙燃料ECU對繼電器進行控制[1]。

在發動機與中冷器二者間存在的進氣總管上，安裝天然氣混合器?？諝夂吞烊粴庠诨旌掀鲀然旌虾?，再完成對發動機的進入。通過Kistler 6052A壓電式缸壓傳感器、2893A kibox燃燒分析儀和5019電荷放大器實施缸壓采集，并分析放射率。在氣缸蓋上安裝缸壓傳感器，以采集的電荷信號為信號，通過電荷放大器對信號進行放大處理，并有效轉化為與外力成正比的電壓輸出信號，并向燃燒分析儀傳遞[2]。通過電渦流測功機監控測量發動機的各項參數，諸如功率、轉速、進氣溫度、水溫等。

2 試驗方法

試驗工況轉速選取1 200 r/min，功率輸出選取為107 kW。在試驗過程中，基于選定工況，對原柴油機各項參數，諸如缸內壓力、進氣壓力、油門位置、油軌壓力、進氣溫度、排氣溫度以及水溫等進行采集。然后，設置LNG-柴油雙燃料工作模式，對發動機進行運行，在原油門位置上，發動機保持轉速不變，在此基礎上，對柴油和天然氣的實際供給量進行調節，對引燃柴油相應的噴油正時進行設置，采用最大扭矩噴油正時，確保雙燃料發動機保持相同功率和轉速進行運行，對摻燒比不同情況下，雙燃料發動機涉及的參數進行記錄[3]。如下表2所示：

觀察分析上表可知，在試驗工況下，原柴油機呈現215.4 g/（kW·h）的有效燃料消耗率，在96%的摻燒比下，雙燃料發動機呈現出最低的有效燃料消耗率;雙燃料發動機隨著不斷增大的摻燒比，其引燃柴油相應的最大扭矩噴油正時出現推遲。究其原因，在大負荷條件下，發動機缸內存在較濃的混合氣，且缸內具有較高的壓力和溫度，引燃柴油減少其滯燃期。雖然引燃柴油在摻燒比增大的情況下增大其滯燃期，但混合氣也開始變濃，在著火點能量和數量充足的基礎上，可提高其燃燒效率，并稍微推遲其噴油正時[4]。

3 結果與分析

3.1 摻燒比對缸內壓力的影響

如下圖1所示，相比于原機，在摻燒比不同的情況下，雙燃料發動機實際的缸內壓力出現升高，在壓縮沖程內，發動機缸內壓力出現降低。缸內壓力在摻燒比逐漸增大的情況下先呈現出升高趨勢，后呈現出降低趨勢。在36%的摻燒比下，缸內出現最大的峰值壓力。在73%的摻燒比和96%的摻燒比下，出現相同的噴油正時。缸內壓力在摻燒比逐漸增大的情況下，推遲其最大值相位。

在過低的摻燒比條件下，混合氣過稀，將降低天然氣的實際燃燒效率，并降低缸內壓力。在摻燒比出現增大的情況下，缸內存在的混合氣變濃，并增加其燃燒速率，缸內壓力出現升高。繼續增大燃燒比，將減少引燃柴油量，并減少天然氣著火點實際數量，且降低其能量。進入氣缸的氣態天然氣逐漸增加，導致缸內存在的空氣量出現減少，缸內相應的最高壓力出現降低。因此，雙燃料發動機在摻燒比出現增大的情況下，其缸內壓力先呈現出升高趨勢，后呈現出降低趨勢。

在73%的摻燒比和96%的摻燒比條件下，形成相同的噴油正時，在摻燒比逐漸增大的情況下，對應于缸內峰值壓力的曲軸轉角將出現推遲。究其原因，滯燃期隨摻燒比增大而變長，并推遲燃燒，導致對應于缸內峰值壓力的曲軸轉角出現推遲[5]。另外，在滿負荷條件下，柴油機缸內具有較濃的混合氣，在96%的摻燒比下，引燃柴油相對較少，加上較濃的混合氣和較低的氧濃度，在焰前反應過程中，混合氣中存在的柴油加劇與CH4對自由基的爭奪，延長著火滯燃的實際時間，同時，天然氣保持較慢的燃燒速率，引燃柴油出現減少后，天然氣實際的著火源數量將出現降低，并導致峰值壓力較晚出現。

3.2 摻燒比對壓力升高率的影響

壓力升高率指標，用于對內燃機燃燒相應的粗暴度和等容度的表征。如下圖2所示，在摻燒比不同的情況下，與原機相比，雙燃料發動機相應的壓力升高率出現一定程度的升高。在73%的摻燒比和96%的摻燒比下，出現相同的噴油正時，缸內壓力相應的升高率隨摻燒比的增大而降低，其曲軸轉角也出現推遲。究其原因，96%的摻燒比降低了燃燒壓力，且對應于峰值壓力的曲軸轉角出現推遲，導致壓力升高率出現降低。另外，在96%的摻燒比條件下，燃料中含有較少的柴油量，僅能發揮引燃作用，同時，混合燃料具有較長的滯燃期，在滯燃期內，引燃柴油形成較為均勻的混合氣，其作用與汽油器增多火焰傳播類似，相對于柴油的容積式燃燒，其壓力升高率出現降低。

在36%的摻燒比條件下，出現最高的缸內壓力;在73%的摻燒比條件下，出現最高的壓力升高率。在工況相同的條件下，同一摻燒比并未形成最高的缸內壓力和壓力升高率，究其原因，壓力升高率并非僅受到最高壓力的影響，且與燃燒速率、放熱規律等因素有關。

3.3 燃燒放熱規律

如圖3所示，與原機相比，雙燃料發動機增大了其瞬時放熱率。在摻燒比逐漸增大的情況下，其瞬時放熱率也呈現出逐漸增大的趨勢。究其原因，在摻燒比增大的情況下，混合氣進一步變濃，多點同時實施點火，能增大燃燒速率，并促進放熱率出現增大。相比于柴油，天然氣和空氣的焰前反應更易發生，引燃柴油一旦著火，天然氣與空氣形成的均質混合氣將加快其實際燃燒速度，進而提高其放熱率。在96%的摻燒比下，上止點后大約10℃出現放熱率峰值，活塞在此時開始出現下行，因此，雖然瞬時放熱率增大了其峰值，但缸內壓力及其壓力升高率卻出現降低。

3.4 循環變動

相比于原機，雙燃料燃燒相應的峰值壓力平均值以及標準差均出現升高。峰值壓力平均值隨摻燒比的逐漸增大，先呈現出增大趨勢，后呈現出減小趨勢，且其標準差出現增大。

在19%～73%的摻燒比范圍內，出現峰值壓力的時刻呈現出集中分布，且伴隨摻燒比的逐漸增大，呈現出分散分布;在相同的噴油正時下，73%的摻燒比增加，在96%的摻燒比下，增大較為明顯，且呈現出分散分布。

4 結語

綜上所述，相對于原機，雙燃料發動機相應的缸內燃燒壓力、壓力升高率、瞬時放熱率以及循環變動系數均出現升高，其缸內壓力隨著摻燒比逐漸增大，先呈現出升高趨勢，后呈現出降低趨勢，其壓力升高率和瞬時放熱率出現增大。雙燃料相應的峰值壓力平均值隨摻燒比逐漸增大而先呈現出增大趨勢，后呈現出減小趨勢，并增大其標準差。出現峰值壓力時，呈現出分散分布，并增大其循環變動系數;在引燃柴油相同的噴油正時下，雙燃料相應的出現增大，且呈現出分散分布。

參考文獻：

[1]李強，吳玉茵，姚晨光，等.車用電控高壓共軌柴油機摻燒聚甲氧基二甲醚排放特性研究[J].小型內燃機與車輛技術，2018，47（05）：55-60.

[2]鄧濤，胡登，黃加亮，等.運行參數對雙燃料船用柴油機燃燒和排放性能的影響[J].船舶工程，2019，41（12）：8-12+13.

[3]劉軍恒，孫平，楊晨，等.PODE/乙醇雙燃料共軌發動機的燃燒特性[J].石油學報（石油加工），2018，34（02）：334-340.

[4]趙岑，王華，劉曉，等.高替代率下CNG/柴油雙燃料發動機燃燒特性研究[J].機械設計與制造，2018，56（08）：77-79+83.

[5]弓劍，徐元利，仲崇智，等.VGT開度對汽/柴油雙燃料發動機燃燒過程的影響[J].工程熱物理學報，2018，39（11）：2578-2583.