雙燃料發動機高負荷時替代率的選取

林煜

摘要：隨著國家對于排放問題被不斷重視以及越來越嚴格的排放標準，將柴油發動機改裝稱為天然氣-柴油雙燃料發動機便稱為行之有效的一個措施。在改裝過程中，如何確定引燃油量的多少成為了核心問題。本文針對雙燃料發動機在油門開度為75%的高負荷，固定轉速下，通過CONVERGE軟件仿真研究引燃油量對發動機動力性和經濟性的影響并選取合適的替代率。對于雙燃料發動機的改裝具有參考價值。

關鍵詞：CONVERGE;引燃油量;替代率

中圖分類號：U464.173? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0007-03

0? 引言

天然氣相較于石油是相對清潔的能源，已被作為柴油的替代燃料進行了廣泛的研究[1-4]。

柴油作為引燃燃料的天然氣─柴油雙燃料發動機以其改裝方便，只需要在單燃料發動機上加裝一套天然氣供給系統，經濟性好、燃料選用靈活、熱效率高以及排放性能好，尤其是氮氧化物和固體顆粒物排放少等優點在國外日益受到關注[5]。

1? 雙燃料發動機改裝理論基礎

雙燃料發動機是氣體燃料使用的主要方式，具有可恢復原發動機工作、排放性好、經濟性好等特點[6]。

改裝后的雙燃料發動機動力性接近原機的水平，在中、高負荷時動力性還稍有提高，因此具有非常好的應用前景。

通常，雙燃料發動機只在中、高負荷時進入雙燃料模式，在中、高負荷時，不但動力性更好，而且能獲得更好的排放性。但是，此時的經濟性卻未必最佳。因此，雙燃料模式下的經濟性更需要認真考慮。

2? 天然氣供給量的計算

替代率是說在相同工況下，天然氣所替代的柴油量與純柴油工作模式下柴油消耗量之比。天然氣替代率計算公式為：

式（1）中，R為天然氣替代率，VD和VS分別發動機雙燃料模式和單燃料模式時的噴油量。

在預先設定的替代率下，噴油量可以根據同工況下純柴油單燃料時的噴油量計算得到。而天然氣進氣量則有兩種計算方法：等熱值和等空氣消耗量。

在中、高負荷的時候，由于替代率較高，引燃油量較少，點火能量較小。同時，天然氣進氣量較大，混合器濃度較大，所以氣缸內的天然氣很相當一部分沒有充分燃燒就被排出氣缸。這時，再使用等熱值的方法計算天然氣的進氣量就是不準確的，計算值和實際的天然氣進氣量相差會很大。因此，就要使用等空氣消耗量來計算。

表1就是計算的六個不同的工況點在臺架試驗中實際天然氣進氣量和兩種方法計算的理論值進行對比。

由表1可以得知，在低負荷的時候選擇等熱值計算天然氣進氣量更加接近實際值，在中、高負荷的時候選擇等空氣消耗量計算的天然氣進氣量更加接近試驗中測得的值。

因此，在仿真計算中，在75%油門開度、1500r/min的工況下的天然氣進氣量使用等空氣消耗量計算。

3? 燃燒室模型構建

本文針對SL4108ZLQ柴油機說明書上氣缸的尺寸在三維制圖軟件上畫出氣缸的三維圖，之后將三維圖導入Converge軟件。

在Converge燃燒仿真中，選擇湍流為雷諾平均法RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）、液滴為修正KH-RT模型和燃燒模型為SAGE化學求解模型，選擇合適的模型會使得仿真結果更加接近真實值。

在25%油門開度1300r/min的工況點進行仿真計算，并和實驗數據進行對比分析。

由圖1可以計算出曲線圍成的單缸每循環指示功為996.3W，根據功率的計算公式：

通過公式（2）可以算出出柴油機單缸的功率為12.45kW，四缸的指示功率就是49.8kW。而實驗測得的同等工況下的有效功率為48.34kW。有效功率是指示功率扣除機械損耗之后的功率，由于臺架實驗測功機與發動機通過聯軸器直接相連，機械損耗只有發動機內部的一小部分摩擦等損耗。因此在論文中看作兩者近似相等。因此，可以認為在動力性上，結果是準確的。

排放的比較本文選取雙燃料發動機里十分典型的排放物，碳氫化合物（見圖2）。根據實驗數據，該工況下碳氫化合物的排放為93ppm，根據反應前后質量守恒的原則，可以通過噴入氣缸的柴油量、天然氣量和進入的空氣大致計算出試驗所得的碳氫化合物質量為0.124g，仿真計算的結果為0.112g。從試驗數據和仿真計算結果對比可以得到，兩者之間的結果誤差在10%以內。因此，認為碳氫化合物的排放結果是準確的。

還有碳氧化合物以及氮氧化物等排放，仿真計算的數值和試驗值相差在10%以內，因此認為燃燒室的仿真模型是合理和有效的。

4? 高負荷下引燃油量對發動機性能的影響

4.1 理論天然氣量下引燃油量對發動機動力性的影響

高負荷下仿真計算選擇的是75%油門開度的1500r/min的工況點，選擇30%、50%和70%代表低、中、高替代率對動力性進行對比分析，天然氣進氣量依然根據第2章的方案確定。

由于替代率升高使得引燃油量不斷減少，雙燃料發動機的點火能量也在不斷減少。此時壓力變化率開始出現極大差異。說明引燃油量的不同導致點火能量的差異。因此，在保證天然氣量按照理論計算值供給的同時，隨著引燃油量的減少，氣缸內的最大壓力也不斷下降（見圖3）。

缸內壓力是表示動力性的一項重要指標，缸內壓力的減少就會導致氣缸內燃料燃燒的內能對活塞所做的指示功的減少。由圖4可以看出，隨著替代率的升高指示功在不斷下降，動力性隨替代率上升而下降。

由圖4可得三個引燃油量下發動機輸出功率：（表2）

三個引燃油量下都出現了動力性不足，而在高替代率時尤其明顯（見表2）。究其原因，一個是因為高負荷時噴入氣缸的柴油和天然氣比低負荷和中負荷時更多，但空氣進氣量卻相差不大，所以空氣進氣量出現不足。在高替代率時，由于天然氣噴射量更多，而天然氣的理論空燃比比柴油更大，需要更多的空氣，因此燃料無法徹底燃燒。第二個原因是因為在高替代率時引燃油量過少，導致點火能量不足，影響氣缸內的燃燒情況。

低、中、高三個替代率下氣缸內的溫度都是正常的燃燒溫度，低替代率和中替代率時缸內溫度接近3000K，也說明此時燃燒情況良好，燃料可以充分燃燒。在燃料充分燃燒的前提下卻出現動力性的不足，說明總燃料不夠（見圖5），可以增加引燃油量或天然氣供給量。

4.2 理論天然氣量下引燃油量對發動機經濟性的影響

研究低、中、高三個替代率對雙燃料發動機經濟性的影響，如表3所示。

燃料消耗率隨著替代率的升高而下降，主要原因是由于動力性的下降，在提高動力性的前提下，雙燃料發動機的燃料經濟性也會隨之上升。想要減少引燃油量，就必須比理論的天然氣供給量噴射更多的天然氣才能達到原機的動力性。

4.3 恒定天然氣量下引燃油量對發動機動力性的影響

高負荷在70%替代率的引燃油量下出現了動力性不足的情況，導致動力性不足的原因是燃料供給不足。針對引燃油量，論文在70%替代率的理論天然氣供給量之下，將引燃油量增大10%和20%，研究引燃油量的變化對雙燃料發動機動力性的影響。

由圖6可知，替代率越小，即引燃油量越大的時候缸內壓力也越大，越接近原機的動力性，這說明缸內燃燒情況隨著引燃油量的增加得到改善。

由示功圖圖7可知，隨著引燃油量的增加，燃燒內能所輸出的指示功也呈現上升的趨勢。根據計算可得（見表4）。

在天然氣進氣量恒定的情況下增加引燃油量，雙燃料發動機的輸出功率也隨之上升，這說明動力性出現不足的原因是燃料不足，增加了引燃油量之后動力性得到明顯的改善。

4.4 恒定天然氣量下引燃油量對發動機經濟性的影響

基于恒定的天然氣量，引燃油量的改變導致雙燃料發動機動力性的改變，燃料經濟性也隨之改變。

由于引燃油量的增加，雙燃料發動機動力性得到改善，原本相比于單燃料模式下偏小的輸出功率也隨著引燃油量的增加而上升。在燃料消耗量差別不大的情況下，在高替代率時增加天然氣進氣量使得輸出功率上升，可以有效改善燃料消耗率。因此，在供給高于理論值的天然氣量的前提下，可以選擇70%的替代率（見表5）。

5? 總結

本文基于計算機仿真模型對雙燃料發動機在高負荷下引燃油量及替代率對雙燃料發動機的燃燒的影響進行研究，得到如下結論：①根據理論計算的噴油量和天然氣供給量可以滿足雙燃料發動機的動力性。②在高負荷下，以理論天然氣供給量為基礎，隨著引燃油量的減少，雙燃料發動機的動力性由于點火能量的不足而下降;而隨著引燃油量減少的同時，燃料消耗率總體上呈現上升的趨勢。③在雙燃料模式下，高負荷的替代率選擇70%。

參考文獻：

[1]Chandra R， Vijay V K， Subbarao P M V， et al. Performance evaluation of a constant speed IC engine on CNG， methane enriched biogas and biogas[J].Applied Energy， 2011， 88（11）： 3969-3977.

[2]Von Mitzlaff K.，Engines for biogas，Friedr.Vieweg & sohn Verlagsgesellschaft GmbH，1988.

[3]Kettrup AA F， Kicinski H G， Masuch G. Investigating the effect of hydrogen peroxide on Norway spruce trees[J]. Analytical Chemistry， 1991，63（21）： 1047A-1056A.

[4]Namasivayam A M， Korakianitis T， Crookes R J， et al. Biodiesel， emulsified biodiesel and dimethyl ether as pilot fuels for natural gas fuelled engines[J].Applied Energy， 2010， 87（3）： 769-778.

[5]馮春龍.柴油LNG雙燃料發動機燃燒過程數值計算研究[D].江蘇科技大學碩士學位論文，2014.

[6]張武高，周明，歐陽明高.柴油天然氣雙燃料發動機的燃燒特性分析[J].內燃機學報，2000，18（3）：299-304.