CNG/柴油双燃料发动机燃烧特性研究

王晓辉 秦克印 郝宝玉

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

CNG/柴油双燃料发动机燃烧特性研究

王晓辉 秦克印 郝宝玉

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

基于某高压共轨柴油机进行CNG/柴油双燃料发动机的燃烧特性研究。在不同工况下通过改变引燃柴油的喷射参数及空燃比改变燃烧特性，对发动机燃烧压力进行实时测量，对比分析双燃料发动机与柴油机的燃烧差异及引燃油量、引燃时刻和空燃比对双燃料发动机燃烧的影响。基于试验得出双燃料发动机的放热率、起燃时刻及燃烧持续期等特征，从而给出双燃料发动机性能提升建议。

1 试验样机

以一汽CA6DL2-35E4R发动机为研究对象，增加节气门、天然气减压部件、气轨、天然气喷嘴及燃气电控系统。燃料供给系统采用电装高压共轨系统及一汽天然气供给系统(进气道多点喷射)；控制系统采用双ECU协同控制:单柴油模式工作时由柴油机ECU控制工作，双燃料工作时由柴油机ECU控制喷油、天然气ECU控制喷气协调工作。试验用发动机的主要技术参数如表1所列。

表1 双燃料发动机主要技术参数

2 试验方案

试验选取发动机欧洲稳态测试循环（ESC循环）中A25、A75、C25、C75 4个工况点，覆盖排放区内高低转速及高低负荷，以表征双燃料发动机工作特性。在无进气控制和有进气控制两种燃料调节模式下分别研究引燃油量（替代率）、引燃时刻（柴油喷射时刻SOI）及空燃比λ对双燃料发动机燃烧的影响特点。

天然气质量替代率φm为发动机工作在相同工况且改用双燃料工作方式后，被天然气所替代的柴油量与原纯柴油工作方式的总柴油量之比，其表示天然气替代柴油量的多少，替代率越大，燃料经济性越好。其计算公式为:

式中，ma为柴油单燃料工作时柴油量；mb为双燃料工作时柴油量。

天然气能量替代效率φe为发动机工作在相同工况时，改用双燃料工作方式后,被替代柴油的理论能量与所消耗天然气的理论能量之比，其表示天然气燃烧有效热效率与柴油燃烧有效热效率之比，替代率越大，天然气燃烧完善程度越高。计算公式为:

式中，Hd为柴油低热值；mg为双燃料工作时燃气量；Hg为天然气低热值。

3 试验结果及分析

3.1 不同替代率下双燃料发动机燃烧特性

图1所示为喷油提前角为0°时各工况放热率随替代率的变化情况。可知，当发动机运行于小负荷时，随着替代率增大，放热率峰值变小，滞燃期变长，燃烧持续期加长，燃烧重心后移；放热率峰值均小于原柴油机，其原因是此时λ较大，天然气燃烧速度较低。当发动机运行于较大负荷时，随着替代率增大，放热率峰值变大，滞燃期及燃烧持续期缩短，燃烧重心提前；高转速时，缸内燃烧放热率峰值较高，且放热率与柴油机放热率相当，没有明显的预混燃烧及扩散燃烧阶段，放热较为集中，放热率峰值均要大于原柴油机。

图2所示为能量替代效率随着替代率的变化情况。可知，大负荷时的替代效率及有效热效率要高于小负荷，且随替代率变化不明显；而小负荷时，替代效率随着替代率增大而降低。因此，从发动机燃烧特性、排放限值及经济性考虑，在较小负荷时应采用小的替代率以保证燃料热效率，在较大负荷时应该尽可能提高替代率。

3.2 不同SOI下双燃料发动机燃烧特性

图3所示为各工况下双燃料发动机缸内燃烧放热率随SOI的变化情况。可知，随着SOI的提前，燃烧始点和燃烧中心前移，放热主要集中在上止点附近，发动机的有效热效率有所增大，但滞燃期短，形成的引燃点少，整体燃烧速度慢，燃烧持续期反而较长；随着SOI的推迟，放热主要集中在活塞下行阶段，缸内体积增大，散热损失增大，导致热效率降低。

图4所示为各工况不同替代率时天然气替代效率随SOI的变化情况。由图4可以看出，随着SOI的提前，替代效率升高，即缸内燃烧热效率提高，这是因为SOI提前，放热中心更接近上止点，工质做功能力更强。当SOI后推，随着替代率的增大，缸内燃烧滞燃期增加，形成的引燃点增多，因此有助于缸内混合气的快速燃烧，缩短燃烧持续期，替代效率增大。图4中替代效率大于1时，表征此时双燃料发动机的有效热效率比原发动机要高。因此，考虑天然气替代率和SOI对发动机燃烧的影响，SOI对双燃料发动机燃烧特性及热效率的影响更大一些。

3.3 不同λ下双燃料发动机燃烧特性

图5所示为各工况下放热率随λ变化情况。由图5可以看出，小负荷工况时，随着λ变大，放热规律逐渐呈现出双峰规律，即会出现预混燃烧和扩散燃烧峰值，说明混合气越稀，燃烧火焰的传播速度较慢，燃烧持续期更长，放热率峰值降低，从而使有效热效率降低。因此，在低负荷时应在满足排放限值下尽量采取较小的λ，以有利于发动机的燃烧性能。且从图5中还可以看出，小负荷、大替代率时的总体热效率要低于小替代率时。随着λ变小，滞燃期变长，其原因是λ变小使得发动机缸内充量减少，进而导致压缩冲程最大压力变小，推迟了引燃柴油的自燃时刻。滞燃期变长，产生的引燃点增多，混合气燃烧速度加快，放热率峰值变大，发动机的有效热效率升高。

图6所示为替代效率随λ的变化情况。从图6中可以看出,存在最优的λ区间，即1.5左右，此时替代效率最大。

4 结束语

a.替代率、SOI、λ等供给系统参数对双燃料发动机的燃烧特性影响显著，并影响发动机的动力性、经济性、排放性。

b.双燃料发动机在低负荷时，由于天然气的火焰传播速率较低，导致燃烧速率比柴油机低，燃烧放热率降低，燃烧持续期长，最高爆发压力降低，压力升高率降低，燃烧噪声下降；而在较大负荷时，燃烧放热率与柴油机相当，峰值放热率则高于柴油机。

c.双燃料发动机在低负荷时，为保证燃料高效利用及满足排放限值，应适当降低替代率；而在较大负荷时，由于发动机有效热效率较大，在保证排放限值前提下尽量提高替代率以保证经济性。

d.随着SOI的提前，双燃料发动机燃烧更加充分，热效率更高，高负荷爆震可能性增加。

e.λ对双燃料发动机的燃烧特性影响显著，控制系统中应加以控制，试验得出双燃料发动机λ最优范围区在1.5左右。

Research on Combustion Characteristicsof Diesel/CNG Dual Fuel Engine

Wang Xiaohui1,Qin Keyin1,Hao Baoyu1
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

The combustion characteristics of a diesel/CNG dual fuel engine based on CR diesel engine is studied in this paper.At different working conditions,diesel injection parameter and A/F ratio are altered to change combustion characteristic and measure the combustion pressure in real-time,the difference in combustion characteristic of the dual fuel engine and the diesel engine aswell as the influence of the pilot fuel quantity and A/F ratio on the engine combustion are compared and analyzed.Based on the test results,the heat release rate,the start time of the combustion and the duration of combustion are obtained,themethods to improve the performance of the dual fuel engine are suggested.

Diesel/CNG dual fuel engine,Combustion characteristic,Pilot fuel quantity, Pilot fuel supply tim ing

CNG/柴油双燃料发动机燃烧特性引燃油量引燃时刻

U464.172

A

1000-3703（2014）09-0013-05