喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料的影响

宋建桐， 张春化， 李婕

(1. 北京电子科技职业学院汽车工程学院， 北京 100176；2. 长安大学交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室， 陕西 西安 710064)



喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料的影响

宋建桐1， 张春化2， 李婕1

(1. 北京电子科技职业学院汽车工程学院， 北京 100176；2. 长安大学交通新能源开发、应用与汽车节能陕西省重点实验室， 陕西 西安 710064)

为了在电控共轨柴油机上应用LNG，将电控共轨柴油机改装为柴油引燃天然气双燃料发动机，研究了引燃柴油喷油正时对双燃料发动机性能与排放的影响。试验选取最大扭矩转速1 600 r/min和标定转速2 500 r/min，在不同油门开度工况下研究了双燃料发动机的功率、燃料消耗量、有效燃料消耗率和排放。试验结果表明：随喷油正时的提前，双燃料发动机的输出功率先增大后降低；有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正时处达到最低；HC，CO和炭烟排放降低，CO2排放升高；油门开度较小时的NOx排放降低，而油门开度较大时升高。

柴油机； 液化天然气； 多元燃料发动机； 喷油正时

天然气被认为是最清洁的石化燃料，其主要成分为甲烷。常压下，天然气沸点为-162 ℃，天然气液化后，其体积为原来的1/600。液化天然气(LNG)的甲烷含量大于98%，其性质与甲烷非常接近。压力为20 MPa的压缩天然气(CNG)常温下的密度为175 kg/m3，而LNG的密度为435 kg/m3[1-2]。与CNG相比，LNG在提高车辆的续驶里程方面具有一定优势。

很多学者已经在传统柴油机上对发动机燃用天然气-柴油双燃料的排放、性能和燃烧特性进行了大量研究。与传统柴油机相比，电控共轨柴油机具有喷油压力高、雾化好，喷油量与喷油正时控制精确、调节方便，容易实现多次喷油等优点，所以在电控共轨柴油机上应用天然气-柴油双燃料具有一定优势。

本试验在一台共轨柴油机上研究了引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油引燃LNG双燃料发动机动力性、经济性及排放的影响，为电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料时引燃柴油喷油正时的优化控制提供研究基础。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

试验用LNG-柴油双燃料发动机由1台6缸、四冲程、增压中冷、强制水冷、电控共轨、直喷式柴油机改造而成，其主要性能和结构参数见表1。电控共轨柴油引燃天然气双燃料发动机试验台架见图1。天然气混合器安装在中冷器和发动机之间的进气总管上，天然气与空气在混合器内混合后进入发动机。试验用主要测量仪器见表2。

表1 试验发动机主要技术参数

表2 试验测量仪器

1.2 试验方法

试验选取原柴油机的最大扭矩转速1 600 r/min和标定转速2 500 r/min，油门开度分别为52%@1 600 r/min(原机功率40.5 kW，负荷率30%)、58%@1 600 r/min(原机功率80.7 kW，负荷率60%)、89%@2 500 r/min(原机功率48.9 kW，负荷率30%)和93%@2 500 r/min(原机功率96.8 kW，负荷率60%)。使发动机以双燃料的模式运行，保持油门开度与原机相同，并通过标定软件将引燃柴油量分别控制为2.48 kg/h@1 600 r/min，2.6 kg/h@1 600 r/min，3.93 kg/h@2 500 r/min和4.22 kg/h@2 500 r/min，调节天然气供给量，使双燃料发动机保持与原柴油机相同的转速和功率输出，并将喷油正时设置为最大功率正时，即为42°BTDC，15.5°BTDC，48°BTDC和30°BTDC。依次减小或增大喷油正时，并保证双燃料发动机正常运转，同时记录不同喷油正时下的双燃料发动机的功率、扭矩、柴油消耗量、天然气消耗量和排放等参数。

2 试验结果与分析

2.1 动力性

引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料功率的影响见图2。由图2可看出，随喷油正时的提前，双燃料发动机的输出功率先增大后降低，在最大功率正时处达到最高；相同转速下，随油门开度的增大，双燃料发动机的最大功率正时推后。

随引燃柴油喷油正时提前，柴油喷入气缸时的缸内温度和压力降低，引燃柴油的滞燃期变长，滞燃期内形成的可燃混合气增多，当缸内温度达到柴油的自燃温度时，预混合燃烧的燃油量增多，放热集中，功率增大。另外，由于引燃柴油喷油正时提前，预混合燃烧的柴油量增加，引燃柴油形成的着火点数量和能量增加，有利于天然气充分燃烧。但当引燃柴油的喷油正时超过最大功率正时时，因燃烧过早而增加负功，动力性变差。

与传统汽油机和柴油机相比，双燃料发动机的燃烧过程具有柴油机扩散燃烧和汽油机奥托循环燃烧的双重特点[3]。对于汽油机来说，随转速增大，气缸内紊流增强，火焰传播速度增大，而循环时间减小，燃烧过程延长，所以点火提前角应增大；汽油机是量调节，随负荷的增大，进入气缸混合气的量增大，气缸内的残余废气相对减少，火焰传播速度增大，点火提前角应减小。对于柴油机来说，喷油正时应随转速增加而提前，原因与汽油机类似；转速不变，随负荷增大，喷油量增加，喷油期和燃烧持续期增大，喷油正时也应提前[4]。随转速的增大，双燃料发动机引燃柴油喷油正时提前，原因与汽油机和柴油机相似；而在相同转速下，随负荷的增大，引燃柴油量变化量较小，天然气供给量增大，天然气-空气混合气变浓，火焰传播速度增大，所以随负荷的增大，引燃柴油的最大功率正时推迟。

2.2 经济性

2.2.1 燃料消耗量

引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料燃料消耗量的影响见图3。由图3可知，随喷油正时的提前，双燃料发动机的燃料消耗量变化不大，这是因为随喷油正时的提前，引燃柴油的喷油脉宽和天然气的喷气脉宽都没有变化，但是引燃柴油的油轨压力和天然气的压力存在一定波动，导致燃料消耗量略有波动。

2.2.2 有效燃料消耗率

引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料的有效燃料消耗率的影响见图4。随喷油正时的提前，双燃料发动机的有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正时处达到最低，油门开度为58%@1 600 r/min和93%@2 500 r/min时特别明显；相同转速下，随油门开度的增大，双燃料发动机的有效燃料消耗率降低，油门开度较小时，引燃柴油喷油正时对双燃料发动机有效燃料消耗率的影响较大。

随喷油正时的提前，引燃柴油滞燃期变长，滞燃期内形成的可燃混合气增加，天然气-空气混合气的着火点和着火能量增多，燃烧得到改善；而且燃烧等容度增加，热效率增加，所以有效燃料消耗率随引燃柴油喷油正时的提前而降低。当喷油正时大于最大功率正时时，由于燃烧过早，压缩负功增加，造成双燃料发动机的有效燃料消耗率增大。

在相同转速下，随油门开度的增大，双燃料发动机的引燃柴油量变化不大，但天然气供给量增加，天然气-空气混合气变浓，缸内温度升高，燃烧状况得到改善，有效燃料消耗率降低。油门开度较小时，混合气过稀，火焰传播速度降低，容易出现失火现象，随喷油正时提前，燃烧得到明显改善，引燃柴油喷油正时的影响较大；而在油门开度较大时，混合气较浓，火焰传播速度快，引燃柴油喷油正时的影响变小。

2.3 排放

2.3.1 HC

引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料HC排放的影响见图5。随喷油正时的提前，双燃料发动发动机的HC排放降低。相同转速和喷油正时下，随油门开度的增大，双燃料发动机的HC排放降低。

随喷油正时的提前，引燃柴油滞燃期变长，滞燃期内形成的可燃混合气增多，混合气的着火点和着火能量增多，燃烧得到改善，缸内温度和压力较高，有利于燃料完全氧化。另外一方面，由于喷油提前，燃烧开始较早，HC有充足的时间进一步氧化，使HC排放降低。

相同转速和喷油正时下，随油门开度的增大，天然气-空气混合气变浓，火焰传播速度加快，而且燃烧温度和压力升高，因局部失火而产生的HC排放降低。

2.3.2 CO

引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料CO排放的影响见图6。随喷油正时的提前，双燃料发动机的CO排放降低。双燃料发动机的过量空气系数较大，由于缺氧而不完全燃烧所产生的CO比较少，大多是因为混合气过稀而产生的CO。随喷油正时的提前，CO排放降低，这与HC排放降低的原因相似。

2.3.3 CO2

引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料CO2排放的影响见图7。随喷油正时的提前，双燃料发动机的CO2排放升高，这是因为随喷油正时的提前，引燃柴油滞燃期变长，滞燃期内形成的可燃混合气增多，天然气着火点的数量和能量增加，燃烧得到改善，有利于燃料完全燃烧，CO和HC排放降低，CO2排放升高。另外，由于喷油正时提前，燃烧始点提前，CO和HC排放有充足的时间进行氧化，进一步增加CO2的排放。

2.3.4 NOx

引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料NOx排放影响见图8。相同转速下，随喷油正时的提前，油门开度较小时，双燃料发动机的NOx排放降低，而油门开度较大时，NOx排放增加。

影响NOx生成的主要因素有温度、氧浓度和滞留时间。随着温度的升高，NOx平衡浓度升高，生成速度也加快，特别是氧浓度较大时；生成NOx的化学反应比燃烧反应慢，即使在高温、富氧条件下，如果停留时间过短，NOx的生成量也会很低。

油门开度较大时，随喷油正时的提前，燃烧得到改善，缸内温度升高，而且由于功率增大，排温升高，涡轮增压进气压力增大，缸内氧浓度增大，因此NOx排放急剧升高。另外，随着喷油提前，上止点前的燃烧时间变长，燃烧持续期增加，氮气在燃烧室内滞留时间变长，也会造成NOx排放升高[5]。

随负荷的降低，柴油机的喷油量降低，缸内温度和压力降低，滞燃期变长。着火前，柴油接近完全蒸发的预混状态，其燃烧过程接近预混合均质压燃[6]。油门开度较小时，双燃料发动机引燃柴油量较少，随喷油正时的提前，柴油滞燃期变长，蒸发时间较长，引燃柴油和天然气-空气混合气混合得过于均匀且过稀，着火时为多点同时着火，没有明显的火焰前锋，燃烧反应均匀且迅速，燃烧温度分布均匀，因局部混合气过浓，导致局部温度过高而产生的NOx排放降低[7]。所以，随引燃柴油喷油正时的提前，双燃料发动机的NOx排放明显减少。

2.3.5 炭烟

引燃柴油喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料炭烟排放的影响见图9。随着喷油正时的提前，双燃料发动发动机的炭烟排放降低。炭烟生成的基本条件是高温、缺氧。当喷油正时较小时，由于喷油开始时缸内压力和温度均比较高，使引燃油在尚未充分蒸发的情况下便达到了自燃的混合气浓度区域[8]，造成炭烟排放较高。随喷油正时的提前，引燃柴油的滞燃期变长，滞燃期内形成的混合气增加，混合气均匀，燃烧比较充分，另外，随喷油正时的提前，引燃柴油产生的炭烟在高温条件下氧化的时间增长，从而导致炭烟排放越来越低[5]。

3 结论

a) 随转速的增大，双燃料发动机引燃柴油喷油正时提前；在相同转速下，随负荷的增大，引燃柴油的喷油正时推后；

b) 随喷油正时的提前，双燃料发动机的输出功率先增大后降低，在最大功率正时处达到最高；有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正时处达到最低；HC，CO和炭烟排放降低，CO2排放升高；油门开度较小时，NOx排放降低，而油门开度较大时升高；

c) 小负荷时，为了获得良好经济性，双燃料发动机的引燃柴油喷油正时可采用最大功率喷油正时；而在中、大负荷时，为了降低NOx排放，双燃料发动机的引燃柴油喷油正时可适当推迟。

[1] Kumar S,Kwon H,Choi K,et al.LNG: An eco-friendly cryogenic fuel for sustainable development[J]．Applied Energy,2011,88(12):4264-4273.

[2] Ma Z,Huang Z,Li C,et al.Combustion and emission characteristics of a diesel engine fuelled with diesel-propane blends[J]．Fuel, 2008,87(8):1711-1717.

[3] 宋建桐，张春化，吴晗，等.替代率对柴油引燃天然气发动机性能的影响[J]．甘肃农业大学学报，2012,47(6):151-155.

[4] 刘铮，王建昕.汽车发动机原理教程[M]．北京：清华大学出版社，2001.

[5] 秦建文，陈小敏，潘志军.柴油机高压共轨喷射系统参数对燃烧和排放性能影响的研究[J]．内燃机车,2012(6):1-6.

[6] 姚广涛.预混合压燃发动机混合气形成与燃烧过程研究[D]．天津：天津大学，2005.

[7] Papagiannakis R G,Hountalas D T.Combustion and exhaust emission characteristics of a dual fuel compression ignition engine operated with pilot Diesel fuel and natural gas[J]．Energy Conversion and Management,2004,45(18/19):2971-2987.

[8] 姚春德，姚广涛，宋金瓯，等.柴油引燃预混合天然气实现准均质压燃着火燃烧方式的理论研究[J]．汽车工程，2005(2):168-171.

[编辑： 袁晓燕]

·信息·

《车用发动机》杂志入编2014年版《中文核心期刊要目总览》

日前，2014年版《中文核心期刊要目总览》(第七版)由北京大学出版社出版，《车用发动机》杂志入编《中文核心期刊要目总览》之能源与动力工程类核心期刊，这是《车用发动机》杂志连续第七次入编《中文核心期刊要目总览》。2014年版《总览》在14 700余种期刊中评选出1 983种核心期刊，其中能源与动力工程类参评期刊73种，最终入编核心期刊的有13种。

Effects of Injection Timing on Electronic Control Common Rail Diesel Engine Fuelled with LNG-Diesel Dual Fuel

SONG Jiantong1, ZHANG Chunhua2, LI Jie1

(1. Automobile Engineering School, Bejing Polytechnic, Beijing 100176, China;2. Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Chang’an University, Xi’an 710064, China)

For the application of LNG, an electronic control common rail diesel engine was retrofitted as a LNG-diesel dual fuel engine and the influence of pilot diesel injection timing on the performance and emission of dual fuel engine was researched. The test points were different load conditions of 1 600 r/min maximum torque speed and 2 500 r/min rated speed and the power, fuel consumption, brake specific fuel consumption and emission of dual fuel engine were studied. The experimental results show that the brake power first increases and then decreases with the advance of injection timing. The brake specific fuel consumption first decreases and then increases, and reaches the lowest at injection timing of maximum power. The HC, CO and smoke emissions reduce and CO2emission increases. NOxemission increases and decreases at the corresponding large and small throttle opening.

diesel engine; LNG; multi-fuel engine; injection timing

2015-03-28；

2015-06-03

北京市教育委员会科技计划面上项目(KM201410858004)；中央高校基本科研业务费专项基金项目(2014G1502035)

宋建桐(1980—)，男，副教授，博士，主要研究方向为交通新能源与节能工程；tjsjt@126.com。

张春化(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向为内燃机燃烧与排放、汽车节能技术；zchzzz@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.017

TK46.4；TK421.2

B

1001-2222(2015)06-0085-05