进气道预混天然气对生物柴油发动机燃烧与排放性能的影响

敬启建， 罗斌， 何卓遥， 朱磊， 张武高

(上海交通大学动力机械与动力工程教育部重点实验室, 上海 200240)



·性能研究·

进气道预混天然气对生物柴油发动机燃烧与排放性能的影响

敬启建， 罗斌， 何卓遥， 朱磊， 张武高

(上海交通大学动力机械与动力工程教育部重点实验室, 上海 200240)

在1台QCH 1105单缸柴油机上，试验研究了进气道预混天然气对生物柴油发动机燃烧与排放性能的影响。结果表明：随着天然气预混比例的升高，生物柴油发动机最大燃烧压力减小，燃烧相位推迟，缸内平均温度略有下降，NOx排放明显降低；预混天然气时，大负荷工况下燃油消耗率有所下降，HC和CO排放有所增加，炭烟排放随着天然气预混率的升高大幅降低。可见，进气道预混天然气对改善生物柴油发动机的经济性和排放性具有良好的潜力。

生物柴油； 天然气； 进气预混合； 燃烧； 排放

传统压燃式发动机的扩散燃烧模式在大负荷下难以同时降低炭烟和NOx排放，而在天然气部分预混压缩点燃柴油的燃烧模式下，发动机兼具压燃式和点燃式的优势。有研究表明[1-4]，与柴油机相比，部分预混天然气条件下的柴油机具有与原柴油机相同的功率输出和负载响应性，CO2排放减少，炭烟排放显著下降，但NOx排放有所增加。

与普通化石柴油燃料相比，生物柴油的十六烷值高，含氧量高，且不含硫和芳香烃。生物柴油能从多种渠道获得，能从传统的油料经济作物(如大豆、油菜)、农林废弃物、陈化粮、动物油脂以及近海滩涂大面积繁殖的微藻中制取[5]，是一种非常有前景的柴油替代燃料。然而，生物柴油的黏度和表面张力比化石柴油高，对燃油喷射与雾化性能造成了不利影响[6]。

1 试验台架与装置

研究采用单缸、立式、四冲程QCH1105柴油机，并将原机的自然水冷形式改为强制水冷，试验机的主要技术参数见表1。

发动机试验台架示意见图1，包括试验发动机、试验燃料加注系统及试验测试系统。

表1 QCH1105发动机主要技术参数

测控系统采用的是FC2010；燃料消耗测试系统包括油耗仪、气体流量计；缸内燃烧分析系统由缸压测试系统、曲轴转速测试系统和燃烧分析仪组成；排放测试系统主要包括AVL五气体分析仪和不透光烟度计。

本试验所采用的生物柴油为车用普通生物柴油(由地沟油制取)，CNG采用市售的车用压缩天然气，主要成分为CH4。天然气体积流量采用LZB-15和LZB-10转子流量计测量，天然气体积流量的换算公式为

(1)

式中：Q1为换算后的天然气流量；Q2为转子流量计实际读数；p2/p1为进入流量计前的天然气绝对压力与标准大气压力的比；T1/T2为天然气的绝对温度与标准状况下绝对温度的比；ρ2/ρ1为标准情况下天然气密度和空气密度的比。所有测试都在稳态工况下进行。天然气消耗量转化为当量生物柴油消耗率的公式为

(2)

式中：be_CNG为天然气转换的当量有效燃油消耗率；τ为天然气标准流量转换因子；Q2为天然气体积流量；HL_CNG为标准状态下天然气的低热值；HL_bio为生物柴油的低热值；P为发动机的输出功率。

以热值计量的天然气预混比rp的计算公式：

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(3)

式中：rp为天然气预混比；mbio/P为生物柴油当量燃料消耗率;mbio为直喷生物柴油消耗量。

研究在最大扭矩对应的发动机转速1 600r/min下进行，针对该转速下75%和25%两种负荷，研究了天然气预混比对生物柴油发动机燃烧与排放性能的影响。

2 试验结果分析

2.1 对发动机燃烧性能的影响

图2和图3分别示出25%和75%负荷下，天然气预混比分别在0%，30%，50%时的缸内压力、放热率和缸内燃烧温度比较。

由图2a可知，在低负荷下，随着预混天然气量的增加，缸内最大燃烧压力和放热率峰值减小，燃烧柔和，滞燃期差别很小。由于CH4的化学性质稳定，随着预混天然气量的增加，生物柴油的量减少，滞燃期内形成的活化基团的量随之减少[7]。故天然气量的增加使得滞燃期内缸内形成的总体活化基团总量减少，引起预混燃烧初始阶段的放热率峰值降低。

在高负荷下，由图3a可以看出，随着天然气量的增加，放热率峰值先增后减。随着天然气量的增加，燃烧相位推迟(即滞燃期增加)，滞燃期形成的生物柴油活化基团的量随之增加[7]。因此，当天然气的替代率为0%～30%时，放热率峰值随天然气量的增加而增大。随着天然气的量进一步增加，大量的天然气表现出预混火焰传播的特点，降低了生物柴油预混合燃烧的比例，引起可燃混合物总体燃烧速度降低。故当天然气的替代率约为50%时，其放热率峰值相对降低，且缸内压力明显降低。

2.2 对发动机经济性的影响

图4和图5分别示出发动机在不同天然气预混比rp下的当量燃油消耗率及燃料消耗量。由图4可看出，低负荷工况、天然气预混模式下，生物柴油发动机的当量燃油消耗率高于纯生物柴油模式，且当量燃油消耗率随着天然气预混比的增加而升高。主要是因为在低负荷工况下缸内可燃混合物的当量比小，随着预混天然气比例的增加，直喷生物柴油量减少(见图5)，可燃混合物的燃烧速度降低，燃烧相位向后推迟，从而使得发动机热效率降低，燃油消耗率增加；高负荷工况下，直喷生物柴油的量很大，预混天然气的量为20%～40%时对直喷生物柴油自身形成的预混燃烧比例基本没影响，此时预混天然气加大了预混燃烧的总燃料量，引起燃烧速度加快，当量油耗率下降；当天然气预混率rp超过40%后，直喷柴油的量不再增加，综合燃烧速度反而因为燃烧速度较低的天然气的量的增多而降低，最终导致燃油消耗率升高。

2.3 对发动机排放的影响

图6示出天然气预混率对发动机HC排放的影响。由图可知：预混天然气后，发动机的HC排放远高于纯生物柴油发动机的HC排放，且随着天然气预混率的增加而增加。这主要是由于随着预混天然气量的增加，由壁面淬熄和狭缝效应所引起天然气不完全燃烧的量增加。

由图6还可以看出，低负荷下的HC明显高于高负荷下的HC排放。这是由于天然气的主要成分为CH4，其结构较稳定，低当量比下氧化困难，且低负荷下缸内燃烧温度较低，故燃料不易完全燃烧，导致HC排放较高；而在高负荷下，缸内的燃烧温度高，有利于燃料的氧化和燃烧。

图7示出CO排放量随预混天然气量的变化，由图可知：1)高负荷下的CO排放高于低负荷下，这是由于高负荷下喷入的燃料总量高于低负荷下喷入的燃料总量，缸内氧浓度低于低负荷下的氧浓度，即高负荷下的当量比相对于低负荷下的当量比高，故其CO排放较高；2)CO排放随着rp的增加而增大，这是由于天然气是从进气道喷入，天然气占据一定的体积，那么随着天然气量的增加，进入到气缸的空气量降低，即当量比增加，故CO随着天然气替代率的增加而升高。

图8示出天然气预混率rp对NOx排放的影响。可见在高负荷下NOx排放远高于低负荷下的NOx排放；随着天然气预混率的增加，NOx排放先降低后增加。低负荷下，在天然气预混率不超过30%时，NOx排放比纯生物柴油时的NOx排放低，由图2b可知，随着天然气预混率的增加，缸内最高燃烧温度是先降低后升高，即当天然气预混率超过30%时，NOx排放因缸内温度升高而逐渐增加。

高负荷下，掺混天然气后的NOx排放低于纯生物柴油时的NOx排放，这是由于发动机燃料掺混天然气后缸内最高燃烧温度有所降低。同理，由图3b可知，随着天然气预混率的增加，缸内最高燃烧温度也是先降低后升高，在天然气预混率从0%增加到40%左右，NOx排放逐渐降低，当天然气预混率继续增加到50%左右，NOx排放量有所升高。

图9示出排气中炭烟排放随rp的变化。由图可知：1)发动机高负荷下的炭烟排放高于低负荷下的炭烟排放，这是因为高负荷下生物柴油形成的扩散燃烧比例增大，局部过浓区增多。2)在低负荷工况下，随着天然气替代率的增加，炭烟排放呈缓慢增加的趋势。炭烟的生成主要是在高温缺氧环境下，而在低负荷下，燃料总量较少，缸内温度较低，当量比在低rp时较低，因此，当rp低于30%时，炭烟排放几乎不变。而当rp达到30%之后，缸内燃烧温度有所升高，且随着当量比的进一步增加，出现局部过浓区域，炭烟排放随之增加。3)在大负荷工况下，随着天然气替代率的增加，炭烟排放先大幅下降后上升。炭烟的主要来源是生物柴油，当rp由0%增加到约40%，随着rp的升高，喷入缸内的生物柴油量减少，故其生成炭烟的概率降低，且由图3b可知，缸内燃烧温度逐渐降低，随着rp的升高，炭烟排放大幅降低。而当rp进一步增加到约50%时，炭烟排放急剧增大。这是因为天然气由进气道喷入，挤占了部分新鲜空气，即当量比随着rp的升高而变大，当rp增加到40%后，局部高当量比区域增多，且由图3b可知，此时缸内燃烧温度升高，故高温下过浓区增多导致炭烟急剧增高。

3 结论

a) 随着天然气预混率的增加，着火时刻及燃烧相位延迟，且在高负荷下较明显；掺混天然气后，发动机的燃烧速度加快，最高燃烧压力降低，缸内最高燃烧温度降低；

b) 在大负荷下，通过合理优化天然气和生物柴油的比例，可以促进发动机缸内燃烧，降低有效燃油消耗率，提高发动机的热效率；

c) 低负荷时，当rp低于40%时，天然气对发动机的炭烟排放没有明显的影响，但可以明显降低发动机的NOx排放；而在大负荷时，合理组织天然气和生物柴油的比例可以同时降低炭烟和NOx排放。

[1] Lim O,Iida N,Cho G,et al.The Research about Engine Optimization and Emission Characteristic of Dual Fuel Engine Fueled with Natural Gas and Diesel[C].SAE Paper 2012-32-0008.

[2] Shiraiwa N M,Mozardo R,da Costa C M,et al.Dual Fuel Engine-Diesel and Compressed Natural Gas Engine and After Treatment System[C].SAE Paper 2013-36-0490.

[3] Ozener O,Yüksek L,Ergenc A T,et al.Effects of soybean biodiesel on a DI diesel engine performance, emission and combustion characteristics[J].Fuel, 2014,115: 875-883.

[4] Ryu K.Effects of pilot injection pressure on the combustion and emissions characteristics in a diesel engine using biodiesel-CNG dual fuel[J].Energy Conversion and Management, 2013,76:506-516.

[5] 孔维宝,华绍烽,宋昊,等.利用微藻生产生物柴油的研究进展[J].中国油脂,2010(8):51-56.

[6] 刘宇.生物柴油燃料喷雾、燃烧及碳烟生成过程可视化研究[D].长春：吉林大学，2011.

[7] James E.House.Principles of Chemical Kinetics[M].2nd ed. America: Academic Press, 2007.

[编辑: 李建新]

Effects of Premixed CNG in Intake Port on Combustion and Emission Performance of Biodiesel Engine

JING Qijian, LUO Bin, HE Zhuoyao, ZHU Lei, ZHANG Wugao

(Key Laboratory of Power Machinery and Engineering, Ministry of Education,Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240, China)

The effects of premixed CNG in intake port on the combustion and emission performance of biodiesel engine were investigated on a QCH 1105 single cylinder diesel engine. The results show that the maximum combustion pressure decreases, the combustion phase retarded, the average in-cylinder temperature decreases slightly and the NOxemission reduces significantly with the increase of CNG premixed ratio. At high loads, the specific fuel consumption decreases, the HC and CO emissions increase and the soot emission reduces greatly. Accordingly, the premixed CNG in intake port has great potentials to improve fuel economy and emissions.

biodiesel; CNG; intake premixing; combustion; emission

2014-11-21;

2015-05-25

国家支撑计划项目(51376118)；上海交通大学科研启动计划

敬启建(1989—)，男，硕士，研究方向为车用发动机燃烧与排放研究；jingqj@sjtu.edu.cn。

张武高，副教授，博士；zhangwg@sjtu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.007

TK411.71

B

1001-2222(2015)04-0032-05