柴油引燃天然气双燃料发动机燃烧与排放特性研究*

宋建桐　李　婕　刘敏杰　成　林（北京电子科技职业学院汽车工程学院　北京　100176）

柴油引燃天然气双燃料发动机燃烧与排放特性研究*

宋建桐李婕刘敏杰成林
（北京电子科技职业学院汽车工程学院北京100176）

在传统柴油机的压缩比下，天然气不能够被压燃。为了在柴油机上应用天然气，必须采用双燃料的特殊工作方式。燃烧室内预混合的天然气-空气混合气的着火源由直接喷入燃烧室的高十六烷值的引燃燃料提供。为了研究柴油引燃天然气双燃料发动机的燃烧和排放特性，分析了双燃料发动机缸内压力随曲轴转角的变化规律，研究了引燃柴油喷油正时、喷油量、EGR和进气温度对双燃料发动机HC排放、CO排放、CO2排放、NOχ排放和炭烟排放的影响。

柴油/天然气 双燃料 燃烧 排放

引言

自发明柴油机起，人们就开始对柴油机的结构进行大量的研究与设计，而且也一直为柴油机开发更适宜的新燃料［1］。后来，随着柴油价格持续走低，人们失去了开发代用燃料的热情。直到20世纪70年代，石油危机的到来，又激起了人们开发代用燃料的热情［2］。

截至2011年8月16日，世界汽车保有量突破10亿辆。根据公安部统计，截至2014年11月27日，我国民用机动车总保有量达2.64亿辆。其中，各类汽车1.54亿辆，摩托车1.1亿辆。随着汽车保有量的迅速增长，能源危机，环境污染和城市拥堵等变得日益严重。开发可替代清洁能源，实现节能减排成为全球各国能源政策的重要内容，发展新能源汽车成为汽车行业发展的必然选择。2013年2月，国务院办公厅关于加强内燃机工业节能减排的意见中就明确指出，重点发展替代燃料内燃机产品的研发，鼓励积极发展柴油/天然气双燃料内燃机［3］。

天然气是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烷烃混合物，还含有少量的烯烃，如乙烯及微量的硫化氢和氮气。天然气汽车可以以压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）为燃料。天然气作为车用燃料已经具有数十年的历史。常压下，天然气沸点为-162℃，天然气液化后，其体积缩小为原来的1/600。液化天然气的甲烷含量大于98%，其性质与甲烷非常接近。在常温下，压力为20MPa的压缩天然气密度为175kg/m3，液化天然气的密度为435 kg/m3［4］。

为了研究柴油引燃天然气双燃料发动机的燃烧和排放特性，本文分析了双燃料发动机缸内压力随曲轴转角的变化规律，研究了引燃柴油喷油正时、喷油量、EGR率和进气温度对双燃料发动机HC排放、CO排放、CO2排放、NOχ排放和炭烟排放的影响。

1　燃烧分析

目前，车用内燃机以压燃（柴油机）和点燃（汽油机）两种为主。压燃发动机进入气缸的空气被压缩，缸内温度和压力升高，并且达到燃料（高十六烷值）的自燃温度，当燃料喷入气缸时，燃料自燃并开始燃烧；而点燃发动机进入气缸的燃料（高辛烷值）和空气混合气被压缩，并在恰当的时候被点燃。双燃料发动机的燃烧具有上述两种发动机燃烧方式的双重特点，具有较高辛烷值的燃料和空气混合气进入传统柴油机并被压缩，但由于燃料自燃温度很高，缸内温度不足以使其自燃，所以在压缩终了时，要向发动机内喷入高十六烷值燃料来引燃。例如利用柴油引燃天然气的柴油/天然气双燃料发动机，当天然气用完后，双燃料发动机可以转换为柴油机，继续工作，但它的缺点就是其必须依赖于柴油［5］。

柴油/天然气双燃料发动机燃烧缸内压力如图1所示。AB为引燃柴油滞燃期，BC为引燃柴油速燃期，CD为天然气的滞燃期，DE为天然气的主燃期，EF为天然气扩散燃烧阶段。与柴油机相比，相同喷油提前角下，引燃柴油的滞燃期增大，这主要是因为天然气以气体形式进入气缸，占去一部分氧气，混合气中氧浓度下降。与原机相比，引燃柴油量非常少，所以BC段压力升高较小。由于天然气滞燃期较长，自燃温度较高，再加上活塞下行，造成CD段压力略有降低。DE段的燃烧始于引燃柴油的点燃，燃烧很不稳定，但由于此时活塞下行，缸内压力升高较慢。天然气的扩散燃烧EF段始于最高压力时刻，并持续到排气冲程，这主要是因为天然气燃烧速率较低，而且引燃柴油燃烧产生的废气稀释了缸内混合气浓度［5］。

图1　柴油引燃天然气双燃料缸内压力

2　排放特性

2.1HC排放

与传统柴油机相比，双燃料发动机的HC排放明显升高［6-7］。小负荷时，双燃料发动机的HC排放为传统柴油机的60倍［7］。这主要是因为天然气-空气混合气过稀而不能完全燃烧［8］，燃烧火焰不能传播到整个燃烧室［9］。随负荷的增大，双燃料发动机的HC排放降低，在大负荷时，与传统柴油机的HC排放接近［9］，这是因为大负荷时，双燃料发动机的混合气较浓，燃烧温度较高，大部分的燃料完全燃烧。随着喷油正时的增大，小负荷时双燃料发动机的HC排放略有降低［10］，这是因为随着喷油正时的增大，燃料氧化时间变长。随着引燃柴油量的增大，双燃料发动机的HC排放降低，中、小负荷特别明显，这是因为小负荷时，混合气过稀，引燃柴油的火焰无法传播到整个燃烧室，部分燃料无法燃烧。随着引燃柴油量的增加，引燃柴油燃烧释放的能量增加，天然气-空气混合气的燃烧得到改善，HC排放降低。理论上，较多的引燃柴油会在天然气-空气混合气中产生较多个着火点，火焰从每个着火点迅速传播满整个燃烧室［11-12］。因此，在小负荷时，增大引燃柴油量能够显著改善天然气-空气混合气的燃烧，降低HC排放。在大负荷时，天然气-空气混合气的浓度达到着火下限，能够正常燃烧，增大引燃柴油量对HC排放影响不大［13］。随着EGR率的增加，双燃料的HC排放降低，特别是在小负荷。这主要是因为小负荷时，混合气很稀，有足够的氧气使EGR引入的HC排放燃烧，而且EGR引入的废气占去部分空气，混合气变浓也会使HC排放降低。另外，EGR使进气温度升高，改善燃烧，进一步降低HC排放。随着进气温度升高，双燃料发动机的HC排放降低［14］。

2.2CO排放

在小负荷下，双燃料发动机的CO排放明显升高，随着负荷增大，其排放逐渐降低，并与传统柴油机接近，这是因为大负荷其燃烧温度较高，小负荷时混合气过稀，天然气燃烧不完全。随着喷油正时的增大，双燃料的CO排放降低，特别是在大负荷［10］。随着引燃柴油量的增大，双燃料发动机的CO排放降低，中、小负荷特别明显，在大负荷时影响不大。双燃料发动机的CO排放与HC排放的变化规律相近。随着EGR率的增大，双燃料发动机的CO排放降低。这主要是因为EGR将部分尾气中的未燃HC引入气缸，混合气变浓，缸内温度升高，燃烧状况得到改善，降低了CO排放［15］。大负荷时，由于混合气变浓，而且EGR引入的废气又占去了部分空气的容积，所以EGR率为20%时CO排放较高［16-18］。

2.3CO2排放

与传统柴油机相比，双燃料发动机的CO2排放降低约30%［9］，这主要是因为与柴油相比，天然气的质量低热值较高，而且天然气的碳含量较低，每克的甲烷完全燃烧产生2.75 g的CO2，而每克的柴油完全燃烧要产生3.2 g的CO2。随着喷油正时的增大，双燃料的CO2排放降低。CO2和H2O是完全燃烧的产物，因此，CO2排放在一定程度上能反映内燃机热效率［10］。部分负荷时，随EGR率的增大，双燃料发动机的CO2排放增加。这主要是因为部分废气中的CO 和HC排放再次燃烧生成CO2排放，而且EGR改善燃烧，使燃烧完全。大负荷时，随EGR率升高，混合气过浓，燃烧不充分，使CO2排放降低［16-18］。

2.4NOχ排放

与传统的柴油机相比，双燃料发动机的NOχ排放降低［6-7］。柴油引燃天然气双燃料的燃烧包括引燃柴油的扩散燃烧和天然气的预混合燃烧。与传统柴油机相比，由于引燃柴油量非常少，双燃料发动机扩散燃烧产生的NOχ明显降低。天然气-空气混合气的预混合燃烧产生的NOχ排放较少，这是因为小负荷，尽管混合气的氧浓度很高，但是混合气很稀，燃烧温度较低；而大负荷时，尽管缸内温度升高，但天然气以气态的形式进入气缸，占去了一部分空气，降低了氧浓度［19］。另外，与柴油相比，天然气的火焰传播速度较低，缸内温度降低［7］。随着引燃柴油喷油量的增大，天然气-柴油双燃料发动机的NOχ排放升高，特别是在小负荷。这主要是因为在天然气-空气混合气浓度不变的情况下，增加引燃柴油量，天然气的燃烧得到改善，燃烧温度升高，造成NOχ排放增加。大负荷时，天然气-空气混合气较浓，燃烧充分，NOχ排放较高，引燃柴油量的影响较小［13］。随EGR率的增大，双燃料的NOχ排放降低。这主要是因为EGR将废气引入气缸，缸内工质被稀释，氧浓度下降，同时混合气的热容增大，燃烧温度下降，所以NOχ排放降低。随着进气温度升高，双燃料发动机的NOχ升高，但仍然比2007年美国环境保护署（U.S Environmental Protection Agency）规定的NOχ排放标准低［14］。

2.5炭烟排放

与柴油机相比，双燃料发动机的炭烟排放非常低，在某些工况下甚至检测不到［6-7］。这主要是因为天然气的主要成分为甲烷，与柴油相比，天然气的碳原子数较低，没有C-C化学键，降低了炭烟的生成趋势［20］。另外，常温常压下，天然气为气态，与空气为预混合，混合气质量较高。因此，双燃料发动机所有的炭烟排放均为引燃柴油的燃烧而生成的，其与传统的柴油机炭烟生成原因类似［9］。另外，双燃料发动机引燃柴油燃烧产生的炭烟会在天然气-空气混合气燃烧时继续燃烧，进一步降低双燃料发动机的炭烟排放。

3　结论

在传统柴油机上应用柴油引燃天然气双燃料，与柴油机相比，相同喷油提前角下，引燃柴油的滞燃期变长，天然气滞燃期压力略有降低，天然气燃烧阶段缸内压力升高较慢，出现明显的“双峰”现象。

与柴油机相比，双燃料发动机的HC排放明显升高；双燃料发动机的HC排放，随着喷油正时增大而降低，随着引燃柴油量的增大而降低，随着EGR率的增加而降低，随着进气温度升高而降低。在小负荷下，双燃料发动机的CO排放明显升高；双燃料的CO排放，随着喷油正时增大而降低，随着引燃柴油量的增大而降低，随着EGR率的增大而降低。双燃料发动机的CO2排放降低约30%；双燃料的CO2排放，随着喷油正时增大而降低；部分负荷时，随着EGR率的增大而增加，大负荷时，随着EGR率升高而降低。双燃料发动机的NOχ排放降低，随着引燃柴油喷油量的增大而升高，随着EGR率的增大而降低。双燃料发动机的炭烟排放非常低。

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Study on the Combustion and Exhaust Emissions of Dual-Fuel Engine Fuelled with Natural Gas Piloted by Diesel

Song Jiantong，Li Jie，Liu Minjie，Cheng Lin
School of Automotive Engineering，Bejing Polytechnic（Beijing，100176，China）

Natural gas does not auto ignite under compression alone with typical CI-engine compression ratios.For use in CI engines，a special mode of operation known as dual-fueling is required.This ignition source is provided by a spontaneously igniting"pilot"fuel.A small amount of a high-cetane fuel is injected directly into the combustion chamber，where the spray mixes with a premixed natural gas-air charge.In order to study on the combustion and exhaust emissions of dual-fuel engine fuelled with natural gas piloted by diesel，the change rule of in-cylinder pressure in dual-fuel engine compared with crank angle was analyzed and the effect of pilot diesel injection timing，pilot diesel quantities，EGR rates and intake air temperature on HC，CO，CO2，NOχand smoke emissions were researched.

Diesel/natural gas，Dual-fuel，Combustion，Exhaust emissions

TK421+.5

A

2095-8234（2016）01-0084-04

北京市教育委员会科技计划面上项目（KM201410858004）。

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。

2015-12-07）