掺烧比对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料燃烧特性的影响

宋建桐， 张春化， 吕江毅

(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)



掺烧比对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料燃烧特性的影响

宋建桐1， 张春化2， 吕江毅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)

为了在柴油机上使用液化天然气(LNG)，将电控共轨柴油机改装为柴油引燃天然气的双燃料发动机，通过天然气喷嘴将LNG喷入进气管。利用双燃料发动机台架试验，对比分析了转速为1 200 r/min，100%负荷下，掺烧比对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料燃烧特性的影响。研究结果表明，随着掺烧比的增大，双燃料发动机的缸内压力先升高后降低，压力升高率和瞬时放热率增大，峰值压力循环变动系数增大。

共轨柴油机； 天然气； 双燃料； 掺烧比； 燃烧特性

柴油机凭借其良好的动力性、经济性、可靠性和低排放等优点，在各类车辆上得到了广泛的应用。然而柴油机的颗粒(PM)与NOx排放对环境的污染一直是个比较严重的问题，为了满足环保法规的要求，降低柴油机的PM和NOx排放已迫在眉睫[1]。

天然气被认为是最清洁的石化燃料，其主要成分为甲烷，甲烷的氢碳体积比(H/C)接近3.8，在所有碳氢燃料中最高。天然气中碳的质量含量为75%，汽油和柴油的为86%～88%，所以天然气单位能量的二氧化碳排放较低[2]。与传统燃料相比，天然气不含芳香烃，含有很少的硫，其颗粒排放明显降低[3]。常温下，压力为20 MPa的压缩天然气(CNG)的密度为175 kg/m3，液化天然气(LNG)的密度为435 kg/m3[4-5]。作为车用燃料，与CNG相比，LNG能量密度高，在提高车辆续驶里程方面具有较大优势[6]。

柴油引燃天然气发动机的燃烧过程既有柴油机扩散的燃烧特点，也有汽油机奥托循环的燃烧特点。很多学者已经在传统柴油机上对LNG-柴油双燃料发动机的排放、性能和燃烧特性进行了大量研究。近年来，随着电控共轨技术的快速发展，电控共轨柴油机已经在各种车辆上得到广泛应用。与传统柴油机不同，电控共轨柴油机的喷油量和喷油正时都比较容易控制，这为提高柴油引燃天然气双燃料发动机的性能提供了便利。

为了研究掺烧比对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料的燃烧特性的影响，进一步优化双燃料发动机的掺烧比和引燃柴油的喷油正时，在1台电控共轨柴油机上加装电控系统和天然气供给系统，控制引燃柴油的喷射量、喷油正时和天然气供给量。通过发动机台架试验，对比分析了不同掺烧比对柴油引燃天然气双燃料发动机缸压、压力升高率、缸内温度和循环变动的影响，为开发电控共轨柴油引燃天然气双燃料发动机提供掺烧比控制的理论依据。

1　试验装置与方法

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。

表1　试验用发动机主要技术参数

试验用发动机台架测试系统见图1。双燃料ECU是在原柴油机控制系统的基础上增加了LNG-柴油双燃料控制系统，双燃料控制系统与原机共享冷却水温度、曲轴位置、凸轮轴位置、油轨压力等信号。双燃料ECU可控制柴油喷油器及天然气供给系统的通断电磁阀和天然气喷射电磁阀(安装在气轨上)，也可监测天然气液位和压力等。双燃料模式下，发动机的轨压、涡轮增压、废气再循环等仍由原机ECU控制。双燃料发动机的工作模式通过外部继电器进行转换，该继电器由双燃料ECU控制。

图1　发动机台架测试系统

天然气混合器安装在中冷器和发动机之间的进气总管上，在混合器内天然气与空气混合后进入发动机。缸压采集及放热率分析采用kistler 6052A压电式缸压传感器、5019电荷放大器及2893A Kibox燃烧分析仪。缸压传感器安装在气缸盖上，采集到的信号为电荷信号，经电荷放大器放大处理后转化为正比于外力的电压输出信号传给燃烧分析仪。电涡流测功机用来对发动机的转速、功率、水温、进气温度等参数进行监控和测量。

1.2试验方法

本试验研究了LNG-柴油掺烧比对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料的缸内压力、压力升高率、瞬时放热率及燃烧循环变动的影响。试验工况选取转速1 200 r/min，功率输出107 kW(负荷率为100%)。试验时，首先在选定工况下，采集原柴油机的缸内压力、油轨压力、油门位置、进气压力、进气温度、水温和排气温度等参数。然后发动机以LNG-柴油双燃料的模式运行，在油门位置和发动机转速不变的前提下(与原机相同)调节天然气和柴油的供给量，并将引燃柴油的喷油正时设置为最大扭矩喷油正时，使双燃料发动机以相同转速和功率输出运行，记录不同掺烧比下双燃料发动机的各个参数(见表2)。

由表2可知，该工况下原柴油机的有效燃料消耗率为215.4 g/(kW·h)，双燃料发动机掺烧比为96%时有效燃料消耗率最低；随着掺烧比增大，双燃料发动机引燃柴油的最大扭矩喷油正时推迟，因为大负荷时，双燃料发动机缸内混合气较浓，而且缸内温度和压力较高，引燃柴油滞燃期减小，随着掺烧比的增大，尽管引燃柴油的滞燃期变大，但是混合气变浓，在引燃柴油量产生的着火点数量和能量足够多的前提下，燃烧速率提高，所以喷油正时略有推迟。

表2　双燃料发动机参数

2　结果与分析

2.1掺烧比对缸内压力的影响

不同掺烧比下，双燃料发动机缸内压力对比见图2。从中可以看出，与原机相比，双燃料发动机的缸内压力升高，在压缩冲程的缸内压力降低。随着掺烧比的增大，双燃料发动机的缸内压力先升高后降低，掺烧比为36%时双燃料发动机缸内峰值压力最大。掺烧比为73%和96%的喷油正时相同，随着掺烧比增大，缸内压力最大值相位推迟。

图2　掺烧比对双燃料发动机缸内压力的影响

当掺烧比过小时，混合气过稀，天然气燃烧速率降低，缸内压力降低；随着掺烧比的增大，缸内混合气变浓，燃烧速率增加，缸内压力升高；随着掺烧比的继续增大，引燃柴油量减少，造成天然气的着火点的数量和能量降低，而且以气态形式进入气缸的天然气进一步增加，缸内空气量减少，使缸内最高压力降低。所以，随着掺烧比的增大，双燃料缸内压力先升高后降低。

掺烧比73%和96%的喷油正时相同，随着掺烧比增大，缸内峰值压力对应的曲轴转角推迟。这是因为随着掺烧比的增大，滞燃期变长，燃烧推迟，使缸内峰值压力对应的曲轴转角推迟。另外，由于满负荷时，柴油机缸内混合气较浓，掺烧比为96%时，引燃柴油很少，混合气浓，氧浓度较低，焰前反应中混合气里的柴油与CH4争夺自由基的活动加剧，导致着火滞燃时间加长，再加上天然气的燃烧速率较慢，且引燃柴油的减少会降低天然气的着火源数量，也会造成峰值压力出现较晚。

2.2掺烧比对压力升高率的影响

压力升高率是表征内燃机燃烧等容度和粗暴度的指标。不同掺烧比下，双燃料和柴油发动机缸内压力升高率对比见图3。可以看出，双燃料发动机的压力升高率相对于原机有所升高，随着掺烧比的增大，双燃料发动机的压力升高率逐渐升高。掺烧比73%和96%的喷油正时相同，随着掺烧比增大，缸内压力升高率降低，且其对应的曲轴转角推迟。这是由于96%掺烧比燃烧压力降低，再加上峰值压力对应的曲轴转角推迟(见图2)，使压力升高率降低。另外，掺烧比为96%时，燃料中的柴油量很少，基本只起引燃作用，再加上混合燃料滞燃期较长，引燃柴油在滞燃期内形成的柴油-空气混合气较均匀，类似于汽油机的火焰传播增多，与柴油的多点发火、容积式燃烧相比压力升高率降低。

图3　掺烧比对双燃料发动机压力升高率的影响

对比图2和图3可以看出，掺烧比为36%时，缸内压力最高；掺烧比为73%时，压力升高率最高。同一工况下，缸内最高压力和最大压力升高率并没有出现在同一掺烧比下，这是因为压力升高率不仅与最高压力相关，还与燃料的燃烧速率、燃烧室容积变化以及放热规律等相关。

2.3燃烧放热规律

不同掺烧比下，双燃料和柴油发动机缸内瞬时放热率对比见图4。

图4　掺烧比对双燃料发动机放热率的影响

可以看出，双燃料发动机的瞬时放热率相对于原机增大，而且随着掺烧比的增大，双燃料发动机的瞬时放热率逐渐增大。这是因为随着掺烧比的增大，混合气变浓，多点同时着火，燃烧速率增大，使放热率增大。另外，与柴油相比，天然气和空气更容易发生焰前反应，一旦引燃柴油着火，天然气-空气均质混合气的燃烧速度增快，放热率提高[7]。掺烧比为96%的放热率峰值出现在上止点后10°左右，此时活塞早已开始下行，这也是尽管瞬时放热率峰值增大，而缸内压力和压力升高率降低的重要原因[7](见图2和图3)。

2.4循环变动

不同掺烧比下，双燃料发动机的缸内峰值压力随循环序数的变化见图5，双燃料发动机的峰值压力平均值和标准差见表3。可以看出，与原机相比，双燃料燃烧的峰值压力平均值和标准差升高。随着掺烧比的增大，双燃料的峰值压力平均值先增大后减小，标准差增大。

图5　双燃料发动机峰值压力随循环序数的变化

掺烧比L/%峰值压力平均值pmax/MPa标准差σ/MPa011．430．071914．850．103615．720．115415．120．147313．960．189613．940．21

不同掺烧比下，缸内峰值压力循环分布见图6。可以看出，与原机相比，掺烧比为19%～73%时峰值压力出现的时刻φpmax分布较集中，随着掺烧比的增大，φpmax分布分散；喷油正时相同时，随着掺烧比从73%增加到96%，φpmax明显增大，且分布分散。

图6　双燃料发动机的峰值压力循环分布

不同掺烧比下，双燃料发动机的峰值压力循环变动系数见图7。与柴油机相比，双燃料发动机的工作方式有所不同，柴油机进入气缸的只是空气，各缸的喷油量比较均匀，而且空气比较充足，所以循环变动相对较低，而双燃料发动机的循环变动包括引燃柴油燃烧和天然气燃烧两部分，引燃柴油的燃烧波动会造成更严重的天然气燃烧波动，所以双燃料发动机的循环变动较大[8]。随着掺烧比的增大，双燃料发动机循环变动增大，这是因为随着掺烧比的增大，天然气供给量增大，引燃柴油减少，喷油雾化性能恶化，部分柴油无法正常压燃着火；引燃柴油减少，天然气的点火数量和能量减小，导致天然气燃烧恶化甚至失火[9]；混合气中天然气增多，氧浓度降低，使引燃柴油与氧气接触的概率降低，难于着火燃烧；天然气增多，使压缩压力和温度均降低，造成柴油着火困难；天然气空气混合气过浓或过稀都会影响其燃烧和火焰正常传播[10]。

图7　掺烧比对双燃料发动机峰值压力循环变动系数的影响

3　结论

a) 与原机相比，双燃料发动机的缸内燃烧压力、瞬时放热率、压力升高率和循环变动系数升高；

b) 随着掺烧比的增大，双燃料缸内压力先升高后降低，压力升高率和瞬时放热率增大；

c) 随着掺烧比的增大，双燃料的峰值压力平均值先增大后减小，标准差增大，峰值压力出现的时刻φpmax分布分散，循环变动系数增大；在相同引燃柴油喷油正时下，双燃料φpmax增大，且分布分散。

[1]Paul A,Bose P K,Panua R S,et al.An experimental investigation of performance-emission trade off of a CI engine fueled by diesel-compressed natural gas (CNG) combination and diesel-ethanol blends with CNG enrichment[J].Energy,2013,55(1):787-802.

[2]Cheenkachorn K,Poompipatpong C,Ho C G.Performance and emissions of a heavy-duty diesel engine fuelled with diesel and LNG (liquid natural gas)[J].Energy,2013,53(5):52-57.

[3]Karavalakis G,Durbin T D,Villela M,et al.Air pollutant emissions of light-duty vehicles operating on various natural gas compositions[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2012(4):8-16.

[4]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.

[5]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.

[6]宋建桐,张春化,李婕.喷油正时对电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料的影响[J].车用发动机,2015(6):85-89.

[7]尧命发,黄宁,段家修,等.增压中冷柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性的实验研究[J].内燃机学报,2003,21(4):211-216.

[8]高青,李虎,田文凯,等.柴油引燃天然气双燃料燃烧稳定性研究[J].兵工学报,2001,22(3):404-406.

[9]孙璐,刘亦夫,周磊,等.排气再循环下柴油引燃天然气发动机循环变动特性研究[J].西安交通大学学报,2013,47(3):36-41.

[10]Sen A K,Ash S K,Huang B,et al.Effect of exhaust gas recirculation on the cycle-to-cycle variations in a natural gas spark ignition engine[J].Applied Thermal Engineering,2011,31(14/15):2247-2253.

[编辑：姜晓博]

Effects of Fuel Mixing Ratio on Combustion Characteristics of Electronic Control Common Rail Diesel Engine Fuelled with LNG-diesel Dual Fuel

SONG Jiantong1, ZHANG Chunhua2， LV Jiangyi1

(1. School of Automotive Engineering, Beijing Polytechnic, Beijing100176, China;2. Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Chang’an University, Xi’an710064, China)

For the availability of liquefied natural gas (LNG) to diesel engine, an electronic control common rail diesel engine was modified into a dual fuel engine fuelled with LNG-diesel fuel by injecting LNG into intake manifold. Then the effects of fuel mixing ratio on dual fuel engine combustion characteristics were analyzed under the condition of 1 200 r/min with full load. The results show that the in-cylinder pressure of dual fuel engine first increases and then decreases, and the pressure rise rate , the transient heat release rate and the cyclic variation coefficient of peak pressure increase with the increase of fuel mixing ratio.

common rail diesel engine; natural gas; dual fuel; fuel mixing ratio; combustion characteristic

2016-03-08；

2016-08-17

北京市教育委员会科技计划面上项目(KM201410858004)；陕西省交通新能源开发、应用与汽车节能重点实验室开放课题资助项目(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。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.007

TK421.2

B

1001-2222(2016)05-0033-05