双燃料条件下轻型柴油机排放的试验研究



双燃料条件下轻型柴油机排放的试验研究

道路运输部门制定的排放法规已经成为驱动发动机技术革新的主要力量。交通运输每年产生的CO2约占全球总排量的20%，其中约80%来自道路车辆。压缩天然气（CNG）因其较低的成本和CO2排放，将成为未来发动机最具前景的燃料。由于CNG和传统汽油具有相似的燃烧特征，因此CNG发动机将采用火花塞点火。而火花塞点火往往需要一个较低的压缩比，以防止爆震现象的出现，但这会导致CNG发动机效率大幅降低。采用双燃料燃烧技术可以解决上述问题，且为发动机运行提供高度的灵活性，而不需要对原型发动机进行大幅改动。该方法已经成功应用在一些重型发动机上，但还没有应用在轻型发动机上。因此，本文通过试验对轻型柴油机在双燃料燃烧模式下的燃烧特性进行了研究。

试验在瑞典隆德大学内燃机试验室进行，试验发动机基于沃尔沃D4 2.0L柴油机，将其改造为双燃料发动机时，拆除原本的涡轮增压器，更换为排气歧管和背压阀，以完全控制进气和排气压力。CNG喷射系统采用4个日本京滨公司生产的73mL CNG喷射器，喷射压力固定为0.5MPa。采用基于LabVIEW开发的控制程序对发动机进行控制，柴油机喷油嘴、高压柴油泵和柴油机共轨泵采用NI 9751直喷驱动模块组件控制。控制柴油共轨压力为100MPa、天然气共轨压力为0.475MPa、进 气 气 流 压 力 为0.11MPa、排气气流压力0.135MPa、发动机转速为1500r/min。高频信号采用美国国家仪器生产的NI PXI-FPGA 7854R多功能数据采集卡进行采样，低频信号采用NI PXI-6221采样。结果显示：①双燃料燃烧相比传统燃烧模式显示出较大的优势，由于柴油燃料的分散，使混合物具有较高的反应活性，理论上可减少26%的CO2排放；②发动机在低负荷双燃料模式下，较高的柴油替代率和较高的稀释条件使混合气过于稀薄，不利于火焰传播，使未燃烧的HC排放增加，发动机效率降低，可通过CNG分层直喷可解决该问题；③在发动机高负荷双燃料模式下，较高的柴油替代率将产生较好的燃烧效果，而柴油替代率达到95%时需要采用三元催化器作为后处理系统。

PabloGarciaetal.SAE 2015-24-2439.

编译：李臣