引燃油量对柴油引燃天然气发动机燃烧特性的影响

刘杰，欧阳明高，张欣，等

目的：随着石油价格的不断上涨以及环境污染的日益严重，研究者们越来越关注高效、低 NOx及 Soot排放的燃烧方式。尤其是对于重型载货汽车，不仅燃料消耗量大，同时尾气排放量也高。将在用重型柴油车改装为柴油/天燃气双燃料汽车不仅能够降低燃料费用，同时能够降低环境污染。方法：本文在一台增压中冷柴油机改造的柴油引燃天然气发动机上进行了不同引燃油量下的燃烧特性的研究，为柴油引燃天然气发动机燃烧参数优化匹配提供实验基础。发动机控制系统是在保留原机发动机控制系统的基础上，增加一套柴油及燃气双燃料控制单元来实现的。原机的各个信号（水温，增压压力温度，轨压等），被双燃料发动机控制系统和原机的电控系统共享。增加的柴油引燃天然气发动机控制单元可控制柴油喷射（柴油喷油器电磁阀控制）以及加装的燃气喷射系统（包括燃气喷嘴电磁阀控制、燃气开关阀控制、燃气压力及温度检测等）。原机的柴油喷射控制模式，通过外部的继电器进行切换。通过控制气轨上的电磁阀的开闭时间，从而控制进入安装在进气道上的混合器中的天然气量。混合器能够使天然气与空气进行充分混合，从而形成均质可燃混合气后进入各气缸。试验时发动机转速分别稳定在1320 r/min以及1627 r/min，在每个发动机转速下，天然气喷射量保持不变，负荷通过改变柴油引燃喷油量及喷射时刻进行调整。结果：在引燃油量较小时，柴油引燃天然气发动机的放热率为双峰放热类型，分别为引燃柴油预混燃烧放热峰，以及预混合天然气燃烧及柴油扩散燃烧放热峰。而随着引燃量增加，引燃柴油喷油时刻推迟，因此滞燃期减少，由柴油预混燃烧产生的第一个燃烧放热率峰值降低；随着引燃油量的增加，引燃柴油分布更广，点火能量增加，同时柴油喷射使得缸内湍流强度增加，因此更多的预混天然气参与燃烧，使得预混天然气及柴油扩散燃烧形成的第二阶段放热率峰值及放热量明显增加。进一步增加引燃油量，并推迟喷油时刻，从而形成单一峰值放热率曲线。在引燃油量较少时，压力升高率为双峰。随着引燃油量的增加，由引燃柴油预混燃烧产生的第一个压力升高率峰值以及预混天然气及柴油扩散燃烧产生的第二个压力升高率峰值逐渐降低。喷油时刻随引燃油量增加而推迟，而燃烧持续期随引燃油量增加变化不明显。燃烧放热率重心CA50随引燃油量增加逐渐推迟，在100%负荷进入高热效率区间（10～15°CA ATDC）。引燃油量较小时柴油引燃天然气发动机的热效率很低。主要原因是排气中的未燃 CH4的热量大约占到了总燃料热量的25%左右。而随着引燃柴油量增加，负荷增加，缸内温度增加，使得未燃天然气量明显减少，热效率大幅度提高。在高负荷，柴油引燃天然气发动机的热效率与原柴油机相当。低负荷时增加引燃油量，能够明显改善燃烧，提高热效率。此时虽然柴油替代率降低，但是燃料费用也明显降低，即经济性提高。结论：本文对一台增压中冷柴油机进行不同引燃油量时柴油引燃天然气发动机燃烧性能试验。结论：随着引燃油量增加，点火能量增加，燃料分布的更广，有利于更多的天然气参与燃烧。随着引燃油量增加，柴油引燃天然气发动机放热率类型由双峰向单峰转变。实现快速单一阶段放热，能够提高热效率。随着引燃油量增加，推迟引燃柴油喷油提前角，能够有效降低压力升高率。随着引燃油量增加，柴油引燃天然气发动机燃烧持续期变化不明显。小负荷时，增加引燃油量，能够明显提高柴油引燃天然气发动机的热效率，降低燃料费用。

来源出版物：汽车工程, 2015, 37(4): 375-379

入选年份：2015