高替代率下CNG/柴油双燃料发动机燃烧特性研究

赵 岑，王 华，刘 晓，汤 东

1 引言

随着温室气体二氧化碳排放的增加和全球化石燃料资源的短缺，为了保护全球环境和满足能源需求，实现人类的可持续发展，内燃机替代燃料的研究受到了广泛关注。天然气是一种很有前途的替代燃料，是化石能源中的清洁能源，与其他可再生能源相比，其稳定性、可靠性、经济性都具有一定的优势，天然气将在能源体系转型过程中扮演重要角色。CNG/柴油双燃料发动机是以少量柴油引燃天然气-空气混合气，实现双燃料模式运行。它具有热效率较高、功率损失小、对原柴油机改动少及使用灵活方便等特点，因此得到了广泛的应用[1]。

近年来，国内外学者对替代率影响天然气/柴油双燃料发动机经济性、燃烧及排放性能，展开了广泛研究。文献[2]通过实验研究了不同替代率下发动机的燃烧过程。研究发现，随着替代率的增加发动机会发生爆震，如果能够有效地控制进气混合气的温度以及供给的天然气量，发动机的爆震将不会发生。在保持发动机的转速和扭矩不变的情况下，不断增加天然气的替代率会使得等价的这部分天然气增加放热率，它会加速燃烧过程。文献[3]通过实验和仿真手段研究了预混双燃料发动机在不同替代率下的燃烧和排放特性。结果表明，天然气（CH4）的替代率大于75%的时候会使发动机处于爆震边界。文献[4]以六缸柴油机为载体，对双燃料发动机的排放指标进行分析，发现与纯柴油模式下发动机排放性能相比，双燃料模式下的HC、CO排放较高，NOX排放减少30%，THC排放随着引燃柴油量的增加而减少。文献[5]对不同替代率对柴油引燃天然气双燃料发动机燃料经济性和排放特性的影响进行了研究，发现随着替代率的增大，双燃料有效燃油消耗率降低，NOX排放先降低后升高，HC排放升高；CO和碳烟排放降低。文献[6]对天然气/柴油双燃料发动机采用预混稀燃技术，发现NOX排放生成减少，同时双燃料发动机加装DOC后，THC与CO的排放明显降低。

天然气/柴油双燃料发动机的替代率是指在发动机在纯柴油模式下运行的柴油消耗率与相应工况下双燃料模式运行的柴油消耗率之间的差值占纯柴油模式下柴油消耗率的百分比。对于柴油引燃天然气双燃料发动机而言，在保证发动机动力性、排放特性和工作可靠性的前提下，实现较高的天然气替代率是双燃料发动机研发的目标[7]。

目前，有关替代率影响天然气/柴油双燃料发动机性能的研究较多，但对高替代率下CNG/柴油双燃料发动机燃烧特性的研究相对较少。以CNG/柴油双燃料电控发动机为研究对象，基于实测示功图，对（80～90）%左右天然气替代率下CNG/柴油双燃料电控发动机的燃烧特性随工况变化的规律进行研究与分析。

2 试验设备及方案

试验用发动机为四缸直列增压中冷高压共轨柴油机。在不改变原有燃油供给系统的基础上，增加了天然气供气系统（在中冷器后进气歧管前加装混合器）及天然气量电子控制系统，采用双电控系统共同控制，柴油机电控系统控制喷油，天然气电控系统控制喷气，改装成为CNG/柴油双燃料电控发动机。试验采用柴油机的主要技术参数，如表1所示。发动机性能测试采用NCK 2000发动机测功系统，缸内燃烧压力采集采用EWE-2010 DAQ。改装后的CNG/柴油双燃料发动机台架测试系统，如图1所示。

表1 发动机技术参数Tab.1 Technical Parameters of the Engine

图1 台架测试系统简图Fig.1 Test System Diagram

试验时选用0#柴油和川东气田压缩天然气，采用GB17691-2005中规定的稳态循环（ESC）对发动机进行测试，怠速工况时天然气/柴油双燃料发动机为纯柴油运行模式，因此在分析时去除怠速工况，试验循环工况，如表2所示。

表2 ESC试验循环工况Tab.2 Cyclic Condition of ESC Test

3 试验结果与分析

3.1 气缸压力

在双燃料发动机 ESC 试验循环中，A25、A50、A75、B25、B50、B75六个工况点的气缸压力曲线，如图2所示。由图可知，转速不变时，随着负荷的增加，双燃料发动机的最大气缸压力增大，双燃料发动机的最大气缸压力所对应的曲轴转角也增大，且处于上止点后（4～8）°之间；负荷不变时，随着转速的减少，双燃料发动机的最大气缸压力减小，双燃料发动的最大气缸压力所对应的曲轴转角也减小；转速对最大气缸压力变化程度的影响要小于负荷，且相比于高负荷，低负荷时最高燃烧压力变化程度受转速影响较明显。这是由于当低转速时，气缸中湍流减少，火焰传播速率减缓，大部分的天然气都在远离上止点位置才开始燃烧，燃烧重心后移，这与文献[8]中的研究结果趋于一致，同时燃烧始点相对提前，如表3所示。燃烧持续期增加，缸内的压力降低；随负荷的增大，双燃料发动机引燃柴油与天然气的供给量增多，天然气-空气混合气变浓，燃烧速率不断增加，瞬时放热率也不断增大，因此随着负荷的增大，最大气缸压力增大，最大气缸压力所对应的曲轴转角也增大，且处于上止点后（4～8）°之间。

图2 双燃料发动机的气缸压力变化Fig.2 Change on Cylinder Pressure of the Dual-Fuel Engine

3.2 气缸压力升高率

在双燃料发动机 ESC 试验循环中，A25、A50、A75、B25、B50、B75六个工况点的压力升高率曲线，如图3所示。由图3可知，转速不变时，随着负荷增加，双燃料发动机的最大压力升高率增大，在B75工况下达到0.35MPa/CA。这是由于负荷增大时，缸内混合气变浓，缸内温度不断升高，有利于柴油与天然气混合，燃料燃烧更加充分，从而致使压力升高率不断增大。大负荷时，一方面转速增加，火焰传播加快，因此气缸压力升高率变大；另一方面低转速时，曲轴转角每度运转所用的时间较长，由于天然气-空气混合气混合较均匀，燃烧了更多的燃料，因此最大压力升高率较高，故在大负荷时，转速对压力升高率影响较小。

图3 双燃料发动机的压力升高率变化Fig.3 Change on Pressure Raise Rate of the Dual-Fuel Engine

3.3 放热规律

在双燃料发动机 ESC 试验循环中，A25、A50、A75、B25、B50、B75六个工况点的燃烧特性数据，如表3所示。大负荷时，燃烧始点相对提前，最大放热率升高，且最大放热率对应的曲轴转角滞后，排气温度升高。这是由于随负荷增大，天然气-空气混合气浓度增加，燃烧速率不断增加，且气缸压力增大，混合气密度增加，使得气缸内化学反应的加速，化学反应时间缩短，燃烧始点提前；又由于大负荷时，燃烧始点提前，在滞燃期内预混的可燃混合气增加，燃烧迅猛，最大放热率增大，燃烧持续期延长，温度升高，排气温度较高。负荷降低时则相反，燃烧减缓，最大放热率降低，燃烧持续期缩短。低转速时，燃烧放热速率较慢，燃烧始点相对提前，放热率峰值降低，且峰值对应的曲轴转角提前。一方面，转速升高时引燃柴油的喷油压力有所增加，使得柴油雾化改善，燃料燃烧更加充分，燃烧速率加快，燃烧始点提前；另一方面，转速的升高使得以曲轴转角计的滞燃期延长，故燃烧始点推迟并不明显。

表3 双燃料发动机的燃烧特性数据Tab.3 Combustion Characteristic Data of the Dual-Fuel Engine

3.4 最大气缸压力循环变动

对于内燃机循环变动的评价，可以采用最大气缸压力、最高压力升高率、平均指示压力以及燃烧始点的循环变动进行分析[9]。最大气缸压力比较容易测量，且对气缸内的燃烧循环变动比较敏感，故采用最大气缸压力的循环变动来反映气缸内燃烧的循环变动情况。其计算公式为：

式中：X—特征参数；COVx—特征参数的循环变动系数；σX—特征参数的样本标准偏差；X¯—特征参数的平均值；Xi—特征参数第i个样本；N—采样循环数。

在双燃料发动机 ESC 试验循环中，A25、A50、A75、A100 四个工况点的最大气缸压力平均值、最大气缸压力标准差、循环变动系数COV曲线，如图4所示。转速不变时，随负荷增大，双燃料发动机的最大气缸压力平均值不断增大，最大气缸压力标准差、循环变动系数COV先降低后升高，且循环变动系数COV在50%负荷时最小。这是因为随负荷增加，气缸内温度不断升高，燃烧不断改善[10]，双燃料发动机的最大气缸压力循环变动系数COV先降低；在50%负荷增大到100%时，燃烧始点提前，着火延迟期缩短，对混合气的形成产生不利，燃烧不充分，压力升高率增大，故双燃料发动机的最大气缸压力标准差、循环变动系数COV反而升高。试验结果表明在（80～90）%左右天然气替代率下CNG/柴油双燃料电控发动机的燃烧特性循环波动较小，燃烧过程较稳定。

图4 双燃料发动机最大气缸压力的循环变动情况Fig.4 Cyclical Variation on the Maximum Cylinder Pressure of the Dual-Fuel Engine

4 结论

（1）转速不变时，负荷增加，双燃料发动机的压力升高率、最大气缸压力平均值、最大放热率及排气温度均增大，燃烧始点提前；（2）负荷不变时，转速增加，双燃料发动机的燃烧放热率增大，燃烧始点相对滞后；但转速对压力升高率影响较小；（3）（80～90）%左右的高天然气替代率下，CNG/柴油双燃料电控发动机的最大气缸压力循环波动较小，燃烧过程较稳定。高替代率下，转速和负荷是影响CNG/柴油双燃料发动机燃烧的重要因素。后续工作将在此基础上研究双燃料发动机燃料供给系统参数。