天然气-柴油双燃料发动机RCCI燃烧性能研究

2019-04-30董诚申立中封其超

车用发动机 2019年2期

董诚，申立中，封其超

(昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室，云南昆明 650500)

环境污染问题已经成为我国经济发展和社会进步的障碍，其中城市大气环境污染日趋恶化，并成为了一个突出的问题。

柴油机作为全球应用最广泛的动力机械，具有悠久的使用历史，它具有热效率高、功率范围广、功率密度大、操作简单以及经济性较高等优点，因此被广泛地用作汽车和工程机械的动力；但柴油机的炭烟排放却非常严重，极大地危害了城市环境和人类健康。相比于柴油，天然气具有良好的可获得性、低污染性，因此可以成为一种非常实用的发动机替代燃料。以柴油作为引燃燃料的天然气-柴油双燃料发动机因其具有使用燃料灵活、炭烟排放少、发动机改动小、改动成本低等特点而具有良好的推广前景[1]。

燃料特性对发动机的燃烧与排放有着重要的影响，改善燃料的理化特性，可以使发动机燃烧组织得更加合理，从而减少发动机的排放。对于天然气-柴油双燃料发动机，可以充分利用天然气、柴油各自的优点，探索混合燃料在同时降低NOx与PM排放、改善燃烧热效率、实现发动机高效清洁燃烧方面的潜力[2]。

反应活性控制压缩着火(Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI)是一种新型的燃烧方式，其能够合理地组织混合气的形成，使燃烧更加合理，它比均质充量压缩着火(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)、预混合充量压缩着火(Premixed Charge Compression Ignition，PCCI)和低温燃烧(Low Temperature Combustion，LTC)的实用性和操作性更强。HCCI综合了汽油机均质点燃和柴油机压缩自燃的特点，能够在缸内形成多点火核，从而有效地维持着火燃烧的稳定性，能同时降低NOx和PM排放，对多种燃料都有很强的适应性，并可实现较高的热效率[3-4]。但是其保持NOx和PM较低排放的控制范围小，不利于实际的应用。PCCI与HCCI在燃烧特性上并没有明显的区别，二者热释放率曲线非常相似，但是PCCI的喷油时刻相对滞后，减少了HC的排放[5]。由于PCCI要经历一段很长的着火准备期才能压缩燃烧，所以在此期间有充足的时间使燃油与空气混合，形成尽可能多的预混合气便于燃烧，引入EGR可以达到同时降低NOx和炭烟排放的目的[6]。

HCCI和PCCI都是LTC的表现形式。许多有关燃料着火特性对低温预混燃烧影响的研究表明[7-9]：低温燃烧模式下燃用的是低十六烷值的燃料，如汽油燃料特性表现出了满足未来排放法规的巨大潜力，相对于柴油而言，汽油在压缩冲程末期接近上止点时喷射，有更长的时间与空气混合，则着火及燃烧推迟，且可在更高的负荷工况下取得较低的NOx和PM排放，同时实现燃烧相位的控制[10]。但是汽油的燃料特性使得其在预混燃烧中也存在低负荷工况着火及燃烧稳定性差的问题[11-12]。在这种燃烧模式中，因为燃烧温度低于炭烟和NOx生成的最低温度，所以炭烟和NOx的生成受到抑制，即使在化学计量空燃比附近，炭烟和NOx的生成量也很小。但是要实现低温燃烧，通常需要引入大比例的 EGR，而大比例 EGR 的引入必然会造成燃料的不完全燃烧增加，相应地CO 和未燃 HC化合物排放增加[13]。

RCCI燃烧方式适用于所有的转速和负荷。RCCI是双燃料部分预混合燃烧方式，在这种燃烧方式中，一种活性很低的燃油(天然气)是通过进气道喷射的，而另一种高活性的燃油(柴油)是在压缩冲程时直接喷射到缸内。燃油在缸内混合过程中形成了燃油梯度。这种分层燃油梯度形成一个更大的燃烧范围，同时相比于预混合的 HCCI 燃烧降低了压力升高率。此外，两种不同活性的燃油混合，使得每循环的辛烷值发生变化。这些都得通过调节两种燃油的比例来实现[14]。这种新型的燃烧方式能够有效地控制发动机预混燃烧和扩散燃烧，从而有效地改善我国城市柴油机车炭烟排放过于严重的问题。

国内外的一些汽车企业和高校相继开展了天然气-柴油机双燃料发动机相关技术的研究，并取得了一些成果。针对目前国内外在双燃料发动机改装过程中和实际使用中存在的问题，开展了天然气-柴油双燃料发动机改装技术研究，实现了RCCI燃烧，并研究了此燃烧模式下的发动机性能变化。

1 天然气-柴油发动机的改装与设计

天然气-柴油双燃料发动机的改装要求对原发动机改动小，动力性与原机相当，排气烟度与原机相比应有大幅度改善。改造后的双燃料发动机应具有良好的可操作性，且纯柴油模式和双燃料模式能够相互转换，便于使用。

试验燃用的天然气低热值为50.05 MJ/kg，燃用的柴油低热值为42.5 MJ/kg，也就是说同等质量燃料燃烧，天然气可以释放出更多的热量，使得经济性得到改善。天然气的自燃温度是537 ℃左右，很难发生自燃，也不容易被压燃，只能通过引燃物引燃。燃料的理化性质见表1。

表1 试验用柴油与天然气基本属性

续表

1.1 试验用发动机的改装

本次试验使用的原机发动机为YN38CRD2电控高压共轨4缸柴油机，在此基础上改装成天然气-柴油双燃料发动机。该款柴油机采用了涡轮增压、增压中冷及高压共轨技术，具有很好的动力性和经济性，而且具有较好的排放性能，达到了国Ⅲ排放要求。该发动机主要的技术参数见表2。

表2 发动机主要技术参数

双燃料发动机保留了原机的基本结构，只是增加了一套天然气供给系统。在双燃料发动机中，天然气的供气方式可分为气缸内直接喷射和气缸外供气两种方式，气缸外供气又分为各缸进气门外喷射和进气道混合器供气两种。其中，进气道混合器供气形式简单，发动机改动小，结构不变，便于柴油机的双燃料改造，成本低[15]。因此，本研究进气方式采用进气歧管多点喷射的方式。

图1示出双燃料供给系统示意，燃料供给系统分为三部分，分别是柴油供给系统、天然气供给系统及控制系统。

图1 天然气-柴油双燃料发动机的燃料供给系统

1.2 试验方案

试验在海拔1 972 m，大气压力80 kPa，环境温度20～25 ℃条件下完成。试验采用普通0号柴油，天然气为四川气田天然气，各成分的体积分数分别为甲烷97.2%，乙烷0.7%，丙烷0.2%，二氧化碳1%，氮气化7%。

台架试验转速范围1 200～3 200 r/min，每隔200 r/min取1个转速点，一共11个转速点，负荷点取20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%共9个点。试验测量双燃料发动机的扭矩、功率、燃油消耗率、排气温度、排放物等数据。

2 发动机台架试验结果分析

2.1 动力性分析

图2示出双燃料模式和纯柴油模式下发动机外特性扭矩曲线。由图可知，双燃料模式下的外特性扭矩与原发动机相比变化不大，双燃料模式的扭矩升高斜率和下降斜率比纯柴油模式的均略大些。发动机在1 200～1 600 r/min运行时，双燃料模式下的扭矩比纯柴油模式的上升较快，而在2 400～3 200 r/min输出扭矩比纯柴油模式的小1.2%～3.5%。这是因为柴油发动机的油量调节属于质调节，需要保持过量的空气才能燃烧得更加完全，以免产生过多的炭烟排放；而天然气的理论空燃比范围很宽泛，稀燃的燃烧特性比柴油好得多，并且双燃料发动机可不受柴油冒烟的界限限制，使得双燃料发动机的输出扭矩要高一点。

图2 外特性(扭矩—转速)

图3示出两种模式下的功率曲线。由图4可以看出，双燃料系统的输出功率与纯柴油发动机的相差不大。在1 200～1 600 r/min转速下双燃料模式的输出功率比纯柴油模式要略高；在2 400～3 200 r/min时，双燃料模式下的输出功率比纯柴油模式低4.6%左右。在整个发动机工况范围内，两种模式工作下发动机功率变化不大。这是因为双燃料模式下发动机的输出功率与混合气的浓度有关，而双燃料模式下的混合气浓度受天然气喷油系统喷射压力的影响。在低速低负荷工况，由于转速低，混合气的浓度能达到原机正常工作下的浓度，所以功率变化不大；在高速高负荷时，由于转速大，再加上受到天然气喷射系统喷射压力的限制，双燃料发动机达不到原机正常工作的混合气浓度，功率的输出相对降低。

图3 外特性(功率—转速)

2.2 燃油经济性分析

双燃料发动机的燃料经济性由引燃油量和天然气消耗量两部分决定，两者相互作用，共同影响双燃料发动机的性能指标。为了减少排放物和柴油的使用，希望双燃料发动机尽可能地减少引燃油量。图4示出发动机燃油消耗率与转速的关系。从图中可知，在发动机1 200～1 800 r/min转速时，双燃料模式下的燃油消耗率比纯柴油模式小6%～8.2%，而在2 000～3 200 r/min转速时，油耗降幅逐渐变小，相比原机消耗的要小2%左右。这是因为双燃料模式下燃料的燃烧方式是反应活性控制压燃着火，由于天然气的理化特性，燃料在缸内尽可能多地与空气混合，使得均质混合气进一步形成，这有利于燃料的合理燃烧；这种情况在低速低负荷时比较明显，在高速高负荷时，受到天然气喷射压力的限制，这种优势逐渐减小。

图4 外特性(燃油消耗率—转速)

2.3 排气温度分析

可以用发动机排气温度表征发动机燃烧特性，对于同一型号的发动机，在相同的负荷和转速工况下，排气温度低可以说明该发动机的燃烧比较良好，同时排放也相应降低。

图5示出发动机排气温度与转速的变化关系。图中表明：在低、高转速下，双燃料发动机排气温度比原机降低很多，而在中等转速下，降幅变小，但还是比原机低。从图中还可以看出，在整个外特性下，双燃料模式的排气温度比原机低20～90 ℃。在原柴油机改装时，并没有改变原机的供油提前角，但是减少了柴油喷油量，喷入天然气来替代这一部分的柴油量，天然气的理化性质使得缸内燃烧温度降低。同时，在中高转速工况下，天然气的加入占用了一部分空气的体积，使得双燃料发动机工作时过量空气系数减小，排气温度从而变小。

图5 外特性(排气温度—转速)

2.4 排放性能分析

由外特性可以看出，采用双燃料模式可以达到纯柴油模式的动力性，且经济性得到改善。在2 000 r/min和1 600 r/min时，经济性改善幅度较3 200 r/min时大。本试验选择2 800 r/min，1 600 r/min以及不同替代率进行排放试验对比。

图6、图7分别示出发动机在2 800 r/min，1 600 r/min的碳氢化合物总量(THC)排放的对比。图中表明：采用双燃料模式时THC 排放量远高于纯柴油模式。在1 600 r/min时，中低负荷时THC排放较高，随着负荷增大THC排放迅速降低；在2 800 r/min时，THC 排放在小负荷时随着负荷增加下降明显，但大负荷时下降幅度降低。

图6 2 800 r/min下THC排放

图7 1 600 r/min下THC排放

在中高转速运行条件下，随着发动机负荷的增加，THC 排放量显著减少，这是因为引燃柴油雾化特性得到改善，并且进气涡流强度随着负荷的增加而增强，点火中心的数量增加。此外，在高负荷下增压压力和温度升高，导致气缸压缩温度升高。所有这些都降低了天然气燃料的燃烧极限，并增加了火焰传播速度，所以更多的预混合天然气参与燃烧过程。

图8、图9分别发动机在2 800 r/min，1 600 r/min时的NOx排放对比。图中表明：在2 800 r/min时，双燃料模式下NOx排放优于纯柴油模式，平均减少了18%左右；在1 600 r/min高负荷时，双燃料模式下NOx排放优于纯柴油模式，大约减少5%，在中低负荷时两种模式下NOx排放基本一致。也就是说在低转速低负荷时双燃料模式并不能降低NOx排放。

图8 2 800 r/min下NOx排放

图9 1 600 r/min下NOx排放

在偏低转速高负荷工况和高转速工况下，双燃料模式NOx排放明显改善。在低转速低负荷时两种模式缸内压力相差较大，双燃料模式缸内压力较高，主要是没有调节喷油正时造成的，双燃料模式时火焰传播速度慢，有较长的时间生成NOx，发动机空燃比较高，提供富氧环境，因而NOx排放相较纯柴油模式没有明显降低。在低转速高负荷和高转速时，混合气基本上都是在稀混合气条件下燃烧，这样会造成燃烧的局部温度降低，同时引燃柴油的喷油提前角延迟，随着发动机转速的增加，NOx停留时间较短，短时间难以达到平衡，因而NOx排放降低。