柴油_天然氣雙燃料發(fā)動機的燃燒特性分析

1、第18卷(2000)第3期文章編號:100020909(2000)0320299206內(nèi)燃機學(xué)報Vol.18(2000)No.3TransactionsofCSICE180064柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機的燃燒特性分析張武高,周明,歐陽明高(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京100084)摘要:研究了柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機的燃燒特性,并著重分析了引燃柴油供給系統(tǒng)參數(shù)對雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響。以試驗為基礎(chǔ),首先簡要比較了柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機與柴油機的燃燒特性,并對比了負荷對雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響,然后分析了最小循環(huán)噴油量、引燃柴油量、引燃油噴射壓力、噴嘴參數(shù)及供油提前角等引燃

2、柴油供給系統(tǒng)參數(shù)對最高爆發(fā)壓力、燃燒放熱率、著火開始時間、累積燃燒放熱率等柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響,并在分析燃燒特性的基礎(chǔ)上,提出了改善雙燃料發(fā)動機性能的研究方向。關(guān)鍵詞:燃燒特性;柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機;引燃柴油供給系統(tǒng);發(fā)動機性能中圖分類號:TK464文獻標識碼:A引言我國的大氣污染狀況日趨嚴重染源之一是汽車尾氣,。對于用途廣泛的柴油汽車,采用雙燃料技術(shù)是收效最快、費用最低的方法。在發(fā)動機技術(shù)發(fā)達國家,由于柴油微引燃技術(shù)的出現(xiàn),使得雙燃料汽車的排放指標可以達到火花點火、電控噴射、三元催化、閉環(huán)反饋單燃料燃氣汽車所能達到的排放水平,而同時保持其在動力性、經(jīng)濟性、可靠性、靈活性

3、方面的優(yōu)勢,是一種理想的高效低污染發(fā)動機技術(shù)14。雖然目前我國的天然氣加氣站還沒有得到普及,但雙燃料發(fā)動機具有恢復(fù)原柴油機工作的特點,其動力性、經(jīng)濟性、排放性等具有潛在的優(yōu)勢,因而,雙燃料發(fā)動機的研究也成為國內(nèi)研究的重點與熱點。引燃柴油噴射系統(tǒng)影響到雙燃料發(fā)動機的各項性能指標58,是雙燃料發(fā)動機最關(guān)鍵的技術(shù)之一。這種影響主要通過改變發(fā)動機的燃燒特性表現(xiàn)出來。因此,通過研究引燃油量對雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響,能深入理解雙燃料發(fā)動機的特性,為提高柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機技術(shù)提供理論指導(dǎo)。(包括天等,成為電控雙燃料發(fā)動機。試1。表1試驗柴油機主要技術(shù)參數(shù).1TabMainParametersoft

4、estdiesel機型DS mmmm6108108125618716排量 L壓縮比供油提前角 靜態(tài)推薦值噴孔數(shù)孔徑 mm可變 18CA2CA550129試驗采用陜甘寧氣田的進京天然氣。加氣時,實測的各種氣體體積含量分別為:甲烷96%,氮氣215%,二氧化碳1125%,其它氣體含量為0125%。燃燒分析儀為日本小野電測公司生產(chǎn)的CB2366型燃燒分析儀。2柴油機與雙燃料機燃燒特性的比較在分析雙燃料發(fā)動機燃燒特性及其影響因素之前,首先通過燃燒放熱率曲線的比較,簡要分析柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機相對于柴油機的燃燒特性。試驗過程中,雙燃料發(fā)動機的齒條位于原柴油機的怠速油量位置。圖1是外特性工況下,柴油機

5、與雙燃料發(fā)動機的燃燒放熱率的比較。由圖可見,相對而言,雙燃料發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒較為平緩,最高燃燒放熱率相對較低;1試驗條件試驗工作在一臺6108柴油機上進行,經(jīng)改裝后,收稿日期:1999209216;修訂日期:1999211215。作者簡介:張武高(1969-),男,博士,現(xiàn)在上海交通大學(xué)工作,主要研究方向為柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機的性能。300內(nèi)燃機學(xué)報第18卷第3期負荷、轉(zhuǎn)速較低時,燃燒持續(xù)時間相對較長,高速高負荷時,兩者的燃燒持續(xù)時間基本一致。圖2對比了發(fā)動機轉(zhuǎn)速及引燃柴油量都相同時,負荷對燃燒特性的影響?？梢钥闯?當負荷增大后,發(fā)動機的最高爆發(fā)壓力增大,燃燒放熱率增大,燃燒開始時的燃燒速

6、率加快,同時,燃燒持續(xù)時間加長。(a)外特性1200r min時放熱率的比較(a)(b)標定工況點燃燒放熱率的比較圖1雙燃料發(fā)動機與柴油機燃燒特性的比較Fig.1Comparingthecombustioncharacteristicsofdualfuelanddieselengine(b)燃燒放熱率比較通過對外特性各個工況下的燃燒特性的對比試驗研究發(fā)現(xiàn),與柴油機相比,雙燃料發(fā)動機的燃燒特性具有以下特點:(1)低速小負荷時,雙燃料發(fā)動機的著火開始時間較遲,燃燒速率較慢,燃燒持續(xù)期加長,最高爆發(fā)壓力低,壓力升高率低,燃燒噪音小,熱效率降低。(2)高速高負荷時,雙燃料發(fā)動機的著火開始時間較遲,但燃

7、燒速度加快,燃燒持續(xù)期與柴油機基本一致,最高爆發(fā)壓力及壓力升高率較低,燃燒噪聲隨負荷的增大進一步降低,熱效率與柴油機基本一致,甚至略高于柴油機的水平。(c)累積燃燒放熱率的比較圖2負荷對雙燃料發(fā)動機燃燒性能的影響Fig.2Influenceofloadonthecombustionperformanceofdualfuelengine3工況對雙燃料發(fā)動機燃燒性能的影響為了弄清工況對雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響,從圖2b、圖2c可見,低速小負荷時,發(fā)動機的燃2000年7月張武高等:柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機的燃燒特性分析301燒持續(xù)期較短,燃燒放熱速率較慢,這種現(xiàn)象會引起氣缸內(nèi)的天然氣有較大部分會直

8、接排出缸外。原因在于:低負荷時,缸內(nèi)溫度升高緩慢,在缸內(nèi)還存在較多未燃天然氣的情況下,燃燒提前結(jié)束。當負荷增大后,混合氣變濃,氣缸內(nèi)最高溫度增大,有利于天然氣的燃燒,降低未燃天然氣的排放率。4.3引燃油噴射壓力對燃燒特性的影響試驗發(fā)現(xiàn),在保持引燃油量不變,單獨提高引燃柴油噴射壓力的條件下,缸內(nèi)最高壓力反而降低,燃燒速率減慢,著火時間延遲,燃燒持續(xù)期加長,降低了雙燃料發(fā)動機的熱效率及燃料經(jīng)濟性,相應(yīng)地可能提高HC、CO的排放率。4燃油供給系統(tǒng)參數(shù)對雙燃料發(fā)動機燃燒性能的影響為了弄清引燃柴油供給系統(tǒng)參數(shù)對雙燃料發(fā)動機燃燒性能的影響,試驗從以下5個方面著手,對比研究了雙燃料發(fā)動機的燃燒特點。4.1循

9、環(huán)供油量對燃燒特性的影響為了降低尾氣排放,在不改變油泵參數(shù)的前提下,試驗尋找了雙燃料發(fā)動機的最小引燃柴油油量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),各種工況下,發(fā)動機正常工作所需的最小循環(huán)供油量基本一致(815mm3 循環(huán))。圖3,轉(zhuǎn)速的升高,、輕這說明,為了優(yōu)化燃燒狀況,必須適當加大雙燃料發(fā)動機輕載工況下的循環(huán)供油量,而在重載工況下,為了降低NOx排放,可以采用較少的甚至采用試驗得到的最小循環(huán)供油量作為引燃油量。(a(b)累積燃燒放熱率的比較圖4引燃油量對雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響Fig.4Relationshipbetweenthecombustioncharacteristicandthepilotfuelquan

10、tity因此,在提高引燃柴油噴射壓力的條件下,為了保持著火時間不變,試驗時相應(yīng)增大了引燃柴油量。圖5對比了同時提高針閥開啟壓力及引燃油量條件下雙燃圖3最小循環(huán)供油量時的著火開始時間比較Fig.3Ignitiontimewhilethepilotfuelisminimal4.2引燃油量對燃燒特性的影響圖4是其它參數(shù)與原機一致,不同引燃油量時的雙燃料發(fā)動機的燃燒特性。很明顯,隨著引燃油量的增加,雙燃料發(fā)動機的燃燒速率加快,燃燒提前結(jié)束。發(fā)動機性能上表現(xiàn)為熱效率增加,燃料經(jīng)濟性提高,相應(yīng)地,最高燃燒溫度會提高,HC、CO排放會降低。料發(fā)動機的燃燒特性。由圖5可見,提高引燃柴油噴射壓力,并通過增加引燃

11、油量保持著火時間不變的條件下,燃燒初期的燃燒速率加快,燃燒放熱率加快,燃燒持續(xù)期基本不變。可見,單獨提高引燃柴油噴射壓力而保持引燃油量不變,反而會降低燃料經(jīng)濟性。為了提高雙燃料發(fā)動機的經(jīng)濟性,可以適當提高引燃柴油的噴射壓力,并相應(yīng)提高引燃柴油量。原因在于,提高噴射壓力后,噴油時間略會延遲,但少量提高小油量下的針閥開啟壓力,引燃油霧化狀況得不到明顯優(yōu)化,反而會推遲著火時302內(nèi)燃機學(xué)報第18卷第3期間,降低燃料經(jīng)濟性,增大尾氣排放率。由圖5可見,提高引燃柴油噴射壓力,并通過增加引燃油量保持著火時間不變的條件下,燃燒初期的燃燒速率加快,燃燒放熱率加快,燃燒持續(xù)期基本不變?？梢?為了提高雙燃料發(fā)動機

12、的經(jīng)濟性,可以適當提高引燃柴油的噴射壓力,并相應(yīng)提高引燃柴油量。4.4噴嘴參數(shù)對燃燒特性的影響試驗比較了4種噴油器參數(shù)對雙燃料發(fā)動機燃燒性能的影響,它們分別是:550.29mm,550.27mm,250.25mm+250.27mm,450.22mm。試驗發(fā)現(xiàn),保持其它條件不變,單獨減小噴嘴流通面積,不利于提高雙燃料發(fā)動機的燃燒特性。具體表現(xiàn)在:著火時間延遲,燃燒速率減慢,燃燒持續(xù)期延長。試驗結(jié)果如圖6所示。(a)最高爆發(fā)壓力比較(a)最高爆發(fā)壓力的比較(b)燃燒放熱率比較(b)累積燃燒放熱率的比較圖6噴嘴參數(shù)對雙燃料發(fā)動機燃燒性能的影響Fig.6Influenceoftheinjectorpa

13、rametersonthecombustioncharacteristics(c)累積燃燒放熱率比較圖5增大引燃油量并提高針閥開啟壓力時的燃燒特性比較Fig.5Thecombustioncharacteristicsusingmorepilotfuelandhigherinjectionpressure引起這種燃燒特性變化的原因在于,對雙燃料發(fā)動機,其它條件一致,增大噴嘴流通面積,相應(yīng)增加了點火初期的能量,有利于已燃火焰點燃傳播速度緩慢的天然氣。4.5供油提前角對燃燒特性的影響為了比較供油提前角對雙燃料發(fā)動機燃燒性能的影響,試驗比較了其它參數(shù)一致時,供油提前角分別為2018CABTDC、CAB

14、TDC及15CABTDC時雙燃料發(fā)動機的燃燒特性。試驗結(jié)果對比如圖7所示。結(jié)果表明,增大供油提2000年7月張武高等:柴油、天然氣雙燃料發(fā)動機的燃燒特性分析303前角時,雙燃料發(fā)動機的著火開始時間提前,燃燒初期的燃燒放熱率加快,但燃燒持續(xù)期反而延長,燃燒波動加大;降低供油提前角后,燃燒平緩,但相應(yīng)可能會引起燃料經(jīng)濟性的降低。油機基本一致,甚至略高于柴油機的水平。(3)最小引燃油量、針閥開啟壓力、噴孔參數(shù)、供油提前角等引燃柴油供給系統(tǒng)參數(shù)對雙燃料發(fā)動機的燃燒特性影響顯著,并會進一步影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性。(4)引燃油量增加,燃燒加快。為了兼顧雙燃料發(fā)動機的燃料經(jīng)濟性及排放特性,在優(yōu)化

15、雙燃料發(fā)動機的引燃柴油量時,應(yīng)盡量降低高負荷時的引燃油量,適當增大低負荷時的引燃柴油量。(5)優(yōu)化燃燒系統(tǒng)參數(shù)時,優(yōu)選引燃油噴射壓力應(yīng)與優(yōu)選引燃油量配合進行。(6)由于雙燃料發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒不存在燃料分布不均勻問題,選取具有較大流通面積的噴嘴,有利(a)最高爆發(fā)壓力的比較.TheTexasTHSRJENGJ,etalP:EmissionsandFuelEconomyofmarketCNGandLPGConversionsofLight2DutyVehiclesC.SAEPaper9620982CHIUJames,MATTHEWSRonald.TheTexasProject:Part2:Cont

16、rolSystemCharacteristicsofAftermarketCNGandLPGConversionsofLight2DutyVehiclesC.SAEPaper9620993DOUVILLEBrand,OUELLETTEPartric,.PerformanceandEmissionofTOUCHETTEAlin,etalaTwo2StrokeEngineFueledUsingHigh2PressureDirectionInjectionofNaturalGasC.SAEPaper(b)累積燃燒放熱率的比較9811604REISSORichard,BURKMYREWilliamM,

17、LANIGANJamesW.Paper9215515HODGINSKBruce,GUNAWANHardi,HILLPhillipG.Intensifier2InjectorforNaturalGasFuelingofDieselEnginesC.SAEPaper9215536ISHI.TheEffectofDAM,CHENZL,LUOGF,etal.PilotInjectiononCombustioninaTurbochargedD.IDieselEnginesC.SAEPaper9416947SMARTIanA.NaturalGasasaDualFuelinMarineEngineAnOpe

18、rationalStudyC.SAEPaper9116628GEBERTKresimir,BECKNJohn,BARKHIMER.DevelopmentofaPilotFuelSystemforRobertL,etalNaturalGasEngineC.SAEPaper961100TechanicalHighlightsoftheDodgeCompressedNaturalGasRamVan WagonC.SAE圖7供油提前角對雙燃料發(fā)動機燃燒特性的影響Fig.7Relationshipbetweeninjectionangleandcombustioncharacteristics5結(jié)論(1

19、)由于天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俾瘦^低,與柴油機相比,雙燃料發(fā)動機低負荷時的燃燒速率較低,燃燒放熱率降低,燃燒持續(xù)期加長,最高爆發(fā)壓力降低,壓力升高率降低,燃燒噪音下降。(2)雙燃料發(fā)動機的工況嚴重影響其燃燒性能:與低負荷時相比,雙燃料發(fā)動機高負荷時的燃燒速度加快,燃燒持續(xù)期減少到與柴油機基本一致的水平,燃燒噪聲隨負荷的增大進一步降低,熱效率升高到與柴304內(nèi)燃機學(xué)報第18卷第3期AnalysisontheCombustionCharacteristicsofDiesel CNGDualFuelEngineZHANGWu-gao,ZHOUMing,YANGMing-gao(StateKeyLabora

20、toryofAutomobileSafetyandEnergyConservation,TsinghuaUniversity,Beijing100084)AbstractThecombustioncharacteristicsofdiesel CNGdualfuelenginearestudiedinthispaper,andtheinfluenceoftheparametersofpilotfueldeliverysystemontheengineperformanceisemphasized.Basedontheexperiments,thecombustioncharacteristic

21、sbetweendieselengineanddualfuelenginearecompared,andtheeffectofengineloadonthecombustioncharacteristicsiscontrastedfirstly.Then,theinfluencesoftheparametersofpilotfueldeliverysystem,suchastheminimumcyclicfueldeliveryquantity,pilotfuelflux,theopenpressureofthenozzle,thenozzleparametersandthefuelsuppl

22、ytime,onthecombustionofdualfuelengineareanalyzed.Thecomparedcombustionincludespressure,theheatreleaserate,thestarttimeofthecombustionandaccumrateOisbasis,themethodsofimprovingtheperformanceofdualfuel.Keywords:Combustioncharacteristic;Diesel;tdeliverysystem;Engineperformance(上接第269)pressedComixturesC

23、.SAEPaper8721107BENSONSW.TheKineticsandThermochemistryofChemicalOxidationwithApplicationtoCombustionandFlameJ.ProgEngCombSci,1981,7:1258BALDWINRR.ArrheniusParametersofElementaryReactionsInvolvedintheOxidationofNeopentaneJ.JChemSoc,FaradyTrans1,1982,78:16159KECKJC.ExplosionofAdiabaticallyCompressedGasesinaConstantVolumeBombC.21stSymposium(International)onCombustion,Munich,WestGermany,198610李建權(quán)1火花點火發(fā)動機爆震燃燒的研究:學(xué)位論文D1天津:天津大學(xué),1995ChemicalKineticModelingofHeatReleaseduetoFuelOxidationPrecedingAutoignitionofEndGasShao-xiSHI,LIJian-quan