宋建桐 張春化 李婕
摘要:為在柴油機上應(yīng)用液化天然氣,將電控共軌柴油機改裝為柴油引燃天然氣的雙燃料發(fā)動機,天然氣在進氣歧管前通過混合器與空氣混合,引燃柴油由原高壓共軌系統(tǒng)供應(yīng),噴油量和噴油正時由雙燃料電控單元(electronic control unit,簡稱ECU)控制。在雙燃料發(fā)動機試驗臺架上,對比研究發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,負荷率為25%、75%時,原柴油機與雙燃料發(fā)動機的燃燒循環(huán)變動。結(jié)果表明,與原機相比,雙燃料發(fā)動機峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均升高;與25%負荷率相比,75%負荷率時,原機的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)和峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)增大,平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)降低;雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均降低。
關(guān)鍵詞:電控共軌;柴油機;液化天然氣;雙燃料;循環(huán)變動
中圖分類號: TK46+4文獻標志碼: A
文章編號:1002-1302(2017)15-0209-05
隨著能源危機和環(huán)境污染的進一步加劇,代用燃料應(yīng)用技術(shù)得到了快速發(fā)展。在眾多車用代用燃料中,天然氣憑借其辛烷值高、燃燒清潔和價格低廉等特點,占據(jù)了較大的市場份額。天然氣在汽油機和柴油機上均可應(yīng)用,一般情況下,以壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)的形式應(yīng)用于車上。20 MPa的CNG的密度為175 kg/m3,而LNG的密度為 435 kg/m3,因此,LNG應(yīng)用于重型車上具有續(xù)駛里程長的優(yōu)勢[1]。
往復(fù)式內(nèi)燃機以柴油機和汽油機為主,柴油機為擴散燃燒,汽油機為預(yù)混合燃燒,而LNG-柴油雙燃料發(fā)動機的燃燒過程既包含引燃柴油的擴散燃燒,也包含天然氣的預(yù)混合燃燒[2]。LNG-柴油雙燃料發(fā)動機的天然氣與空氣預(yù)混合進入汽缸,但由于其自燃溫度較高,在壓縮沖程不能夠自燃,所以在接近壓縮沖程終了時,噴入少量柴油,柴油自燃后引燃周圍的天然氣和空氣的混合氣[3-4]。這種燃燒方式不但降低了碳煙和氮氧化合物(NOx)排放,還具有較高的熱效率[5-6]。
近年來,隨著排放標準的進一步提高,柴油機噴射系統(tǒng)得到了快速發(fā)展,電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸廣泛[7-8]。與傳統(tǒng)柴油機相比,電控共軌柴油機的噴油正時和噴油量控制精確且方便,這有利于LNG-柴油雙燃料的應(yīng)用[9]。
燃燒循環(huán)變動是指發(fā)動機在某一穩(wěn)定工況下,某個氣缸相鄰循環(huán)燃燒過程的變化[10-11]。與汽油機相比,柴油機進入氣缸的只是空氣,各缸的噴油量比較均勻,而且空氣量比較充足,所以柴油機的循環(huán)變動相對較小,但柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機在燃燒過程中具有預(yù)混燃燒和擴散燃燒的特殊性,有必要對其循環(huán)變動特性展開研究,對于認識這一復(fù)雜的燃燒過程、闡明循環(huán)變動產(chǎn)生的原因、尋求降低循環(huán)變動特性的措施意義很大[12-13]。
為研究電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料的燃燒循環(huán)變動,在1臺電控共軌柴油機上加裝天然氣供給系統(tǒng)和電控系統(tǒng),控制引燃柴油的噴射量、噴油正時和天然氣供給量。在雙燃料發(fā)動機試驗臺架上,對比分析原機與LNG-柴油雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)變動、峰值壓力升高率循環(huán)變動和平均有效壓力循環(huán)變動,為開發(fā)電控共軌柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機提供研究基礎(chǔ)。
1試驗方法與數(shù)據(jù)處理
1.1試驗裝置
試驗用LNG-柴油雙燃料發(fā)動機由1臺6缸、4沖程、增壓中冷、強制水冷、電控共軌、直噴式柴油機改造而成,其主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
試驗用發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)如圖1所示,在原柴油機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加LNG-柴油雙燃料控制系統(tǒng)。雙燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)與原機共享冷卻水溫度、曲軸位置、凸輪軸位置、油軌壓力等信號。雙燃料ECU可控制柴油噴油器及天然氣供給系統(tǒng)的通斷電磁閥和天然氣噴射電磁閥,也可監(jiān)測天然氣液位和壓力等。雙燃料模式下,發(fā)動機的軌壓、渦輪增壓、廢氣再循環(huán)等仍由原機ECU控制。雙燃料ECU可以通過控制外部繼電器進行雙燃料發(fā)動機的工作模式轉(zhuǎn)換。
天然氣混合器安裝在發(fā)動機的進氣總管上,在混合器內(nèi)天然氣與空氣混合后進入發(fā)動機。缸壓采集及放熱率分析采用奇石樂(Kistler)公司的6052A型壓電式缸壓傳感器、5019型電荷放大器及2893A型Kibox燃燒分析儀。缸壓傳感器安裝在氣缸蓋上,采集到的信號為電荷信號,經(jīng)電荷放大器放大處理后轉(zhuǎn)化為正比于缸內(nèi)壓力的電壓信號,并傳給燃燒分析儀。電渦流測功機用來對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、功率、水溫、進氣溫度等參數(shù)進行監(jiān)控和測量。
1.2試驗方法
試驗工況選取的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,負荷率為25%(27 kW)、75%(79 kW)。試驗時,首先在選定工況下,采集原柴油機的缸內(nèi)壓力。然后使發(fā)動機以天然氣-柴油雙燃料模式運行,在油門位置不變的前提下,調(diào)節(jié)引燃柴油量和天然氣供給量,將引燃柴油的噴油正時調(diào)節(jié)為最大轉(zhuǎn)矩噴油正時,使雙燃料發(fā)動機以相同轉(zhuǎn)速和功率輸出運行,運行平穩(wěn)后采集雙燃料發(fā)動機的缸內(nèi)壓力。連續(xù)測量100個工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力,壓力傳感器采集的缸壓信號,經(jīng)電荷放大器放大后傳送至燃燒分析儀。各工況雙燃料發(fā)動機的天然氣與柴油供給量、摻燒比和引燃柴油噴油正時見表2。
雙燃料發(fā)動機的天然氣與空氣為預(yù)混合,而且多點同時著火,燃燒速率快,等容度比原機高,所以其峰值壓力平均值較高。由于天然氣的著火是由柴油引燃,而引燃柴油的噴入狀態(tài)受到多種因素的影響,很難保持各循環(huán)噴入狀態(tài)完全相同,所以各缸著火點的數(shù)量和能量均不相同,引起雙燃料的峰值壓力標準差增大,此外,由于天然氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低,也導(dǎo)致其峰值壓力標準差增大[14]。與25%負荷率相比,75%負荷率時,柴油機缸內(nèi)溫度升高,燃燒狀況得到改善,缸內(nèi)壓力逐步升高;對于雙燃料發(fā)動機來說,與25%負荷率相比,75%負荷率時,天然氣-空氣混合氣變濃,再加上多點同時著火,燃燒加快,缸內(nèi)壓力升高幅度較大。endprint
不同負荷下,原機與雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)分布對比如圖3所示。可以看出,與原機相比,雙燃料發(fā)動機峰值壓力所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(φpmax)分布分散;25%負荷率時,雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)分布極其分散;隨著負荷的增大,天然氣-空氣混合氣變濃,燃燒得到改善,75%負荷率時峰值壓力循環(huán)分布相對集中。
2.2峰值壓力升高率循環(huán)變動
不同負荷率下,原機與雙燃料發(fā)動機的缸內(nèi)峰值壓力升高率隨循環(huán)序數(shù)的變化如圖4所示,峰值壓力升高率平均值[(dp/dφ)[TX-]max]和標準差見表4。與原機相比,雙燃料發(fā)動機峰值壓力升高率平均值升高,標準差增大;75%負荷率時,雙燃料發(fā)動機的峰值壓力升高率平均值比原機的升高幅度大,這是因為壓力升高率由缸內(nèi)壓力對曲軸轉(zhuǎn)角微分得到,微小的壓力變化都會造成壓力升高率較大的波動[15]。與25%負荷率相比,75%負荷率時,原機與雙燃料發(fā)動機缸內(nèi)峰值壓力升高率平均值和標準差均增大。
不同負荷下,原機與雙燃料發(fā)動機的缸內(nèi)峰值壓力升高率循環(huán)分布如圖5所示。與原機相比,雙燃料發(fā)動機峰值壓力升高率所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角[φ(dp/dφ)max]分布分散;25%負荷率時,雙燃料發(fā)動機的峰值壓力升高率循環(huán)分布極其分散,隨著負荷率的增大,天然氣-空氣混合氣變濃,燃燒得到改善,所以75%負荷率的相對集中。
2.4循環(huán)變動系數(shù)
從圖7可以看出,與原機相比,雙燃料發(fā)動機峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均升高;與25%負荷率相比,75%負荷率時,原機的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)和峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)增大,平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)降低;雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均降低。
柴油機進入氣缸的只是空氣,各缸的噴油量比較均勻,而且[CM(25]空氣比較充足,所以循環(huán)變動相對較低。雙燃料發(fā)動機的工作方式有所不同,雙燃料發(fā)動機的循環(huán)變動包括引燃柴油燃燒和天然氣燃燒2個部分,引燃柴油的燃燒波動會造成更嚴重的天然氣燃燒波動。另外,雙燃料發(fā)動機燃燒循環(huán)變動系數(shù)增大也因為天然氣以氣態(tài)形式進入汽缸,占用一部分汽缸容積,混合氣氧濃度降低,使引燃柴油與氧氣接觸的概率降低,難于著火燃燒;雙燃料發(fā)動機25%、75%負荷率下,引燃柴油量分別為原機該工況下的13.92%、7.36%, 噴油量的大幅降低造成噴油霧化性能惡化,部分柴油無法正常壓燃著火;引燃柴油的量降低,天然氣的點火數(shù)量和能量減小,也會導(dǎo)致天然氣燃燒惡化甚至失火[16]。隨負荷增大,天然氣-空氣混合氣變濃,雙燃料發(fā)動機缸內(nèi)溫度升高,缸內(nèi)燃燒條件得到改善,燃燒循環(huán)變動系數(shù)均降低[17]。
3結(jié)論
在雙燃料發(fā)動機試驗臺架上,對比研究了發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min,負荷率為25%、75%時,原柴油機與雙燃料發(fā)動機的燃燒循環(huán)變動。研究結(jié)果表明,與原機相比,雙燃料發(fā)動機峰值壓力、峰值壓力升高率和平均指示壓力的平均值和標準差均增大。與25%負荷率相比,75%負荷率時,原機和雙燃料發(fā)動機的峰值壓力、峰值壓力升高率和平均指示壓力的平均值均增大。與原機相比,雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)分布和峰值壓力升高率循環(huán)分布分散;與25%負荷率相比,75%負荷率時,雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)分布和峰值壓力升高率循環(huán)分布相對集中。與原機相比,雙燃料發(fā)動機峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均升高;與25%負荷率相比,75%負荷率時,原機的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)和峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)增大,平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)降低;雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)均降低。由結(jié)果可知,雙燃料發(fā)動機的峰值壓力循環(huán)變動系數(shù)、峰值壓力升高率循環(huán)變動系數(shù)和平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)具有較強的相關(guān)性。
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