柴油_天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性分析

1、第18卷(2000)第3期文章編號(hào):100020909(2000)0320299206內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)Vol.18(2000)No.3TransactionsofCSICE180064柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性分析張武高,周明,歐陽(yáng)明高(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)摘要:研究了柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性,并著重分析了引燃柴油供給系統(tǒng)參數(shù)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。以試驗(yàn)為基礎(chǔ),首先簡(jiǎn)要比較了柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)的燃燒特性,并對(duì)比了負(fù)荷對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)最高爆發(fā)壓力、燃燒放熱率、著火開(kāi)始時(shí)間、累積燃燒放熱率等柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī);引燃柴油供給系統(tǒng);發(fā)動(dòng)機(jī)性能中圖分類號(hào):TK464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A引言我國(guó)的大氣污染狀況日趨嚴(yán)重染源之一是汽車尾氣,。對(duì)于用途廣泛的柴油汽車,采用雙燃料技術(shù)是收效最快、費(fèi)用最低的方法。在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)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(biāo)可以達(dá)到火花點(diǎn)火、電控噴射、三元催化、閉環(huán)反饋單燃料燃?xì)馄囁苓_(dá)到的排放水平,而同時(shí)保持其在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、靈活性

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

4、estdiesel機(jī)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(yàn)采用陜甘寧氣田的進(jìn)京天然氣。加氣時(shí),實(shí)測(cè)的各種氣體體積含量分別為:甲烷96%,氮?dú)?15%,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(cè)公司生產(chǎn)的CB2366型燃燒分析儀。2柴油機(jī)與雙燃料機(jī)燃燒特性的比較在分析雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性及其影響因素之前,首先通過(guò)燃燒放熱率曲線的比較,簡(jiǎn)要分析柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于柴油機(jī)的燃燒特性。試驗(yàn)過(guò)程中,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的齒條位于原柴油機(jī)的怠速油量位置。圖1是外特性工況下,柴油機(jī)

5、與雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒放熱率的比較。由圖可見(jiàn),相對(duì)而言,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒較為平緩,最高燃燒放熱率相對(duì)較低;1試驗(yàn)條件試驗(yàn)工作在一臺(tái)6108柴油機(jī)上進(jìn)行,經(jīng)改裝后,收稿日期:1999209216;修訂日期:1999211215。作者簡(jiǎn)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?yàn)椴裼?、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。300內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第18卷第3期負(fù)荷、轉(zhuǎn)速較低時(shí),燃燒持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),高速高負(fù)荷時(shí),兩者的燃燒持續(xù)時(shí)間基本一致。圖2對(duì)比了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及引燃柴油量都相同時(shí),負(fù)荷對(duì)燃燒特性的影響?？梢钥闯?當(dāng)負(fù)荷增大后,發(fā)動(dòng)機(jī)的最高爆發(fā)壓力增大,燃燒放熱率增大,燃燒開(kāi)始時(shí)的燃燒速

6、率加快,同時(shí),燃燒持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)。(a)外特性1200r min時(shí)放熱率的比較(a)(b)標(biāo)定工況點(diǎn)燃燒放熱率的比較圖1雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)燃燒特性的比較Fig.1Comparingthecombustioncharacteristicsofdualfuelanddieselengine(b)燃燒放熱率比較通過(guò)對(duì)外特性各個(gè)工況下的燃燒特性的對(duì)比試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),與柴油機(jī)相比,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性具有以下特點(diǎn):(1)低速小負(fù)荷時(shí),雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的著火開(kāi)始時(shí)間較遲,燃燒速率較慢,燃燒持續(xù)期加長(zhǎng),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(fù)荷時(shí),雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的著火開(kāi)始時(shí)間較遲,但燃

7、燒速度加快,燃燒持續(xù)期與柴油機(jī)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(fù)荷的增大進(jìn)一步降低,熱效率與柴油機(jī)基本一致,甚至略高于柴油機(jī)的水平。(c)累積燃燒放熱率的比較圖2負(fù)荷對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響Fig.2Influenceofloadonthecombustionperformanceofdualfuelengine3工況對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響為了弄清工況對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響,從圖2b、圖2c可見(jiàn),低速小負(fù)荷時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的燃2000年7月張武高等:柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)引起氣缸內(nèi)的天然氣有較大部分會(huì)直

8、接排出缸外。原因在于:低負(fù)荷時(shí),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(dāng)負(fù)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(duì)燃燒特性的影響試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在保持引燃油量不變,單獨(dú)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(shí)間延遲,燃燒持續(xù)期加長(zhǎng),降低了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率及燃料經(jīng)濟(jì)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(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響為了弄清引燃柴油供給系統(tǒng)參數(shù)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響,試驗(yàn)從以下5個(gè)方面著手,對(duì)比研究了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特點(diǎn)。4.1循

9、環(huán)供油量對(duì)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(yàn)尋找了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最小引燃柴油油量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),各種工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)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(shuō)明,為了優(yōu)化燃燒狀況,必須適當(dāng)加大雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)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(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間不變,試驗(yàn)時(shí)相應(yīng)增大了引燃柴油量。圖5對(duì)比了同時(shí)提高針閥開(kāi)啟壓力及引燃油量條件下雙燃圖3最小循環(huán)供油量時(shí)的著火開(kāi)始時(shí)間比較Fig.3Ignitiontimewhilethepilotfuelisminimal4.2引燃油量對(duì)燃燒特性的影響圖4是其它參數(shù)與原機(jī)一致,不同引燃油量時(shí)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。很明顯,隨著引燃油量的增加,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒速率加快,燃燒提前結(jié)束。發(fā)動(dòng)機(jī)性能上表現(xiàn)為熱效率增加,燃料經(jīng)濟(jì)性提高,相應(yīng)地,最高燃燒溫度會(huì)提高,HC、CO排放會(huì)降低。料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。由圖5可見(jiàn),提高引燃柴油噴射壓力,并通過(guò)增加引燃

11、油量保持著火時(shí)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(jiàn),單獨(dú)提高引燃柴油噴射壓力而保持引燃油量不變,反而會(huì)降低燃料經(jīng)濟(jì)性。為了提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性,可以適當(dāng)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(shí)間略會(huì)延遲,但少量提高小油量下的針閥開(kāi)啟壓力,引燃油霧化狀況得不到明顯優(yōu)化,反而會(huì)推遲著火時(shí)302內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)第18卷第3期間,降低燃料經(jīng)濟(jì)性,增大尾氣排放率。由圖5可見(jiàn),提高引燃柴油噴射壓力,并通過(guò)增加引燃油量保持著火時(shí)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?jiàn),為了提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

12、的經(jīng)濟(jì)性,可以適當(dāng)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(duì)燃燒特性的影響試驗(yàn)比較了4種噴油器參數(shù)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響,它們分別是:550.29mm,550.27mm,250.25mm+250.27mm,450.22mm。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),保持其它條件不變,單獨(dú)減小噴嘴流通面積,不利于提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。具體表現(xiàn)在:著火時(shí)間延遲,燃燒速率減慢,燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)。試驗(yàn)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(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)啟壓力時(shí)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(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī),其它條件一致,增大噴嘴流通面積,相應(yīng)增加了點(diǎn)火初期的能量,有利于已燃火焰點(diǎn)燃傳播速度緩慢的天然氣。4.5供油提前角對(duì)燃燒特性的影響為了比較供油提前角對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的影響,試驗(yàn)比較了其它參數(shù)一致時(shí),供油提前角分別為2018CABTDC、CAB

14、TDC及15CABTDC時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(dòng)機(jī)的燃燒特性分析303前角時(shí),雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的著火開(kāi)始時(shí)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(zhǎng),燃燒波動(dòng)加大;降低供油提前角后,燃燒平緩,但相應(yīng)可能會(huì)引起燃料經(jīng)濟(jì)性的降低。油機(jī)基本一致,甚至略高于柴油機(jī)的水平。(3)最小引燃油量、針閥開(kāi)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(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性影響顯著,并會(huì)進(jìn)一步影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性及排放特性,在優(yōu)化

15、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃柴油量時(shí),應(yīng)盡量降低高負(fù)荷時(shí)的引燃油量,適當(dāng)增大低負(fù)荷時(shí)的引燃柴油量。(5)優(yōu)化燃燒系統(tǒng)參數(shù)時(shí),優(yōu)選引燃油噴射壓力應(yīng)與優(yōu)選引燃油量配合進(jìn)行。(6)由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒不存在燃料分布不均勻問(wèn)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(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)相比,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)的燃燒速率較低,燃燒放熱率降低,燃燒持續(xù)期加長(zhǎng),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(dòng)機(jī)的工況嚴(yán)重影響其燃燒性能:與低負(fù)荷時(shí)相比,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)的燃燒速度加快,燃燒持續(xù)期減少到與柴油機(jī)基本一致的水平,燃燒噪聲隨負(fù)荷的增大進(jìn)一步降低,熱效率升高到與柴304內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)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(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)爆震燃燒的研究:學(xué)位論文D1天津:天津大學(xué),1995ChemicalKineticModelingofHeatReleaseduetoFuelOxidationPrecedingAutoignitionofEndGasShao-xiSHI,LIJian-quan