天然气_柴油双燃料发动机燃烧特性的研究

1、第1期(总第131期)车 用 发 动 机No.1(SerialNo.131)2001年2月 VEHICLEENGINEFeb.2001性能研究天然气/柴油双燃料发动机燃烧特性的研究宁 智,刘建华,张 欣,朱家松(北方交通大学,北京 100044)摘要:对天然气/柴油双燃料发动机燃用纯柴油和天然气时的燃烧特性进行了对比分析。结果表明,双燃料发动机的燃烧具有一些独有的特点。根据双燃料发动机的燃烧特性,对改善双燃料发动机燃用纯柴油和天然气时的性能提出了几点建议。关键词:双燃料发动机;燃烧;天然气 中图分类号:TK434.6 文献标识码:A文章编号:1001-2222(2001)01-0005-03近

2、年来,随着我国城市汽车排气污染的日益严重以及我国在天然气开发利用方面的步伐加快,天然气汽车的开发与研究在我国已成为热点。天然气/柴油双燃料发动机是天然气发动机的一种形式。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。由于天然气/柴油双燃料发动机既要在双燃料模式下工作,也要能在纯柴油方式下运行,因此天然气/柴油双燃料发动机的改造要同时兼顾两者的性能2。为了能够充分发挥天然气/柴油双燃料发动机的优点,本文通过试验对天然气/柴油双燃料发动机燃用纯柴油和天然气时的燃烧特性进行了分析对比,得出了一些有益的结果。参数对发动机动力性、经济性以及排放特性的影响进行

3、了试验研究,从而确定了最佳喷油定时和引燃油量的范围。在此基础上,对发动机的燃烧特性进行分析。2.1 示功图分析图2示出了在两种不同的转速和负荷下双燃料发动机燃用纯柴油和双燃料时的示功图及压力升高率的比较。由图可见,发动机燃用双燃料时的最高燃烧压力和最大压力升高率在数值上和所对应的曲轴转角位置与燃用纯柴油时有很大的不同,并与发动机的工况有很大的关系。对比测试结果可以发现,在低速低负荷时,双燃料发动机在双燃料模式下的最高燃烧压力及最大压力升高率都低于纯柴油模式。在功率为4.4kW,转速为1600r/min时,纯柴油模式下的最高燃烧压力为7.25MPa左右,发生在上止点后8 CA10 CA的位置;而

4、双燃料模式下的最高燃烧压力为6.12MPa左右,发生在上止点后12 CA14 CA的位置。双燃料模式下的最高燃烧压力明显低于纯柴油模式,发生的位置也要相应靠后。纯柴油模式下的最大压力升高率为0.6MPa/ CA左右,发生在上止点附近;而双燃料模式下的最大压力升高率仅为0.4MPa/ CA左右,且发生的位置偏后,因此发动机燃用双燃料时的燃烧噪声较小,但热效率也较低。 高速高负荷时,双燃料发动机燃用双燃料时的最高燃烧压力仍然低于燃用纯柴油时的最高燃烧压力。双燃料模式下的最大压力升高率明显低于纯柴油模式下的最大压力升高率。总之,从整个工况范围来看,双燃料发动机在双燃料模式下的最高燃烧压力和最大压力升

5、高率普遍1 试验装置试验在一台单缸四行程水冷直喷式天然气/柴油双燃料发动机上进行。试验系统框图如图1所示。减压阀混合器测功机发动机天然气瓶柴油箱燃烧分析仪排放分析仪图1 试验系统框图试验时,通过燃烧分析仪测量气缸内燃烧压力并加以分析和处理;利用排放分析仪计量发动机排气中的有害气体浓度和排气烟度。2 燃烧特性分析以排放作为指标,对喷油定时、引燃油量等主要收稿日期:2000-08-07;修回日期:2000-11-30:6 车 用 发 动 机 2001年第1期低于纯柴油模式,这对于降低发动机燃用双燃料时的噪声,延长发动机的使用寿命和提高可靠性是非常有利的,但也可能带来发动机的功率损失和热效率的降低。

6、2.2 放热规律分析图3给出了在两种不同的转速和负荷下发动机燃用纯柴油和双燃料时的燃烧放热率和累积放热率的比较。从图3中可看出,发动机在双燃料模式下的放热率最大值要明显低于纯柴油模式,开始放热适中,满足柔和燃烧的要求,随后燃烧加快。发动机燃用双燃料时缸内燃烧发展较为平缓,这对于降低发动机的燃烧噪声是非常有利的。与燃用纯柴油时相比较,低速低负荷时,双燃料图2 发动机燃用纯柴油和双燃料时的示功图比较图3 发动机燃用纯柴油和双燃料时的燃烧放热率和累积放热率比较2001年2月 宁 智,等:天然气/柴油双燃料发动机燃烧特性的研究 7模式下发动机的着火点较迟,燃烧速率较慢,燃烧持续时间较长。而发动机负荷提

7、高后,尽管双燃料模式下发动机的着火点仍比纯柴油模式下的晚,但燃烧速度加快,燃烧持续时间与发动机燃用纯柴油时的基本一致。发动机燃用双燃料时,在中低负荷下由于缸内混合气浓度较低,使得燃烧速率较慢,燃烧持续期延长;活塞下移后,燃烧室容积加大,未燃天然气的点火燃烧更加困难,燃烧有可能提前结束,从而导致一部分未燃天然气直接排出缸外。这一方面会降低发动机的热效率,另一方面则会增加发动机排气中HC的含量。天然气与空气形成的较为均匀的混合气,使得双燃料发动机在燃用双燃料时的燃烧特性与燃用纯柴油时有许多不同。相比之下,双燃料模式下发动机燃烧时的放热规律更加合理;但低速低负荷时,由于混合气浓度过稀,对燃料的燃烧、

8、发动机热效率以及发动机的排放是不利的。燃料燃烧和纯柴油燃烧的要求,并充分发挥各自的长处。针对上述分析,为提高天然气/柴油双燃料发动机的性能,可采取以下措施:1)在不影响纯柴油模式下发动机性能的前提下,适当加大喷油提前角,使发动机燃用双燃料时的着火点提前。2)在发动机燃用双燃料时,为加速天然气的燃烧,缩短天然气燃烧持续时间,在中低负荷时应适当增加引燃柴油量。3)在双燃料模式下,为避免低负荷时由于缸内混合气浓度较稀、燃烧情况不好而造成发动机热效率降低以及发动机排气中HC排放量升高的问题,可采取进气节流的方式,或在低负荷时发动机以纯柴油的方式工作,只有在发动机的负荷超过一定值后,再逐渐加入天然气。总

9、之,根据双燃料和纯柴油燃烧的特点,适当调整发动机,并采取合适的控制策略,完全可以使天然气/柴油双燃料发动机在燃用纯柴油和双燃料时发动机的性能都达到一个较高的水平。3 结论通过双燃料发动机燃用纯柴油和双燃料时的燃烧特性的分析比较可以看出,双燃料发动机在双燃料模式下的最高燃烧压力、最大压力升高率、燃烧放热率以及累积放热率与纯柴油模式有很大的不同,并与发动机的工况有很大的关系。由于双燃料发动机既要在双燃料模式下工作,也要能工作在纯柴油模式,因此,双燃料发动机的改造要能够同时满足双参考文献:1房 津.发展中的中国天然气汽车工业J.天然气汽车,1998(1):30-36.2孙济美.天然气和液化石油气汽车

10、M.北京:北京理工大学出版社,1999.48-49.TheAnalysisofBurningCharacteristicofNaturalGas dieselDuel fuelEngineNINGZhi,LIUJian hua,ZHANGXin,ZHUJia song(CollegeofMechanicalandElectricalEngineeringNorthernJiaotongUniversity,Beijing 100044,China)dieselduel fuelengineisanalyzed.TheresultsofstudyshowthattheAbstract:Thebu

11、rningcharacteristicofdieselengineandnaturalgasburningofnaturalgas dieselduel fuelenginehassomespecialcharacteristics.Severalsuggestionstoimprovetheperformanceofnaturalgas dieselduel fuelengineareproposedaccordingtotheburningcharacteristicofnaturalgas dieselduel fuelengine.Keywords:duel fuelengine;burningcharacteristic;naturalgas编辑:张玉花信息戴姆勒!克莱斯勒公司收购DDC戴姆勒!克莱斯勒公司(总部设在德国的斯图加特)宣布,它已经与底特律柴油机公司(DDC,总部设在美国的底特律)达成