柴油_天然气双燃料发动机的燃烧特性分析

1、第18卷(2000)第3期文章编号:100020909(2000)0320299206内燃机学报Vol.18(2000)No.3TransactionsofCSICE180064柴油、天然气双燃料发动机的燃烧特性分析张武高,周明,欧阳明高(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)摘要:研究了柴油、天然气双燃料发动机的燃烧特性,并着重分析了引燃柴油供给系统参数对双燃料发动机燃烧特性的影响。以试验为基础,首先简要比较了柴油、天然气双燃料发动机与柴油机的燃烧特性,并对比了负荷对双燃料发动机燃烧特性的影响,然后分析了最小循环喷油量、引燃柴油量、引燃油喷射压力、喷嘴参数及供油提前角等引燃

2、柴油供给系统参数对最高爆发压力、燃烧放热率、着火开始时间、累积燃烧放热率等柴油、天然气双燃料发动机燃烧特性的影响,并在分析燃烧特性的基础上,提出了改善双燃料发动机性能的研究方向。关键词:燃烧特性;柴油、天然气双燃料发动机;引燃柴油供给系统;发动机性能中图分类号:TK464文献标识码:A引言我国的大气污染状况日趋严重染源之一是汽车尾气,。对于用途广泛的柴油汽车,采用双燃料技术是收效最快、费用最低的方法。在发动机技术发达国家,由于柴油微引燃技术的出现,使得双燃料汽车的排放指标可以达到火花点火、电控喷射、三元催化、闭环反馈单燃料燃气汽车所能达到的排放水平,而同时保持其在动力性、经济性、可靠性、灵活性

3、方面的优势,是一种理想的高效低污染发动机技术14。虽然目前我国的天然气加气站还没有得到普及,但双燃料发动机具有恢复原柴油机工作的特点,其动力性、经济性、排放性等具有潜在的优势,因而,双燃料发动机的研究也成为国内研究的重点与热点。引燃柴油喷射系统影响到双燃料发动机的各项性能指标58,是双燃料发动机最关键的技术之一。这种影响主要通过改变发动机的燃烧特性表现出来。因此,通过研究引燃油量对双燃料发动机燃烧特性的影响,能深入理解双燃料发动机的特性,为提高柴油、天然气双燃料发动机技术提供理论指导。(包括天等,成为电控双燃料发动机。试1。表1试验柴油机主要技术参数.1TabMainParametersoft

4、estdiesel机型DS mmmm6108108125618716排量 L压缩比供油提前角 静态推荐值喷孔数孔径 mm可变 18CA2CA550129试验采用陕甘宁气田的进京天然气。加气时,实测的各种气体体积含量分别为:甲烷96%,氮气215%,二氧化碳1125%,其它气体含量为0125%。燃烧分析仪为日本小野电测公司生产的CB2366型燃烧分析仪。2柴油机与双燃料机燃烧特性的比较在分析双燃料发动机燃烧特性及其影响因素之前,首先通过燃烧放热率曲线的比较,简要分析柴油、天然气双燃料发动机相对于柴油机的燃烧特性。试验过程中,双燃料发动机的齿条位于原柴油机的怠速油量位置。图1是外特性工况下,柴油机

5、与双燃料发动机的燃烧放热率的比较。由图可见,相对而言,双燃料发动机的缸内燃烧较为平缓,最高燃烧放热率相对较低;1试验条件试验工作在一台6108柴油机上进行,经改装后,收稿日期:1999209216;修订日期:1999211215。作者简介:张武高(1969-),男,博士,现在上海交通大学工作,主要研究方向为柴油、天然气双燃料发动机的性能。300内燃机学报第18卷第3期负荷、转速较低时,燃烧持续时间相对较长,高速高负荷时,两者的燃烧持续时间基本一致。图2对比了发动机转速及引燃柴油量都相同时,负荷对燃烧特性的影响。可以看出,当负荷增大后,发动机的最高爆发压力增大,燃烧放热率增大,燃烧开始时的燃烧速

6、率加快,同时,燃烧持续时间加长。(a)外特性1200r min时放热率的比较(a)(b)标定工况点燃烧放热率的比较图1双燃料发动机与柴油机燃烧特性的比较Fig.1Comparingthecombustioncharacteristicsofdualfuelanddieselengine(b)燃烧放热率比较通过对外特性各个工况下的燃烧特性的对比试验研究发现,与柴油机相比,双燃料发动机的燃烧特性具有以下特点:(1)低速小负荷时,双燃料发动机的着火开始时间较迟,燃烧速率较慢,燃烧持续期加长,最高爆发压力低,压力升高率低,燃烧噪音小,热效率降低。(2)高速高负荷时,双燃料发动机的着火开始时间较迟,但燃

7、烧速度加快,燃烧持续期与柴油机基本一致,最高爆发压力及压力升高率较低,燃烧噪声随负荷的增大进一步降低,热效率与柴油机基本一致,甚至略高于柴油机的水平。(c)累积燃烧放热率的比较图2负荷对双燃料发动机燃烧性能的影响Fig.2Influenceofloadonthecombustionperformanceofdualfuelengine3工况对双燃料发动机燃烧性能的影响为了弄清工况对双燃料发动机燃烧特性的影响,从图2b、图2c可见,低速小负荷时,发动机的燃2000年7月张武高等:柴油、天然气双燃料发动机的燃烧特性分析301烧持续期较短,燃烧放热速率较慢,这种现象会引起气缸内的天然气有较大部分会直

8、接排出缸外。原因在于:低负荷时,缸内温度升高缓慢,在缸内还存在较多未燃天然气的情况下,燃烧提前结束。当负荷增大后,混合气变浓,气缸内最高温度增大,有利于天然气的燃烧,降低未燃天然气的排放率。4.3引燃油喷射压力对燃烧特性的影响试验发现,在保持引燃油量不变,单独提高引燃柴油喷射压力的条件下,缸内最高压力反而降低,燃烧速率减慢,着火时间延迟,燃烧持续期加长,降低了双燃料发动机的热效率及燃料经济性,相应地可能提高HC、CO的排放率。4燃油供给系统参数对双燃料发动机燃烧性能的影响为了弄清引燃柴油供给系统参数对双燃料发动机燃烧性能的影响,试验从以下5个方面着手,对比研究了双燃料发动机的燃烧特点。4.1循

9、环供油量对燃烧特性的影响为了降低尾气排放,在不改变油泵参数的前提下,试验寻找了双燃料发动机的最小引燃柴油油量。结果发现,各种工况下,发动机正常工作所需的最小循环供油量基本一致(815mm3 循环)。图3,转速的升高,、轻这说明,为了优化燃烧状况,必须适当加大双燃料发动机轻载工况下的循环供油量,而在重载工况下,为了降低NOx排放,可以采用较少的甚至采用试验得到的最小循环供油量作为引燃油量。(a(b)累积燃烧放热率的比较图4引燃油量对双燃料发动机燃烧特性的影响Fig.4Relationshipbetweenthecombustioncharacteristicandthepilotfuelquan

10、tity因此,在提高引燃柴油喷射压力的条件下,为了保持着火时间不变,试验时相应增大了引燃柴油量。图5对比了同时提高针阀开启压力及引燃油量条件下双燃图3最小循环供油量时的着火开始时间比较Fig.3Ignitiontimewhilethepilotfuelisminimal4.2引燃油量对燃烧特性的影响图4是其它参数与原机一致,不同引燃油量时的双燃料发动机的燃烧特性。很明显,随着引燃油量的增加,双燃料发动机的燃烧速率加快,燃烧提前结束。发动机性能上表现为热效率增加,燃料经济性提高,相应地,最高燃烧温度会提高,HC、CO排放会降低。料发动机的燃烧特性。由图5可见,提高引燃柴油喷射压力,并通过增加引燃

11、油量保持着火时间不变的条件下,燃烧初期的燃烧速率加快,燃烧放热率加快,燃烧持续期基本不变。可见,单独提高引燃柴油喷射压力而保持引燃油量不变,反而会降低燃料经济性。为了提高双燃料发动机的经济性,可以适当提高引燃柴油的喷射压力,并相应提高引燃柴油量。原因在于,提高喷射压力后,喷油时间略会延迟,但少量提高小油量下的针阀开启压力,引燃油雾化状况得不到明显优化,反而会推迟着火时302内燃机学报第18卷第3期间,降低燃料经济性,增大尾气排放率。由图5可见,提高引燃柴油喷射压力,并通过增加引燃油量保持着火时间不变的条件下,燃烧初期的燃烧速率加快,燃烧放热率加快,燃烧持续期基本不变。可见,为了提高双燃料发动机

12、的经济性,可以适当提高引燃柴油的喷射压力,并相应提高引燃柴油量。4.4喷嘴参数对燃烧特性的影响试验比较了4种喷油器参数对双燃料发动机燃烧性能的影响,它们分别是:550.29mm,550.27mm,250.25mm+250.27mm,450.22mm。试验发现,保持其它条件不变,单独减小喷嘴流通面积,不利于提高双燃料发动机的燃烧特性。具体表现在:着火时间延迟,燃烧速率减慢,燃烧持续期延长。试验结果如图6所示。(a)最高爆发压力比较(a)最高爆发压力的比较(b)燃烧放热率比较(b)累积燃烧放热率的比较图6喷嘴参数对双燃料发动机燃烧性能的影响Fig.6Influenceoftheinjectorpa

13、rametersonthecombustioncharacteristics(c)累积燃烧放热率比较图5增大引燃油量并提高针阀开启压力时的燃烧特性比较Fig.5Thecombustioncharacteristicsusingmorepilotfuelandhigherinjectionpressure引起这种燃烧特性变化的原因在于,对双燃料发动机,其它条件一致,增大喷嘴流通面积,相应增加了点火初期的能量,有利于已燃火焰点燃传播速度缓慢的天然气。4.5供油提前角对燃烧特性的影响为了比较供油提前角对双燃料发动机燃烧性能的影响,试验比较了其它参数一致时,供油提前角分别为2018CABTDC、CAB

14、TDC及15CABTDC时双燃料发动机的燃烧特性。试验结果对比如图7所示。结果表明,增大供油提2000年7月张武高等:柴油、天然气双燃料发动机的燃烧特性分析303前角时,双燃料发动机的着火开始时间提前,燃烧初期的燃烧放热率加快,但燃烧持续期反而延长,燃烧波动加大;降低供油提前角后,燃烧平缓,但相应可能会引起燃料经济性的降低。油机基本一致,甚至略高于柴油机的水平。(3)最小引燃油量、针阀开启压力、喷孔参数、供油提前角等引燃柴油供给系统参数对双燃料发动机的燃烧特性影响显著,并会进一步影响发动机的动力性、经济性、排放性。(4)引燃油量增加,燃烧加快。为了兼顾双燃料发动机的燃料经济性及排放特性,在优化

15、双燃料发动机的引燃柴油量时,应尽量降低高负荷时的引燃油量,适当增大低负荷时的引燃柴油量。(5)优化燃烧系统参数时,优选引燃油喷射压力应与优选引燃油量配合进行。(6)由于双燃料发动机的缸内燃烧不存在燃料分布不均匀问题,选取具有较大流通面积的喷嘴,有利(a)最高爆发压力的比较.TheTexasTHSRJENGJ,etalP:EmissionsandFuelEconomyofmarketCNGandLPGConversionsofLight2DutyVehiclesC.SAEPaper9620982CHIUJames,MATTHEWSRonald.TheTexasProject:Part2:Cont

16、rolSystemCharacteristicsofAftermarketCNGandLPGConversionsofLight2DutyVehiclesC.SAEPaper9620993DOUVILLEBrand,OUELLETTEPartric,.PerformanceandEmissionofTOUCHETTEAlin,etalaTwo2StrokeEngineFueledUsingHigh2PressureDirectionInjectionofNaturalGasC.SAEPaper(b)累积燃烧放热率的比较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图7供油提前角对双燃料发动机燃烧特性的影响Fig.7Relationshipbetweeninjectionangleandcombustioncharacteristics5结论(1

19、)由于天然气的火焰传播速率较低,与柴油机相比,双燃料发动机低负荷时的燃烧速率较低,燃烧放热率降低,燃烧持续期加长,最高爆发压力降低,压力升高率降低,燃烧噪音下降。(2)双燃料发动机的工况严重影响其燃烧性能:与低负荷时相比,双燃料发动机高负荷时的燃烧速度加快,燃烧持续期减少到与柴油机基本一致的水平,燃烧噪声随负荷的增大进一步降低,热效率升高到与柴304内燃机学报第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李建权1火花点火发动机爆震燃烧的研究:学位论文D1天津:天津大学,1995ChemicalKineticModelingofHeatReleaseduetoFuelOxidationPrecedingAutoignitionofEndGasShao-xiSHI,LIJian-quan