噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料的影響

宋建桐， 張春化， 李婕

(1. 北京電子科技職業(yè)學院汽車工程學院， 北京 100176；2. 長安大學交通新能源開發(fā)、應用與汽車節(jié)能陜西省重點實驗室， 陜西 西安 710064)

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噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料的影響

宋建桐1， 張春化2， 李婕1

(1. 北京電子科技職業(yè)學院汽車工程學院， 北京 100176；2. 長安大學交通新能源開發(fā)、應用與汽車節(jié)能陜西省重點實驗室， 陜西 西安 710064)

為了在電控共軌柴油機上應用LNG，將電控共軌柴油機改裝為柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機，研究了引燃柴油噴油正時對雙燃料發(fā)動機性能與排放的影響。試驗選取最大扭矩轉速1 600 r/min和標定轉速2 500 r/min，在不同油門開度工況下研究了雙燃料發(fā)動機的功率、燃料消耗量、有效燃料消耗率和排放。試驗結果表明：隨噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動機的輸出功率先增大后降低；有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正時處達到最低；HC，CO和炭煙排放降低，CO2排放升高；油門開度較小時的NOx排放降低，而油門開度較大時升高。

柴油機； 液化天然氣； 多元燃料發(fā)動機； 噴油正時

天然氣被認為是最清潔的石化燃料，其主要成分為甲烷。常壓下，天然氣沸點為-162 ℃，天然氣液化后，其體積為原來的1/600。液化天然氣(LNG)的甲烷含量大于98%，其性質(zhì)與甲烷非常接近。壓力為20 MPa的壓縮天然氣(CNG)常溫下的密度為175 kg/m3，而LNG的密度為435 kg/m3[1-2]。與CNG相比，LNG在提高車輛的續(xù)駛里程方面具有一定優(yōu)勢。

很多學者已經(jīng)在傳統(tǒng)柴油機上對發(fā)動機燃用天然氣-柴油雙燃料的排放、性能和燃燒特性進行了大量研究。與傳統(tǒng)柴油機相比，電控共軌柴油機具有噴油壓力高、霧化好，噴油量與噴油正時控制精確、調(diào)節(jié)方便，容易實現(xiàn)多次噴油等優(yōu)點，所以在電控共軌柴油機上應用天然氣-柴油雙燃料具有一定優(yōu)勢。

本試驗在一臺共軌柴油機上研究了引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油引燃LNG雙燃料發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性及排放的影響，為電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料時引燃柴油噴油正時的優(yōu)化控制提供研究基礎。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

試驗用LNG-柴油雙燃料發(fā)動機由1臺6缸、四沖程、增壓中冷、強制水冷、電控共軌、直噴式柴油機改造而成，其主要性能和結構參數(shù)見表1。電控共軌柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機試驗臺架見圖1。天然氣混合器安裝在中冷器和發(fā)動機之間的進氣總管上，天然氣與空氣在混合器內(nèi)混合后進入發(fā)動機。試驗用主要測量儀器見表2。

表1 試驗發(fā)動機主要技術參數(shù)

表2 試驗測量儀器

1.2 試驗方法

試驗選取原柴油機的最大扭矩轉速1 600 r/min和標定轉速2 500 r/min，油門開度分別為52%@1 600 r/min(原機功率40.5 kW，負荷率30%)、58%@1 600 r/min(原機功率80.7 kW，負荷率60%)、89%@2 500 r/min(原機功率48.9 kW，負荷率30%)和93%@2 500 r/min(原機功率96.8 kW，負荷率60%)。使發(fā)動機以雙燃料的模式運行，保持油門開度與原機相同，并通過標定軟件將引燃柴油量分別控制為2.48 kg/h@1 600 r/min，2.6 kg/h@1 600 r/min，3.93 kg/h@2 500 r/min和4.22 kg/h@2 500 r/min，調(diào)節(jié)天然氣供給量，使雙燃料發(fā)動機保持與原柴油機相同的轉速和功率輸出，并將噴油正時設置為最大功率正時，即為42°BTDC，15.5°BTDC，48°BTDC和30°BTDC。依次減小或增大噴油正時，并保證雙燃料發(fā)動機正常運轉，同時記錄不同噴油正時下的雙燃料發(fā)動機的功率、扭矩、柴油消耗量、天然氣消耗量和排放等參數(shù)。

2 試驗結果與分析

2.1 動力性

引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料功率的影響見圖2。由圖2可看出，隨噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動機的輸出功率先增大后降低，在最大功率正時處達到最高；相同轉速下，隨油門開度的增大，雙燃料發(fā)動機的最大功率正時推后。

隨引燃柴油噴油正時提前，柴油噴入氣缸時的缸內(nèi)溫度和壓力降低，引燃柴油的滯燃期變長，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增多，當缸內(nèi)溫度達到柴油的自燃溫度時，預混合燃燒的燃油量增多，放熱集中，功率增大。另外，由于引燃柴油噴油正時提前，預混合燃燒的柴油量增加，引燃柴油形成的著火點數(shù)量和能量增加，有利于天然氣充分燃燒。但當引燃柴油的噴油正時超過最大功率正時時，因燃燒過早而增加負功，動力性變差。

與傳統(tǒng)汽油機和柴油機相比，雙燃料發(fā)動機的燃燒過程具有柴油機擴散燃燒和汽油機奧托循環(huán)燃燒的雙重特點[3]。對于汽油機來說，隨轉速增大，氣缸內(nèi)紊流增強，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，而循環(huán)時間減小，燃燒過程延長，所以點火提前角應增大；汽油機是量調(diào)節(jié)，隨負荷的增大，進入氣缸混合氣的量增大，氣缸內(nèi)的殘余廢氣相對減少，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，點火提前角應減小。對于柴油機來說，噴油正時應隨轉速增加而提前，原因與汽油機類似；轉速不變，隨負荷增大，噴油量增加，噴油期和燃燒持續(xù)期增大，噴油正時也應提前[4]。隨轉速的增大，雙燃料發(fā)動機引燃柴油噴油正時提前，原因與汽油機和柴油機相似；而在相同轉速下，隨負荷的增大，引燃柴油量變化量較小，天然氣供給量增大，天然氣-空氣混合氣變濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，所以隨負荷的增大，引燃柴油的最大功率正時推遲。

2.2 經(jīng)濟性

2.2.1 燃料消耗量

引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料燃料消耗量的影響見圖3。由圖3可知，隨噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動機的燃料消耗量變化不大，這是因為隨噴油正時的提前，引燃柴油的噴油脈寬和天然氣的噴氣脈寬都沒有變化，但是引燃柴油的油軌壓力和天然氣的壓力存在一定波動，導致燃料消耗量略有波動。

2.2.2 有效燃料消耗率

引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料的有效燃料消耗率的影響見圖4。隨噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動機的有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正時處達到最低，油門開度為58%@1 600 r/min和93%@2 500 r/min時特別明顯；相同轉速下，隨油門開度的增大，雙燃料發(fā)動機的有效燃料消耗率降低，油門開度較小時，引燃柴油噴油正時對雙燃料發(fā)動機有效燃料消耗率的影響較大。

隨噴油正時的提前，引燃柴油滯燃期變長，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增加，天然氣-空氣混合氣的著火點和著火能量增多，燃燒得到改善；而且燃燒等容度增加，熱效率增加，所以有效燃料消耗率隨引燃柴油噴油正時的提前而降低。當噴油正時大于最大功率正時時，由于燃燒過早，壓縮負功增加，造成雙燃料發(fā)動機的有效燃料消耗率增大。

在相同轉速下，隨油門開度的增大，雙燃料發(fā)動機的引燃柴油量變化不大，但天然氣供給量增加，天然氣-空氣混合氣變濃，缸內(nèi)溫度升高，燃燒狀況得到改善，有效燃料消耗率降低。油門開度較小時，混合氣過稀，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停菀壮霈F(xiàn)失火現(xiàn)象，隨噴油正時提前，燃燒得到明顯改善，引燃柴油噴油正時的影響較大；而在油門開度較大時，混合氣較濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，引燃柴油噴油正時的影響變小。

2.3 排放

2.3.1 HC

引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料HC排放的影響見圖5。隨噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動發(fā)動機的HC排放降低。相同轉速和噴油正時下，隨油門開度的增大，雙燃料發(fā)動機的HC排放降低。

隨噴油正時的提前，引燃柴油滯燃期變長，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增多，混合氣的著火點和著火能量增多，燃燒得到改善，缸內(nèi)溫度和壓力較高，有利于燃料完全氧化。另外一方面，由于噴油提前，燃燒開始較早，HC有充足的時間進一步氧化，使HC排放降低。

相同轉速和噴油正時下，隨油門開度的增大，天然氣-空氣混合氣變濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，而且燃燒溫度和壓力升高，因局部失火而產(chǎn)生的HC排放降低。

2.3.2 CO

引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料CO排放的影響見圖6。隨噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動機的CO排放降低。雙燃料發(fā)動機的過量空氣系數(shù)較大，由于缺氧而不完全燃燒所產(chǎn)生的CO比較少，大多是因為混合氣過稀而產(chǎn)生的CO。隨噴油正時的提前，CO排放降低，這與HC排放降低的原因相似。

2.3.3 CO2

引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料CO2排放的影響見圖7。隨噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動機的CO2排放升高，這是因為隨噴油正時的提前，引燃柴油滯燃期變長，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增多，天然氣著火點的數(shù)量和能量增加，燃燒得到改善，有利于燃料完全燃燒，CO和HC排放降低，CO2排放升高。另外，由于噴油正時提前，燃燒始點提前，CO和HC排放有充足的時間進行氧化，進一步增加CO2的排放。

2.3.4 NOx

引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料NOx排放影響見圖8。相同轉速下，隨噴油正時的提前，油門開度較小時，雙燃料發(fā)動機的NOx排放降低，而油門開度較大時，NOx排放增加。

影響NOx生成的主要因素有溫度、氧濃度和滯留時間。隨著溫度的升高，NOx平衡濃度升高，生成速度也加快，特別是氧濃度較大時；生成NOx的化學反應比燃燒反應慢，即使在高溫、富氧條件下，如果停留時間過短，NOx的生成量也會很低。

油門開度較大時，隨噴油正時的提前，燃燒得到改善，缸內(nèi)溫度升高，而且由于功率增大，排溫升高，渦輪增壓進氣壓力增大，缸內(nèi)氧濃度增大，因此NOx排放急劇升高。另外，隨著噴油提前，上止點前的燃燒時間變長，燃燒持續(xù)期增加，氮氣在燃燒室內(nèi)滯留時間變長，也會造成NOx排放升高[5]。

隨負荷的降低，柴油機的噴油量降低，缸內(nèi)溫度和壓力降低，滯燃期變長。著火前，柴油接近完全蒸發(fā)的預混狀態(tài)，其燃燒過程接近預混合均質(zhì)壓燃[6]。油門開度較小時，雙燃料發(fā)動機引燃柴油量較少，隨噴油正時的提前，柴油滯燃期變長，蒸發(fā)時間較長，引燃柴油和天然氣-空氣混合氣混合得過于均勻且過稀，著火時為多點同時著火，沒有明顯的火焰前鋒，燃燒反應均勻且迅速，燃燒溫度分布均勻，因局部混合氣過濃，導致局部溫度過高而產(chǎn)生的NOx排放降低[7]。所以，隨引燃柴油噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動機的NOx排放明顯減少。

2.3.5 炭煙

引燃柴油噴油正時對電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料炭煙排放的影響見圖9。隨著噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動發(fā)動機的炭煙排放降低。炭煙生成的基本條件是高溫、缺氧。當噴油正時較小時，由于噴油開始時缸內(nèi)壓力和溫度均比較高，使引燃油在尚未充分蒸發(fā)的情況下便達到了自燃的混合氣濃度區(qū)域[8]，造成炭煙排放較高。隨噴油正時的提前，引燃柴油的滯燃期變長，滯燃期內(nèi)形成的混合氣增加，混合氣均勻，燃燒比較充分，另外，隨噴油正時的提前，引燃柴油產(chǎn)生的炭煙在高溫條件下氧化的時間增長，從而導致炭煙排放越來越低[5]。

3 結論

a) 隨轉速的增大，雙燃料發(fā)動機引燃柴油噴油正時提前；在相同轉速下，隨負荷的增大，引燃柴油的噴油正時推后；

b) 隨噴油正時的提前，雙燃料發(fā)動機的輸出功率先增大后降低，在最大功率正時處達到最高；有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正時處達到最低；HC，CO和炭煙排放降低，CO2排放升高；油門開度較小時，NOx排放降低，而油門開度較大時升高；

c) 小負荷時，為了獲得良好經(jīng)濟性，雙燃料發(fā)動機的引燃柴油噴油正時可采用最大功率噴油正時；而在中、大負荷時，為了降低NOx排放，雙燃料發(fā)動機的引燃柴油噴油正時可適當推遲。

[1] Kumar S,Kwon H,Choi K,et al.LNG: An eco-friendly cryogenic fuel for sustainable development[J]．Applied Energy,2011,88(12):4264-4273.

[2] Ma Z,Huang Z,Li C,et al.Combustion and emission characteristics of a diesel engine fuelled with diesel-propane blends[J]．Fuel, 2008,87(8):1711-1717.

[3] 宋建桐，張春化，吳晗，等.替代率對柴油引燃天然氣發(fā)動機性能的影響[J]．甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2012,47(6):151-155.

[4] 劉錚，王建昕.汽車發(fā)動機原理教程[M]．北京：清華大學出版社，2001.

[5] 秦建文，陳小敏，潘志軍.柴油機高壓共軌噴射系統(tǒng)參數(shù)對燃燒和排放性能影響的研究[J]．內(nèi)燃機車,2012(6):1-6.

[6] 姚廣濤.預混合壓燃發(fā)動機混合氣形成與燃燒過程研究[D]．天津：天津大學，2005.

[7] Papagiannakis R G,Hountalas D T.Combustion and exhaust emission characteristics of a dual fuel compression ignition engine operated with pilot Diesel fuel and natural gas[J]．Energy Conversion and Management,2004,45(18/19):2971-2987.

[8] 姚春德，姚廣濤，宋金甌，等.柴油引燃預混合天然氣實現(xiàn)準均質(zhì)壓燃著火燃燒方式的理論研究[J]．汽車工程，2005(2):168-171.

[編輯： 袁曉燕]

·信息·

《車用發(fā)動機》雜志入編2014年版《中文核心期刊要目總覽》

日前，2014年版《中文核心期刊要目總覽》(第七版)由北京大學出版社出版，《車用發(fā)動機》雜志入編《中文核心期刊要目總覽》之能源與動力工程類核心期刊，這是《車用發(fā)動機》雜志連續(xù)第七次入編《中文核心期刊要目總覽》。2014年版《總覽》在14 700余種期刊中評選出1 983種核心期刊，其中能源與動力工程類參評期刊73種，最終入編核心期刊的有13種。

Effects of Injection Timing on Electronic Control Common Rail Diesel Engine Fuelled with LNG-Diesel Dual Fuel

SONG Jiantong1, ZHANG Chunhua2, LI Jie1

(1. Automobile Engineering School, Bejing Polytechnic, Beijing 100176, China;2. Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Chang’an University, Xi’an 710064, China)

For the application of LNG, an electronic control common rail diesel engine was retrofitted as a LNG-diesel dual fuel engine and the influence of pilot diesel injection timing on the performance and emission of dual fuel engine was researched. The test points were different load conditions of 1 600 r/min maximum torque speed and 2 500 r/min rated speed and the power, fuel consumption, brake specific fuel consumption and emission of dual fuel engine were studied. The experimental results show that the brake power first increases and then decreases with the advance of injection timing. The brake specific fuel consumption first decreases and then increases, and reaches the lowest at injection timing of maximum power. The HC, CO and smoke emissions reduce and CO2emission increases. NOxemission increases and decreases at the corresponding large and small throttle opening.

diesel engine; LNG; multi-fuel engine; injection timing

2015-03-28；

2015-06-03

北京市教育委員會科技計劃面上項目(KM201410858004)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金項目(2014G1502035)

宋建桐(1980—)，男，副教授，博士，主要研究方向為交通新能源與節(jié)能工程；tjsjt@126.com。

張春化(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機燃燒與排放、汽車節(jié)能技術；zchzzz@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.017

TK46.4；TK421.2

B

1001-2222(2015)06-0085-05