天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)RCCI燃燒性能研究

董誠，申立中，封其超

(昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

環(huán)境污染問題已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的障礙，其中城市大氣環(huán)境污染日趨惡化，并成為了一個(gè)突出的問題。

柴油機(jī)作為全球應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力機(jī)械，具有悠久的使用歷史，它具有熱效率高、功率范圍廣、功率密度大、操作簡單以及經(jīng)濟(jì)性較高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用作汽車和工程機(jī)械的動(dòng)力；但柴油機(jī)的炭煙排放卻非常嚴(yán)重，極大地危害了城市環(huán)境和人類健康。相比于柴油，天然氣具有良好的可獲得性、低污染性，因此可以成為一種非常實(shí)用的發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料。以柴油作為引燃燃料的天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)因其具有使用燃料靈活、炭煙排放少、發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)小、改動(dòng)成本低等特點(diǎn)而具有良好的推廣前景[1]。

燃料特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與排放有著重要的影響，改善燃料的理化特性，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒組織得更加合理，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。對(duì)于天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，可以充分利用天然氣、柴油各自的優(yōu)點(diǎn)，探索混合燃料在同時(shí)降低NOx與PM排放、改善燃燒熱效率、實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒方面的潛力[2]。

反應(yīng)活性控制壓縮著火(Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI)是一種新型的燃燒方式，其能夠合理地組織混合氣的形成，使燃燒更加合理，它比均質(zhì)充量壓縮著火(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)、預(yù)混合充量壓縮著火(Premixed Charge Compression Ignition，PCCI)和低溫燃燒(Low Temperature Combustion，LTC)的實(shí)用性和操作性更強(qiáng)。HCCI綜合了汽油機(jī)均質(zhì)點(diǎn)燃和柴油機(jī)壓縮自燃的特點(diǎn)，能夠在缸內(nèi)形成多點(diǎn)火核，從而有效地維持著火燃燒的穩(wěn)定性，能同時(shí)降低NOx和PM排放，對(duì)多種燃料都有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并可實(shí)現(xiàn)較高的熱效率[3-4]。但是其保持NOx和PM較低排放的控制范圍小，不利于實(shí)際的應(yīng)用。PCCI與HCCI在燃燒特性上并沒有明顯的區(qū)別，二者熱釋放率曲線非常相似，但是PCCI的噴油時(shí)刻相對(duì)滯后，減少了HC的排放[5]。由于PCCI要經(jīng)歷一段很長的著火準(zhǔn)備期才能壓縮燃燒，所以在此期間有充足的時(shí)間使燃油與空氣混合，形成盡可能多的預(yù)混合氣便于燃燒，引入EGR可以達(dá)到同時(shí)降低NOx和炭煙排放的目的[6]。

HCCI和PCCI都是LTC的表現(xiàn)形式。許多有關(guān)燃料著火特性對(duì)低溫預(yù)混燃燒影響的研究表明[7-9]：低溫燃燒模式下燃用的是低十六烷值的燃料，如汽油燃料特性表現(xiàn)出了滿足未來排放法規(guī)的巨大潛力，相對(duì)于柴油而言，汽油在壓縮沖程末期接近上止點(diǎn)時(shí)噴射，有更長的時(shí)間與空氣混合，則著火及燃燒推遲，且可在更高的負(fù)荷工況下取得較低的NOx和PM排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒相位的控制[10]。但是汽油的燃料特性使得其在預(yù)混燃燒中也存在低負(fù)荷工況著火及燃燒穩(wěn)定性差的問題[11-12]。在這種燃燒模式中，因?yàn)槿紵郎囟鹊陀谔繜熀蚇Ox生成的最低溫度，所以炭煙和NOx的生成受到抑制，即使在化學(xué)計(jì)量空燃比附近，炭煙和NOx的生成量也很小。但是要實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，通常需要引入大比例的 EGR，而大比例 EGR 的引入必然會(huì)造成燃料的不完全燃燒增加，相應(yīng)地CO 和未燃 HC化合物 排放增加[13]。

RCCI燃燒方式適用于所有的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。RCCI是雙燃料部分預(yù)混合燃燒方式，在這種燃燒方式中，一種活性很低的燃油(天然氣)是通過進(jìn)氣道噴射的，而另一種高活性的燃油(柴油)是在壓縮沖程時(shí)直接噴射到缸內(nèi)。燃油在缸內(nèi)混合過程中形成了燃油梯度。這種分層燃油梯度形成一個(gè)更大的燃燒范圍，同時(shí)相比于預(yù)混合的 HCCI 燃燒降低了壓力升高率。此外，兩種不同活性的燃油混合，使得每循環(huán)的辛烷值發(fā)生變化。這些都得通過調(diào)節(jié)兩種燃油的比例來實(shí)現(xiàn)[14]。這種新型的燃燒方式能夠有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒，從而有效地改善我國城市柴油機(jī)車炭煙排放過于嚴(yán)重的問題。

國內(nèi)外的一些汽車企業(yè)和高校相繼開展了天然氣-柴油機(jī)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究，并取得了一些成果。針對(duì)目前國內(nèi)外在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改裝過程中和實(shí)際使用中存在的問題，開展了天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改裝技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了RCCI燃燒，并研究了此燃燒模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化。

1 天然氣-柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝與設(shè)計(jì)

天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝要求對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)小，動(dòng)力性與原機(jī)相當(dāng)，排氣煙度與原機(jī)相比應(yīng)有大幅度改善。改造后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有良好的可操作性，且純柴油模式和雙燃料模式能夠相互轉(zhuǎn)換，便于使用。

試驗(yàn)燃用的天然氣低熱值為50.05 MJ/kg，燃用的柴油低熱值為42.5 MJ/kg，也就是說同等質(zhì)量燃料燃燒，天然氣可以釋放出更多的熱量，使得經(jīng)濟(jì)性得到改善。天然氣的自燃溫度是537 ℃左右，很難發(fā)生自燃，也不容易被壓燃，只能通過引燃物引燃。燃料的理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)用柴油與天然氣基本屬性

續(xù)表

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝

本次試驗(yàn)使用的原機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為YN38CRD2電控高壓共軌4缸柴油機(jī)，在此基礎(chǔ)上改裝成天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。該款柴油機(jī)采用了渦輪增壓、增壓中冷及高壓共軌技術(shù)，具有很好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，而且具有較好的排放性能，達(dá)到了國Ⅲ排放要求。該發(fā)動(dòng)機(jī)主要的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)保留了原機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，只是增加了一套天然氣供給系統(tǒng)。在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，天然氣的供氣方式可分為氣缸內(nèi)直接噴射和氣缸外供氣兩種方式，氣缸外供氣又分為各缸進(jìn)氣門外噴射和進(jìn)氣道混合器供氣兩種。其中，進(jìn)氣道混合器供氣形式簡單，發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)小，結(jié)構(gòu)不變，便于柴油機(jī)的雙燃料改造，成本低[15]。因此，本研究進(jìn)氣方式采用進(jìn)氣歧管多點(diǎn)噴射的方式。

圖1示出雙燃料供給系統(tǒng)示意，燃料供給系統(tǒng)分為三部分，分別是柴油供給系統(tǒng)、天然氣供給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。

圖1 天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在海拔1 972 m，大氣壓力80 kPa，環(huán)境溫度20～25 ℃條件下完成。試驗(yàn)采用普通0號(hào)柴油，天然氣為四川氣田天然氣，各成分的體積分?jǐn)?shù)分別為甲烷97.2%，乙烷0.7%，丙烷0.2%，二氧化碳1%，氮?dú)饣?%。

臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍1 200～3 200 r/min，每隔200 r/min取1個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，一共11個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，負(fù)荷點(diǎn)取20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%共9個(gè)點(diǎn)。試驗(yàn)測量雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、功率、燃油消耗率、排氣溫度、排放物等數(shù)據(jù)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動(dòng)力性分析

圖2示出雙燃料模式和純柴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩曲線。由圖可知，雙燃料模式下的外特性扭矩與原發(fā)動(dòng)機(jī)相比變化不大，雙燃料模式的扭矩升高斜率和下降斜率比純柴油模式的均略大些。發(fā)動(dòng)機(jī)在1 200～1 600 r/min運(yùn)行時(shí)，雙燃料模式下的扭矩比純柴油模式的上升較快，而在2 400～3 200 r/min輸出扭矩比純柴油模式的小1.2%～3.5%。這是因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的油量調(diào)節(jié)屬于質(zhì)調(diào)節(jié)，需要保持過量的空氣才能燃燒得更加完全，以免產(chǎn)生過多的炭煙排放；而天然氣的理論空燃比范圍很寬泛，稀燃的燃燒特性比柴油好得多，并且雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可不受柴油冒煙的界限限制，使得雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩要高一點(diǎn)。

圖2 外特性(扭矩—轉(zhuǎn)速)

圖3示出兩種模式下的功率曲線。由圖4可以看出，雙燃料系統(tǒng)的輸出功率與純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的相差不大。在1 200～1 600 r/min轉(zhuǎn)速下雙燃料模式的輸出功率比純柴油模式要略高；在2 400～3 200 r/min時(shí)，雙燃料模式下的輸出功率比純柴油模式低4.6%左右。在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi)，兩種模式工作下發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化不大。這是因?yàn)殡p燃料模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率與混合氣的濃度有關(guān)，而雙燃料模式下的混合氣濃度受天然氣噴油系統(tǒng)噴射壓力的影響。在低速低負(fù)荷工況，由于轉(zhuǎn)速低，混合氣的濃度能達(dá)到原機(jī)正常工作下的濃度，所以功率變化不大；在高速高負(fù)荷時(shí)，由于轉(zhuǎn)速大，再加上受到天然氣噴射系統(tǒng)噴射壓力的限制，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)不到原機(jī)正常工作的混合氣濃度，功率的輸出相對(duì)降低。

圖3 外特性(功率—轉(zhuǎn)速)

2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性分析

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性由引燃油量和天然氣消耗量兩部分決定，兩者相互作用，共同影響雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)。為了減少排放物和柴油的使用，希望雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能地減少引燃油量。圖4示出發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。從圖中可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)1 200～1 800 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，雙燃料模式下的燃油消耗率比純柴油模式小6%～8.2%，而在2 000～3 200 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，油耗降幅逐漸變小，相比原機(jī)消耗的要小2%左右。這是因?yàn)殡p燃料模式下燃料的燃燒方式是反應(yīng)活性控制壓燃著火，由于天然氣的理化特性，燃料在缸內(nèi)盡可能多地與空氣混合，使得均質(zhì)混合氣進(jìn)一步形成，這有利于燃料的合理燃燒；這種情況在低速低負(fù)荷時(shí)比較明顯，在高速高負(fù)荷時(shí)，受到天然氣噴射壓力的限制，這種優(yōu)勢逐漸減小。

圖4 外特性(燃油消耗率—轉(zhuǎn)速)

2.3 排氣溫度分析

可以用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度表征發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性，對(duì)于同一型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在相同的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速工況下，排氣溫度低可以說明該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒比較良好，同時(shí)排放也相應(yīng)降低。

圖5示出發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。圖中表明：在低、高轉(zhuǎn)速下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度比原機(jī)降低很多，而在中等轉(zhuǎn)速下，降幅變小，但還是比原機(jī)低。從圖中還可以看出，在整個(gè)外特性下，雙燃料模式的排氣溫度比原機(jī)低20～90 ℃。在原柴油機(jī)改裝時(shí)，并沒有改變?cè)瓩C(jī)的供油提前角，但是減少了柴油噴油量，噴入天然氣來替代這一部分的柴油量，天然氣的理化性質(zhì)使得缸內(nèi)燃燒溫度降低。同時(shí)，在中高轉(zhuǎn)速工況下，天然氣的加入占用了一部分空氣的體積，使得雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)過量空氣系數(shù)減小，排氣溫度從而變小。

圖5 外特性(排氣溫度—轉(zhuǎn)速)

2.4 排放性能分析

由外特性可以看出，采用雙燃料模式可以達(dá)到純柴油模式的動(dòng)力性，且經(jīng)濟(jì)性得到改善。在2 000 r/min和1 600 r/min時(shí)，經(jīng)濟(jì)性改善幅度較3 200 r/min時(shí)大。本試驗(yàn)選擇2 800 r/min，1 600 r/min以及不同替代率進(jìn)行排放試驗(yàn)對(duì)比。

圖6、圖7分別示出發(fā)動(dòng)機(jī)在2 800 r/min，1 600 r/min的碳?xì)浠衔锟偭?THC)排放的對(duì)比。 圖中表明：采用雙燃料模式時(shí)THC 排放量遠(yuǎn)高于純柴油模式。在1 600 r/min時(shí)，中低負(fù)荷時(shí)THC排放較高，隨著負(fù)荷增大THC排放迅速降低；在2 800 r/min時(shí)，THC 排放在小負(fù)荷時(shí)隨著負(fù)荷增加下降明顯，但大負(fù)荷時(shí)下降幅度降低。

圖6 2 800 r/min下THC排放

圖7 1 600 r/min下THC排放

在中高轉(zhuǎn)速運(yùn)行條件下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，THC 排放量顯著減少，這是因?yàn)橐疾裼挽F化特性得到改善，并且進(jìn)氣渦流強(qiáng)度隨著負(fù)荷的增加而增強(qiáng)，點(diǎn)火中心的數(shù)量增加。此外，在高負(fù)荷下增壓壓力和溫度升高，導(dǎo)致氣缸壓縮溫度升高。所有這些都降低了天然氣燃料的燃燒極限，并增加了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋愿嗟念A(yù)混合天然氣參與燃燒過程。

圖8、圖9分別發(fā)動(dòng)機(jī)在2 800 r/min，1 600 r/min時(shí)的NOx排放對(duì)比。圖中表明：在2 800 r/min時(shí)，雙燃料模式下NOx排放優(yōu)于純柴油模式，平均減少了18%左右；在1 600 r/min高負(fù)荷時(shí)，雙燃料模式下NOx排放優(yōu)于純柴油模式，大約減少5%，在中低負(fù)荷時(shí)兩種模式下NOx排放基本一致。也就是說在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)雙燃料模式并不能降低NOx排放。

圖8 2 800 r/min下NOx排放

圖9 1 600 r/min下NOx排放

在偏低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況和高轉(zhuǎn)速工況下，雙燃料模式NOx排放明顯改善。在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)兩種模式缸內(nèi)壓力相差較大，雙燃料模式缸內(nèi)壓力較高，主要是沒有調(diào)節(jié)噴油正時(shí)造成的，雙燃料模式時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷休^長的時(shí)間生成NOx，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比較高，提供富氧環(huán)境，因而NOx排放相較純柴油模式?jīng)]有明顯降低。在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速時(shí)，混合氣基本上都是在稀混合氣條件下燃燒，這樣會(huì)造成燃燒的局部溫度降低，同時(shí)引燃柴油的噴油提前角延遲，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，NOx停留時(shí)間較短，短時(shí)間難以達(dá)到平衡，因而NOx排放降低。

3 結(jié)論

a) 在1 200～1 600 r/min轉(zhuǎn)速范圍，雙燃料模式下的輸出扭矩和輸出功率都要比純柴油模式下高，而在2 400～3 200 r/min轉(zhuǎn)速范圍，受燃料特性的影響，雙燃料模式輸出扭矩和輸出功率要?。辉诎l(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行工況下，兩種模式的動(dòng)力性基本相同；

b) 在發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行工況下，雙燃料模式下的燃油消耗都要比純柴油模式下??；在1 200～1 800 r/min轉(zhuǎn)速范圍油耗降幅較大，而在2 000～3 200 r/min轉(zhuǎn)速范圍油耗降幅較?。?/p>

c) 雙燃料模式下的排氣溫度比純柴油模式下低20～90 ℃；

d) 在低速和高速時(shí)，雙燃料模式下的THC排放明顯比純柴油模式低；而對(duì)于NOx排放，在低速、中低負(fù)荷時(shí)沒有明顯減少，在高速下NOx排放減少比較明顯。