天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀分析

李玉蘭，王 謙

（1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江 212016；2.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀分析

李玉蘭1，2，王 謙2

（1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江 212016；2.江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

隨著世界傳統(tǒng)能源的日益匱乏，以及排放污染問(wèn)題的日益加重，天然氣天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)新的研究熱點(diǎn)。從傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的問(wèn)題、新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展前景和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)分析了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究背景；綜述了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀，提出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要繼續(xù)研究的方面，對(duì)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一定的參考價(jià)值。

天然氣；柴油；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

1 天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究背景

1.1 傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的問(wèn)題

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，全世界人口也在不斷增加，對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗也不斷增加，全球都面臨著能源危機(jī)，石油資源可開(kāi)采量也日益減少。因此傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的問(wèn)題主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面。一方面柴油作為一種石油資源，全球油價(jià)不斷攀升，一度造成了嚴(yán)重“油荒”。

另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)柴油機(jī)尾氣排放污染問(wèn)題。傳統(tǒng)柴油機(jī)尾氣污染物中含有氮氧化物（NOx）、二氧化碳，未燃的碳?xì)浠衔铮℉C）、微粒物（PM）等，這些尾氣排放危害成為人類(lèi)生存環(huán)境的主污染物來(lái)源。在傳統(tǒng)燃料的柴油機(jī)行業(yè)，各類(lèi)排放法規(guī)對(duì)污染物的控制越來(lái)越嚴(yán)格。因此，改善柴油機(jī)污染勢(shì)在必行。

1.2 新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展前景

為了解決傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨的問(wèn)題，新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究得到日益關(guān)注。目前，解決柴油機(jī)尾氣污染問(wèn)題的熱門(mén)方法是使用替代燃料，包括生物質(zhì)燃料，LPG 和天然氣等。其中天然氣具有清潔環(huán)保高效的優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料研究熱點(diǎn)。所以以天然氣為代表的新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展前景是非常樂(lè)觀的。

1.3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)分析

目前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料分為兩種，分別是氣態(tài)天然氣和液態(tài)天然氣。甲烷（CH4）是天然氣的主要成分，通常占90％以上，有些純度高的天然氣，甲烷含量甚至達(dá)到95％～98％，因此天然氣的物理化學(xué)性質(zhì)十分接近甲烷。與其它化學(xué)燃料相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）燃燒清潔。天然氣單位能量中的碳元素含量低于其柴油和汽油，因此百公里產(chǎn)生的 CO2排放明顯降低。

（2）可在高壓縮比條件下工作。天然氣辛烷值很高，約為130。因此天然氣具有優(yōu)良的抗暴性，一方面發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，壓力升高速率平緩；另一方面，可通過(guò)增大壓縮比、改進(jìn)點(diǎn)火提前角等方式改善混合氣熱值低，進(jìn)氣效率低的缺陷，提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

（3）天然氣汽車(chē)?yán)鋯?dòng)性能好。

（4）天然氣射流發(fā)展速度快，射流的貫穿距與錐角增加，有利于缸內(nèi)氣流混合

（5）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)比燃油發(fā)動(dòng)機(jī)具有更寬的稀燃邊界，空燃比最大可達(dá)2.0，放熱率大，燃燒迅速。

（6）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用天然氣比汽油節(jié)省50％的費(fèi)用；車(chē)輛大修理時(shí)間較汽、柴油機(jī)延長(zhǎng) 20％以上，潤(rùn)滑油更換周期延長(zhǎng)到 1.5 萬(wàn) km，維修保養(yǎng)費(fèi)節(jié)約 50％。

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的分類(lèi)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)有很多應(yīng)用形式，可按不同應(yīng)用形式，如燃料，進(jìn)氣方式等等分成很多種類(lèi)，如表1所示。

表1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的分類(lèi)

天然氣可以引入到柴油機(jī)上成為天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。它采用柴油作為引燃燃料，形成火焰花點(diǎn)燃天然氣。改裝好的氣體機(jī)，熱效率與同排量柴油機(jī)相當(dāng)，碳煙顆粒NOx和CO2的排放顯著降低。但是與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，中小負(fù)荷工況下的未燃?xì)怏w排放會(huì)升高。這主要是因?yàn)?，較低的進(jìn)氣溫度和較長(zhǎng)的著火延遲期使得缸內(nèi)的燃燒溫度降低。另一個(gè)原因是微引燃柴油的噴霧貫穿距位置和霧化狀況惡劣造成引燃火焰點(diǎn)在缸內(nèi)不能平均分布。在中小負(fù)荷工況下采用廢氣循環(huán)技術(shù)（EGR），可以提高燃燒溫度，降低未燃CH和CO的排放。增加引燃燃料量或者在天然氣中摻入氫氣都可以提高燃燒速率。柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能略微下降，但是通過(guò)改進(jìn)天然氣直噴技術(shù)，加強(qiáng)燃料的深度精煉，優(yōu)化燃料供給技術(shù)都可應(yīng)對(duì)天然氣燃料物理化學(xué)性質(zhì)引起的功率下降現(xiàn)象。

天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用早期，由于加氣站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善，為了能夠使汽車(chē)正常運(yùn)行，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)主要是在原有的發(fā)動(dòng)機(jī)上增加一套天然氣系統(tǒng)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在汽油和天然氣燃料之間切換使用，目前出租車(chē)上用的主要是這種天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這種技術(shù)簡(jiǎn)單，發(fā)展成熟。對(duì)于私家車(chē)而言，由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)占用后備箱很大空間，目前還沒(méi)有使用。

3 天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)的研究熱點(diǎn)是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性及排放特性、燃燒模型、稀燃技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、油氣電子調(diào)節(jié)與控制、控制排放的缸內(nèi)燃燒技術(shù)、機(jī)外催化技術(shù)和廢氣再循環(huán)技術(shù)等。天然氣/柴油雙燃料缸內(nèi)射流發(fā)展混合過(guò)程對(duì)優(yōu)化組織燃燒，提高雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，降低排放均有重要的影響。但是目前目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究多集中在發(fā)動(dòng)機(jī)的性能研究，針對(duì)雙燃料缸內(nèi)射流發(fā)展混合過(guò)程的研究還不夠廣泛和深入。

Abraham等開(kāi)展了高壓直噴氣體射流的實(shí)驗(yàn)研究。1994年，他通過(guò)研究氣液兩種射流，發(fā)現(xiàn)得益于液體射流的高動(dòng)量，其與空氣動(dòng)量交換速度更快，因此液體射流比氣體射流更易于和環(huán)境氣體混合。1996 年，他總結(jié)計(jì)算了氣體入口速度與氣體射流貫穿距之的經(jīng)驗(yàn)公式。1997 年，他通過(guò) CFD 模擬計(jì)算，認(rèn)為氣體射流可使用尺度低于氣體噴孔直徑的計(jì)算網(wǎng)格。P.Ouellette等基于k-ε湍流模型，利用數(shù)值模擬研究了缸內(nèi)湍流，噴射持續(xù)時(shí)間以及壁面等因素對(duì)天然氣射流的速度場(chǎng)、貫穿距的影響。Timothy White利用紋影儀法，背影法和數(shù)值計(jì)算方法研究了天然氣/柴油雙燃料射流的發(fā)展。設(shè)計(jì)加工了不同的雙燃料噴射器結(jié)構(gòu)，分析了不同天然氣，柴油噴射位置，噴射夾角距離等因素對(duì)射流的影響。Yu Jingzhou等利用平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試技術(shù)（PLIF）研究了噴射壓力與缸內(nèi)背壓不同比值下天然氣撞擊平面的射流結(jié)構(gòu)變化以及射流與周?chē)諝獾南嗷プ饔?。研究發(fā)現(xiàn)，平面撞擊有利于氣體射流與環(huán)境氣體的混合，為氣體機(jī)分層燃燒技術(shù)開(kāi)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。Yu Liu等利用紋影儀，定容彈等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，用L型管道代替噴嘴研究了天然氣噴射壓力，背壓，以環(huán)境因素對(duì)天然氣射流發(fā)展，天然氣點(diǎn)火成功率，天然氣火焰生長(zhǎng)速度的影響。Taib Mohamad等人提出，由于天然氣無(wú)色無(wú)味，可將天然氣射流導(dǎo)入水中，從而拍攝天然氣射流發(fā)展過(guò)程。作者將火花塞改裝成為直噴天然氣噴射器，噴射壓力在 4-6MPa 之間。天然氣射流的渦流結(jié)構(gòu)與天然氣射流球形射流模型十分吻合。Xu Cheng等在背壓為 4MPa，環(huán)境溫度為 850K 條件下研究了不同氣體射流噴射壓力對(duì)噴孔內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)的影響，結(jié)果顯示，噴孔出口速度大于入口速度，而噴孔出口壓力和出口溫度則低于入口。Iman Chitsaz等利用紋影儀以及數(shù)值模擬手段，研究了單燃料壓縮天然氣（CNG）射流發(fā)展過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)，較高的噴射壓力與背壓比值以及更大的天然氣噴孔孔徑會(huì)導(dǎo)致射流貫穿距顯著增加，但是射流初始發(fā)展階段基本不受影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)射流發(fā)展基本一致。Mingi Choi等結(jié)合PLIF實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)氣體燃料噴射優(yōu)化了KIVA-3V的程序。Karri Keskinen等研究了噴嘴類(lèi)型，噴射壓力，噴射時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)混合氣形成的影響。

國(guó)內(nèi)江蘇大學(xué)張州榕等利用紋影儀開(kāi)展了天然氣單燃料射流特性研究，同時(shí)針對(duì)天然氣/柴油雙燃料同軸噴射器的噴孔幾何位置因素開(kāi)展了數(shù)值模擬研究。戴禮明等基于 AVLFIRE 軟件，針對(duì)某型柴油機(jī)模型開(kāi)展缸內(nèi)高壓直噴式天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同天然氣替代率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響開(kāi)展數(shù)值模擬。王金華在定容彈上利用高速攝影紋影法片得到了不同噴射壓力和背壓下的射流貫穿距離、射流錐角和射流體積隨時(shí)間變化的規(guī)律，計(jì)算得到了射流內(nèi)整體過(guò)量空氣系數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律。

4 天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要解決的問(wèn)題

為降低排放，緩解石油能源緊張的局面，氣體燃料受到了世界各國(guó)的重視和推廣，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷完善，但天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要解決如下的問(wèn)題：

1）優(yōu)化噴射器幾何結(jié)構(gòu)，提高天然氣/柴油雙燃料混合和燃燒效果；

2）設(shè)計(jì)天然氣/柴油雙燃料射流模擬模型，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果；3）完善天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著世界傳統(tǒng)能源的日益匱乏，以及排放污染問(wèn)題的日益加重，天然氣天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用成為發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)新的研究熱點(diǎn)。本文從傳統(tǒng)傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的問(wèn)題、新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展前景和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)分析了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究背景；綜述了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀，提出了天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需要繼續(xù)研究的方面，對(duì)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一定的參考價(jià)值。

[1]梁昱，周立迎.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究綜述[J].貴州學(xué)院學(xué)報(bào).2008，（3）：18-23.

[2]Karri Keskinen，Ossi Kaario，Mika Nuutinen，et al.Mixture formation in a direct injection gas engine：Numerical study on nozzle type，injection pressure and injection timing effects.Energy.Volume 94，1January 2016，Pages 542-556.

[3]張州榕，王謙，何志霞，等.缸內(nèi)高壓直噴柴油/天然氣噴射混合過(guò)程分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2015，（10）：2262.

[4]戴禮明.柴油、天然氣雙燃料噴射混合特性與燃燒模擬研究[D].江蘇大學(xué)，2016.

Research Status of Natural Gas/Diesel Dual Fuel Engine

Li Yu-lan，Wang Qian

with the increasing scarcity of traditional energy sources，and the increasing pollution of the emission，the development and application of natural gas/diesel dual fuel engine has become a new research hotspot in the engine industry.This paper from the traditional fuel engine problems，new fuel engine and development prospect of natural gas engine and analyzes the characteristics of natural gas/diesel dual fuel engine research background；summarized the natural gas/diesel dual fuel engine research status，the natural gas/diesel dual fuel engine needs to continue to study，to the development and design of natural gas/diesel dual fuel engine to provide a certain reference value.

natural gas；diesel fuel；dual fuel engine

TK438.9

A

1003-6490（2016）08-0087-02

2016-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51176066）。

李玉蘭（1980—），女，安徽渦陽(yáng)人，講師，主要從事微燃燒理論和電子技術(shù)研究工作。