雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷時(shí)替代率的選取

林煜

摘要：隨著國(guó)家對(duì)于排放問(wèn)題被不斷重視以及越來(lái)越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改裝稱為天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)便稱為行之有效的一個(gè)措施。在改裝過(guò)程中，如何確定引燃油量的多少成為了核心問(wèn)題。本文針對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在油門(mén)開(kāi)度為75%的高負(fù)荷，固定轉(zhuǎn)速下，通過(guò)CONVERGE軟件仿真研究引燃油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響并選取合適的替代率。對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CONVERGE;引燃油量;替代率

中圖分類號(hào)：U464.173? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0007-03

0? 引言

天然氣相較于石油是相對(duì)清潔的能源，已被作為柴油的替代燃料進(jìn)行了廣泛的研究[1-4]。

柴油作為引燃燃料的天然氣─柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以其改裝方便，只需要在單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝一套天然氣供給系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好、燃料選用靈活、熱效率高以及排放性能好，尤其是氮氧化物和固體顆粒物排放少等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)外日益受到關(guān)注[5]。

1? 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改裝理論基礎(chǔ)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是氣體燃料使用的主要方式，具有可恢復(fù)原發(fā)動(dòng)機(jī)工作、排放性好、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)[6]。

改裝后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性接近原機(jī)的水平，在中、高負(fù)荷時(shí)動(dòng)力性還稍有提高，因此具有非常好的應(yīng)用前景。

通常，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)只在中、高負(fù)荷時(shí)進(jìn)入雙燃料模式，在中、高負(fù)荷時(shí)，不但動(dòng)力性更好，而且能獲得更好的排放性。但是，此時(shí)的經(jīng)濟(jì)性卻未必最佳。因此，雙燃料模式下的經(jīng)濟(jì)性更需要認(rèn)真考慮。

2? 天然氣供給量的計(jì)算

替代率是說(shuō)在相同工況下，天然氣所替代的柴油量與純柴油工作模式下柴油消耗量之比。天然氣替代率計(jì)算公式為：

式（1）中，R為天然氣替代率，VD和VS分別發(fā)動(dòng)機(jī)雙燃料模式和單燃料模式時(shí)的噴油量。

在預(yù)先設(shè)定的替代率下，噴油量可以根據(jù)同工況下純柴油單燃料時(shí)的噴油量計(jì)算得到。而天然氣進(jìn)氣量則有兩種計(jì)算方法：等熱值和等空氣消耗量。

在中、高負(fù)荷的時(shí)候，由于替代率較高，引燃油量較少，點(diǎn)火能量較小。同時(shí)，天然氣進(jìn)氣量較大，混合器濃度較大，所以氣缸內(nèi)的天然氣很相當(dāng)一部分沒(méi)有充分燃燒就被排出氣缸。這時(shí)，再使用等熱值的方法計(jì)算天然氣的進(jìn)氣量就是不準(zhǔn)確的，計(jì)算值和實(shí)際的天然氣進(jìn)氣量相差會(huì)很大。因此，就要使用等空氣消耗量來(lái)計(jì)算。

表1就是計(jì)算的六個(gè)不同的工況點(diǎn)在臺(tái)架試驗(yàn)中實(shí)際天然氣進(jìn)氣量和兩種方法計(jì)算的理論值進(jìn)行對(duì)比。

由表1可以得知，在低負(fù)荷的時(shí)候選擇等熱值計(jì)算天然氣進(jìn)氣量更加接近實(shí)際值，在中、高負(fù)荷的時(shí)候選擇等空氣消耗量計(jì)算的天然氣進(jìn)氣量更加接近試驗(yàn)中測(cè)得的值。

因此，在仿真計(jì)算中，在75%油門(mén)開(kāi)度、1500r/min的工況下的天然氣進(jìn)氣量使用等空氣消耗量計(jì)算。

3? 燃燒室模型構(gòu)建

本文針對(duì)SL4108ZLQ柴油機(jī)說(shuō)明書(shū)上氣缸的尺寸在三維制圖軟件上畫(huà)出氣缸的三維圖，之后將三維圖導(dǎo)入Converge軟件。

在Converge燃燒仿真中，選擇湍流為雷諾平均法RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）、液滴為修正KH-RT模型和燃燒模型為SAGE化學(xué)求解模型，選擇合適的模型會(huì)使得仿真結(jié)果更加接近真實(shí)值。

在25%油門(mén)開(kāi)度1300r/min的工況點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算，并和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖1可以計(jì)算出曲線圍成的單缸每循環(huán)指示功為996.3W，根據(jù)功率的計(jì)算公式：

通過(guò)公式（2）可以算出出柴油機(jī)單缸的功率為12.45kW，四缸的指示功率就是49.8kW。而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的同等工況下的有效功率為48.34kW。有效功率是指示功率扣除機(jī)械損耗之后的功率，由于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接相連，機(jī)械損耗只有發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的一小部分摩擦等損耗。因此在論文中看作兩者近似相等。因此，可以認(rèn)為在動(dòng)力性上，結(jié)果是準(zhǔn)確的。

排放的比較本文選取雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)里十分典型的排放物，碳?xì)浠衔铮ㄒ?jiàn)圖2）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該工況下碳?xì)浠衔锏呐欧艦?3ppm，根據(jù)反應(yīng)前后質(zhì)量守恒的原則，可以通過(guò)噴入氣缸的柴油量、天然氣量和進(jìn)入的空氣大致計(jì)算出試驗(yàn)所得的碳?xì)浠衔镔|(zhì)量為0.124g，仿真計(jì)算的結(jié)果為0.112g。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以得到，兩者之間的結(jié)果誤差在10%以內(nèi)。因此，認(rèn)為碳?xì)浠衔锏呐欧沤Y(jié)果是準(zhǔn)確的。

還有碳氧化合物以及氮氧化物等排放，仿真計(jì)算的數(shù)值和試驗(yàn)值相差在10%以內(nèi)，因此認(rèn)為燃燒室的仿真模型是合理和有效的。

4? 高負(fù)荷下引燃油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

4.1 理論天然氣量下引燃油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響

高負(fù)荷下仿真計(jì)算選擇的是75%油門(mén)開(kāi)度的1500r/min的工況點(diǎn)，選擇30%、50%和70%代表低、中、高替代率對(duì)動(dòng)力性進(jìn)行對(duì)比分析，天然氣進(jìn)氣量依然根據(jù)第2章的方案確定。

由于替代率升高使得引燃油量不斷減少，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火能量也在不斷減少。此時(shí)壓力變化率開(kāi)始出現(xiàn)極大差異。說(shuō)明引燃油量的不同導(dǎo)致點(diǎn)火能量的差異。因此，在保證天然氣量按照理論計(jì)算值供給的同時(shí)，隨著引燃油量的減少，氣缸內(nèi)的最大壓力也不斷下降（見(jiàn)圖3）。

缸內(nèi)壓力是表示動(dòng)力性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，缸內(nèi)壓力的減少就會(huì)導(dǎo)致氣缸內(nèi)燃料燃燒的內(nèi)能對(duì)活塞所做的指示功的減少。由圖4可以看出，隨著替代率的升高指示功在不斷下降，動(dòng)力性隨替代率上升而下降。

由圖4可得三個(gè)引燃油量下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率：（表2）

三個(gè)引燃油量下都出現(xiàn)了動(dòng)力性不足，而在高替代率時(shí)尤其明顯（見(jiàn)表2）。究其原因，一個(gè)是因?yàn)楦哓?fù)荷時(shí)噴入氣缸的柴油和天然氣比低負(fù)荷和中負(fù)荷時(shí)更多，但空氣進(jìn)氣量卻相差不大，所以空氣進(jìn)氣量出現(xiàn)不足。在高替代率時(shí)，由于天然氣噴射量更多，而天然氣的理論空燃比比柴油更大，需要更多的空氣，因此燃料無(wú)法徹底燃燒。第二個(gè)原因是因?yàn)樵诟咛娲蕰r(shí)引燃油量過(guò)少，導(dǎo)致點(diǎn)火能量不足，影響氣缸內(nèi)的燃燒情況。

低、中、高三個(gè)替代率下氣缸內(nèi)的溫度都是正常的燃燒溫度，低替代率和中替代率時(shí)缸內(nèi)溫度接近3000K，也說(shuō)明此時(shí)燃燒情況良好，燃料可以充分燃燒。在燃料充分燃燒的前提下卻出現(xiàn)動(dòng)力性的不足，說(shuō)明總?cè)剂喜粔颍ㄒ?jiàn)圖5），可以增加引燃油量或天然氣供給量。

4.2 理論天然氣量下引燃油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

研究低、中、高三個(gè)替代率對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響，如表3所示。

燃料消耗率隨著替代率的升高而下降，主要原因是由于動(dòng)力性的下降，在提高動(dòng)力性的前提下，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性也會(huì)隨之上升。想要減少引燃油量，就必須比理論的天然氣供給量噴射更多的天然氣才能達(dá)到原機(jī)的動(dòng)力性。

4.3 恒定天然氣量下引燃油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響

高負(fù)荷在70%替代率的引燃油量下出現(xiàn)了動(dòng)力性不足的情況，導(dǎo)致動(dòng)力性不足的原因是燃料供給不足。針對(duì)引燃油量，論文在70%替代率的理論天然氣供給量之下，將引燃油量增大10%和20%，研究引燃油量的變化對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響。

由圖6可知，替代率越小，即引燃油量越大的時(shí)候缸內(nèi)壓力也越大，越接近原機(jī)的動(dòng)力性，這說(shuō)明缸內(nèi)燃燒情況隨著引燃油量的增加得到改善。

由示功圖圖7可知，隨著引燃油量的增加，燃燒內(nèi)能所輸出的指示功也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。根據(jù)計(jì)算可得（見(jiàn)表4）。

在天然氣進(jìn)氣量恒定的情況下增加引燃油量，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率也隨之上升，這說(shuō)明動(dòng)力性出現(xiàn)不足的原因是燃料不足，增加了引燃油量之后動(dòng)力性得到明顯的改善。

4.4 恒定天然氣量下引燃油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

基于恒定的天然氣量，引燃油量的改變導(dǎo)致雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的改變，燃料經(jīng)濟(jì)性也隨之改變。

由于引燃油量的增加，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性得到改善，原本相比于單燃料模式下偏小的輸出功率也隨著引燃油量的增加而上升。在燃料消耗量差別不大的情況下，在高替代率時(shí)增加天然氣進(jìn)氣量使得輸出功率上升，可以有效改善燃料消耗率。因此，在供給高于理論值的天然氣量的前提下，可以選擇70%的替代率（見(jiàn)表5）。

5? 總結(jié)

本文基于計(jì)算機(jī)仿真模型對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷下引燃油量及替代率對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒的影響進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：①根據(jù)理論計(jì)算的噴油量和天然氣供給量可以滿足雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。②在高負(fù)荷下，以理論天然氣供給量為基礎(chǔ)，隨著引燃油量的減少，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性由于點(diǎn)火能量的不足而下降;而隨著引燃油量減少的同時(shí)，燃料消耗率總體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。③在雙燃料模式下，高負(fù)荷的替代率選擇70%。

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