噴射參數(shù)對(duì)柴油引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響綜述

王雨心 劉世通 李旭 張強(qiáng)

摘要：隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，天然氣因?yàn)槠涞团欧判阅芎徒?jīng)濟(jì)性得到了廣泛的應(yīng)用。火花點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，但是其具有熱效率低、HC排放較高的缺點(diǎn)，而柴油引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)卻克服了以上缺點(diǎn)，在達(dá)到高熱效率的同時(shí)，還保持了低排放的性能，逐漸成為了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究熱點(diǎn)。本文根據(jù)以前的研究文獻(xiàn)，總結(jié)了噴射時(shí)刻、噴射壓力和噴射間隔三種噴射參數(shù)對(duì)引燃直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排放和性能的影響。

Abstract： With the increasingly strict emission regulations， natural gas has been widely used because of its low emission performance and economy. Spark ignition engine is the most widely used natural gas engine， but it has the disadvantages of low thermal efficiency and high HC emission. However， pilot ignited direct injection natural gas engine has overcome the above shortcomings， and achieved high thermal efficiency while maintaining low emission performance， which has gradually become a research focus of natural gas engine. In this paper， the effects of injection time， injection pressure and injection interval on combustion， emission and performance of pilot ignited direct injection engine are summarized based on the previous literature.

關(guān)鍵詞：天然氣;柴油引燃;高壓直噴;噴射參數(shù)

Key words： nature gas;pilot ignited;high pressure injection;injection parameters

0 ?引言

引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用同心針噴油器向缸內(nèi)直接高壓噴射柴油和天然氣[1]，在進(jìn)氣沖程中只有新鮮的空氣進(jìn)入氣缸，避免了氣門重疊時(shí)的燃料泄漏和部分負(fù)荷下的節(jié)氣損失，而且因?yàn)楸饍A向的減弱，發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更高的壓縮比，所以引燃直噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以獲得更高的輸出功率、更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和更低的HC排放[2-4]。而噴射時(shí)刻、噴射壓力和噴射間隔是引燃直噴發(fā)動(dòng)機(jī)重要的基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和排放性能具有重大的影響，本文在以往研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了噴射參數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)未來(lái)的參數(shù)優(yōu)化以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的提高，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 ?噴射時(shí)刻

噴射時(shí)刻是引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)重要的基礎(chǔ)參數(shù)之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排放和性能具有重要的影響，噴射時(shí)刻可以分為天然氣噴射時(shí)刻和柴油噴射時(shí)刻，在固定的噴射間隔下，兩者都可以表示天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射時(shí)間。注意的是本文討論的研究中噴射信號(hào)都是電控信號(hào)，而不是實(shí)際的噴射信號(hào)。

Douville[5]研究了自然吸氣式單缸兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓六缸兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷下的燃燒、排放特性。從試驗(yàn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射時(shí)刻提前，缸內(nèi)峰值壓力和NOx排放增加，CO排放首先減少然后趨于平緩，但是HC、soot排放和熱效率的變化規(guī)律還與發(fā)動(dòng)機(jī)類型還有負(fù)荷轉(zhuǎn)速有關(guān)。

Harrington[6]在渦輪增壓六缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的中等轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下進(jìn)行試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著噴射時(shí)刻推遲，燃油將以更低的溫度燃燒，熱效率和NOX排放均會(huì)降低，而HC和CH4排放始終處于很低水平，CO排放首先降低然后保持較穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，但是因?yàn)榧夹g(shù)的限制，試驗(yàn)的噴射壓力只有21MPa。

Zhang[7]在渦輪增壓六缸機(jī)的怠速工況下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。隨著天然氣噴射時(shí)刻的提前，燃油噴射時(shí)的缸內(nèi)溫度和壓力較低，導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)、預(yù)混燃燒比例增大，缸內(nèi)峰值壓力和放熱率增加，相應(yīng)的50%和90%燃燒相位提前;在排放方面，因?yàn)榈∷傧氯加蛧娚淞繙p少，氧氣含量充足，隨著噴射時(shí)間提前，后期燃燒階段的燃燒變的更加緩慢和不穩(wěn)定，導(dǎo)致火焰熄滅可能性增大，CO排放增加，而THC和CH4排放對(duì)于噴射時(shí)刻來(lái)說(shuō)相對(duì)不敏感一些。之后Zhang[8]還在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了中等轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的燃燒排放特性，結(jié)果表明提前天然氣噴射時(shí)刻雖然對(duì)排氣能量和增壓壓力有負(fù)面的影響，但是對(duì)壓力升高率的影響更加深遠(yuǎn)，會(huì)使缸內(nèi)壓力峰值增大、50%燃燒相位提前、NOx排放增加;而滯燃期、速燃期還有HC、CO排放與噴射時(shí)刻的關(guān)系無(wú)法確定，因?yàn)樗鼈兪艿睫D(zhuǎn)速、負(fù)荷、噴射壓力還有缸內(nèi)流動(dòng)的共同作用。

Li[9]進(jìn)一步研究了噴射時(shí)刻對(duì)燃燒穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，變化規(guī)律如圖2所示。隨著噴射時(shí)刻的提前，天然氣穩(wěn)定擴(kuò)散燃燒的部分增加，導(dǎo)致MBF10-90%的循環(huán)波動(dòng)量減小，而火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑龃?，增加了周期燃燒的不?guī)則性，使平均指示壓力的循環(huán)穩(wěn)定性降低;但是MBF0-10%的波動(dòng)規(guī)律難以找尋，這是因?yàn)镸BF0-10%的長(zhǎng)短主要與引燃柴油量和天然氣噴射量的周期變化、天然氣的擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)，受噴射時(shí)刻的影響較小。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，隨著噴射的提前，燃燒能夠更早的發(fā)生，使燃油消耗量減少，但是過(guò)早的燃油噴射會(huì)增加壓縮沖程的功率消耗，燃油經(jīng)濟(jì)性反而會(huì)些許惡化。

2 ?噴射壓力

引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，天然氣的噴束特性是由噴射壓力和缸內(nèi)背壓之比所決定的[10]，又因?yàn)榛钊\(yùn)動(dòng)和壓力循環(huán)波動(dòng)的影響，噴射背壓不斷變化，并不是固定的數(shù)值。但是在固定的工況下，瞬時(shí)壓力比的大小主要受噴射壓力控制，此時(shí)噴射壓力會(huì)影響噴束的穿透距離和湍流強(qiáng)度，進(jìn)而影響天然氣的混合過(guò)程。所以想要改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放，對(duì)于噴射壓力的研究也是不可缺少的。

噴射壓力的早期研究主要是在自然吸氣式兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，研究發(fā)現(xiàn)提高噴射壓力會(huì)導(dǎo)致NOx和CH4排放增加，但是對(duì)CO排放和熱效率的影響卻存在分歧，[5]發(fā)現(xiàn)噴射壓力的增大會(huì)導(dǎo)致CO排放增加，而對(duì)熱效率的影響很小。[11]認(rèn)為CO排放還和負(fù)荷有關(guān)，BMEP<3 bar時(shí)，噴射壓力對(duì)CO的影響很小，但是BMEP=4 bar時(shí)，CO排放在最小噴射壓力處達(dá)到最高點(diǎn);而在熱效率方面，隨著噴射壓力的提高，熱效率首先增加然后減小。對(duì)于研究結(jié)果的差異，一種可能的解釋就是噴油器的不同設(shè)計(jì)，導(dǎo)致CO排放和熱效率的變化規(guī)律發(fā)生了改變。

Larson[12]研究了噴射壓力對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，研究發(fā)現(xiàn)噴射壓力的增加會(huì)使50%燃燒相位提前，缸內(nèi)溫度升高，從而增加NOx排放;而噴射壓力對(duì)CO、HC和PM排放的影響，在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下均是不同的。McTaggart-Cowan[13]在相似的發(fā)動(dòng)機(jī)上添加了EGR裝置，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在高負(fù)荷下提高噴射壓力可以改善燃油霧化，提高缸內(nèi)溫度，進(jìn)而減少PM和CO排放，至于NOx排放，因?yàn)镋GR的使用，NOx與噴射壓力的關(guān)系不大;與此同時(shí)在低負(fù)荷下噴射壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放和性能的影響并不明顯。

Ying[14]使用數(shù)值模擬的方法，研究了在轉(zhuǎn)速和其他噴射參數(shù)保持不變的條件下噴射壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響。模擬發(fā)現(xiàn)噴射壓力增加，缸內(nèi)峰值壓力增大，但是漲幅均小于4%，且最高壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角不變;而缸內(nèi)溫度增加，峰值溫度對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前，導(dǎo)致NOx排放增加，HC排放減少。Zhang[8-9]詳細(xì)地介紹了燃燒參數(shù)的變化情況（圖3），如圖所示提高噴射壓力可以改善混合，從而縮短滯燃期和速燃期，并且使燃燒相位提前;在燃燒穩(wěn)定性方面，MFB 0-10%的波動(dòng)會(huì)在最高噴射壓力處達(dá)到最大，而MFB10-90%的波動(dòng)恰好相反，可能因?yàn)榈蛪簢娚鋵?dǎo)致天然氣的擴(kuò)散混合更加不穩(wěn)定;至于燃油的消耗，因?yàn)楦邏簢娚湎氯加突旌虾腿紵母纳疲黾訃娚鋲毫?duì)燃油經(jīng)濟(jì)性有著積極的作用。

之前的研究中最高的噴射壓力不超過(guò)300 bar，[15]首次將噴射壓力增至600 bar，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然噴射壓力增大，但是總體的變化影響規(guī)律是不變的，比如提高噴射壓力可以提高熱效率，并且以NOx為代價(jià)降低PM和HC排放，但是噴射壓力過(guò)高會(huì)導(dǎo)致制造成本和燃燒噪聲增加。

3 ?噴射間隔

在引燃直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，噴射間隔具有兩種定義，第一種是從引燃柴油開(kāi)始噴射到天然氣開(kāi)始噴射，兩者之間的時(shí)長(zhǎng)，另一種是引燃柴油噴射結(jié)束到天然氣噴射開(kāi)始的時(shí)長(zhǎng)，這兩種定義都是有意義的，并且在以前的研究都有過(guò)使用。噴射間隔的長(zhǎng)短決定柴油噴霧和天然氣噴束之間的相互作用，進(jìn)而影響天然氣的擴(kuò)散混合過(guò)程，對(duì)最終的燃燒過(guò)程和排放也是有重大的影響，所以研究和優(yōu)化噴射間隔對(duì)改善燃燒、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能是有積極意義的。

Dumitrescu[11]在中低負(fù)荷下研究了噴射間隔的影響，研究發(fā)現(xiàn)噴射間隔的延長(zhǎng)可以區(qū)分開(kāi)柴油和天然氣的燃燒，減小缸內(nèi)燃燒溫度，從而降低NOx排放，而且由于天然氣混合時(shí)間延長(zhǎng)，燃燒過(guò)程更加充足，導(dǎo)致HC排放減少，熱效率提高。

McTaggart-Cowan[16-17]研究了噴射間隔很短甚至為負(fù)值時(shí)，直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放的變化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴射間隔過(guò)短，引燃柴油會(huì)在天然氣過(guò)濃的區(qū)域點(diǎn)燃，導(dǎo)致燃燒強(qiáng)度增大，缸內(nèi)溫度升高，NOx排放增加，特別是在低EGR率下，NOx的排放會(huì)非常高，而PM排放大大減少;但是當(dāng)EGR率為0-40%時(shí)，CO排放受噴射間隔的影響很小，而EGR率等于50%時(shí)，可以通過(guò)縮短噴射間隔有效地控制CO排放。之后McTaggart-Cowan[18]在更高的負(fù)荷下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，NOx的變化趨勢(shì)和之前的研究很相似，但是在不同的EGR率下CO和PM排放呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，主要是因?yàn)楦哓?fù)荷下燃油噴射量增加，CO和PM對(duì)局部當(dāng)量比的變化更加敏感，所以呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。通過(guò)EGR和優(yōu)化噴射間隔相結(jié)合，可以不以NOx為代價(jià)降低約30%PM排放。

Zhang[7]研究了怠速工況下噴射間隔的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO、HC等排放與噴射間隔的關(guān)系并不確定，比如燃油噴射壓力=18MPa時(shí)，增大柴油/天然氣的噴射間隔，CO排放會(huì)增加;但是噴射壓力=24MPa時(shí)，隨著噴射間隔的延長(zhǎng)，CO排放卻會(huì)減小，一種解釋是怠速工況下的燃油量較小，高壓噴射進(jìn)一步縮短了噴射的時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致燃油噴入縫隙或者壁面附近，使燃燒不完全，而延長(zhǎng)噴射間隔就相當(dāng)于增加了擴(kuò)散時(shí)間，能夠改善天然氣的混合，減少CO排放。所以在怠速工況下，噴射間隔和其他工況相配合，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排放產(chǎn)生不同的影響。

Li[9]的研究更加側(cè)重于中高負(fù)荷下燃燒參數(shù)的變化情況，隨著噴射間隔延長(zhǎng)，天然氣滯燃期增加，10%和50%燃燒相位推遲，速燃期也相應(yīng)延長(zhǎng)，但是在較小間隔下（0.3ms-0.4ms）速燃期的長(zhǎng)短似乎對(duì)噴射間隔更加敏感。Larson[12]的研究卻取得了不同的結(jié)果，延長(zhǎng)噴射間隔，10%燃燒相位首先提前接著推遲，而速燃期受天然氣的擴(kuò)散燃燒影響，呈現(xiàn)出先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)，兩個(gè)研究結(jié)果之間存在的差異性，可能是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷和噴射間隔變化范圍的不同而導(dǎo)致的。

4 ?總結(jié)

①天然氣提前噴射可以提高缸內(nèi)峰值壓力，使50%燃燒相位提前，在大多數(shù)工況下是提高熱效率，降低燃油消耗的不錯(cuò)選擇，但是噴射時(shí)刻對(duì)滯燃期和速燃期的影響規(guī)律并不確定。在排放方面，由于缸內(nèi)溫度的升高，所有工況下的NOx排放均會(huì)增加，但是CO、HC和soot排放卻受噴射壓力、噴射時(shí)刻還有轉(zhuǎn)速負(fù)荷等的共同作用，單純地改變?nèi)加蛧娚鋾r(shí)刻，很難總結(jié)出CO、HC等排放的變化規(guī)律。

②大多數(shù)工況下，提高噴射壓力可以改善燃油噴束的擴(kuò)散和燃燒過(guò)程，進(jìn)而提前燃燒相位，提高熱效率，并且以NOx為代價(jià)降低PM的排放;但是過(guò)高的噴射壓力會(huì)使燃油噴射到壁面或者缸套附近，發(fā)生過(guò)度穿透現(xiàn)象，而天然氣混合的改善和燃油的過(guò)度穿透相互競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致CO和HC排放在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下表現(xiàn)出不一致的變化趨勢(shì)。

③噴射間隔的長(zhǎng)短主要影響天然氣的混合擴(kuò)散過(guò)程，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒排放產(chǎn)生影響。在燃燒方面，增加噴射間隔可以延長(zhǎng)滯燃期、增加燃燒持續(xù)時(shí)間，而10%和50%燃燒相位的變化在不同工況下卻是不同的;排放方面，大多數(shù)工況下延長(zhǎng)噴射間隔可以減少NOx和HC排放，但是CO和PM排放會(huì)相對(duì)惡化。

參考文獻(xiàn)：

[1]Goudie D， Dunn M， Munshi SR. Development of a compression ignition heavy duty pilot-ignited natural gas fuelled engine for low NOx emissions. Technical Paper No. 2004-01-2954. SAE; 2004.

[2]Zhao H. Direct injection natural gas engines. Advanced direct injection combustion engine technologies and development. Cambridge： Wood head Publishing Ltd. 2010.

[3]Hill PG， Douville B. Analysis of combustion in diesel engines fueled by directly injected natural gas. J Eng Gas Turbines Power 2000; 122： 141-9.

[4]Faghani E， Kirchen P， Application of fuel momentum measurement device for direct injection natural gas engines. Technical Paper 2015-01-0915. SAE; 2015.

[5]Douville B. Performance， emissions and combustion characteristics of natural gas fueling of diesel engines. Master Thesis. Vancouver： University of British Columbia; 1994.

[6]Harrington J， Munshi S. Direct injection of natural gas in a heavy-duty diesel engine. Technical Paper 2002-01-1630. SAE; 2002.

[7]Zhang Q， Li MH. Emission effects of injection parameters on the combustion and emission characteristics of diesel-piloted direct-injection natural gas engine during idle conditions. J Energy Eng 2015; 141.

[8]Zhang Q， Li MH， Shao SD. Combustion process and emissions of a heavy-duty engine fueled with directly injected natural gas and pilot diesel. Appl Energy 2015; 157：217-28.

[9]Li M， Zhang Q， Li GX， Shao SD. Experimental investigation on performance and heat release analysis of a pilot ignited direct injection natural gas engine. Energy 2015; 90： 1251-60.

[10]Mtui P. Pilot-ignited natural gas combustion in diesel engines. Doctoral thesis. Vancouver： University of British Columbia; 1996.

[11]Dumitrescu S. Pilot ignited high pressure direct injection of natural gas fueling of diesel engines. Master Thesis. Vancouver： University of British Columbia; 1999.

[12]Larson CR. Injection study of a diesel engine fueled with pilot-ignited， directly-injected natural gas. Master Thesis. Vancouver： University of British Columbia; 2003.

[13]McTaggart-Cowan， Jones HL. The effects of high pressure injection on a compression-ignition， direct injection of natural gas engine. J Eng Gas Turbines Power 2007; 129： 579-88.

[14]Gao Y， Li XX， Li J. Numerical Simulations of Natural GAS Injection Pressure Effects on a Direct Injected， Pilot Ignited， Natural Gas Engine. Applied Mechanics and Materials Vol. 510（2014）： 179-184.

[15]McTaggart-Cowan， Mann K. Direct injection of natural gas at up to 600 Bar in a pilot-ignited heavy-duty engine. Technical Paper No. 2015-01-0865. SAE; 2015.

[16]McTaggart-Cowan， Bushe WK. Injection parameter effects on a direct injected， pilot ignited， heavy duty natural gas engine with EGR. technical paper No. 2003-01-3089. SAE; 2003.

[17]McTaggart-Cowan， Bushe WK. PM and NOx reduction by injection parameter alterations in a direct injected， pilot ignited， heavy duty natural gas engine with EGR at various operating conditions. Technical Paper No.2005-01-1733. SAE; 2015.

[18]McTaggart-Cowan， Mann K. Particulate matter reduction from a pilot-ignited， direct injection of natural gas Engine. Proc ASME 2012 Int Combust Eng Div Fall Tech Conf 2012：ICEF2012-92162.