CNG/柴油雙燃料發動機燃燒特性研究

王曉輝 秦克印 郝寶玉

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

CNG/柴油雙燃料發動機燃燒特性研究

王曉輝 秦克印 郝寶玉

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

基于某高壓共軌柴油機進行CNG/柴油雙燃料發動機的燃燒特性研究。在不同工況下通過改變引燃柴油的噴射參數及空燃比改變燃燒特性，對發動機燃燒壓力進行實時測量，對比分析雙燃料發動機與柴油機的燃燒差異及引燃油量、引燃時刻和空燃比對雙燃料發動機燃燒的影響。基于試驗得出雙燃料發動機的放熱率、起燃時刻及燃燒持續期等特征，從而給出雙燃料發動機性能提升建議。

1 試驗樣機

以一汽CA6DL2-35E4R發動機為研究對象，增加節氣門、天然氣減壓部件、氣軌、天然氣噴嘴及燃氣電控系統。燃料供給系統采用電裝高壓共軌系統及一汽天然氣供給系統(進氣道多點噴射)；控制系統采用雙ECU協同控制:單柴油模式工作時由柴油機ECU控制工作，雙燃料工作時由柴油機ECU控制噴油、天然氣ECU控制噴氣協調工作。試驗用發動機的主要技術參數如表1所列。

表1 雙燃料發動機主要技術參數

2 試驗方案

試驗選取發動機歐洲穩態測試循環（ESC循環）中A25、A75、C25、C75 4個工況點，覆蓋排放區內高低轉速及高低負荷，以表征雙燃料發動機工作特性。在無進氣控制和有進氣控制兩種燃料調節模式下分別研究引燃油量（替代率）、引燃時刻（柴油噴射時刻SOI）及空燃比λ對雙燃料發動機燃燒的影響特點。

天然氣質量替代率φm為發動機工作在相同工況且改用雙燃料工作方式后，被天然氣所替代的柴油量與原純柴油工作方式的總柴油量之比，其表示天然氣替代柴油量的多少，替代率越大，燃料經濟性越好。其計算公式為:

式中，ma為柴油單燃料工作時柴油量；mb為雙燃料工作時柴油量。

天然氣能量替代效率φe為發動機工作在相同工況時，改用雙燃料工作方式后,被替代柴油的理論能量與所消耗天然氣的理論能量之比，其表示天然氣燃燒有效熱效率與柴油燃燒有效熱效率之比，替代率越大，天然氣燃燒完善程度越高。計算公式為:

式中，Hd為柴油低熱值；mg為雙燃料工作時燃氣量；Hg為天然氣低熱值。

3 試驗結果及分析

3.1 不同替代率下雙燃料發動機燃燒特性

圖1所示為噴油提前角為0°時各工況放熱率隨替代率的變化情況。可知，當發動機運行于小負荷時，隨著替代率增大，放熱率峰值變小，滯燃期變長，燃燒持續期加長，燃燒重心后移；放熱率峰值均小于原柴油機，其原因是此時λ較大，天然氣燃燒速度較低。當發動機運行于較大負荷時，隨著替代率增大，放熱率峰值變大，滯燃期及燃燒持續期縮短，燃燒重心提前；高轉速時，缸內燃燒放熱率峰值較高，且放熱率與柴油機放熱率相當，沒有明顯的預混燃燒及擴散燃燒階段，放熱較為集中，放熱率峰值均要大于原柴油機。

圖2所示為能量替代效率隨著替代率的變化情況。可知，大負荷時的替代效率及有效熱效率要高于小負荷，且隨替代率變化不明顯；而小負荷時，替代效率隨著替代率增大而降低。因此，從發動機燃燒特性、排放限值及經濟性考慮，在較小負荷時應采用小的替代率以保證燃料熱效率，在較大負荷時應該盡可能提高替代率。

3.2 不同SOI下雙燃料發動機燃燒特性

圖3所示為各工況下雙燃料發動機缸內燃燒放熱率隨SOI的變化情況。可知，隨著SOI的提前，燃燒始點和燃燒中心前移，放熱主要集中在上止點附近，發動機的有效熱效率有所增大，但滯燃期短，形成的引燃點少，整體燃燒速度慢，燃燒持續期反而較長；隨著SOI的推遲，放熱主要集中在活塞下行階段，缸內體積增大，散熱損失增大，導致熱效率降低。

圖4所示為各工況不同替代率時天然氣替代效率隨SOI的變化情況。由圖4可以看出，隨著SOI的提前，替代效率升高，即缸內燃燒熱效率提高，這是因為SOI提前，放熱中心更接近上止點，工質做功能力更強。當SOI后推，隨著替代率的增大，缸內燃燒滯燃期增加，形成的引燃點增多，因此有助于缸內混合氣的快速燃燒，縮短燃燒持續期，替代效率增大。圖4中替代效率大于1時，表征此時雙燃料發動機的有效熱效率比原發動機要高。因此，考慮天然氣替代率和SOI對發動機燃燒的影響，SOI對雙燃料發動機燃燒特性及熱效率的影響更大一些。

3.3 不同λ下雙燃料發動機燃燒特性

圖5所示為各工況下放熱率隨λ變化情況。由圖5可以看出，小負荷工況時，隨著λ變大，放熱規律逐漸呈現出雙峰規律，即會出現預混燃燒和擴散燃燒峰值，說明混合氣越稀，燃燒火焰的傳播速度較慢，燃燒持續期更長，放熱率峰值降低，從而使有效熱效率降低。因此，在低負荷時應在滿足排放限值下盡量采取較小的λ，以有利于發動機的燃燒性能。且從圖5中還可以看出，小負荷、大替代率時的總體熱效率要低于小替代率時。隨著λ變小，滯燃期變長，其原因是λ變小使得發動機缸內充量減少，進而導致壓縮沖程最大壓力變小，推遲了引燃柴油的自燃時刻。滯燃期變長，產生的引燃點增多，混合氣燃燒速度加快，放熱率峰值變大，發動機的有效熱效率升高。

圖6所示為替代效率隨λ的變化情況。從圖6中可以看出,存在最優的λ區間，即1.5左右，此時替代效率最大。

4 結束語

a.替代率、SOI、λ等供給系統參數對雙燃料發動機的燃燒特性影響顯著，并影響發動機的動力性、經濟性、排放性。

b.雙燃料發動機在低負荷時，由于天然氣的火焰傳播速率較低，導致燃燒速率比柴油機低，燃燒放熱率降低，燃燒持續期長，最高爆發壓力降低，壓力升高率降低，燃燒噪聲下降；而在較大負荷時，燃燒放熱率與柴油機相當，峰值放熱率則高于柴油機。

c.雙燃料發動機在低負荷時，為保證燃料高效利用及滿足排放限值，應適當降低替代率；而在較大負荷時，由于發動機有效熱效率較大，在保證排放限值前提下盡量提高替代率以保證經濟性。

d.隨著SOI的提前，雙燃料發動機燃燒更加充分，熱效率更高，高負荷爆震可能性增加。

e.λ對雙燃料發動機的燃燒特性影響顯著，控制系統中應加以控制，試驗得出雙燃料發動機λ最優范圍區在1.5左右。

Research on Combustion Characteristicsof Diesel/CNG Dual Fuel Engine

Wang Xiaohui1,Qin Keyin1,Hao Baoyu1
（China FAW Co.,Ltd R&D Center）

The combustion characteristics of a diesel/CNG dual fuel engine based on CR diesel engine is studied in this paper.At different working conditions,diesel injection parameter and A/F ratio are altered to change combustion characteristic and measure the combustion pressure in real-time,the difference in combustion characteristic of the dual fuel engine and the diesel engine aswell as the influence of the pilot fuel quantity and A/F ratio on the engine combustion are compared and analyzed.Based on the test results,the heat release rate,the start time of the combustion and the duration of combustion are obtained,themethods to improve the performance of the dual fuel engine are suggested.

Diesel/CNG dual fuel engine,Combustion characteristic,Pilot fuel quantity, Pilot fuel supply tim ing

CNG/柴油雙燃料發動機燃燒特性引燃油量引燃時刻

U464.172

A

1000-3703（2014）09-0013-05