噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料的影響

宋建桐， 張春化， 李婕

(1. 北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 北京 100176；2. 長(zhǎng)安大學(xué)交通新能源開(kāi)發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064)

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噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料的影響

宋建桐1， 張春化2， 李婕1

(1. 北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院， 北京 100176；2. 長(zhǎng)安大學(xué)交通新能源開(kāi)發(fā)、應(yīng)用與汽車節(jié)能陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710064)

為了在電控共軌柴油機(jī)上應(yīng)用LNG，將電控共軌柴油機(jī)改裝為柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能與排放的影響。試驗(yàn)選取最大扭矩轉(zhuǎn)速1 600 r/min和標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 500 r/min，在不同油門開(kāi)度工況下研究了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、燃料消耗量、有效燃料消耗率和排放。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率先增大后降低；有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正時(shí)處達(dá)到最低；HC，CO和炭煙排放降低，CO2排放升高；油門開(kāi)度較小時(shí)的NOx排放降低，而油門開(kāi)度較大時(shí)升高。

柴油機(jī)； 液化天然氣； 多元燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 噴油正時(shí)

天然氣被認(rèn)為是最清潔的石化燃料，其主要成分為甲烷。常壓下，天然氣沸點(diǎn)為-162 ℃，天然氣液化后，其體積為原來(lái)的1/600。液化天然氣(LNG)的甲烷含量大于98%，其性質(zhì)與甲烷非常接近。壓力為20 MPa的壓縮天然氣(CNG)常溫下的密度為175 kg/m3，而LNG的密度為435 kg/m3[1-2]。與CNG相比，LNG在提高車輛的續(xù)駛里程方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

很多學(xué)者已經(jīng)在傳統(tǒng)柴油機(jī)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣-柴油雙燃料的排放、性能和燃燒特性進(jìn)行了大量研究。與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，電控共軌柴油機(jī)具有噴油壓力高、霧化好，噴油量與噴油正時(shí)控制精確、調(diào)節(jié)方便，容易實(shí)現(xiàn)多次噴油等優(yōu)點(diǎn)，所以在電控共軌柴油機(jī)上應(yīng)用天然氣-柴油雙燃料具有一定優(yōu)勢(shì)。

本試驗(yàn)在一臺(tái)共軌柴油機(jī)上研究了引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油引燃LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放的影響，為電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料時(shí)引燃柴油噴油正時(shí)的優(yōu)化控制提供研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由1臺(tái)6缸、四沖程、增壓中冷、強(qiáng)制水冷、電控共軌、直噴式柴油機(jī)改造而成，其主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。電控共軌柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架見(jiàn)圖1。天然氣混合器安裝在中冷器和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的進(jìn)氣總管上，天然氣與空氣在混合器內(nèi)混合后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)用主要測(cè)量?jī)x器見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取原柴油機(jī)的最大扭矩轉(zhuǎn)速1 600 r/min和標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 500 r/min，油門開(kāi)度分別為52%@1 600 r/min(原機(jī)功率40.5 kW，負(fù)荷率30%)、58%@1 600 r/min(原機(jī)功率80.7 kW，負(fù)荷率60%)、89%@2 500 r/min(原機(jī)功率48.9 kW，負(fù)荷率30%)和93%@2 500 r/min(原機(jī)功率96.8 kW，負(fù)荷率60%)。使發(fā)動(dòng)機(jī)以雙燃料的模式運(yùn)行，保持油門開(kāi)度與原機(jī)相同，并通過(guò)標(biāo)定軟件將引燃柴油量分別控制為2.48 kg/h@1 600 r/min，2.6 kg/h@1 600 r/min，3.93 kg/h@2 500 r/min和4.22 kg/h@2 500 r/min，調(diào)節(jié)天然氣供給量，使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)保持與原柴油機(jī)相同的轉(zhuǎn)速和功率輸出，并將噴油正時(shí)設(shè)置為最大功率正時(shí)，即為42°BTDC，15.5°BTDC，48°BTDC和30°BTDC。依次減小或增大噴油正時(shí)，并保證雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)記錄不同噴油正時(shí)下的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩、柴油消耗量、天然氣消耗量和排放等參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)力性

引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料功率的影響見(jiàn)圖2。由圖2可看出，隨噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率先增大后降低，在最大功率正時(shí)處達(dá)到最高；相同轉(zhuǎn)速下，隨油門開(kāi)度的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率正時(shí)推后。

隨引燃柴油噴油正時(shí)提前，柴油噴入氣缸時(shí)的缸內(nèi)溫度和壓力降低，引燃柴油的滯燃期變長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增多，當(dāng)缸內(nèi)溫度達(dá)到柴油的自燃溫度時(shí)，預(yù)混合燃燒的燃油量增多，放熱集中，功率增大。另外，由于引燃柴油噴油正時(shí)提前，預(yù)混合燃燒的柴油量增加，引燃柴油形成的著火點(diǎn)數(shù)量和能量增加，有利于天然氣充分燃燒。但當(dāng)引燃柴油的噴油正時(shí)超過(guò)最大功率正時(shí)時(shí)，因燃燒過(guò)早而增加負(fù)功，動(dòng)力性變差。

與傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程具有柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒和汽油機(jī)奧托循環(huán)燃燒的雙重特點(diǎn)[3]。對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，隨轉(zhuǎn)速增大，氣缸內(nèi)紊流增強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，而循環(huán)時(shí)間減小，燃燒過(guò)程延長(zhǎng)，所以點(diǎn)火提前角應(yīng)增大；汽油機(jī)是量調(diào)節(jié)，隨負(fù)荷的增大，進(jìn)入氣缸混合氣的量增大，氣缸內(nèi)的殘余廢氣相對(duì)減少，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，點(diǎn)火提前角應(yīng)減小。對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，噴油正時(shí)應(yīng)隨轉(zhuǎn)速增加而提前，原因與汽油機(jī)類似；轉(zhuǎn)速不變，隨負(fù)荷增大，噴油量增加，噴油期和燃燒持續(xù)期增大，噴油正時(shí)也應(yīng)提前[4]。隨轉(zhuǎn)速的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引燃柴油噴油正時(shí)提前，原因與汽油機(jī)和柴油機(jī)相似；而在相同轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷的增大，引燃柴油量變化量較小，天然氣供給量增大，天然氣-空氣混合氣變濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，所以隨負(fù)荷的增大，引燃柴油的最大功率正時(shí)推遲。

2.2 經(jīng)濟(jì)性

2.2.1 燃料消耗量

引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料燃料消耗量的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗量變化不大，這是因?yàn)殡S噴油正時(shí)的提前，引燃柴油的噴油脈寬和天然氣的噴氣脈寬都沒(méi)有變化，但是引燃柴油的油軌壓力和天然氣的壓力存在一定波動(dòng)，導(dǎo)致燃料消耗量略有波動(dòng)。

2.2.2 有效燃料消耗率

引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料的有效燃料消耗率的影響見(jiàn)圖4。隨噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正時(shí)處達(dá)到最低，油門開(kāi)度為58%@1 600 r/min和93%@2 500 r/min時(shí)特別明顯；相同轉(zhuǎn)速下，隨油門開(kāi)度的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃料消耗率降低，油門開(kāi)度較小時(shí)，引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃料消耗率的影響較大。

隨噴油正時(shí)的提前，引燃柴油滯燃期變長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增加，天然氣-空氣混合氣的著火點(diǎn)和著火能量增多，燃燒得到改善；而且燃燒等容度增加，熱效率增加，所以有效燃料消耗率隨引燃柴油噴油正時(shí)的提前而降低。當(dāng)噴油正時(shí)大于最大功率正時(shí)時(shí)，由于燃燒過(guò)早，壓縮負(fù)功增加，造成雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的有效燃料消耗率增大。

在相同轉(zhuǎn)速下，隨油門開(kāi)度的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃柴油量變化不大，但天然氣供給量增加，天然氣-空氣混合氣變濃，缸內(nèi)溫度升高，燃燒狀況得到改善，有效燃料消耗率降低。油門開(kāi)度較小時(shí)，混合氣過(guò)稀，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，容易出現(xiàn)失火現(xiàn)象，隨噴油正時(shí)提前，燃燒得到明顯改善，引燃柴油噴油正時(shí)的影響較大；而在油門開(kāi)度較大時(shí)，混合氣較濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤疾裼蛧娪驼龝r(shí)的影響變小。

2.3 排放

2.3.1 HC

引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料HC排放的影響見(jiàn)圖5。隨噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放降低。相同轉(zhuǎn)速和噴油正時(shí)下，隨油門開(kāi)度的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放降低。

隨噴油正時(shí)的提前，引燃柴油滯燃期變長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增多，混合氣的著火點(diǎn)和著火能量增多，燃燒得到改善，缸內(nèi)溫度和壓力較高，有利于燃料完全氧化。另外一方面，由于噴油提前，燃燒開(kāi)始較早，HC有充足的時(shí)間進(jìn)一步氧化，使HC排放降低。

相同轉(zhuǎn)速和噴油正時(shí)下，隨油門開(kāi)度的增大，天然氣-空氣混合氣變濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，而且燃燒溫度和壓力升高，因局部失火而產(chǎn)生的HC排放降低。

2.3.2 CO

引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料CO排放的影響見(jiàn)圖6。隨噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放降低。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)較大，由于缺氧而不完全燃燒所產(chǎn)生的CO比較少，大多是因?yàn)榛旌蠚膺^(guò)稀而產(chǎn)生的CO。隨噴油正時(shí)的提前，CO排放降低，這與HC排放降低的原因相似。

2.3.3 CO2

引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料CO2排放的影響見(jiàn)圖7。隨噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的CO2排放升高，這是因?yàn)殡S噴油正時(shí)的提前，引燃柴油滯燃期變長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增多，天然氣著火點(diǎn)的數(shù)量和能量增加，燃燒得到改善，有利于燃料完全燃燒，CO和HC排放降低，CO2排放升高。另外，由于噴油正時(shí)提前，燃燒始點(diǎn)提前，CO和HC排放有充足的時(shí)間進(jìn)行氧化，進(jìn)一步增加CO2的排放。

2.3.4 NOx

引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料NOx排放影響見(jiàn)圖8。相同轉(zhuǎn)速下，隨噴油正時(shí)的提前，油門開(kāi)度較小時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放降低，而油門開(kāi)度較大時(shí)，NOx排放增加。

影響NOx生成的主要因素有溫度、氧濃度和滯留時(shí)間。隨著溫度的升高，NOx平衡濃度升高，生成速度也加快，特別是氧濃度較大時(shí)；生成NOx的化學(xué)反應(yīng)比燃燒反應(yīng)慢，即使在高溫、富氧條件下，如果停留時(shí)間過(guò)短，NOx的生成量也會(huì)很低。

油門開(kāi)度較大時(shí)，隨噴油正時(shí)的提前，燃燒得到改善，缸內(nèi)溫度升高，而且由于功率增大，排溫升高，渦輪增壓進(jìn)氣壓力增大，缸內(nèi)氧濃度增大，因此NOx排放急劇升高。另外，隨著噴油提前，上止點(diǎn)前的燃燒時(shí)間變長(zhǎng)，燃燒持續(xù)期增加，氮?dú)庠谌紵覂?nèi)滯留時(shí)間變長(zhǎng)，也會(huì)造成NOx排放升高[5]。

隨負(fù)荷的降低，柴油機(jī)的噴油量降低，缸內(nèi)溫度和壓力降低，滯燃期變長(zhǎng)。著火前，柴油接近完全蒸發(fā)的預(yù)混狀態(tài)，其燃燒過(guò)程接近預(yù)混合均質(zhì)壓燃[6]。油門開(kāi)度較小時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引燃柴油量較少，隨噴油正時(shí)的提前，柴油滯燃期變長(zhǎng)，蒸發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，引燃柴油和天然氣-空氣混合氣混合得過(guò)于均勻且過(guò)稀，著火時(shí)為多點(diǎn)同時(shí)著火，沒(méi)有明顯的火焰前鋒，燃燒反應(yīng)均勻且迅速，燃燒溫度分布均勻，因局部混合氣過(guò)濃，導(dǎo)致局部溫度過(guò)高而產(chǎn)生的NOx排放降低[7]。所以，隨引燃柴油噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放明顯減少。

2.3.5 炭煙

引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)電控共軌柴油機(jī)燃用LNG-柴油雙燃料炭煙排放的影響見(jiàn)圖9。隨著噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的炭煙排放降低。炭煙生成的基本條件是高溫、缺氧。當(dāng)噴油正時(shí)較小時(shí)，由于噴油開(kāi)始時(shí)缸內(nèi)壓力和溫度均比較高，使引燃油在尚未充分蒸發(fā)的情況下便達(dá)到了自燃的混合氣濃度區(qū)域[8]，造成炭煙排放較高。隨噴油正時(shí)的提前，引燃柴油的滯燃期變長(zhǎng)，滯燃期內(nèi)形成的混合氣增加，混合氣均勻，燃燒比較充分，另外，隨噴油正時(shí)的提前，引燃柴油產(chǎn)生的炭煙在高溫條件下氧化的時(shí)間增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致炭煙排放越來(lái)越低[5]。

3 結(jié)論

a) 隨轉(zhuǎn)速的增大，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引燃柴油噴油正時(shí)提前；在相同轉(zhuǎn)速下，隨負(fù)荷的增大，引燃柴油的噴油正時(shí)推后；

b) 隨噴油正時(shí)的提前，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率先增大后降低，在最大功率正時(shí)處達(dá)到最高；有效燃料消耗率先降低后增大，并在最大功率正時(shí)處達(dá)到最低；HC，CO和炭煙排放降低，CO2排放升高；油門開(kāi)度較小時(shí)，NOx排放降低，而油門開(kāi)度較大時(shí)升高；

c) 小負(fù)荷時(shí)，為了獲得良好經(jīng)濟(jì)性，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃柴油噴油正時(shí)可采用最大功率噴油正時(shí)；而在中、大負(fù)荷時(shí)，為了降低NOx排放，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的引燃柴油噴油正時(shí)可適當(dāng)推遲。

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[編輯： 袁曉燕]

·信息·

《車用發(fā)動(dòng)機(jī)》雜志入編2014年版《中文核心期刊要目總覽》

日前，2014年版《中文核心期刊要目總覽》(第七版)由北京大學(xué)出版社出版，《車用發(fā)動(dòng)機(jī)》雜志入編《中文核心期刊要目總覽》之能源與動(dòng)力工程類核心期刊，這是《車用發(fā)動(dòng)機(jī)》雜志連續(xù)第七次入編《中文核心期刊要目總覽》。2014年版《總覽》在14 700余種期刊中評(píng)選出1 983種核心期刊，其中能源與動(dòng)力工程類參評(píng)期刊73種，最終入編核心期刊的有13種。

Effects of Injection Timing on Electronic Control Common Rail Diesel Engine Fuelled with LNG-Diesel Dual Fuel

SONG Jiantong1, ZHANG Chunhua2, LI Jie1

(1. Automobile Engineering School, Bejing Polytechnic, Beijing 100176, China;2. Key Laboratory of Shaanxi Province for Development and Application of New Transportation Energy,Chang’an University, Xi’an 710064, China)

For the application of LNG, an electronic control common rail diesel engine was retrofitted as a LNG-diesel dual fuel engine and the influence of pilot diesel injection timing on the performance and emission of dual fuel engine was researched. The test points were different load conditions of 1 600 r/min maximum torque speed and 2 500 r/min rated speed and the power, fuel consumption, brake specific fuel consumption and emission of dual fuel engine were studied. The experimental results show that the brake power first increases and then decreases with the advance of injection timing. The brake specific fuel consumption first decreases and then increases, and reaches the lowest at injection timing of maximum power. The HC, CO and smoke emissions reduce and CO2emission increases. NOxemission increases and decreases at the corresponding large and small throttle opening.

diesel engine; LNG; multi-fuel engine; injection timing

2015-03-28；

2015-06-03

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201410858004)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2014G1502035)

宋建桐(1980—)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ履茉磁c節(jié)能工程；tjsjt@126.com。

張春化(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放、汽車節(jié)能技術(shù)；zchzzz@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.017

TK46.4；TK421.2

B

1001-2222(2015)06-0085-05