電控共軌柴油機燃用液化天然氣—柴油雙燃料循環變動的特點

宋建桐　張春化　李婕

摘要：為在柴油機上應用液化天然氣，將電控共軌柴油機改裝為柴油引燃天然氣的雙燃料發動機，天然氣在進氣歧管前通過混合器與空氣混合，引燃柴油由原高壓共軌系統供應，噴油量和噴油正時由雙燃料電控單元（electronic control unit，簡稱ECU）控制。在雙燃料發動機試驗臺架上，對比研究發動機轉速為1 200 r/min，負荷率為25%、75%時，原柴油機與雙燃料發動機的燃燒循環變動。結果表明，與原機相比，雙燃料發動機峰值壓力循環變動系數、峰值壓力升高率循環變動系數和平均指示壓力循環變動系數均升高；與25%負荷率相比，75%負荷率時，原機的峰值壓力循環變動系數和峰值壓力升高率循環變動系數增大，平均指示壓力循環變動系數降低；雙燃料發動機的峰值壓力循環變動系數、峰值壓力升高率循環變動系數和平均指示壓力循環變動系數均降低。

關鍵詞：電控共軌；柴油機；液化天然氣；雙燃料；循環變動

中圖分類號： TK46+4文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0209-05

隨著能源危機和環境污染的進一步加劇，代用燃料應用技術得到了快速發展。在眾多車用代用燃料中，天然氣憑借其辛烷值高、燃燒清潔和價格低廉等特點，占據了較大的市場份額。天然氣在汽油機和柴油機上均可應用，一般情況下，以壓縮天然氣（CNG）或液化天然氣（LNG）的形式應用于車上。20 MPa的CNG的密度為175 kg/m3，而LNG的密度為 435 kg/m3，因此，LNG應用于重型車上具有續駛里程長的優勢[1]。

往復式內燃機以柴油機和汽油機為主，柴油機為擴散燃燒，汽油機為預混合燃燒，而LNG-柴油雙燃料發動機的燃燒過程既包含引燃柴油的擴散燃燒，也包含天然氣的預混合燃燒[2]。LNG-柴油雙燃料發動機的天然氣與空氣預混合進入汽缸，但由于其自燃溫度較高，在壓縮沖程不能夠自燃，所以在接近壓縮沖程終了時，噴入少量柴油，柴油自燃后引燃周圍的天然氣和空氣的混合氣[3-4]。這種燃燒方式不但降低了碳煙和氮氧化合物（NOx）排放，還具有較高的熱效率[5-6]。

近年來，隨著排放標準的進一步提高，柴油機噴射系統得到了快速發展，電控高壓共軌噴射系統的應用逐漸廣泛[7-8]。與傳統柴油機相比，電控共軌柴油機的噴油正時和噴油量控制精確且方便，這有利于LNG-柴油雙燃料的應用[9]。

燃燒循環變動是指發動機在某一穩定工況下，某個氣缸相鄰循環燃燒過程的變化[10-11]。與汽油機相比，柴油機進入氣缸的只是空氣，各缸的噴油量比較均勻，而且空氣量比較充足，所以柴油機的循環變動相對較小，但柴油引燃天然氣雙燃料發動機在燃燒過程中具有預混燃燒和擴散燃燒的特殊性，有必要對其循環變動特性展開研究，對于認識這一復雜的燃燒過程、闡明循環變動產生的原因、尋求降低循環變動特性的措施意義很大[12-13]。

為研究電控共軌柴油機燃用LNG-柴油雙燃料的燃燒循環變動，在1臺電控共軌柴油機上加裝天然氣供給系統和電控系統，控制引燃柴油的噴射量、噴油正時和天然氣供給量。在雙燃料發動機試驗臺架上，對比分析原機與LNG-柴油雙燃料發動機的峰值壓力循環變動、峰值壓力升高率循環變動和平均有效壓力循環變動，為開發電控共軌柴油引燃天然氣雙燃料發動機提供研究基礎。

1試驗方法與數據處理

1.1試驗裝置

試驗用LNG-柴油雙燃料發動機由1臺6缸、4沖程、增壓中冷、強制水冷、電控共軌、直噴式柴油機改造而成，其主要性能和結構參數見表1。

試驗用發動機臺架測試系統如圖1所示，在原柴油機控制系統的基礎上，增加LNG-柴油雙燃料控制系統。雙燃料發動機控制系統與原機共享冷卻水溫度、曲軸位置、凸輪軸位置、油軌壓力等信號。雙燃料ECU可控制柴油噴油器及天然氣供給系統的通斷電磁閥和天然氣噴射電磁閥，也可監測天然氣液位和壓力等。雙燃料模式下，發動機的軌壓、渦輪增壓、廢氣再循環等仍由原機ECU控制。雙燃料ECU可以通過控制外部繼電器進行雙燃料發動機的工作模式轉換。

天然氣混合器安裝在發動機的進氣總管上，在混合器內天然氣與空氣混合后進入發動機。缸壓采集及放熱率分析采用奇石樂（Kistler）公司的6052A型壓電式缸壓傳感器、5019型電荷放大器及2893A型Kibox燃燒分析儀。缸壓傳感器安裝在氣缸蓋上，采集到的信號為電荷信號，經電荷放大器放大處理后轉化為正比于缸內壓力的電壓信號，并傳給燃燒分析儀。電渦流測功機用來對發動機的轉速、功率、水溫、進氣溫度等參數進行監控和測量。

1.2試驗方法

試驗工況選取的發動機轉速為1 200 r/min，負荷率為25%（27 kW）、75%（79 kW）。試驗時，首先在選定工況下，采集原柴油機的缸內壓力。然后使發動機以天然氣-柴油雙燃料模式運行，在油門位置不變的前提下，調節引燃柴油量和天然氣供給量，將引燃柴油的噴油正時調節為最大轉矩噴油正時，使雙燃料發動機以相同轉速和功率輸出運行，運行平穩后采集雙燃料發動機的缸內壓力。連續測量100個工作循環的缸內壓力，壓力傳感器采集的缸壓信號，經電荷放大器放大后傳送至燃燒分析儀。各工況雙燃料發動機的天然氣與柴油供給量、摻燒比和引燃柴油噴油正時見表2。

雙燃料發動機的天然氣與空氣為預混合，而且多點同時著火，燃燒速率快，等容度比原機高，所以其峰值壓力平均值較高。由于天然氣的著火是由柴油引燃，而引燃柴油的噴入狀態受到多種因素的影響，很難保持各循環噴入狀態完全相同，所以各缸著火點的數量和能量均不相同，引起雙燃料的峰值壓力標準差增大，此外，由于天然氣燃燒火焰傳播速度較低，也導致其峰值壓力標準差增大[14]。與25%負荷率相比，75%負荷率時，柴油機缸內溫度升高，燃燒狀況得到改善，缸內壓力逐步升高；對于雙燃料發動機來說，與25%負荷率相比，75%負荷率時，天然氣-空氣混合氣變濃，再加上多點同時著火，燃燒加快，缸內壓力升高幅度較大。endprint

不同負荷下，原機與雙燃料發動機的峰值壓力循環分布對比如圖3所示?？梢钥闯?，與原機相比，雙燃料發動機峰值壓力所對應的曲軸轉角（φpmax）分布分散；25%負荷率時，雙燃料發動機的峰值壓力循環分布極其分散；隨著負荷的增大，天然氣-空氣混合氣變濃，燃燒得到改善，75%負荷率時峰值壓力循環分布相對集中。

2.2峰值壓力升高率循環變動

不同負荷率下，原機與雙燃料發動機的缸內峰值壓力升高率隨循環序數的變化如圖4所示，峰值壓力升高率平均值[（dp/dφ）[TX-]max]和標準差見表4。與原機相比，雙燃料發動機峰值壓力升高率平均值升高，標準差增大；75%負荷率時，雙燃料發動機的峰值壓力升高率平均值比原機的升高幅度大，這是因為壓力升高率由缸內壓力對曲軸轉角微分得到，微小的壓力變化都會造成壓力升高率較大的波動[15]。與25%負荷率相比，75%負荷率時，原機與雙燃料發動機缸內峰值壓力升高率平均值和標準差均增大。

不同負荷下，原機與雙燃料發動機的缸內峰值壓力升高率循環分布如圖5所示。與原機相比，雙燃料發動機峰值壓力升高率所對應的曲軸轉角[φ（dp/dφ）max]分布分散；25%負荷率時，雙燃料發動機的峰值壓力升高率循環分布極其分散，隨著負荷率的增大，天然氣-空氣混合氣變濃，燃燒得到改善，所以75%負荷率的相對集中。

2.4循環變動系數

從圖7可以看出，與原機相比，雙燃料發動機峰值壓力循環變動系數、峰值壓力升高率循環變動系數和平均指示壓力循環變動系數均升高；與25%負荷率相比，75%負荷率時，原機的峰值壓力循環變動系數和峰值壓力升高率循環變動系數增大，平均指示壓力循環變動系數降低；雙燃料發動機的峰值壓力循環變動系數、峰值壓力升高率循環變動系數和平均指示壓力循環變動系數均降低。

柴油機進入氣缸的只是空氣，各缸的噴油量比較均勻，而且[CM（25]空氣比較充足，所以循環變動相對較低。雙燃料發動機的工作方式有所不同，雙燃料發動機的循環變動包括引燃柴油燃燒和天然氣燃燒2個部分，引燃柴油的燃燒波動會造成更嚴重的天然氣燃燒波動。另外，雙燃料發動機燃燒循環變動系數增大也因為天然氣以氣態形式進入汽缸，占用一部分汽缸容積，混合氣氧濃度降低，使引燃柴油與氧氣接觸的概率降低，難于著火燃燒；雙燃料發動機25%、75%負荷率下，引燃柴油量分別為原機該工況下的13.92%、7.36%， 噴油量的大幅降低造成噴油霧化性能惡化，部分柴油無法正常壓燃著火；引燃柴油的量降低，天然氣的點火數量和能量減小，也會導致天然氣燃燒惡化甚至失火[16]。隨負荷增大，天然氣-空氣混合氣變濃，雙燃料發動機缸內溫度升高，缸內燃燒條件得到改善，燃燒循環變動系數均降低[17]。

3結論

在雙燃料發動機試驗臺架上，對比研究了發動機轉速為1 200 r/min，負荷率為25%、75%時，原柴油機與雙燃料發動機的燃燒循環變動。研究結果表明，與原機相比，雙燃料發動機峰值壓力、峰值壓力升高率和平均指示壓力的平均值和標準差均增大。與25%負荷率相比，75%負荷率時，原機和雙燃料發動機的峰值壓力、峰值壓力升高率和平均指示壓力的平均值均增大。與原機相比，雙燃料發動機的峰值壓力循環分布和峰值壓力升高率循環分布分散；與25%負荷率相比，75%負荷率時，雙燃料發動機的峰值壓力循環分布和峰值壓力升高率循環分布相對集中。與原機相比，雙燃料發動機峰值壓力循環變動系數、峰值壓力升高率循環變動系數和平均指示壓力循環變動系數均升高；與25%負荷率相比，75%負荷率時，原機的峰值壓力循環變動系數和峰值壓力升高率循環變動系數增大，平均指示壓力循環變動系數降低；雙燃料發動機的峰值壓力循環變動系數、峰值壓力升高率循環變動系數和平均指示壓力循環變動系數均降低。由結果可知，雙燃料發動機的峰值壓力循環變動系數、峰值壓力升高率循環變動系數和平均指示壓力循環變動系數具有較強的相關性。

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