天然氣-柴油雙燃料發動機RCCI燃燒性能研究

董誠，申立中，封其超

(昆明理工大學，云南省內燃機重點實驗室，云南 昆明 650500)

環境污染問題已經成為我國經濟發展和社會進步的障礙，其中城市大氣環境污染日趨惡化，并成為了一個突出的問題。

柴油機作為全球應用最廣泛的動力機械，具有悠久的使用歷史，它具有熱效率高、功率范圍廣、功率密度大、操作簡單以及經濟性較高等優點，因此被廣泛地用作汽車和工程機械的動力；但柴油機的炭煙排放卻非常嚴重，極大地危害了城市環境和人類健康。相比于柴油，天然氣具有良好的可獲得性、低污染性，因此可以成為一種非常實用的發動機替代燃料。以柴油作為引燃燃料的天然氣-柴油雙燃料發動機因其具有使用燃料靈活、炭煙排放少、發動機改動小、改動成本低等特點而具有良好的推廣前景[1]。

燃料特性對發動機的燃燒與排放有著重要的影響，改善燃料的理化特性，可以使發動機燃燒組織得更加合理，從而減少發動機的排放。對于天然氣-柴油雙燃料發動機，可以充分利用天然氣、柴油各自的優點，探索混合燃料在同時降低NOx與PM排放、改善燃燒熱效率、實現發動機高效清潔燃燒方面的潛力[2]。

反應活性控制壓縮著火(Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI)是一種新型的燃燒方式，其能夠合理地組織混合氣的形成，使燃燒更加合理，它比均質充量壓縮著火(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)、預混合充量壓縮著火(Premixed Charge Compression Ignition，PCCI)和低溫燃燒(Low Temperature Combustion，LTC)的實用性和操作性更強。HCCI綜合了汽油機均質點燃和柴油機壓縮自燃的特點，能夠在缸內形成多點火核，從而有效地維持著火燃燒的穩定性，能同時降低NOx和PM排放，對多種燃料都有很強的適應性，并可實現較高的熱效率[3-4]。但是其保持NOx和PM較低排放的控制范圍小，不利于實際的應用。PCCI與HCCI在燃燒特性上并沒有明顯的區別，二者熱釋放率曲線非常相似，但是PCCI的噴油時刻相對滯后，減少了HC的排放[5]。由于PCCI要經歷一段很長的著火準備期才能壓縮燃燒，所以在此期間有充足的時間使燃油與空氣混合，形成盡可能多的預混合氣便于燃燒，引入EGR可以達到同時降低NOx和炭煙排放的目的[6]。

HCCI和PCCI都是LTC的表現形式。許多有關燃料著火特性對低溫預混燃燒影響的研究表明[7-9]：低溫燃燒模式下燃用的是低十六烷值的燃料，如汽油燃料特性表現出了滿足未來排放法規的巨大潛力，相對于柴油而言，汽油在壓縮沖程末期接近上止點時噴射，有更長的時間與空氣混合，則著火及燃燒推遲，且可在更高的負荷工況下取得較低的NOx和PM排放，同時實現燃燒相位的控制[10]。但是汽油的燃料特性使得其在預混燃燒中也存在低負荷工況著火及燃燒穩定性差的問題[11-12]。在這種燃燒模式中，因為燃燒溫度低于炭煙和NOx生成的最低溫度，所以炭煙和NOx的生成受到抑制，即使在化學計量空燃比附近，炭煙和NOx的生成量也很小。但是要實現低溫燃燒，通常需要引入大比例的 EGR，而大比例 EGR 的引入必然會造成燃料的不完全燃燒增加，相應地CO 和未燃 HC化合物 排放增加[13]。

RCCI燃燒方式適用于所有的轉速和負荷。RCCI是雙燃料部分預混合燃燒方式，在這種燃燒方式中，一種活性很低的燃油(天然氣)是通過進氣道噴射的，而另一種高活性的燃油(柴油)是在壓縮沖程時直接噴射到缸內。燃油在缸內混合過程中形成了燃油梯度。這種分層燃油梯度形成一個更大的燃燒范圍，同時相比于預混合的 HCCI 燃燒降低了壓力升高率。此外，兩種不同活性的燃油混合，使得每循環的辛烷值發生變化。這些都得通過調節兩種燃油的比例來實現[14]。這種新型的燃燒方式能夠有效地控制發動機預混燃燒和擴散燃燒，從而有效地改善我國城市柴油機車炭煙排放過于嚴重的問題。

國內外的一些汽車企業和高校相繼開展了天然氣-柴油機雙燃料發動機相關技術的研究，并取得了一些成果。針對目前國內外在雙燃料發動機改裝過程中和實際使用中存在的問題，開展了天然氣-柴油雙燃料發動機改裝技術研究，實現了RCCI燃燒，并研究了此燃燒模式下的發動機性能變化。

1 天然氣-柴油發動機的改裝與設計

天然氣-柴油雙燃料發動機的改裝要求對原發動機改動小，動力性與原機相當，排氣煙度與原機相比應有大幅度改善。改造后的雙燃料發動機應具有良好的可操作性，且純柴油模式和雙燃料模式能夠相互轉換，便于使用。

試驗燃用的天然氣低熱值為50.05 MJ/kg，燃用的柴油低熱值為42.5 MJ/kg，也就是說同等質量燃料燃燒，天然氣可以釋放出更多的熱量，使得經濟性得到改善。天然氣的自燃溫度是537 ℃左右，很難發生自燃，也不容易被壓燃，只能通過引燃物引燃。燃料的理化性質見表1。

表1 試驗用柴油與天然氣基本屬性

續表

1.1 試驗用發動機的改裝

本次試驗使用的原機發動機為YN38CRD2電控高壓共軌4缸柴油機，在此基礎上改裝成天然氣-柴油雙燃料發動機。該款柴油機采用了渦輪增壓、增壓中冷及高壓共軌技術，具有很好的動力性和經濟性，而且具有較好的排放性能，達到了國Ⅲ排放要求。該發動機主要的技術參數見表2。

表2 發動機主要技術參數

雙燃料發動機保留了原機的基本結構，只是增加了一套天然氣供給系統。在雙燃料發動機中，天然氣的供氣方式可分為氣缸內直接噴射和氣缸外供氣兩種方式，氣缸外供氣又分為各缸進氣門外噴射和進氣道混合器供氣兩種。其中，進氣道混合器供氣形式簡單，發動機改動小，結構不變，便于柴油機的雙燃料改造，成本低[15]。因此，本研究進氣方式采用進氣歧管多點噴射的方式。

圖1示出雙燃料供給系統示意，燃料供給系統分為三部分，分別是柴油供給系統、天然氣供給系統及控制系統。

圖1 天然氣-柴油雙燃料發動機的燃料供給系統

1.2 試驗方案

試驗在海拔1 972 m，大氣壓力80 kPa，環境溫度20～25 ℃條件下完成。試驗采用普通0號柴油，天然氣為四川氣田天然氣，各成分的體積分數分別為甲烷97.2%，乙烷0.7%，丙烷0.2%，二氧化碳1%，氮氣化7%。

臺架試驗轉速范圍1 200～3 200 r/min，每隔200 r/min取1個轉速點，一共11個轉速點，負荷點取20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%共9個點。試驗測量雙燃料發動機的扭矩、功率、燃油消耗率、排氣溫度、排放物等數據。

2 發動機臺架試驗結果分析

2.1 動力性分析

圖2示出雙燃料模式和純柴油模式下發動機外特性扭矩曲線。由圖可知，雙燃料模式下的外特性扭矩與原發動機相比變化不大，雙燃料模式的扭矩升高斜率和下降斜率比純柴油模式的均略大些。發動機在1 200～1 600 r/min運行時，雙燃料模式下的扭矩比純柴油模式的上升較快，而在2 400～3 200 r/min輸出扭矩比純柴油模式的小1.2%～3.5%。這是因為柴油發動機的油量調節屬于質調節，需要保持過量的空氣才能燃燒得更加完全，以免產生過多的炭煙排放；而天然氣的理論空燃比范圍很寬泛，稀燃的燃燒特性比柴油好得多，并且雙燃料發動機可不受柴油冒煙的界限限制，使得雙燃料發動機的輸出扭矩要高一點。

圖2 外特性(扭矩—轉速)

圖3示出兩種模式下的功率曲線。由圖4可以看出，雙燃料系統的輸出功率與純柴油發動機的相差不大。在1 200～1 600 r/min轉速下雙燃料模式的輸出功率比純柴油模式要略高；在2 400～3 200 r/min時，雙燃料模式下的輸出功率比純柴油模式低4.6%左右。在整個發動機工況范圍內，兩種模式工作下發動機功率變化不大。這是因為雙燃料模式下發動機的輸出功率與混合氣的濃度有關，而雙燃料模式下的混合氣濃度受天然氣噴油系統噴射壓力的影響。在低速低負荷工況，由于轉速低，混合氣的濃度能達到原機正常工作下的濃度，所以功率變化不大；在高速高負荷時，由于轉速大，再加上受到天然氣噴射系統噴射壓力的限制，雙燃料發動機達不到原機正常工作的混合氣濃度，功率的輸出相對降低。

圖3 外特性(功率—轉速)

2.2 燃油經濟性分析

雙燃料發動機的燃料經濟性由引燃油量和天然氣消耗量兩部分決定，兩者相互作用，共同影響雙燃料發動機的性能指標。為了減少排放物和柴油的使用，希望雙燃料發動機盡可能地減少引燃油量。圖4示出發動機燃油消耗率與轉速的關系。從圖中可知，在發動機1 200～1 800 r/min轉速時，雙燃料模式下的燃油消耗率比純柴油模式小6%～8.2%，而在2 000～3 200 r/min轉速時，油耗降幅逐漸變小，相比原機消耗的要小2%左右。這是因為雙燃料模式下燃料的燃燒方式是反應活性控制壓燃著火，由于天然氣的理化特性，燃料在缸內盡可能多地與空氣混合，使得均質混合氣進一步形成，這有利于燃料的合理燃燒；這種情況在低速低負荷時比較明顯，在高速高負荷時，受到天然氣噴射壓力的限制，這種優勢逐漸減小。

圖4 外特性(燃油消耗率—轉速)

2.3 排氣溫度分析

可以用發動機排氣溫度表征發動機燃燒特性，對于同一型號的發動機，在相同的負荷和轉速工況下，排氣溫度低可以說明該發動機的燃燒比較良好，同時排放也相應降低。

圖5示出發動機排氣溫度與轉速的變化關系。圖中表明：在低、高轉速下，雙燃料發動機排氣溫度比原機降低很多，而在中等轉速下，降幅變小，但還是比原機低。從圖中還可以看出，在整個外特性下，雙燃料模式的排氣溫度比原機低20～90 ℃。在原柴油機改裝時，并沒有改變原機的供油提前角，但是減少了柴油噴油量，噴入天然氣來替代這一部分的柴油量，天然氣的理化性質使得缸內燃燒溫度降低。同時，在中高轉速工況下，天然氣的加入占用了一部分空氣的體積，使得雙燃料發動機工作時過量空氣系數減小，排氣溫度從而變小。

圖5 外特性(排氣溫度—轉速)

2.4 排放性能分析

由外特性可以看出，采用雙燃料模式可以達到純柴油模式的動力性，且經濟性得到改善。在2 000 r/min和1 600 r/min時，經濟性改善幅度較3 200 r/min時大。本試驗選擇2 800 r/min，1 600 r/min以及不同替代率進行排放試驗對比。

圖6、圖7分別示出發動機在2 800 r/min，1 600 r/min的碳氫化合物總量(THC)排放的對比。 圖中表明：采用雙燃料模式時THC 排放量遠高于純柴油模式。在1 600 r/min時，中低負荷時THC排放較高，隨著負荷增大THC排放迅速降低；在2 800 r/min時，THC 排放在小負荷時隨著負荷增加下降明顯，但大負荷時下降幅度降低。

圖6 2 800 r/min下THC排放

圖7 1 600 r/min下THC排放

在中高轉速運行條件下，隨著發動機負荷的增加，THC 排放量顯著減少，這是因為引燃柴油霧化特性得到改善，并且進氣渦流強度隨著負荷的增加而增強，點火中心的數量增加。此外，在高負荷下增壓壓力和溫度升高，導致氣缸壓縮溫度升高。所有這些都降低了天然氣燃料的燃燒極限，并增加了火焰傳播速度，所以更多的預混合天然氣參與燃燒過程。

圖8、圖9分別發動機在2 800 r/min，1 600 r/min時的NOx排放對比。圖中表明：在2 800 r/min時，雙燃料模式下NOx排放優于純柴油模式，平均減少了18%左右；在1 600 r/min高負荷時，雙燃料模式下NOx排放優于純柴油模式，大約減少5%，在中低負荷時兩種模式下NOx排放基本一致。也就是說在低轉速低負荷時雙燃料模式并不能降低NOx排放。

圖8 2 800 r/min下NOx排放

圖9 1 600 r/min下NOx排放

在偏低轉速高負荷工況和高轉速工況下，雙燃料模式NOx排放明顯改善。在低轉速低負荷時兩種模式缸內壓力相差較大，雙燃料模式缸內壓力較高，主要是沒有調節噴油正時造成的，雙燃料模式時火焰傳播速度慢，有較長的時間生成NOx，發動機空燃比較高，提供富氧環境，因而NOx排放相較純柴油模式沒有明顯降低。在低轉速高負荷和高轉速時，混合氣基本上都是在稀混合氣條件下燃燒，這樣會造成燃燒的局部溫度降低，同時引燃柴油的噴油提前角延遲，隨著發動機轉速的增加，NOx停留時間較短，短時間難以達到平衡，因而NOx排放降低。

3 結論

a) 在1 200～1 600 r/min轉速范圍，雙燃料模式下的輸出扭矩和輸出功率都要比純柴油模式下高，而在2 400～3 200 r/min轉速范圍，受燃料特性的影響，雙燃料模式輸出扭矩和輸出功率要小；在發動機的整個運行工況下，兩種模式的動力性基本相同；

b) 在發動機的整個運行工況下，雙燃料模式下的燃油消耗都要比純柴油模式下小；在1 200～1 800 r/min轉速范圍油耗降幅較大，而在2 000～3 200 r/min轉速范圍油耗降幅較小；

c) 雙燃料模式下的排氣溫度比純柴油模式下低20～90 ℃；

d) 在低速和高速時，雙燃料模式下的THC排放明顯比純柴油模式低；而對于NOx排放，在低速、中低負荷時沒有明顯減少，在高速下NOx排放減少比較明顯。