雙燃料發動機低負荷時替代率的選取

林 煜

（福建船政交通職業學院 汽車學院，福建 福州 350007）

前言

隨著石油消耗的急劇增加，汽車工業快速發展與石油短缺之間的矛盾日益突出，直接導致了油價的不斷上漲及世界上部分國家和地區出現了“油荒”。天然氣是相對清潔的燃料，已被作為柴油的替代燃料進行了廣泛的研究[1-4]。

柴油作為引燃燃料的天然氣-柴油雙燃料發動機以其改裝方便，只需要在單燃料發動機上加裝一套天然氣供給系統，經濟性好、燃料選用靈活、熱效率高以及排放性能好，尤其是氮氧化物和固體顆粒物排放少等優點在國外日益受到關注[5]。

1 雙燃料發動機改裝理論基礎

雙燃料發動機是氣體燃料使用的主要方式，具有可恢復原發動機工作、排放性好、經濟性好等特點[6]。近幾年，國內多家汽車生產企業和發動機生產企業都致力于開發或改裝天然氣發動機，其中大多數還是將汽油機和柴油機這樣的單燃料發動機改裝成天然氣-柴油雙用燃料發動機和天然氣-柴油雙燃料發動機，這在我國代用燃料汽車中占到90%左右[7]。

柴油引燃的天然氣發動機是以天然氣作為主要燃料，由少量柴油來引燃，通常在活塞壓縮行程上止點附近時直接噴入氣缸內，將減壓后的壓縮天然氣和空氣在氣缸外或者氣缸內形成可燃混合氣，在壓縮行程末期噴入燃燒室內一定量的柴油，并依靠高溫的壓縮空氣加熱著火產生的火焰能量引燃可燃混合氣。

雙燃料發動機的特點是具有兩套不同的燃料供給系統，一套供給天然氣，另一套供給天然氣以外的燃料（柴油或汽油），兩套燃料供給系統可以按照系統設定的噴射量分別向發動機噴射燃料（柴油或汽油）和天然氣，讓兩種燃料在缸內混合燃燒。柴油燃燒產生的點火能量比電火花產生的點火能量要大，著火性能好，能夠彌補單一的天然氣由于充氣效率降低而引起的天然氣單燃料發動機的動力下降，改裝后的雙燃料發動機動力性接近原機的水平，在中、高負荷時動力性還稍有提高，因此具有非常好的應用前景。

應用和推廣天然氣-柴油雙燃料發動機技術，是促進傳統柴油發動機節能減排的有效手段之一。引燃油量和天然氣噴氣量的準確控制就成為了雙燃料發動機技術的關鍵。

通常，雙燃料發動機在中、高負荷時進入雙燃料模式，但出于經濟性上的考慮，也可以在低負荷時就進入雙燃料模式。在低負荷時，引燃油量的控制與中、高負荷有所不同。因此，引燃油量的研究更加重要。

2 天然氣供給量的計算

替代率是說在相同工況下，天然氣所替代的柴油量與純柴油工作模式下柴油消耗量之比。天然氣替代率計算公式為：

式（1）中，R為天然氣替代率，VD和VS分別發動機雙燃料模式和單燃料模式時的噴油量。

在Converge軟件中，關于燃燒室的仿真，需要計算和輸入多個參數，其中噴油量和天然氣進氣量都是需要計算的。在預先設定的替代率下，噴油量可以根據同工況下純柴油單燃料時的噴油量計算得到。而天然氣進氣量則有兩種計算方法：等熱值和等空氣消耗量。

其中，等熱值就是把天然氣替代的那部分柴油在理想狀況下完全燃燒所釋放的熱值計算出來，再將這部分熱值當作天然氣完全燃燒獲得的，以此計算需要燃燒多少的天然氣。計算公式如下：

式中，mdiesel是單燃料模式下的噴油量，R是替代率，Hdiesel是柴油熱值，mgas是天然氣量，Hgas是天然氣熱值。

這個方法適合小負荷的時候計算天然氣的進氣量，因為在小負荷的時候雙燃料發動機的替代率較低，天然氣量比較少，混合氣的濃度比較低。因此，天然氣可以燃燒得較為充分，可以看作全部質量的天然氣都參與燃燒并充分放熱。

在中、高負荷的時候，由于替代率較高，引燃油量較少，點火能量較小。同時，天然氣進氣量較大，混合器濃度較大，所以氣缸內的天然氣很相當一部分沒有充分燃燒就被排出氣缸。這時，再使用等熱值的方法計算天然氣的進氣量就是不準確的，計算值和實際的天然氣進氣量相差會很大。因此，就要使用等空氣消耗量來計算。

等空氣消耗量的計算方法就是把被天然氣替代的那部分柴油燃燒時所需要消耗的氧氣量，轉化為同樣消耗等質量氧氣可以燃燒多少的天然氣。計算公式如下：

式中，A/F為柴油和天然氣各自的理論空燃比。

在雙燃料發動機臺架試驗中，將等熱值計算的天然氣進氣量與等空氣消耗量計算的天然氣進氣量進行對比，選擇不同工況下仿真計算中所需的天然氣進氣量究竟選擇哪一種方法計算。在雙燃料臺架試驗當中，在固定的替代率下不斷調節天然氣的噴射脈寬，讓雙燃料發動機的動力性接近單燃料模式，記錄此時的天然氣噴射量。下表就是Converge仿真計算的六個不同的工況點在臺架試驗中實際天然氣進氣量和兩種方法計算的理論值進行對比。

表1 天然氣量理論值比較

由表1可以得知，在低負荷的時候選擇等熱值計算天然氣進氣量更加接近實際值，在中、高負荷的時候選擇等空氣消耗量計算的天然氣進氣量更加接近試驗中測得的值。

因此，在仿真計算中，在25%油門開度、1500r/min的工況下的天然氣進氣量使用等熱值法計算。

3 燃燒室模型構建

本文針對 SL4108ZLQ柴油機說明書上氣缸的尺寸在三維制圖軟件上畫出氣缸的三維圖，之后將三維圖導入Converge軟件。

在Converge燃燒仿真中，選擇湍流為雷諾平均法RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）、液滴為修正KH-RT模型和燃燒模型為SAGE化學求解模型，選擇合適的模型會使得仿真結果更加接近真實值。

在25%油門開度1300r/min的工況點進行仿真計算，并和實驗數據進行對比分析。

由圖 1可以計算出曲線圍成的單缸每循環指示功為996.3W，根據功率的計算公式：

圖1 示功圖

通過公式（1）可以算出仿真計算出柴油機單缸的功率為12.45kW，四缸的指示功率就是49.8kW。而實驗測得的同等工況下的有效功率為48.34kW。有效功率是指示功率扣除機械損耗之后的功率，由于臺架實驗測功機與發動機通過聯軸器直接相連，機械損耗只有發動機內部的一小部分摩擦等損耗。因此在論文中看作兩者近似相等。因此，可以認為在動力性上，Converge軟件的仿真結果是準確的。

圖2 碳氫化合物排放

排放的比較本文選取雙燃料發動機里十分典型的排放物，碳氫化合物。根據實驗數據，該工況下碳氫化合物的排放為93ppm，根據反應前后質量守恒的原則，可以通過噴入氣缸的柴油量、天然氣量和進入的空氣大致計算出試驗所得的碳氫化合物質量為0.124g，仿真計算的結果為0.112g。從試驗數據和仿真計算結果對比可以得到，兩者之間的結果誤差在10%以內?？紤]到仿真時本文選擇的計算模型并不是最精確的計算模型，而且仿真必定有誤差的存在。因此，認為碳氫化合物的排放結果是準確的。

還有碳氧化合物以及氮氧化物等排放，通過比較，發現仿真計算的數值和試驗值相差在10%以內，因此認為燃燒室的仿真模型是合理和有效的。

4 低負荷下引燃油量對發動機性能的影響

4.1 理論天然氣量下引燃油量對發動機動力性的影響

在25%油門開度，轉速1500r/min時，分別選取天然氣替代率為30%、50%和70%進行仿真分析。三個替代率對應三個引燃油量，而天然氣供給量則用第2節的方案確定的理論值供給。

圖中紅、藍、黃三條曲線分別對應天然氣替代率為30%、50%和 70%。由圖 4-1可知，在 25%油門開度、1500r/min的情況下，在低、中、高三個替代率下，氣缸內壓力相差比較大，尤其是70%的替代率，缸內壓力明顯小于30%和50%兩個替代率。10°BTDC是噴油時刻，替代率為70%的時候壓力升高的速率明顯減緩，說明引燃油量燃燒釋放的能量過少。

圖2 缸內壓力對比

為了更加準確得到三個替代率時發動機的動力性，因此選取三個替代率時的示功圖，通過示功圖來計算輸出的功率，與單燃料模式下的功率進行對比。

圖3 p-V示功圖對比

由圖3可知，在該工況下，70%替代率的指示功明顯小于另外兩個替代率。而且70%替代率的缸內壓力也明顯不足，這是由于在小負荷時原本噴油量就少，在過高的替代率下引燃油量更加的少，這就使得點火能量不足，氣缸內燃燒不理想。此外，由于雙燃料發動機在低負荷時，天然氣過量空氣系數較大，混合氣濃度稀，燃燒溫度低，也影響天然氣的燃燒。

對替代率為30%的曲線進行計算，得到p-V示功圖中曲線所圍面積為733.6J，即單個循環氣缸內燃燒的內能對活塞做的指示功為733.6J，由指示功可以根據公式（4）計算得到單缸指示功率為9.17kW，4缸發動機指示功率36.68kW。同理，計算50%替代率下發動機的指示功率為35.76kW。另一方面，根據臺架實驗實際測量，同工況下純柴油工作模式發動機的輸出功率為35.22kW。30%和50%的替代率可以滿足發動機的動力性，而70%替代率下的功率則明顯小于單燃料模式下的功率。

比較三個替代率下的缸內溫度：

圖4 缸內溫度對比

從圖4可以看到氣缸內的燃燒溫度達到了2600K，而柴油機最高溫度一般是1600-2000℃，即1800-2300K。圖3可以看出在30%和50%兩個替代率下氣缸內的最高溫度比柴油機正常燃燒的最高溫度略微偏高，由此可以得知氣缸內燃燒情況比較劇烈，也從另一方面說明此時總燃料供給略微偏大。

4.2 理論天然氣量下引燃油量對發動機經濟性的影響

在排除了高替代率之后，接下來需要比較30%和50%兩個替代率的燃油經濟性，為保證雙燃料發動機的動力性，因此燃油經濟性的評價指標選擇燃油消耗率。

由于純柴油經濟性指標為燃油消耗率，而雙燃料發動機缸內燃燒動力很大一部分由天然氣提供，因此為了比較柴油和不同替代率下雙燃料發動機經濟性，引入了有效燃油消耗率（BSFC），其表達式如下：

式中，mD和mNG分別是柴油和天然氣的質量流量率，LHVD和LHVNG分別是柴油和天然氣的低熱值，P是發動機功率。其中，有效燃油消耗率（BSFC）的單位是g/kW.h。

表2 燃料經濟性比較

由表2可知，當替代率為30%時在燃料消耗量和燃料消耗率上優于單燃料和50%替代率，替代率為70%時的燃料消耗率則大于單燃料和其余兩個替代率。在中替代率和高替代率時引燃油量減小，天然氣的供給量增大，燃料消耗量更大，但是動力性卻反而下降。

4.3 恒定天然氣量下引燃油量對發動機動力性的影響

在30%替代率時雙燃料發動機的燃料量略微偏大，為了研究該工況下引燃油量對發動機性能的影響，在保持天然氣供給量不變的前提下，將引燃油量增加10%和減少10%，對比分析引燃油量對發動機動力性的影響。

圖5 缸內壓力對比

圖6 p-V示功圖對比

根據圖5和圖6可知，在燃料量過多的工況下，增加引燃油量動力性依然上升，但在該工況下過多的引燃油量會導致氣缸內燃燒過于劇烈，對發動機有所損害。三個引燃油量下發動機的動力性如表3所示。

在燃料過多的情況下增加引燃油量會導致動力性提升。但動力性過高時由于氣缸內燃燒過于劇烈，會使發動機損傷。在雙燃料發動機改裝中，不能過度追求高的動力性，而是應與原機動力性接近。因此，該工況下雙燃料發動機需要減少引燃油量或是天然氣量。

表3 動力性比較

4.4 恒定天然氣量下引燃油量對發動機經濟性的影響

在對比分析過動力性之后，其次還要研究三個引燃油量對經濟性的影響。

表4 燃料經濟性比較

由表3和表4可以得到33%的替代率不管是動力性還是經濟性都要優于27%和30%的替代率。在減油方案中，只需要減少理論天然氣的供給量，就可以選擇動力性與原機接近且經濟性較好的33%的替代率。

5 總結

對于雙燃料發動機的改裝，必須要先滿足動力性，在動力性達到柴油機模式的前提下，考慮經濟性的問題。通常而言，負荷越大，替代率越高，但具體的替代率選擇，就需要通過實驗或仿真，參考多方面因素進行選擇。做到動力性接近柴油機模式的前提下實現更好的經濟性。