不同替代比下CNG/柴油復合噴射柴油機臺架試驗

王雷，李海玉，王銳，曹永，陳廣源

(1. 濰坊職業學院 汽車工程學院, 山東 濰坊 262737；2.濰坊職業學院 機電工程學院, 山東 濰坊 262737；3.盛瑞傳動股份有限公司 工程技術研究院, 山東 濰坊 261021)

天然氣是一種高效、清潔的能源，其存儲量巨大、價格相對低廉，在發動機上燃用可以產生良好的經濟和社會效益[1-2]。目前，天然氣主要以壓縮氣瓶的存儲方式應用于汽油車，通過使用一個單獨的天然氣燃料供給管路系統，直接實現在汽油發動機上的燃用，此種燃用方式雖然簡單實用，但無法發揮天然氣作為氣體燃料在發動機上燃用的固有優勢。因此，研究和探索天然氣在發動機上的應用方式具有重要的工程實際意義[3-4]。

國內外學者針對柴油直噴引燃壓縮天然氣(compressed natural gas, CNG)發動機的性能開展了廣泛而深入的研究。近年來，通過發動機臺架試驗對CNG/柴油雙燃料的燃燒性能(主要是針對動力性、燃油經濟性和排放性)進行了大量的試驗研究[5-7]，結果表明,在保持原機動力性的同時，NOx和soot得到大幅降低。基于各類計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)軟件對CNG/柴油雙燃料發動機的燃燒性能(主要是針對影響燃燒的關鍵參數，如噴油正時、射流角度、噴射壓力以及燃燒室形狀尺寸)進行了大量的仿真研究[8-11]，結果表明，合理的關鍵參數邊界能夠促進柴油的引燃燃燒和降低有害氣體的排放量。其中，針對柴油引燃噴油正時對CNG/柴油雙燃料發動機燃燒與排放影響的研究[12-14]表明，在適當范圍內推進最佳噴油正時，HC、CO和碳煙排放能得到有效改善。

雖然國內外學者對CNG/柴油雙燃料發動機的性能進行了較全面的研究，但針對柴油機摻燒天然氣最佳替代比燃燒特性的深入研究報道很少。我國山地面積廣闊，交通運輸依賴柴油能源，使用天然氣替代部分柴油能源在柴油機上燃用，既能夠節省寶貴的柴油資源，也可以實現天然氣在發動機上應用的多元化。因此，本文以等熱值方式使用天然氣替代部分柴油在發動機上應用，研究柴油機動力性和經濟性的變化規律，以期為CNG在柴油機上的燃用方式和燃用技術提供參考。

1 天然氣理化特性概述

相比于傳統的汽油和柴油化石能源，天然氣的理化特性不盡相同。天然氣的主要成分為甲烷，主要由碳和氫兩種元素組成，分子式為CH4，標準狀態下密度為0.717 4 kg/m3，該密度小于空氣密度，燃燒時發出淡藍色的火焰。天然氣與柴油的理化特性對比見表1。由于天然氣的能量密度低，常采用壓縮存儲的方式應用于柴油機，CNG體積大約為壓縮前的1/600。

表1 天然氣和柴油的主要理化特性指標

2 試驗方法與試驗設備

試驗用燃油為0號柴油和CNG，在JL4JB1柴油機上分別進行摻燒不同替代比天然氣量的發動機經濟性和動力性的試驗研究。天然氣替代比定義為天然氣熱值與總熱值的比值，總熱值指柴油熱值和天然氣熱值之和，即

(1)

式中：RN/D為天然氣替代比；HNG和HD分別為天然氣和柴油的熱值，單位為MJ。

為了實現天然氣在柴油機上摻燒，給發動機試驗臺架增設了一套天然氣供給系統，主要包括CNG高壓氣瓶、調壓器、熱交換器、天然氣計量儀和混合器等，其中混合器安裝在進氣總管上，確保所供給的天然氣與空氣形成均質混合氣。天然氣供給系統如圖1所示。

圖1 天然氣供給系統結構框圖

考慮到天然氣以均質混合氣形式供給柴油機燃用，因此天然氣替代比不能太低，即混合氣不能過稀。這是由于柴油機壓縮比較高，在壓縮過程中過稀的天然氣與空氣的混合物會被擠入面容比較大的狹縫，造成不完全燃燒或失火，導致柴油機動力性和經濟性下降。同時天然氣的空燃比大于柴油，過高的天然氣替代比會使柴油發動機的過量空氣系數下降，從而引起柴油機性能的降低。綜合分析認為，設定天然氣替代比為0.2～0.8，可以保證天然氣摻燒試驗研究的有效進行。

測試儀器設備主要有CW160型電渦流測功器、FC2210型天然氣計量儀、FEV油耗測量儀、MT20U2開發型ECU、SWK03冷卻水恒溫系統和FEV TCM臺架測控系統等。試驗用柴油機型號為JL4JB1，燃燒室類型為直噴ω型，試驗用柴油機為自然吸氣、水冷、四沖程、直列、頂置氣門形式的發動機，其主要參數見表2。

表2 試驗用柴油機主要參數

3 試驗過程與結果分析

3.1 不同替代比天然氣供給量確定

柴油機運行于不同工況下時，每個循環的噴油量不盡相同，柴油機循環噴油量計算公式為

(2)

式中：mD為柴油機每循環柴油噴射量，單位為mg/str；BD為柴油機每小時油耗，單位為kg/h；n為柴油機轉速，單位為r/min；i為氣缸數。

在計算出柴油機循環燃油噴射量基礎上，結合天然氣替代比的定義式，可以確定不同替代比下柴油機每循環在各個工況需要的天然氣供給量，即

(3)

式中：mNG為柴油機每循環天然氣噴射量，單位為mg/str；hNG和hD分別為天然氣和柴油低熱值，單位為MJ/kg。結合公式(1)、(2)和(3)計算出柴油機運行于不同工況時，燃用不同替代比的天然氣-柴油混合燃料每循環天然氣和柴油的供給量，結果見表3。

綜上所述，解剖鎖定板聯合喙鎖縫線固定治療鎖骨遠端骨折的臨床療效優于鉤鋼板，且并發癥少，是一種較可靠而有效的手術方法。但本研究是回顧性分析而非前瞻性隨機試驗，不是一個大樣本或多中心病例對照，同時也不能確定什么情況下需要輔助何種喙鎖固定方式為最佳是本研究的不足和缺陷，也是未來需要進一步解決的問題。

表3 不同替代比下天然氣和柴油的供給量

3.2 不同替代比下柴油機性能的變化

為研究柴油機燃用不同替代比的天然氣-柴油混合燃料的動力性，分別在800、1 400、1 800、2 400、3 200、3 600 r/min的6種發動機轉速下進行臺架試驗。試驗過程中，始終保持天然氣-柴油混合燃料的熱值與柴油機原機各工況循環噴油量的熱值相等。試驗結果如圖2所示，圖中虛線為柴油機原機在該轉速下的外特性扭矩水平。

從圖2可以看出，柴油機燃用天然氣-柴油混合燃料時，在一定的替代比下，試驗轉速范圍內的扭矩均能超過柴油機原機外特性水平，體現在扭矩曲線部分位于虛線上方；同時，隨著轉速的升高，扭矩特性超過原機水平時的天然氣替代比減小且低轉速小替代比、高轉速大替代比的燃用效率較差；扭矩上升最大值出現在1 800 r/min ，增幅為6.8%。

(a)n1=800 r/min (b)n2=1 400 r/min (c)n3=1 800 r/min

對上述柴油機燃用不同替代比天然氣-柴油混合燃料在不同工況下扭矩性能變化規律的分析表明：

1)天然氣以一定替代比代用部分柴油燃用時，能夠提高缸內的最高燃燒溫度，擴大做功沖程燃燒循環的溫度階梯，且柴油的燃燒完全程度獲得改善，從而提高了熱效率；因此，在同樣熱值燃料的供給條件下，天然氣-柴油機混合燃料的扭矩會高于柴油機原機水平。

2)當柴油機低轉速運行時，缸內氣流運動相對較弱，且功率較低，缸內平均溫度較低，此時較小的替代所形成的稀混合氣在狹縫處不容易完全燃燒；反之，高轉速時氣流運動較強，功率高導致缸內平均溫度升高，改善了天然氣混合氣的完全燃燒，這些因素的作用使轉速升高時，天然氣-柴油混合燃料的扭矩特性呈現出扭矩超過原機水平時替代比減小的規律。

3)由于柴油機高速、高負荷運行時，過量空氣系數相對較小，且天然氣的化學計量空燃比大于柴油，因此隨著轉速的繼續升高，替代比的不斷增大，天然氣-柴油混合燃料的過量空氣系數將進一步下降，會出現由于氧含量供應不充分而發生不完全燃燒現象，導致高轉速、大替代比時燃用效率差，扭矩下降。

4)柴油機中等轉速運行時，缸內氣流運動合理，充氣效率和熱效率都較高，有利于柴油機-天然氣混合燃料的充分燃燒，因此扭矩上升幅度最大。

3.3 柴油機燃用天然氣-柴油的最佳替代比

從圖2的試驗數據中提取對應最大扭矩時的天然氣-柴油混合燃料的替代比，并與柴油機原機外特性扭矩對比，結果如圖3所示。從圖3可以看出，通過選擇天然氣-柴油混合燃料燃用的最佳替代比，可以使柴油機的外特性扭矩在所有試驗的轉速范圍內上升，這表明在柴油機發動機上摻燒天然氣能夠提升柴油機的動力性，使柴油機的強化程度加強，且最佳替代比呈現出低轉速較高、高轉速較低的變化規律。

圖3 最佳替代比天然氣-柴油的扭矩特性

圖4給出了柴油機外特性運行時，燃用最佳替代比天然氣-柴油混合燃料和柴油的經濟性對比。從圖4可以看出，由于在試驗中保持各個工況供給燃料的總熱值不變，動力性增強將改善發動機的經濟性，所以使有效燃油消耗率呈現與圖3中扭矩相反的變化規律。

圖4 天然氣-柴油和柴油的外特性經濟性對比

4 結論

本文在發動機實驗臺上增設了一套天然氣供給系統，對柴油機燃用天然氣的最佳替代比特性進行了試驗研究，全面分析了不同替代比下CNG/柴油復合噴射對運行于外特性工況柴油機扭矩性能的影響規律。主要結論如下：

1)天然氣在柴油機上以進氣管混合的方式摻燒，能夠有效提升柴油機的外特性扭矩性能。

2)柴油機運行于不同的轉速時，天然氣的最佳燃用替代比不同，低轉速時適合采用高的替代比，高轉速時適合采用低的替代比。

3)在中等轉速時，柴油機燃用天然氣扭矩上升的幅度最大，相比于柴油原機扭矩最大值提高了6.8%。

4)天然氣在柴油機上以合理的替代比摻燒，能夠提升柴油機的動力性和經濟性，增強柴油機強化程度。