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天然气百分比含量对直喷式双燃料发动机性能和排放影响的实验研究
R.G. Papagiannakis, D.T. Hountalas
摘 要
在过去几年里人们已经做出了巨大努力来减少直喷式柴油机的污染物排放。为了满足这个要求，工程师们提出了各种解决方案，其中一项便是使用气体燃料作为柴油的补充。这种同时使用常规柴油燃料和气体燃料的发动机被称为双燃料发动机。使用双燃料（液体和气体燃料）燃烧系统主要是为了减少颗粒物和氮氧化物的排放。
天然气是双燃料发动机所使用的气体燃料的其中一种，其自燃温度相对较高，更是一种经济性的清洁燃料。天然气较高的自然温度相对其它气体燃料来说是很一种优势，它可以满足大多数常规直喷式柴油发动机的压缩比。由于天然气中含有较少的溶解杂质（例如硫化物），实际上燃烧时几乎不产生颗粒。
本文主要涉及到在空气进气温度不变下直喷式柴油机中液体柴油被天然气部分替代时，双燃料模式运行特性的实验研究，给出的结果揭示了天然气替代量对发动机性能和排放的影响。
关键词：双燃料柴油发动机；天然气；双燃料燃烧排放
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术语 |
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A |
面积 m2 |
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Cv |
定容比热容 J/（Kg·K） |
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Cp |
定压比热容 J/（Kg·K） |
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Cr |
常量 W/（m2·K4） |
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D |
缸径 m |
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m |
质量 kg |
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P |
压力 Pa |
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Q |
热量 J |
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R |
气体常数 J/（Kg·K） |
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T |
绝对温度 K |
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V |
体积 m3 |
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希腊字符 |
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alpha;c |
常量 |
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lambda; |
导热系数 W/（m·K） |
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psi; |
曲轴转角 ° |
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下角标 |
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g |
气体 |
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w |
壁面 |
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缩写 |
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CR |
压缩比 |
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DI |
直接喷射 |
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bsfc |
有效燃油消耗率 |
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NO |
一氧化氮 |
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CO |
未燃碳氢化合物 |
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ppm |
（占体积）百万分比 |
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TDC |
上止点 |
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- 介绍
在世界范围内，气体燃料在柴油机中的使用正在增加。与常规的液体燃料相比，燃烧时更清洁的特性以及相当诱人的价格优势，更加促进了气体燃料的使用。天然气因满足上述要求而在世界范围内广泛使用。天然气具有高辛烷值，适用于压缩比相对较高的发动机，并且与空气均匀混合后能充分燃烧并大大减少尾气排放[1-4]。在双燃料发动机中，气态燃料通常通过进气歧管与进气一同进入气缸，和纯柴油发动机一样经过混合与压缩过程。在压缩冲程结束前后喷射一定量的液体燃料，柴油自燃并引燃周围的气体燃料[5-9]。
本研究的主要目的是从发动机性能和废气排放的角度来探究双燃料模式的主要特性。为此，在实验室里对使用天然气作为气体燃料的高速直喷式柴油机进行了实验研究。在进行适当的调整之后，直接从当地的低压供气网络接入天然气来供给发动机使用。通过测量气缸内的压力数据并进行处理，揭示天然气浓度分别对燃烧机理、着火延迟时间、放热机理与强度和燃烧持续时间的影响这一系列重要信息。
污染物排放的实验结果反映了天然气浓度对这些性质影响。如果将此技术应用于现有的直喷式柴油机，这些研究结果能够提供一定的参考价值。
- 天然气和柴油燃料的性质
在表1中给出了本实验研究中使用的液体柴油燃料的主要性质，这种液体燃料是典型商用柴油燃料的代表。
在本实验中使用的天然气成分也在表1中给出，测量数据来自供应商。正如所观察的，甲烷是所使用的的天然气的主要成分，导致其有着相对较高的辛烷值，适用于高压缩比的发动机。
- 实验程序
3.1实验设备
实验所使用的发动机是具有单缸、自然吸气、四冲程、空气冷却、直接喷射、转速高等性质的Lister LV1柴油发动机，燃烧室呈碗型。实验设备布局如图1所示。发动机缸径85.73mm，行程82.55mm，连杆长度180mm，压缩比为17.6，正常运行速度范围在1000至3000rpm之间。柱塞直径为6.5mm的高压燃料泵连接位于燃烧室顶部中间的三孔喷油嘴（每个孔的直径均为0.23mm），喷油嘴的开启压力为180bar。
发动机天然气来自当地的供气网络。天然气在进入发动机气缸之前经过一个小型罐（用以抑制发动机进气口处导致的压力波动）和两个流量计（用于精确测量），分别为容积式流量计和旋转式流量计。通过位于流量计后的控制阀来实现供气量的调节，然后天然气流向发动机的进气口，与进气混合。
3.2实验案例
静态喷油正时固定在上止点之前26°曲柄转角的位置，并且进气温度始终是23℃。通过将气态的天然气导入到上述的进气歧管，发动机便改为双燃料模式运行。在纯柴油（100%柴油燃料）下和双燃料（天然气与柴油混合）两种模式中，分别在满负荷40%、60%和80%的负载以及1500、2000和2500rpm速度条件下进行测试。在完成上述测试后，还会在双燃料模式下，进行额外的测量，发动机可以在没有任何故障的情况下达到满负荷运行。
在双燃料模式下，一部分柴油被天然气取代，以便在特定工况（一定负荷与速度）下保持发动机的输出功率与常规的柴油机相同。过程如下：在给定的发动机转速下，仅使用柴油燃料达到一定功率后，喷油量保持恒定，利用天然气进一步增加功率，直到达到所设定的值，详情见表2。天然气质量流量除以总燃料质量流量代表天然气的质量比，即：
- 热释放率估算
根据测得的气缸压力图和上止点信号，可以估算着火延迟时间、燃烧持续时间和放热速率。燃烧持续时间和强度从放热图中估算[10]。在形成大多数NO的燃烧初始阶段，放热图还提供了特别的信息。净放热速率通过使用以下表达式[10-12]，对每个测量的气缸压力点应用热力学第一定律来确定：
然后通过以下表达式求得总放热速率，它提供了实际的能量释放率：
其中的热损失率（dQw/dphi;）是从Annand的传热模型得到[13]，公式（4）如下：
通过测得的气缸压力值来估计气体平均温度，由下式给出：
其中的质量（m）从天然气和空气混合物的质量流量测量值估计。使用上述方法能够很好地估算在发动机气缸内的放热速率的实际值，因为净放热速率不包含由于气缸壁热交换带来的能量损失。双燃料模式下的放热速率是液体柴油燃料和天然气燃料的放热速率之和，由式（3）得出。
- 实验结果分析
实验选择了三个不同的转速进行测量，但因篇幅有限，只给出了在2000rpm转速下的结果。1500rpm与2500rpm转速下的结果是非常相近的。本文以下部分揭示了双燃料模式下，特别是天然气质量比，对发动机性能、气体污染物和烟尘排放的影响。
5.1气缸压力和总放热曲线
图2和图3表示了实验测得的在纯柴油和双燃料模式下发动机分别在40%负荷与80%负荷、转速为2000rpm时缸压和总放热曲线。双燃料运行结果显示天然气质量比可达85%。
如图2所示，在部分负荷条件下，增加的天然气质量比超过50%，在着火后气缸内压力升高比纯柴油模式较慢。质量比达50%时，初始的放速率几乎相同，质量比更高时，只是较少地显现出预混燃烧，只有在质量比高达80%左右时天然气燃烧对总放热量的影响才变得比较明显。
如图3所示，在发动机达到80%负荷下，随着天然气质量比的增加，双燃料模式下的缸压线轨迹与纯柴油模式下的各个值严重偏离。天然气的燃烧特点得以显现，膨胀冲程的放热速率变得恶化，气缸压力急剧变化。图3中所观察到的第二个放热峰是由天然气的燃烧所导致，因在膨胀冲程，并没有严重地影响缸压曲线，只是略有增加。
对于所有测试的情况，双燃料模式时增加天然气的量气缸压力会降低。天然气与空气的混合气比热容较高，以及和柴油燃料相比其燃烧速率慢，导致在压缩和燃烧的初始阶段会出现这种现象。
5.2双燃料模式对气缸压力峰值的影响
图4给出了在发动机转速为2000rpm时分别在40%、60%和80%负荷下气缸压力峰值与天然气质量比的变化关系。如图所示，最高燃烧压力受到天然气的强烈影响。保持发动机负载恒定，随着天然气量的增加，缸内最高压力显著降低，而斜率几乎不变，并且与发动机负荷无关。
因此，在所有情况下，双燃料模式时缸内最高压力比纯柴油模式低，发动机结构不会存在危险。
5.3双燃料模式对着火延迟和燃烧持续时间的影响
着火延迟期是指从柴油喷射开始到放热开始的时间间隔[10,14]。在图5中给出了在2000rpm转速及不同负载下发动机的着火延迟期与天然气质量比的变化情况。
可以观察到使用天然气时着火延迟期变长，这种影响清晰地反映在图2与图3中的缸压图中。着火延迟期变长主要是由于燃料喷射点附近的充气温度降低，因为其整体的比热容比纯柴油高。在高负荷和高天然气质量比时这种影响更明显。
如图5所示，对于所有测试情况，在双燃料模式下燃烧持续时间通常比纯柴油模式长，随着天然气质量比的增加而增加，在低质量比时其增长速率更为强烈一些。
5.4双燃料模式对总有效燃油消耗率的影响
图6展示了发动机在恒定2000rpm转速不同负载下，总油耗随天然气质量比的函数图像。总油耗是从发动机的有效输出功率和燃料质量流量估算而来，其中因天然气与柴油低热值不同导致的偏差在计算式中并没有进行修正，其实总油耗还受到天然气使用的影响。如图所示，在部分负荷下的双燃料模式时，总油耗比纯柴油模式还要高很多，这主要是由天然气的燃烧速率低导致的。在高负荷时也能观察到类似的趋势，但此时油耗的增量与天然气质量比的斜率和低负荷相比是较低的。
考虑到天然气的热值比使用的柴油燃料高，在柴油燃料热值被修正后其总油耗会更高。这表明天然气的利用率低，而这个问题的主要原因是发动机燃烧室内温度较低以及着火延迟期长导致的着火过迟[15]。
5.5双燃料模式对烟气排放的影响
在图7中给出了在2000rpm转速及各负载下，烟度随天然气质量比变化的函数。
观察这个图可以发现，双燃料模式是一种减少烟尘排放的潜在方法。在部分负荷下，随着天然气质量比的增加，烟尘浓度急剧降低，这是因为喷射的柴油占总燃料的百分比小，形成烟尘较少。在高负荷与低天然气质量比时，进气温度低于纯柴油模式，相比之下还轻微增加了烟尘的排放。但在质量比较高时，烟尘会减少，并且减少得更多，这可能是较高的气体温度促进了烟尘的氧化，进一步降低了烟尘浓度
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