柴油引燃量对柴油引燃天然气发动机性能影响分析
目 录
1 引言 1
2 双燃料发动机研究现状 1
3 试验装置及方法 2
3.1 试验装置 2
3.2 试验内容 6
3.3 试验步骤 6
4 试验结果和分析 6
4.1 数据处理 6
5 柴油引燃量对发动机性能影响分析 8
5.1 过量空气系数 8
5.2 动力性分析 9
5.3 燃油经济性分析 10
5.4 排气温度分析 12
5.5 排放性能分析 12
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 引言
柴油机以高动力、低油耗及低排放等特点已在各种车辆上得到极为广泛的应用。但是，NOX与碳烟排放是目前柴油机继续发展的最大问题。这主要是因为传统的柴油机是在压缩行程末才将燃油喷入气缸，混合气的浓度和温度的空间分布非常不均匀，而缸内混合气的浓度和温度是影响碳烟和NOX的生产量的决定性因素，无论降低那一项都会使另一项增加。
天然气是一种清洁能源，在常温状态下呈现无色、无味、无毒的特性。其主要成分为甲烷（CH4），占总成分体积的85%~95%，常伴有少量乙烷、丙烷和丁烷，另外一般有硫化氢（H2S）、CO2、N2和水气和小量CO以及微量的稀有气体。甲烷在标准大气压下的密度为0.72kg/m3，可以得出天然气的密度为0.778kg/m3左右。在标准大气压下，冷却天然气至-161.5℃时，天然气将由气态变为液态，此时称为液化天然气（Liquid Nature Gas，简称为LNG）。在液化的同时，其体积缩小为原来气态体积的1/600。在常温环境下，当压力为200 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
bar时，CNG密度为185kg/m3，LNG密度为435kg/m3。与传统燃料相比，天然气作为发动机的替代燃料具有很多优点，例如其效率高、排放低和经济性好等。因此，开发柴油/天然气双燃料发动机，对于降低尾气排放、削减环境污染和解决石油资源缺乏问题具有重要意义。
柴油引燃天然气发动机是以天然气作为主燃料，用少量柴油作为引燃燃料的发动机。在进气冲程，天然气与空气形成混合气进入气缸；在压缩冲程，喷油器在活塞接近上止点时，喷入少量柴油，引燃天然气-空气混合气从而进行燃烧。对于柴油引燃天然气双燃料发动机而言，在确保发动机动力性、排放特性和工作可靠性的前提下，柴油引燃量对发动机缸内燃烧有很大的影响，进而影响发动机的经济性和环保性。
2 双燃料发动机研究现状
从20世纪30年代至今，对双燃料发动机的研究已经从普通的机械式燃料供给装置发展为电控系统，从单点喷射发展到多点喷射，以及闭环控制的缸内直喷等技术，使天然气发动机具有越来越优秀的动力性、经济性与排放性[1]。天然气发动机也产生了多种运用模式：如山东潍坊柴油机、玉林柴油机厂、上柴等厂家均采用纯天然气发动机进行研制；而双燃料发动机是保持原燃油供给系统不变，另添加一套独立的燃气供给系统，使既可以使用天然气作为燃料，也可以切换为原燃料模式工作，这种发动机的各种参数都是根据原燃料进行设计的，所以当切换燃料时，无法充分发挥燃气的优越性；最后是近年来研究较多的混合燃料发动机，将两种燃料以一定比例掺混后进行燃烧，使发动机在保证功率的同时，能够改善液态或气态燃料在设计上的限制并优化发动机的排放，降低颗粒物的排放。目前，广大发动机研究人员已经在柴油发动机燃用天然气的动力性、经济性、排放已经开展了大量研究。
Nwafor[2]通过在一台四冲程风冷柴油机上进行实验，研究了喷油相位对柴油燃用天然气-柴油双燃料性能的影响。结果表明双燃料发动机运转平稳，但燃料消耗量有所增加，特别是在大负荷时油耗量增加更为严重。与燃用柴油相比，燃用天然气在小负荷工况时，出现功率下降、HC和CO排放都增加的现象。Nielsen[3]等人认为柴油机燃油天然气-柴油双燃料出现在小负荷工况功率下降、HC和CO排放增加的原因在于用于引燃的柴油量较少和进气温度较低共同导致发动机在低负荷工况下失火。G.H.AbdAlla[4]等人通过在一台单缸、水冷、四冲程、缸内直喷柴油发动机上针对引燃柴油量对双燃料发动机性能的影响展开研究。得出在中、低负荷工况下，增加引燃柴油量，有助于双燃料发动机降低HC和CO排放；而在大负荷时，增加或减少引燃柴油量对HC和CO排放影响效果较弱。在国内，欧阳明高[5]等将玉柴YC3108柴油机改装为柴油引燃天然气发动机后进行相关试验，最后设计出对柴油实行电控、对天然气不实行电控的机电控制方案。童毅[6]等人将柴油机进行改装后，进行柴油引燃天然气发动机油气切换过程研究，通过调整减压阀出口处的压力以及相应的减少喷油策略，实现了转速无变化的油气切换过程。除此之外，吉林大学、浙江大学、北京理工大学、山东大学、长安大学也对柴油引燃天然气发动机进行了研究。
目前，天然气/柴油双燃料发动机技术研究虽然取得了较大成绩，但仍存在需要改进之处，与纯柴油发动机的差距依然较大；特别是在低转速、中小负荷工况下运行很不理想，在研究中发现各项性能指标和排放情况不如原机。
3 试验装置及方法
3.1 试验装置
天然气/柴油双燃料发动机的改装一般是在原柴油机的基础上加装天然气燃料供给系统以及双燃料切换控制系统，从而使发动机从燃用单一柴油转变为柴油/天然气作为燃料。双燃料控制系统接受来自凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、共轨油压传感器产生的信号，经过ECU进行处理后对供给天然气的量进行控制，保证引燃柴油量和天然气能够以合适的比例供给发动机。双燃料模式下，发动机的油压、涡轮增压度、EGR等仍由原发动机ECU进行控制。双燃料发动机通过外部继电器接受来自双燃料ECU的信号进行工作模式切换。图3.1为天然气/柴油发动机机整体布置简图。
图3.1 天然气/柴油机整体布置简图
考虑到实际应用情况，在天然气/柴油机改装时应当遵循如下原则：
1）改装成本及后期维护费用尽可能低；
2）整车工作时尽可能保证优良的经济性与较低的排放；
3）在柴油与天然气/柴油双燃料之间能够进行自由切换；
4）不妨碍汽车行驶安全，不改变驾驶人操纵习惯；
5）改装尽可能简单，后期加装机构与装置性能可靠；
试验用发动机为直列、水冷、增压柴油机，主要技术参数如表3.1所示。
表3.1 实验用柴油机主要技术参数
项目 单位 技术指标
4 试验结果和分析
4.1 数据处理
相较于纯柴油燃烧，发动机在双燃料模式下的燃烧规律更为理想，但在低速小负荷工况下，由于双燃料发动机的混合气过稀，对发动机燃用柴油/天然气的燃烧存在不利影响。在双燃料发动机或柴油机的任何工况下，着火延迟期都会随发动机转速升高而有所推迟，由于双燃料发动机中混合气的多变指数比纯柴油燃烧时更低，导致燃烧过程中的压缩压力和温度均有所降低，使得在同工况下着火延迟期长于纯柴油燃烧的过程[7,8,9,10]。
结 论
参 考 文 献
1 杜连功．各国天然气汽车的现状和趋势．世界汽车[J]，1997 （2）：7
1 引言 1
2 双燃料发动机研究现状 1
3 试验装置及方法 2
3.1 试验装置 2
3.2 试验内容 6
3.3 试验步骤 6
4 试验结果和分析 6
4.1 数据处理 6
5 柴油引燃量对发动机性能影响分析 8
5.1 过量空气系数 8
5.2 动力性分析 9
5.3 燃油经济性分析 10
5.4 排气温度分析 12
5.5 排放性能分析 12
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 引言
柴油机以高动力、低油耗及低排放等特点已在各种车辆上得到极为广泛的应用。但是，NOX与碳烟排放是目前柴油机继续发展的最大问题。这主要是因为传统的柴油机是在压缩行程末才将燃油喷入气缸，混合气的浓度和温度的空间分布非常不均匀，而缸内混合气的浓度和温度是影响碳烟和NOX的生产量的决定性因素，无论降低那一项都会使另一项增加。
天然气是一种清洁能源，在常温状态下呈现无色、无味、无毒的特性。其主要成分为甲烷（CH4），占总成分体积的85%~95%，常伴有少量乙烷、丙烷和丁烷，另外一般有硫化氢（H2S）、CO2、N2和水气和小量CO以及微量的稀有气体。甲烷在标准大气压下的密度为0.72kg/m3，可以得出天然气的密度为0.778kg/m3左右。在标准大气压下，冷却天然气至-161.5℃时，天然气将由气态变为液态，此时称为液化天然气（Liquid Nature Gas，简称为LNG）。在液化的同时，其体积缩小为原来气态体积的1/600。在常温环境下，当压力为200 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
bar时，CNG密度为185kg/m3，LNG密度为435kg/m3。与传统燃料相比，天然气作为发动机的替代燃料具有很多优点，例如其效率高、排放低和经济性好等。因此，开发柴油/天然气双燃料发动机，对于降低尾气排放、削减环境污染和解决石油资源缺乏问题具有重要意义。
柴油引燃天然气发动机是以天然气作为主燃料，用少量柴油作为引燃燃料的发动机。在进气冲程，天然气与空气形成混合气进入气缸；在压缩冲程，喷油器在活塞接近上止点时，喷入少量柴油，引燃天然气-空气混合气从而进行燃烧。对于柴油引燃天然气双燃料发动机而言，在确保发动机动力性、排放特性和工作可靠性的前提下，柴油引燃量对发动机缸内燃烧有很大的影响，进而影响发动机的经济性和环保性。
2 双燃料发动机研究现状
从20世纪30年代至今，对双燃料发动机的研究已经从普通的机械式燃料供给装置发展为电控系统，从单点喷射发展到多点喷射，以及闭环控制的缸内直喷等技术，使天然气发动机具有越来越优秀的动力性、经济性与排放性[1]。天然气发动机也产生了多种运用模式：如山东潍坊柴油机、玉林柴油机厂、上柴等厂家均采用纯天然气发动机进行研制；而双燃料发动机是保持原燃油供给系统不变，另添加一套独立的燃气供给系统，使既可以使用天然气作为燃料，也可以切换为原燃料模式工作，这种发动机的各种参数都是根据原燃料进行设计的，所以当切换燃料时，无法充分发挥燃气的优越性；最后是近年来研究较多的混合燃料发动机，将两种燃料以一定比例掺混后进行燃烧，使发动机在保证功率的同时，能够改善液态或气态燃料在设计上的限制并优化发动机的排放，降低颗粒物的排放。目前，广大发动机研究人员已经在柴油发动机燃用天然气的动力性、经济性、排放已经开展了大量研究。
Nwafor[2]通过在一台四冲程风冷柴油机上进行实验，研究了喷油相位对柴油燃用天然气-柴油双燃料性能的影响。结果表明双燃料发动机运转平稳，但燃料消耗量有所增加，特别是在大负荷时油耗量增加更为严重。与燃用柴油相比，燃用天然气在小负荷工况时，出现功率下降、HC和CO排放都增加的现象。Nielsen[3]等人认为柴油机燃油天然气-柴油双燃料出现在小负荷工况功率下降、HC和CO排放增加的原因在于用于引燃的柴油量较少和进气温度较低共同导致发动机在低负荷工况下失火。G.H.AbdAlla[4]等人通过在一台单缸、水冷、四冲程、缸内直喷柴油发动机上针对引燃柴油量对双燃料发动机性能的影响展开研究。得出在中、低负荷工况下，增加引燃柴油量，有助于双燃料发动机降低HC和CO排放；而在大负荷时，增加或减少引燃柴油量对HC和CO排放影响效果较弱。在国内，欧阳明高[5]等将玉柴YC3108柴油机改装为柴油引燃天然气发动机后进行相关试验，最后设计出对柴油实行电控、对天然气不实行电控的机电控制方案。童毅[6]等人将柴油机进行改装后，进行柴油引燃天然气发动机油气切换过程研究，通过调整减压阀出口处的压力以及相应的减少喷油策略，实现了转速无变化的油气切换过程。除此之外，吉林大学、浙江大学、北京理工大学、山东大学、长安大学也对柴油引燃天然气发动机进行了研究。
目前，天然气/柴油双燃料发动机技术研究虽然取得了较大成绩，但仍存在需要改进之处，与纯柴油发动机的差距依然较大；特别是在低转速、中小负荷工况下运行很不理想，在研究中发现各项性能指标和排放情况不如原机。
3 试验装置及方法
3.1 试验装置
天然气/柴油双燃料发动机的改装一般是在原柴油机的基础上加装天然气燃料供给系统以及双燃料切换控制系统，从而使发动机从燃用单一柴油转变为柴油/天然气作为燃料。双燃料控制系统接受来自凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、共轨油压传感器产生的信号，经过ECU进行处理后对供给天然气的量进行控制，保证引燃柴油量和天然气能够以合适的比例供给发动机。双燃料模式下，发动机的油压、涡轮增压度、EGR等仍由原发动机ECU进行控制。双燃料发动机通过外部继电器接受来自双燃料ECU的信号进行工作模式切换。图3.1为天然气/柴油发动机机整体布置简图。
图3.1 天然气/柴油机整体布置简图
考虑到实际应用情况，在天然气/柴油机改装时应当遵循如下原则：
1）改装成本及后期维护费用尽可能低；
2）整车工作时尽可能保证优良的经济性与较低的排放；
3）在柴油与天然气/柴油双燃料之间能够进行自由切换；
4）不妨碍汽车行驶安全，不改变驾驶人操纵习惯；
5）改装尽可能简单，后期加装机构与装置性能可靠；
试验用发动机为直列、水冷、增压柴油机，主要技术参数如表3.1所示。
表3.1 实验用柴油机主要技术参数
项目 单位 技术指标
4 试验结果和分析
4.1 数据处理
相较于纯柴油燃烧，发动机在双燃料模式下的燃烧规律更为理想，但在低速小负荷工况下，由于双燃料发动机的混合气过稀，对发动机燃用柴油/天然气的燃烧存在不利影响。在双燃料发动机或柴油机的任何工况下，着火延迟期都会随发动机转速升高而有所推迟，由于双燃料发动机中混合气的多变指数比纯柴油燃烧时更低，导致燃烧过程中的压缩压力和温度均有所降低，使得在同工况下着火延迟期长于纯柴油燃烧的过程[7,8,9,10]。
结 论
参 考 文 献
1 杜连功．各国天然气汽车的现状和趋势．世界汽车[J]，1997 （2）：7
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