柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)工作特性分析

1、柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)工作特性分析合肥工業(yè)大學(xué)汽車學(xué)院左承基清華大學(xué)汽車工程系 歐陽明高 劉崢摘要 介紹了由國產(chǎn)YC6108柴油機(jī)改裝的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)的工作原理，對比分析了雙燃料發(fā)動機(jī)在不同工況下的載荷特性和燃燒過程。分析結(jié)果表明，雙燃料發(fā)動機(jī)具有質(zhì)調(diào)節(jié)特性，隨著載荷增加，燃料替代率和替代效率增加，而過量空氣系數(shù)和熱消耗率減小。雙燃料發(fā)動機(jī)在中大載荷工況時(shí)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性；在中低轉(zhuǎn)速大載荷工況時(shí)，具有燃燒前期低而中后期高的放熱規(guī)律，而且燃燒過程穩(wěn)定，噪聲低，熱效率高。主題詞 雙燃料發(fā)動機(jī) 特性 載荷柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)具有良好的使用特性，深受用戶歡迎。它是將減壓后的CNG與空

2、氣混合后引入氣缸內(nèi)，形成預(yù)制混合氣。少量噴入氣缸內(nèi)的引燃柴油起點(diǎn)火作用。這種系統(tǒng)對原發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)不做變動，在沒有足夠氣體燃料來源時(shí)，雙燃料發(fā)動機(jī)易于恢復(fù)原機(jī)的工作方式。具有改裝簡單、成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、投資回收周期短的特點(diǎn)。國外對柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)燃料燃燒過程的研究已有許多報(bào)告14，而國內(nèi)在這方面的研究不多。筆者將介紹這方面的研究工作，通過對比試驗(yàn)和分析，試圖摸清這種發(fā)動機(jī)燃燒過程的特點(diǎn)，為其發(fā)展提供可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 試驗(yàn)裝置試驗(yàn)中采用一臺國產(chǎn)YC6108柴油機(jī)，柴油機(jī)原機(jī)及供油系統(tǒng)不做任何變動，僅增加一套CNG供氣裝置。試驗(yàn)用氣為商品壓縮天然氣。氣從高壓氣瓶出來，經(jīng)減壓、調(diào)壓和流量計(jì)量后，

3、通過調(diào)節(jié)閥直接進(jìn)入進(jìn)氣歧管。少量引燃柴油從油箱經(jīng)油耗儀進(jìn)入高壓油泵，由原柴油供油系統(tǒng)噴入氣缸。引燃柴油量由供油拉桿的位置確定。該雙燃料發(fā)動機(jī)的總體布置如圖1所示。 根據(jù)國外成功的經(jīng)驗(yàn)，雙燃料發(fā)動機(jī)在啟動和怠速時(shí)按純柴油工作方式運(yùn)行，在正常工作時(shí)再按雙燃料工作方式運(yùn)行。圖1 雙燃料發(fā)動機(jī)總體布置圖載荷特性為確定天然氣替代的柴油量和替代燃料的燃燒效率，定義以下幾個(gè)參數(shù)。替代質(zhì)量比m（替代率）：在發(fā)動機(jī)工況相同條件下，定義為改用雙燃料工作方式后，被天然氣所替代的柴油量md與原純柴油工作方式的總柴油量mt之比，即(1)它表示天然氣替代柴油量的多少。在天然氣價(jià)格比柴油便宜時(shí)，替代率越大，改裝后的經(jīng)濟(jì)性越

4、高。替代能量比e（替代效率）：定義為雙燃料工作方式時(shí)，被替代柴油的理論能量與所消耗天然氣的理論能量之比，即(2)其中 md=mt-mp式中 Hd柴油的低熱值；Hg天然氣的低熱值；mg天然氣消耗量；mp雙燃料工作方式下的引燃柴油量。因?yàn)閮烧叩墓r相同（即轉(zhuǎn)速和載荷分別相同），可得(3)這樣，e 實(shí)際表示的是天然氣燃燒有效熱效率g與柴油燃燒有效熱效率d之比，即egd (4)故也可稱e為替代效率。它是一個(gè)相對概念，表示在雙燃料工作方式下，天然氣在氣缸內(nèi)燃燒的完善程度。若e>1，表示在相應(yīng)工況下天然氣的燃燒效率高于被替代柴油的燃燒效率。1.不同載荷特性時(shí)燃油替代率及替代效率為了保證雙燃料機(jī)在任意

5、工況下能夠正常工作，經(jīng)調(diào)試后，將噴油泵齒條位置固定在約20全載荷油量處。調(diào)整天然氣量使雙燃料發(fā)動機(jī)工作在純柴油運(yùn)行時(shí)的對應(yīng)工況上，通過測量柴油和天然氣的流量，可以得到不同工況下燃油的替代量，進(jìn)而得出燃油替代率和替代效率。圖2和圖3給出了1800r/min和2800r/min載荷特性時(shí)的燃油替代率和替代效率。從圖中可以看出，當(dāng)引燃柴油量變化不大時(shí)，隨著載荷的增加，替代率和替代效率增加，并且在大載荷時(shí)，替代效率e接近1甚至超過1。說明柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)在大載荷工作時(shí)，不僅替代率高，而且天然氣的燃燒效率也較柴油的高?？梢姡@種形式的雙燃料發(fā)動機(jī)特別適用于在中、大載荷工況下工作。圖2 1800r

6、/min時(shí)替代率和替代效率圖3 2800r/min時(shí)替代率和替代效率2.過量空氣系數(shù)d圖4和圖5給出了相應(yīng)載荷特性時(shí)的過量空氣系數(shù)d曲線，工況與圖2和圖3相對應(yīng)。由圖可見，在轉(zhuǎn)速及引燃柴油量均不變時(shí)，隨著發(fā)動機(jī)載荷的增加，過量空氣系數(shù)d減小，顯示出天然氣具有質(zhì)調(diào)節(jié)特性。圖4 1800r/min時(shí)過量空氣系數(shù)曲線圖5 2800r/min時(shí)過量空氣系數(shù)曲線3.熱消耗率gq圖6和圖7給出了雙燃料和純柴油運(yùn)行的熱消耗率gq曲線，工況與圖2和圖3相對應(yīng)。由圖可見，在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著發(fā)動機(jī)載荷的增加，雙燃料機(jī)熱消耗率gq減小，并接近柴油機(jī)的熱消耗率。特別是在低速、大載荷時(shí)，甚至低于柴油機(jī)的值。這說明，從能

7、量利用角度出發(fā)，雙燃料機(jī)在中、大載荷工況時(shí)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。而小載荷時(shí)經(jīng)濟(jì)性較差，這與過稀混合氣燃燒速度較低有關(guān)，需要加以改進(jìn)。圖6 1800r/min時(shí)熱消耗率對比圖7 2800r/min時(shí)熱消耗率對比燃燒過程比較與分析為了深入了解雙燃料發(fā)動機(jī)的燃燒特點(diǎn)，對兩種發(fā)動機(jī)在相同外特性工況點(diǎn)的燃燒過程進(jìn)行了比較。圖8和圖9給出了在1800r/min和2800r/min時(shí)的燃燒放熱率。圖8 1800r/min時(shí)燃燒放熱率比較圖9 2800r/min時(shí)燃燒放熱率比較與柴油機(jī)不同，雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒放熱率基本上是較為豐滿的單峰形式，這是由于雙燃料發(fā)動機(jī)引燃柴油壓燃著火和均質(zhì)混合氣燃燒的特性所造成的。因引燃柴油少，放熱始點(diǎn)略為推遲（供油提前角相同），前期放熱峰值明顯降低。所以，最大壓力升高率明顯比柴油機(jī)降低。從放熱曲線形狀上看，雙燃料發(fā)動機(jī)中、后期的放熱率大。說明它的中后期燃燒速度高使熱效率提高。此外，雙燃料發(fā)動機(jī)的燃燒過程沒有振蕩燃燒的跡象，而柴油機(jī)的振蕩燃燒跡象較為明顯。 圖10和圖11是燃燒質(zhì)量百分比的比較。在1800r/min時(shí)，雙燃料發(fā)動機(jī)的主燃燒期為17A（原機(jī)為23A），燃燒非常迅速；而在2800r/min時(shí)，主燃燒期為29A（原機(jī)為22A）。說明燃燒快慢主要由火焰?zhèn)鞑ニ俣葲Q定，轉(zhuǎn)速越低，燃