任立童　王洪榮　張衡　鄧鵬毅

摘 要：對雙燃料發(fā)動機在不同摻燒控制系數(shù)下的燃燒變動進行了試驗研究。在中等負荷和大負荷下分別調(diào)整不同摻燒控制系數(shù)改變?nèi)紵匦?，對燃料發(fā)動機的缸壓進行了測量，對比分析了雙燃料與純柴油模式下最大缸壓值、IMEPn、燃燒起始角及燃燒持續(xù)期、放熱率等燃燒性能循環(huán)變動的影響。測試數(shù)據(jù)的分析表明，中等負荷時需要優(yōu)化選擇摻燒的天然氣量，以保證發(fā)動機性能的穩(wěn)定；大負荷時可選擇較大天然氣摻燒量以提高燃油經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：共軌柴油機；雙燃料；摻燒控制系數(shù)；燃燒性能；循環(huán)變動率

中圖分類號：U464.173文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.09

Abstract：The paper experimentally studied the combustion cyclic variations of a diesel /CNG dual-fuel engine with different blending control coefficients. Under the medium-loading and high loading conditions， different blending control coefficients were respectively adjusted to change the combustion characteristics of the fuel engine. Meanwhile， the cylinder pressure was measured in dual-fuel mode and in pure diesel mode to analyze the influence of the combustion cyclic variations， including the maximum cylinder pressure， IMEPn， the combustion starting angle， the duration of combustion and the heat release rate etc. Test results show that for medium-loading conditions， the amount of blended natural gas needs to be optimized in order to ensure the stability of engine performance； and for high loading conditions， a larger amount of gas mixture can be used to improve fuel economy.

Key words：common rail diesel engine；dual-fuel； blending control coefficient； combustion characte-ristic；coefficient of variation

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境污染越來越嚴重，對石油資源的消耗也越來巨大。而我國天然氣資源非常豐富，如何有效利用天然氣已成為相關(guān)學(xué)者研究的熱點。柴油機因其良好的動力性和經(jīng)濟性，在我國作為汽車和工程機械的動力被廣泛應(yīng)用，柴油機的氮氧化物和碳煙排放比較嚴重，對生活環(huán)境及人體健康危害很大。天然氣成分以CH4為主，具有熱值高、抗爆性好和著火溫度高的特點。而壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG）在發(fā)動機進氣管內(nèi)與空氣混合時同為氣態(tài)，與柴油機相比，燃料混合更均勻，燃燒也更完全，因此，天然氣發(fā)動機可以明顯降低有害物質(zhì)的排放[1]。

采用柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機技術(shù)，對原柴油機結(jié)構(gòu)改動少、見效快、費用低，發(fā)動機動力性、可靠性方面幾乎與原機相當，經(jīng)濟性比原柴油機好，還可以大幅降低碳煙顆粒等排放物，節(jié)能環(huán)保。雙燃料發(fā)動機已得到了廣泛關(guān)注[2-6]。

雙燃料發(fā)動機的燃燒方式比較復(fù)雜，由少量柴油壓燃后點燃天然氣混合氣，不同摻燒參數(shù)下的燃燒過程穩(wěn)定性的影響也不同[7-8]。本文試驗中采用自主開發(fā)的雙燃料控制系統(tǒng)，研究了不同摻燒控制系數(shù)對雙燃料發(fā)動機的最大燃燒壓力值、燃燒起始角、燃燒持續(xù)期、放熱率等燃燒性能變動的影響。

1 雙燃料發(fā)動機控制原理

在原機高壓共軌燃油系統(tǒng)不改變的前提下，加裝天然氣燃料供給系統(tǒng)和雙燃料控制系統(tǒng)，進行減油、噴氣控制，實現(xiàn)天然氣與柴油的混合燃燒。自主開發(fā)的發(fā)動機控制系統(tǒng)同時具有純柴油和雙燃料摻燒兩種工作模式，可以通過硬件選擇開關(guān)或者軟件條件判斷選用純柴油模式工作還是雙燃料摻燒模式工作。純柴油模式下，僅以柴油為燃料，由純柴油控制模塊控制原機燃油系統(tǒng)工作；在摻燒模式下，純柴油模塊和燃氣控制模塊協(xié)同控制同時燃用柴油與天然氣兩種燃料，由發(fā)動機壓縮柴油著火，再引燃噴入汽缸的天然氣，在保證動力性能基本不變的前提下，減小柴油噴射量，增加燃氣噴射量，以實現(xiàn)期望的替代率要求。

高壓共軌系統(tǒng)的軌壓是閉環(huán)控制的，軌壓跟隨純柴油控制模塊內(nèi)部軌壓設(shè)定值而變化。摻燒模式時，純柴油控制模塊采集到的軌壓值是由燃氣控制模塊輸出的模擬軌壓而非真實軌壓。模擬軌壓基于實時真實軌壓生成，反映真實軌壓變化情況，但是與真實軌壓之間存在差異，通常模擬軌壓比真實軌壓大。模擬軌壓與真實軌壓之間的具體關(guān)系由采用的算法確定。當純柴油控制模塊檢測到軌壓（模擬軌壓）大于軌壓設(shè)定值時，將做出降低軌壓的調(diào)整，這將使真實軌壓下降。當純柴油控制模塊檢測到的軌壓（模擬軌壓）接近軌壓設(shè)定值時，實際上真實軌壓已經(jīng)小于此時純柴油控制模塊內(nèi)部的軌壓設(shè)定值，這將使實際的噴油量小于設(shè)定噴油量，達到減小柴油噴射量的目的。燃氣控制模塊則根據(jù)減掉的柴油量計算出需要的天然氣量并進行燃氣供給控制。基于此控制原理，控制系統(tǒng)中引入摻燒控制系數(shù)的概念。調(diào)節(jié)摻燒控制系數(shù)以調(diào)節(jié)模擬軌壓和實際軌壓的差值，進而調(diào)節(jié)摻燒的天然氣量。摻燒控制系數(shù)值大，引燃的柴油量就少，摻燒的天然氣量就大，其對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

2 雙燃料發(fā)動機準備及測試方案

以2.5 L四缸高壓共軌柴油機為原機，原機燃料供給系統(tǒng)不變，加裝天然氣氣瓶、減壓閥、過濾器、噴氣控制閥等燃氣系統(tǒng)，采用純柴油控制系統(tǒng)和燃氣控制系統(tǒng)協(xié)同控制，通過開關(guān)選擇純柴油工作模式或雙燃料工作模式。發(fā)動機原機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

試驗測試系統(tǒng)簡圖如圖2所示。選取2 000 r/min下51%負荷和100%負荷兩個工況，供油提前角、油門開度等條件不變，僅調(diào)節(jié)不同摻燒控制系數(shù)，以調(diào)節(jié)燃氣的摻燒量。測試過程中分別記錄100個燃燒循環(huán)值，得出最大缸壓值、指示平均有效壓力、燃燒起始角、燃燒持續(xù)期、I50放熱率角度和放熱率等燃燒參數(shù)值的變動情況，與純柴油模式下的燃燒參數(shù)值進行對比分析。

雙燃料發(fā)動機摻燒控制系數(shù)對燃燒循環(huán)變動

影響的分析

通常，最大缸壓值的變動能夠很好地表示燃燒接近終了時刻的變動狀況，而指示平均有效壓力的變動和轉(zhuǎn)矩的變動有直接的關(guān)系，燃燒持續(xù)期、放熱重心角度等參數(shù)可以尋找燃燒變動的原因。因此，我們將從這幾個方面研究不同摻燒控制系數(shù)對它們的影響。

燃燒循環(huán)變動通常用循環(huán)變動率（Coefficient of Variation，COV）表示：

其結(jié)果的大小可以直觀地反映該項性能在循環(huán)過程中的穩(wěn)定程度。

3.1 對最大缸壓值循環(huán)變動的影響

51%負荷時缸壓最大值的波動曲線如圖3所示。從圖中可以看出，隨著摻燒控制系數(shù)的增加，最大缸壓值波動呈增大趨勢，在1.2、1.4、1.6摻燒控制系數(shù)下，其波動幅度和純柴油機模式（摻燒控制系數(shù)為1.0時）下相當，此時由于天然氣量少，部分混合氣和引燃柴油的量充分混合，燃燒速率較快，能夠快速點燃未燃混合氣，燃燒過程相對平穩(wěn)。而繼續(xù)增大摻燒控制系數(shù)，其最大缸壓值的波動幅度也超過純柴油模式的幅度，這是由于天然氣量增加較多，混合氣含氧量低，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，后燃增加，此時的燃燒很不穩(wěn)定。

100%負荷時的最大缸壓值波動曲線如圖4所示，摻燒后的最大缸壓值的波動幅度均超過了純柴油模式下的波動幅度，燃燒穩(wěn)定性比純柴油模式下要差。

3.2 對指示平均有效壓力循環(huán)變動的影響

51%負荷時的指示平均有效壓力（IMEPn）的波動曲線如圖5所示。從圖中可以看出，摻燒控制系數(shù)越大，IMEPn值也呈現(xiàn)出波動幅度增大趨勢。同樣，在1.2、1.4、1.6摻燒控制系數(shù)下的波動幅度和純柴油模式相差不大，轉(zhuǎn)矩波動不大，但在1.8、2.0摻燒控制系數(shù)下的波動幅度明顯超過了純柴油模式，轉(zhuǎn)矩波動較大。

圖6顯示了100%負荷時不同摻燒控制系數(shù)的IMEPn波動幅度和純柴油模式下波動幅度相差不大，說明摻燒后的轉(zhuǎn)矩波動和純柴油模式下的轉(zhuǎn)矩波動相近。

3.3 主要燃燒角度的影響

對于柴油機來講，一般以放熱零點定義為燃燒始點。計算出100個燃燒循環(huán)各主要燃燒角度的平均值，對比分析不同摻燒控制參數(shù)對燃燒角度的影響。如圖7所示，51%負荷時的燃燒起始角度隨著摻燒控制系數(shù)的增加而減小（靠近上止點），這是因為雙燃料模式時，天然氣和空氣混合進入氣缸，因氧含量減少，引燃柴油的自燃時間增長引起的。燃燒持續(xù)期隨著摻燒控制系數(shù)的增加而延遲長，I50放熱率的角度也增大，說明燃燒重心后移，燃燒速度放緩。

如圖8所示，在100%負荷時，隨著摻燒控制系數(shù)的增加，燃燒起始角逐漸靠近上止點，I50放熱率的角度逐漸減少，但其值差值變化不大；燃燒持續(xù)期有先長后短的趨勢，燃燒重心稍微提前。

3.4 對放熱率的影響

由圖9可知，在51%負荷時，摻燒后的放熱率峰值明顯比純柴油模式下低。隨著摻燒控制系數(shù)的增加，由于燃燒持續(xù)期變長，放熱重心后移，放熱率峰值變小，而在摻燒控制系數(shù)為2.0時的放熱率比1.8時放熱率要大些。結(jié)合前面的分析結(jié)果，摻燒控制系數(shù)為2.0時最大缸壓值和轉(zhuǎn)矩波動幅值非常大，燃燒起始角減小，燃燒持續(xù)期長，后燃增加，燃燒極其不穩(wěn)定。

100%負荷時，如圖10所示的放熱率曲線，摻燒后發(fā)動機的放熱率峰值相當，均比純柴油模式稍微高些。摻燒前后放熱比較集中，燃燒速度較快，由于燃燒重心角度變小，放熱點峰值有些前移。

3.5 主要參數(shù)的循環(huán)變動率比較

在51%負荷時摻燒控制系數(shù)和最大缸壓值、IMEPn及I50放熱率角度的循環(huán)變動率的關(guān)系如圖11所示。綜合前面的分析，隨著摻燒控制系數(shù)的增加，由于混合氣氧濃度逐漸降低、變稀，燃燒持續(xù)期變長，燃燒過程減慢，燃燒重心波動明顯增大，燃燒不完全，且燃燒過程惡劣，后燃現(xiàn)象增加，轉(zhuǎn)矩波動明顯變大，發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性降低。因此，在部分負荷時，需要選取最佳天然氣摻燒量，以保證發(fā)動機燃燒平穩(wěn)，減小轉(zhuǎn)矩波動。

100%負荷時的摻燒控制系數(shù)和最大缸壓值、IMEPn及I50放熱率角度循環(huán)變動率的關(guān)系如圖12所示。綜合以上分析，隨著摻燒控制系數(shù)的增加，I50放熱率角度的波動率和燃燒終了最大缸壓值的變動率呈增大趨勢，IMEPn的變動率變化不大，摻燒前后輸出的轉(zhuǎn)矩波動不大。所以，在大負荷時選取較大的天然氣替代率，也可以獲得穩(wěn)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出，提高發(fā)動機經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

（1） 中等負荷時摻燒控制系數(shù)（燃氣替代率）不大的情況下，燃燒較為穩(wěn)定，最大缸壓值波動較小，IMEPn比較穩(wěn)定，但摻燒控制系數(shù)繼續(xù)增大時，最大缸壓值波動變大，轉(zhuǎn)矩輸出波動越大。隨著摻燒控制系數(shù)的增大，燃燒放熱率降低，燃燒持續(xù)期變長，燃燒重心的角度也變大，因此中等負荷時不需要太大的燃料替代率，以保證發(fā)動機動力的穩(wěn)定性。

（2）大負荷時摻燒控制系數(shù)變大，最大缸壓值的變動率增大量不大，轉(zhuǎn)矩輸出、燃燒持續(xù)期和純柴油模式下相當，放熱率峰值比純柴油模式稍大，因此大負荷時可以選用較大的燃料替代率，以明顯提高發(fā)動機的經(jīng)濟性。

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