柴油引燃直喷天然气发动机燃烧

来源：职称阁分类：建筑论文时间：2020-07-14 15:49热度：

　　随着排放法规的日益严格，天然气因为其低排放性能和经济性得到了广泛的应用。火花点燃发动机是目前应用最广泛的天然气发动机，但是其具有热效率低、HC排放较高的缺点，而柴油引燃直喷天然气发动机却克服了以上缺点，在达到高热效率的同时，还保持了低排放的性能，逐渐成为了天然气发动机的研究热点。本文根据以前的研究文献，总结了喷射时刻、喷射压力和喷射间隔三种喷射参数对引燃直喷发动机燃烧、排放和性能的影响。

柴油引燃直喷天然气发动机燃烧

　　关键词：天然气；柴油引燃；高压直喷；喷射参数

　　引燃直喷天然气发动机使用同心针喷油器向缸内直接高压喷射柴油和天然气[1]，在进气冲程中只有新鲜的空气进入气缸，避免了气门重叠时的燃料泄漏和部分负荷下的节气损失，而且因为爆震倾向的减弱，发动机可以采用更高的压缩比，所以引燃直喷发动机可以获得更高的输出功率、更好的燃油经济性和更低的HC排放[2-4]。而喷射时刻、喷射压力和喷射间隔是引燃直喷发动机重要的基础参数，对于发动机的燃烧过程和排放性能具有重大的影响，本文在以往研究的基础上，总结了喷射参数的影响规律，对未来的参数优化以及发动机热效率的提高，具有一定的指导意义。

　　1喷射时刻

　　喷射时刻是引燃直喷天然气发动机重要的基础参数之一，对发动机的燃烧排放和性能具有重要的影响，喷射时刻可以分为天然气喷射时刻和柴油喷射时刻，在固定的喷射间隔下，两者都可以表示天然气发动机的喷射时间。注意的是本文讨论的研究中喷射信号都是电控信号，而不是实际的喷射信号。Douville[5]研究了自然吸气式单缸两冲程发动机和涡轮增压六缸两冲程发动机在中高转速低负荷下的燃烧、排放特性。从试验的结果可以发现，当喷射时刻提前，缸内峰值压力和NOx排放增加，CO排放首先减少然后趋于平缓，但是HC、soot排放和热效率的变化规律还与发动机类型还有负荷转速有关。Harrington[6]在涡轮增压六缸四冲程发动机的中等转速高负荷下进行试验，研究发现随着喷射时刻推迟，燃油将以更低的温度燃烧，热效率和NOX排放均会降低，而HC和CH4排放始终处于很低水平，CO排放首先降低然后保持较稳定的变化趋势，但是因为技术的限制，试验的喷射压力只有21MPa。Zhang[7]在涡轮增压六缸机的怠速工况下进行试验，试验台架如图1所示。随着天然气喷射时刻的提前，燃油喷射时的缸内温度和压力较低，导致滞燃期延长、预混燃烧比例增大，缸内峰值压力和放热率增加，相应的50%和90%燃烧相位提前；在排放方面，因为怠速下燃油喷射量减少，氧气含量充足，随着喷射时间提前，后期燃烧阶段的燃烧变的更加缓慢和不稳定，导致火焰熄灭可能性增大，CO排放增加，而THC和CH4排放对于喷射时刻来说相对不敏感一些。之后Zhang[8]还在相同的发动机上研究了中等转速和负荷下的燃烧排放特性，结果表明提前天然气喷射时刻虽然对排气能量和增压压力有负面的影响，但是对压力升高率的影响更加深远，会使缸内压力峰值增大、50%燃烧相位提前、NOx排放增加；而滞燃期、速燃期还有HC、CO排放与喷射时刻的关系无法确定，因为它们受到转速、负荷、喷射压力还有缸内流动的共同作用。Li[9]进一步研究了喷射时刻对燃烧稳定性和燃油经济性的影响，变化规律如图2所示。随着喷射时刻的提前，天然气稳定扩散燃烧的部分增加，导致MBF10-90%的循环波动量减小，而火焰传播速度的增大，增加了周期燃烧的不规则性，使平均指示压力的循环稳定性降低；但是MBF0-10%的波动规律难以找寻，这是因为MBF0-10%的长短主要与引燃柴油量和天然气喷射量的周期变化、天然气的扩散过程有关，受喷射时刻的影响较小。在燃油经济性方面，随着喷射的提前，燃烧能够更早的发生，使燃油消耗量减少，但是过早的燃油喷射会增加压缩冲程的功率消耗，燃油经济性反而会些许恶化。

　　2喷射压力

　　引燃直喷天然气发动机中，天然气的喷束特性是由喷射压力和缸内背压之比所决定的[10]，又因为活塞运动和压力循环波动的影响，喷射背压不断变化，并不是固定的数值。但是在固定的工况下，瞬时压力比的大小主要受喷射压力控制，此时喷射压力会影响喷束的穿透距离和湍流强度，进而影响天然气的混合过程。所以想要改善发动机的燃烧和排放，对于喷射压力的研究也是不可缺少的。喷射压力的早期研究主要是在自然吸气式两冲程发动机上进行，研究发现提高喷射压力会导致NOx和CH4排放增加，但是对CO排放和热效率的影响却存在分歧，[5]发现喷射压力的增大会导致CO排放增加，而对热效率的影响很小。[11]认为CO排放还和负荷有关，BMEP<3bar时，喷射压力对CO的影响很小，但是BMEP=4bar时，CO排放在最小喷射压力处达到最高点；而在热效率方面，随着喷射压力的提高，热效率首先增加然后减小。对于研究结果的差异，一种可能的解释就是喷油器的不同设计，导致CO排放和热效率的变化规律发生了改变。Larson[12]研究了喷射压力对涡轮增压发动机的影响，研究发现喷射压力的增加会使50%燃烧相位提前，缸内温度升高，从而增加NOx排放；而喷射压力对CO、HC和PM排放的影响，在不同转速和负荷下均是不同的。McTaggart-Cowan[13]在相似的发动机上添加了EGR装置，试验发现在高负荷下提高喷射压力可以改善燃油雾化，提高缸内温度，进而减少PM和CO排放，至于NOx排放，因为EGR的使用，NOx与喷射压力的关系不大；与此同时在低负荷下喷射压力对发动机排放和性能的影响并不明显。Ying[14]使用数值模拟的方法，研究了在转速和其他喷射参数保持不变的条件下喷射压力对发动机燃烧过程的影响。模拟发现喷射压力增加，缸内峰值压力增大，但是涨幅均小于4%，且最高压力所对应的曲轴转角不变；而缸内温度增加，峰值温度对应的曲轴转角提前，导致NOx排放增加，HC排放减少。Zhang[8-9]详细地介绍了燃烧参数的变化情况（图3），如图所示提高喷射压力可以改善混合，从而缩短滞燃期和速燃期，并且使燃烧相位提前；在燃烧稳定性方面，MFB0-10%的波动会在最高喷射压力处达到最大，而MFB10-90%的波动恰好相反，可能因为低压喷射导致天然气的扩散混合更加不稳定；至于燃油的消耗，因为高压喷射下燃油混合和燃烧的改善，增加喷射压力对燃油经济性有着积极的作用。之前的研究中最高的喷射压力不超过300bar，[15]首次将喷射压力增至600bar，试验发现虽然喷射压力增大，但是总体的变化影响规律是不变的，比如提高喷射压力可以提高热效率，并且以NOx为代价降低PM和HC排放，但是喷射压力过高会导致制造成本和燃烧噪声增加。

　　3喷射间隔

　　在引燃直喷天然气发动机中，喷射间隔具有两种定义，第一种是从引燃柴油开始喷射到天然气开始喷射，两者之间的时长，另一种是引燃柴油喷射结束到天然气喷射开始的时长，这两种定义都是有意义的，并且在以前的研究都有过使用。喷射间隔的长短决定柴油喷雾和天然气喷束之间的相互作用，进而影响天然气的扩散混合过程，对最终的燃烧过程和排放也是有重大的影响，所以研究和优化喷射间隔对改善燃烧、提高发动机性能是有积极意义的。Dumitrescu[11]在中低负荷下研究了喷射间隔的影响，研究发现喷射间隔的延长可以区分开柴油和天然气的燃烧，减小缸内燃烧温度，从而降低NOx排放，而且由于天然气混合时间延长，燃烧过程更加充足，导致HC排放减少，热效率提高。McTaggart-Cowan[16-17]研究了喷射间隔很短甚至为负值时，直喷天然气发动机排放的变化情况，结果发现喷射间隔过短，引燃柴油会在天然气过浓的区域点燃，导致燃烧强度增大，缸内温度升高，NOx排放增加，特别是在低EGR率下，NOx的排放会非常高，而PM排放大大减少；但是当EGR率为0-40%时，CO排放受喷射间隔的影响很小，而EGR率等于50%时，可以通过缩短喷射间隔有效地控制CO排放。之后McTaggart-Cowan[18]在更高的负荷下进行试验，试验结果证明，NOx的变化趋势和之前的研究很相似，但是在不同的EGR率下CO和PM排放呈现出不同的趋势，主要是因为高负荷下燃油喷射量增加，CO和PM对局部当量比的变化更加敏感，所以呈现出不同的变化规律。通过EGR和优化喷射间隔相结合，可以不以NOx为代价降低约30%PM排放。Zhang[7]研究了怠速工况下喷射间隔的影响，结果发现CO、HC等排放与喷射间隔的关系并不确定，比如燃油喷射压力=18MPa时，增大柴油/天然气的喷射间隔，CO排放会增加；但是喷射压力=24MPa时，随着喷射间隔的延长，CO排放却会减小，一种解释是怠速工况下的燃油量较小，高压喷射进一步缩短了喷射的时间，会导致燃油喷入缝隙或者壁面附近，使燃烧不完全，而延长喷射间隔就相当于增加了扩散时间，能够改善天然气的混合，减少CO排放。所以在怠速工况下，喷射间隔和其他工况相配合，会对发动机的燃烧排放产生不同的影响。Li[9]的研究更加侧重于中高负荷下燃烧参数的变化情况，随着喷射间隔延长，天然气滞燃期增加，10%和50%燃烧相位推迟，速燃期也相应延长，但是在较小间隔下（0.3ms-0.4ms）速燃期的长短似乎对喷射间隔更加敏感。Larson[12]的研究却取得了不同的结果，延长喷射间隔，10%燃烧相位首先提前接着推迟，而速燃期受天然气的扩散燃烧影响，呈现出先缩短后延长的趋势，两个研究结果之间存在的差异性，可能是因为发动机运行负荷和喷射间隔变化范围的不同而导致的。

　　4总结

　　①天然气提前喷射可以提高缸内峰值压力，使50%燃烧相位提前，在大多数工况下是提高热效率，降低燃油消耗的不错选择，但是喷射时刻对滞燃期和速燃期的影响规律并不确定。在排放方面，由于缸内温度的升高，所有工况下的NOx排放均会增加，但是CO、HC和soot排放却受喷射压力、喷射时刻还有转速负荷等的共同作用，单纯地改变燃油喷射时刻，很难总结出CO、HC等排放的变化规律。②大多数工况下，提高喷射压力可以改善燃油喷束的扩散和燃烧过程，进而提前燃烧相位，提高热效率，并且以NOx为代价降低PM的排放；但是过高的喷射压力会使燃油喷射到壁面或者缸套附近，发生过度穿透现象，而天然气混合的改善和燃油的过度穿透相互竞争，导致CO和HC排放在不同转速和负荷下表现出不一致的变化趋势。③喷射间隔的长短主要影响天然气的混合扩散过程，进而对发动机的燃烧排放产生影响。在燃烧方面，增加喷射间隔可以延长滞燃期、增加燃烧持续时间，而10%和50%燃烧相位的变化在不同工况下却是不同的；排放方面，大多数工况下延长喷射间隔可以减少NOx和HC排放，但是CO和PM排放会相对恶化。

　　作者：王雨心刘世通李旭张强

文章名称：柴油引燃直喷天然气发动机燃烧

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