柴油-天然气双燃料发动机工作特性分析

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1、柴油-天然气双燃料发动机工作特性分析合肥工业大学汽车学院  左承基　清华大学汽车工程系  欧阳明高　刘峥　　摘要　介绍了由国产YC6108柴油机改装的柴油-天然气双燃料发动机的工作原理，对比分析了双燃料发动机在不同工况下的载荷特性和燃烧过程。分析结果表明，双燃料发动机具有质调节特性，随着载荷增加，燃料替代率和替代效率增加，而过量空气系数和热消耗率减小。双燃料发动机在中大载荷工况时，具有较好的经济性；在中低转速大载荷工况时，具有燃烧前期低而中后期高的放热规律，而且燃烧过程稳定，噪声低，热效率高。　　主题词　双燃料发动机　特性　载荷　　柴油-天然气双燃料发动机具

2、有良好的使用特性，深受用户欢迎。它是将减压后的CNG与空气混合后引入气缸内，形成预制混合气。少量喷入气缸内的引燃柴油起点火作用。这种系统对原发动机的结构不做变动，在没有足够气体燃料来源时，双燃料发动机易于恢复原机的工作方式。具有改装简单、成本低、风险小、投资回收周期短的特点。国外对柴油-天然气双燃料发动机燃料燃烧过程的研究已有许多报告［1～4］，而国内在这方面的研究不多。笔者将介绍这方面的研究工作，通过对比试验和分析，试图摸清这种发动机燃烧过程的特点，为其发展提供可信的试验数据。试验装置　　试验中采用一台国产YC6108柴油机，柴油机原机及供油系统不做任何变

3、动，仅增加一套CNG供气装置。试验用气为商品压缩天然气。气从高压气瓶出来，经减压、调压和流量计量后，通过调节阀直接进入进气歧管。少量引燃柴油从油箱经油耗仪进入高压油泵，由原柴油供油系统喷入气缸。引燃柴油量由供油拉杆的位置确定。该双燃料发动机的总体布置如图1所示。根据国外成功的经验，双燃料发动机在启动和怠速时按纯柴油工作方式运行，在正常工作时再按双燃料工作方式运行。图1　双燃料发动机总体布置图载荷特性　　为确定天然气替代的柴油量和替代燃料的燃烧效率，定义以下几个参数。　　替代质量比Φm（替代率）：在发动机工况相同条件下，定义为改用双燃料工作方式后，被天然气所替

4、代的柴油量md与原纯柴油工作方式的总柴油量mt之比，即　　　　(1)它表示天然气替代柴油量的多少。在天然气价格比柴油便宜时，替代率越大，改装后的经济性越高。　　替代能量比Φe（替代效率）：定义为双燃料工作方式时，被替代柴油的理论能量与所消耗天然气的理论能量之比，即　　　　(2)其中　　md=mt-mp式中　Hd——柴油的低热值；　　　Hg——天然气的低热值；　　　mg——天然气消耗量；　　　mp——双燃料工作方式下的引燃柴油量。因为两者的工况相同（即转速和载荷分别相同），可得　　　　(3)　　这样，Φe实际表示的是天然气燃烧有效热效率ηg与柴油燃烧有效热效率

5、ηd之比，即Φe＝ηg／ηd　　　　(4)故也可称Φe为替代效率。它是一个相对概念，表示在双燃料工作方式下，天然气在气缸内燃烧的完善程度。若Φe>1，表示在相应工况下天然气的燃烧效率高于被替代柴油的燃烧效率。　　1.不同载荷特性时燃油替代率及替代效率　　为了保证双燃料机在任意工况下能够正常工作，经调试后，将喷油泵齿条位置固定在约20％全载荷油量处。调整天然气量使双燃料发动机工作在纯柴油运行时的对应工况上，通过测量柴油和天然气的流量，可以得到不同工况下燃油的替代量，进而得出燃油替代率和替代效率。图2和图3给出了1800r/min和2800r/min载荷特性时的

6、燃油替代率和替代效率。从图中可以看出，当引燃柴油量变化不大时，随着载荷的增加，替代率和替代效率增加，并且在大载荷时，替代效率Φe接近1甚至超过1。说明柴油-天然气双燃料发动机在大载荷工作时，不仅替代率高，而且天然气的燃烧效率也较柴油的高。可见，这种形式的双燃料发动机特别适用于在中、大载荷工况下工作。图2　1800r/min时替代率和替代效率图3　2800r/min时替代率和替代效率2.过量空气系数αd　　图4和图5给出了相应载荷特性时的过量空气系数αd曲线，工况与图2和图3相对应。由图可见，在转速及引燃柴油量均不变时，随着发动机载荷的增加，过量空气系数αd减

7、小，显示出天然气具有质调节特性。图4　1800r/min时过量空气系数曲线图5　2800r/min时过量空气系数曲线　　3.热消耗率gq　　图6和图7给出了双燃料和纯柴油运行的热消耗率gq曲线，工况与图2和图3相对应。由图可见，在转速不变时，随着发动机载荷的增加，双燃料机热消耗率gq减小，并接近柴油机的热消耗率。特别是在低速、大载荷时，甚至低于柴油机的值。这说明，从能量利用角度出发，双燃料机在中、大载荷工况时，具有较好的经济性。而小载荷时经济性较差，这与过稀混合气燃烧速度较低有关，需要加以改进。图6　1800r/min时热消耗率对比图7　2800r/min时

8、热消耗率对比燃烧过程比较与分析　　为了深入了解双燃料