当今世界石油资源日益枯竭、环境污染愈来愈严重，因而合理利用资源，开发清洁燃料是我们面临的重要问题。柴油机自1892年由鲁道夫·狄塞尔发明以来，由当初超过20%的热效率引起世人关注[1]。天然气作为汽车发动机燃料的历史可以追溯到内燃机研制初期，使用压缩天然气(CNG)作为汽车燃料始于上世纪30年代的意大利，后来主要由于其储存携带及补充不方便才逐步让位于液体燃料柴油和汽油[2]。
天然气的主要成分是CH4，与柴油相比，其具有高热值和低绝热火焰温度[3]。天然气在内燃机上的应用越来越受到人们的关注，车用天然气发动机燃料的使用方式有单一燃料和双燃料两种形式。一般单一燃料采用点燃方式着火，双燃料形式为压燃柴油或其他燃料引燃天然气[4]。以柴油作为引燃燃料的双燃料发动机因其具有燃料使用灵活、燃油经济性好、碳烟排放少、发动机改动小、改动成本低等特点而具有良好的推广前景[5]。
与传统汽油机和柴油机相比，柴油引燃天然气发动机的燃烧过程既有柴油机扩散的燃烧特点，也有汽油机奥托循环的燃烧特点，且两者之间相互偶合，其燃烧过程非常复杂。在进气冲程，天然气与空气形成的均质混合气进入气缸；在压缩冲程，活塞接近上止点时，喷油器喷入少量引燃柴油，在其自燃后形成数以百万计的点火源，引燃天然气/空气均质混合气进行燃烧。引燃柴油量较少时，基本上在滞燃期内形成均质混合气；引燃柴油量较大时, 会存在柴油的扩散燃烧, 并且扩散燃烧所占的比例随柴油量的增加而增加[6]。
试验用柴油机为玉柴YC6A240-20，其主要技术参数见表 1。根据天然气/柴油双燃料发动机的工作需要，对原柴油机燃油供给系统加装油控步进电机，并加装天然气供气系统和控制系统。柴油喷射量受调速器和加装在喷油泵后端的油控步进电机共同控制，当发动机以双燃料模式运行时，油控步进电机控制的齿条位置小于调速器所控制的，此时的柴油喷射量由步进电机控制。试验用柴油机为涡轮增压柴油机，因此天然气的进气方式采用正压进气方式，储气瓶中的天然气经过两级减压后进入分配器，分配器通过气控步进电机控制进入天然气喷嘴的流量，喷嘴将天然气喷入混合器与空气混合，混合器安装在增压器之后靠近进气歧管的进气总管上。控制系统采用8位飞思卡尔HCS08中央处理器，其根据转速传感器、加速踏板位置传感器和冷却水温度传感器信号，计算所需柴油和天然气量，并控制油控步进电机和气控步进电机。
为了研究过量空气系数对天然气/柴油双燃料发动机性能与排放的影响，本文选取最大转矩转速为1400 r/min、1600 r/min和1800 r/min，柴油的循环供油量为最大循环喷油量的20%左右，各转速对应的引燃柴油喷射量分别为5.1 kg/h、5.9 kg/h和6.9 kg/h。在各工况下，过量空气系数与天然气喷射量的关系如图 1所示。实验过程中，在各工况下，逐步增大预混合气中天然气的喷射量，降低混合气的过量空气系数，并研究其对双燃料发动机的动力性、经济性和排放特性的影响。
双燃料运行时的燃料消耗量按热值将CNG折合为柴油，即：
式中：mdual、mdiesel和mCNG分别为双燃料、柴油和天然气的消耗量；HuCNG和Hudiesel分别为天然气和柴油的低热值，其值分别为48.28 MJ/kg和43.05 MJ/kg。
式中：mair、mdiesel和mCNG分别为实测空气质量流量、柴油质量流量和CNG质量流量；Ldiesel和LCNG分别为柴油和CNG的理论空燃比，其值分别为14.3和16.8。
不同过量空气系数下，双燃料发动机功率对比如图 2所示。随过量空气系数的减小，双燃料发动机的功率升高。这是因为随着预混合气过量空气系数的减小，天然气喷射量增加，各转速下引燃柴油量不变，燃烧室内混合气浓度升高，从而使发动机功率升高。
不同过量空气系数下，双燃料发动机有效燃油消耗率对比如图 3所示。当λ>1.6时，双燃料发动机有效燃油消耗率变化不大，均维持在较高范围内，随过量空气系数的继续降低，双燃料发动机的有效燃油消耗率急剧下降，直到接近原柴油机水平。
这主要是因为λ>1.6时，天然气供给量过低，缸内混合气过稀，引燃柴油点燃部分预混合气后无法形成正常的火焰传播。这是因为原柴油机燃烧室挤压面积大，火焰不易传播到整个燃烧室。另外，天然气的火焰传播速率低也是其中一个影响因素。当λ＜1.6时，随过量空气系数逐渐变小，混和气逐渐变浓，滞燃期和主燃期缩短，火焰传播速率升高，天然气燃烧充分[7]，因此双燃料发动机的有效燃油消耗率急剧下降。
不同过量空气系数下，双燃料发动机HC排放对比如图 4所示。当λ>1.6时，随过量空气系数的减小，双燃料发动机的HC排放升高；当λ＜1.6时，随过量空气系数的减小，双燃料发动机的HC排放降低。
当λ>1.6时，天然气与引燃柴油分层，柴油喷雾油束外围的预混合气过稀，无法达到着火极限，引燃柴油所产生的火焰不能使过稀的天然气-空气混合气形成扩散燃烧[8]，所以随着过量空气系数减小，天然气喷射量增加，HC排放增加。同一过量空气系数下，随转速增大，HC排放增大。这主要是因为转速升高，喷油提前角增大，滞燃期延长，天然气火焰传播速率慢，使HC排放升高。当λ＜1.6时，预混合气浓度达到着火界限，但过量空气系数大于1，因此随着过量空气系数的减小，HC排放急剧降低。
不同过量空气系数下，双燃料发动机CO排放对比如图 5所示。当λ>1.6时，随过量空气系数的减小，双燃料发动机的CO排放升高；当λ＜1.6时，随过量空气系数的减小，双燃料发动机的CO排放降低。CO排放为不完全燃烧产物，当λ>1.6时，随过量空气系数的减小，混合气浓度增大，CO排放增大。当λ＜1.6时，混合气浓度接近当量空燃比，燃烧充分，缸内温度升高，CO被氧化为CO2，CO排放降低。
不同过量空气系数下，双燃料发动机NOX排放对比如图 6所示。随过量空气系数的减小，双燃料发动机的NOX排放升高。当λ>1.6，随过量空气系数的减小，NOX排放缓慢升高，曲线趋于平缓；λ＜1.6时，随过量空气系数的减小，NOX排放急剧升高。这是因为随着λ的增大，混合气由稀变浓，火焰传播速度变快，着火期和急燃期变短，放热率升高，缸内温度和压力也随着升高，高温高压有利于NOX的生成，导致NOX生成量增加[9]。
利用柴油引燃电控天然气/柴油双燃料发动机，研究了转速为1400 r/min、1600 r/min和1800 r/min，引燃柴油量为最大循环喷油量20%时，混合气过量空气系数对双燃料发动机动力性、经济性和排放性能的影响。研究结果表明：随天然气-空气预混合气过量空气系数的减小，双燃料发动机的功率升高，有效燃油消耗率降低，NOX排放升高。随混合气过量空气系数的减小，当λ>1.6时，HC和CO排放升高；当λ＜1.6时，HC和CO排放降低。
2012, Vol. 41 Issue (6): 567-569,572
2012, Vol. 41 Issue (6): 567-569,572