直喷式天然气-柴油发动机的燃烧过程和排放研究外文翻译资料

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直喷式天然气-柴油发动机的燃烧过程和排放研究

摘要

本文中对直喷式天然气-柴油发动机的燃料燃烧过程和排放进行实验探索。这次实验主要包括两个工况（A:1275rpm BMEP1.05MPa，B:1550rpm BMEP 1.05MPa），柴油共轨压力（DRP）在18MPa~30MPa变化，天然气的喷射时刻在1°BTDC到19°BTDC选择。根据实验结果可得，随着喷射时间的提前，最大缸压和氮氧化物排放量增加，燃烧持续时间和制动比油耗（BSFC）减少，最大放热速率是先减小后增大的趋势，同时一氧化碳（CO）的变化趋势是先增加后降低；随着喷射压力的提高，燃烧过程提前，造成负面的影响是氮氧化物（NOx）的排放；发动机转速提高，燃烧过程延后，导致较低的放热速率的峰值，增加了CO和NOx的排放，减少了总烃（THC）排放和BSFC更高。

1.介绍

为了减少毒性以及温室气体排放(温室气体)、天然气发动机广泛用于出租车、公共汽车和轻型卡车。随着天然气燃烧技术的发展,天然气发动机也被扩展运用到重型卡车和船舶主机上,满足良好的动力性能的需求[1-5]。传统的点火天然气发动机,限于爆震和燃烧速度缓慢,严重影响热效率[6-8]。发动机运用直接喷射天然气和微油引燃柴油使用的技术;天然气由引燃柴油火焰点燃,燃烧主要是非预混合的方式,在这种情况下,避免了无法控制的自动点火和压缩比与柴油发动机的压缩比可以一致，从而实现低排放水平同时效率也接近原来的柴油机。[9-12]。

在过去的几十年里，微油柴油引燃，直喷天然气的发动机的优缺点已经充分证明。Douville等人在[13]中总结道一台柴油发动机转变到一台直喷式天然气发动机，在所有运行工况时，动态性能保持，CO₂的排放减少，CH₄的排放增加。点火延迟与普通的柴油机运行模式相似，其燃烧速率越平均分布，从而导致了更低的峰值温度，因此降低了氮氧化物的排放。根据Kalam和Masjuki[14]的说法，直喷式天然气发动机的输出功率略低于汽油发动机，但明显高于常规双燃料发动机。研究发现，在满负荷条件下，与汽油机相比，直喷式天然气发动机产生较高的HC和CO排放，与常规双燃料发动机相比，直喷式天然气发动机的HC和CO排放较低。在前人的研究基础上，可以得出如下结论，柴油引燃的直喷式天然气发动机的性能类似于传统的柴油和汽油发动机，同时优于传统的双燃料发动机，然而，在进一步改善燃烧性能有很大的进步空间，同时为了满足更多严格的排放标准，排放控制仍然是一个问题。

近年来，对柴油引燃，直喷天然气发动机的改善燃烧和排放特性等方法进行了广泛研究，然而，它们中的大多数是重点试验点燃预混天然气发动机。Papagiannakis等人在[15]和Liu等人在[16]的结论中已经证明可以通过增加引燃柴油量和提高进气温度来提高发动机的效率，降低CO和HC的排放量，但是不利的方面是会影响发动机在高负荷运转时的机械强度。天然气加氢也对双燃料发动机的性能有十分重要的影响。正如Lounicia等人在[17]和Navarro等人在[18]中提出热效率，燃油经济性和所有排放的氮氧化物可以受益于这种技术，但是，氢在生产和贮存中存在的问题不能被忽视。加入EGR是另一个提高发动机性能的方法：Abdelaal等人在[19]证实了使用EGR的柴油引燃天然气发动机的缸压峰值，压力升高率以及HC,CO和NO_x的排放量都会减小。Papagiannakis等人在[20]进一步指出可以通过调节发动机的喷油正时来显著减少HC和CO的排放。

本文对柴油引燃，直喷式天然气发动机进行了研究，选择一款商业的六缸重型发动机，实验所选择的是目前条件所能允许的最高喷射压力，达到30MPa。通过燃烧相位参数的辅助参数（即MBF0-10%,MBF50%,MBF10-50%,MBF10-90%)来分析一种柴油引燃，直喷式天然气重型发动机的气缸压力演化特性，热释放规律，排放，以及燃料经济性的变化。此外，分析了每个燃烧阶段的喷射策略的影响，并对提高燃烧和热效率提出了改进的喷射策略优化的建议。到目前为止，深入描述柴油引燃，直喷式天然气发动机的每个燃烧阶段，特别是前一半的热释放规律（MBF10-50%）的相关研究比较稀少。

2.实验装置和试验方法

本次试验是在一台6缸，涡轮增压，不采用EGR的电控天然气发动机上进行。发动机的各个参数见表一，喷射参数的定义和原理图分别见图1和图2。柴油和天然气的燃料系统有电子集成控制。在加压和汽化后，天然气供给燃料调节模块和调整到一个相对较低的压力来适合柴油。柴油和天然气都由带有双针设计的韦斯特波特双燃料喷油器喷入气缸，其中柴油是由内部的喷嘴喷入和天然气由外喷嘴喷入。为了适应本次试验，某些喷射参数，如喷射压力和喷油正时都通过燃油控制系统做了调整。

表一 发动机规格参数

表二 测量精度和测量方法

表三 测试条件

图1 喷射参数的定义

图2 测试原理图

试验发动机被耦合到一个涡流测功机测量发动机的转矩和转速。用一台Horiba MEXA-7200排放分析仪来分析HC,CO和NO_X的排放。由压电式压力传感器（Kistler 6067C）来测量气缸压力，由AVL燃烧分析仪记录100次连续循环数据为了进一步分析，由分辨率为0.5°CA的曲柄轴角编码器（(Kistler 2614A）来测量相应的曲轴位置。用热膜式空气流量计测量空气流量。柴油和天然气的燃料燃烧速率分别用科里奥利流量计（Emerson CNG050）和柴油消耗量表（AVL 733S）测量。各个测量方法及测量精度见表二。本次试验时在平均有效压力为1.05MPa，发动机转速为1275rpm和1550rpm下进行，详细测试条件列于表三。

燃料喷射的控制策略是提供一个小的引燃柴油量一定时间间隔后来点燃直接喷入气缸的主要燃料天然气。在试验过程中，引燃柴油的喷入脉冲宽度（DPW）和柴油引燃天然气喷射分离（PSEP）保持恒定在400LS是保证柴油机点火稳定的必要条件；天然气的喷入脉冲宽度（GPW）是按照调整后的操作条件。

为了消除循环变动的影响，用100次循环获得的平均气缸压力数据在HRR上计算[29]。对应的净热释放率用一下公式计算[30]：

（1）

（2）

其中，是净热释放速率，是曲柄角，p是气缸压力，V是工作容积，c_p是定压比热容，c_v是定容比热容，是在气缸温度下的一个多项函数值，可以通过理想气体状态方程获得。

3.结果与讨论

3.1气缸压力

图3显示了一个典型的气缸压力曲线其相应的压力升高率。它表现的气缸压力随曲轴转角的变化的曲线可以分为以下几个阶段：

（1）引燃柴油喷入前的纯压缩阶段，这时压力线与压缩线吻合；

（2）混合物的混合阶段，由于液体燃料的雾化和蒸发，以及着火前的化学反应吸收热量的原因，气缸压力线低于压缩膨胀线；

（3）引燃柴油的燃烧过程和天然气的喷射过程，开始阶段压力升高率迅速增加，燃料燃烧后开始减少，这是因为引燃柴油的数量很小（不超过10%），从而导致很短的燃烧持续时间；此外，火焰熄灭归因于柴油引燃后喷入天然气的冷却的影响，或者是因为天然气在着火前的物理和化学过程中吸收了热量才导致这种现象的发生；另外，在这个阶段可以看出，由于引燃柴油的热量释放，气缸的压力稍高于压缩膨胀线；

（4）主要的燃料燃烧阶段，这是整个燃烧过程中的主要部分，在这期间，压力升高率呈先快速增加的趋势，然后由于燃料耗尽呈下降趋势。

图3 气缸压力和压力升高率曲线

3.2热释放速率

如图4所示，在点火延迟阶段，热释放率呈下降趋势，之后由于物理和化学反应吸收的热量甚至出现负的热释放率。在开始喷入天然气的燃烧阶段（大约在喷入引燃柴油的6°CA之后），热释放率开始增加；在引燃柴油点燃一段时间后，由于柴油的消耗，热释放率开始下降；随后，在引燃柴油喷射后的6°CA左右，天然气喷入气缸，其直接导致热释放率急剧增加，之后天然气继续喷入；从一开始天然气喷入燃烧到天然气喷射结束过程中，热释放速率呈现斜坡式增长，从开始喷入增加到最后结束喷射时的下降趋势；然而，热释放率在达到最大值时，呈现快速减少，之后热释放率逐渐下降，直到燃烧结束。

图4 热释放速率曲线

3.3燃烧参数

图5a，b代表火焰发展期，这定义为喷射引燃柴油和10%总燃料之间的间隔，对于这两个工作点在曲柄角度都是毫秒级计算的。由此可见，随着喷射时间的提前，火焰的发展持续时间呈下降趋势，此外，在这个过程中，喷射定时的影响是逐渐减小的。总的来说，引燃柴油的延迟喷射，燃料和空气的混合质量以及引燃柴油的火焰强度共同影响着整个火焰发展期。 引燃柴油喷入的位置时上止点中心，气缸内温度和压力都比较高，因此，柴油的着火延迟是相对短的，因此，少量的可燃混合气是在引燃柴油着火前形成的，从而引导少量的火焰燃烧和相应的较低的初始火焰传播速度和更长的火焰发展周期。随着喷油正时的提前，引燃柴油的着火延迟延长，导致更多的柴油在预混合燃烧阶段燃烧，从而天然气被更多的点火源点燃，结果使得点火后的火焰传播速率变快。因此，尽管引燃柴油的着火延迟延长了，但是火焰发展的持续时间缩短了。

如图5a和b所示，在两个相同的喷射定时的工况条件下，随喷射压力增加，火焰发展的持续时间呈下降趋势。在工况点A，喷射压力从18MPa增加到24MPa，火焰发展持续时间平均缩短2.3°CA，然而，当喷射压力从24MP

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