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預(yù)噴策略對雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響

2020-02-14 00:21:43·  來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  
　
天然氣因?yàn)閮?chǔ)量豐富、價(jià)格便宜和燃燒清潔被認(rèn)為是一種極富有發(fā)展前景的可替代燃料，其燃燒能同時(shí)降低顆粒和氮氧化合物，解決柴油排放問題。天然氣/柴油雙燃料(DF
天然氣因?yàn)閮?chǔ)量豐富、價(jià)格便宜和燃燒清潔被認(rèn)為是一種極富有發(fā)展前景的可替代燃料，其燃燒能同時(shí)降低顆粒和氮氧化合物，解決柴油排放問題。天然氣/柴油雙燃料(DF)發(fā)動(dòng)機(jī)是天然氣的典型應(yīng)用。DF發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)可以降低NOx和PM，但中、低負(fù)荷時(shí)有效熱效率(BTE)低、HC 和CO 排放高及燃燒穩(wěn)定性差等問題限制了DF 發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。引燃柴油兩次噴射是一種優(yōu)化DF 發(fā)動(dòng)機(jī)中、低負(fù)荷時(shí)燃燒和排放特性的有效方法，但是預(yù)噴柴油噴射參數(shù)對燃燒和排放的影響規(guī)律及優(yōu)化預(yù)噴柴油噴射參數(shù)方法的研究較少。因此，本次推文探究預(yù)噴柴油噴射參數(shù)對DF 發(fā)動(dòng)機(jī)在中、低負(fù)荷時(shí)燃燒和排放特性的影響。
 
01、試驗(yàn)設(shè)備及方案
試驗(yàn)在一臺(tái)由直列6缸、四沖程高壓共軌柴油機(jī)改裝而成的DF發(fā)動(dòng)機(jī)上開展，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1，試驗(yàn)臺(tái)架示意如圖1所示。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
 
圖1 試驗(yàn)臺(tái)架示意
柴油機(jī)共軌燃油噴射系統(tǒng)最小噴油量為2mg/cyc，最大柴油噴射壓力為160 MPa，柴油ECU和天然氣ECU 分別控制柴油和天然氣的驅(qū)動(dòng)噴射。天然氣噴射閥將天然氣噴入裝在進(jìn)氣總管的混合器。下面，將分析預(yù)噴正時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響。
 
02、預(yù)噴正時(shí)對DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響
圖2為不同預(yù)噴正時(shí)DF發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力曲線。當(dāng)預(yù)噴正時(shí)位于15～30°CA BTDC時(shí)，提前預(yù)噴正時(shí)放熱率曲線呈現(xiàn)雙峰，第一放熱率峰值不斷降低，第二放熱率峰值不斷升高，著火和燃燒相位提前并接近上止點(diǎn)，缸內(nèi)峰值壓力升高，最高壓力升高率不斷降低，當(dāng)預(yù)噴正時(shí)位于33～60°CA BTDC時(shí)，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，放熱率曲線呈現(xiàn)單峰，同時(shí)放熱率峰值先增大后減小，著火和燃燒相位不斷推遲并遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，缸內(nèi)峰值壓力先維持不變后逐漸降低，最高壓力升高率先升高后降低。
 
圖2 不同預(yù)噴正時(shí)對DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響
 
DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程分為柴油的著火延遲期、預(yù)混柴油的燃燒并點(diǎn)燃周圍天然氣混合氣、可燃混合氣的預(yù)混燃燒和后燃。由于兩種燃料的燃燒在時(shí)間上有著明顯的先后順序，導(dǎo)致燃燒放熱率出現(xiàn)雙峰。同時(shí)第一峰值放熱率以預(yù)混合柴油的燃燒為主導(dǎo)，第二放熱率峰值以可燃混合氣的預(yù)混燃燒為主導(dǎo)。
 
從圖2b可以看出，隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，預(yù)噴柴油的著火延遲期（IDpilot）不斷增大，而主噴柴油的著火延遲期（IDmain）先減小后逐漸增大。這是由于隨著預(yù)噴正時(shí)的提前，缸內(nèi)的溫度和壓力不斷降低，減弱預(yù)噴柴油的霧化和蒸發(fā)過程，使得IDpilot增大；而預(yù)噴正時(shí)在15-30°CABTDC 時(shí)，由于預(yù)、主噴柴油噴射間隔較近，使得主噴柴油油束接近由預(yù)噴柴油形成的局部高溫區(qū)域，因而主噴柴油與預(yù)噴柴油形成的初始化著火核心相互反應(yīng)，縮短了IDmain的著火延遲期，使得著火相位不斷提前．當(dāng)預(yù)噴正時(shí)位于33～60°CA BTDC時(shí)，主噴柴油油束逐漸遠(yuǎn)離由預(yù)噴柴油形成的局部高溫區(qū)域，預(yù)噴對主噴柴油的影響被削弱，著火過程逐漸由主噴柴油所控制，導(dǎo)致IDmain逐漸增大并接近于單次噴射，使得著火相位不斷被推遲。
 
隨著預(yù)噴正時(shí)的提前(15～30°CA BTDC)，一方面IDmain的減小使得缸內(nèi)柴油/空氣的預(yù)混合氣減少，柴油的預(yù)混合燃燒速率降低，降低了缸內(nèi)的壓力升高率和以預(yù)混柴油為主導(dǎo)第一放熱率峰值，同時(shí)CA5和CA50的提前使得更多的混合氣在上止點(diǎn)前參與燃燒，使得缸內(nèi)峰值壓力不斷增大；另一方面IDpilot的增大使得預(yù)噴柴油與天然氣混合氣混合時(shí)間更加充裕，有利于改善了混合氣的活性，促進(jìn)天然氣混合氣中易燃產(chǎn)物和活化基的生成，可燃混合氣燃燒速率加快，使得以可燃混合氣預(yù)混燃燒為主導(dǎo)的第二放熱率峰值的增大；隨著預(yù)噴正時(shí)的進(jìn)一步提前(33～60°CA BTDC)，預(yù)噴對于主噴柴油的影響逐漸被削弱，混合氣的著火逐漸由主噴柴油噴射所控制，因而混合氣的著火相位和燃燒相位不斷被推遲并遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，導(dǎo)致更多的燃料在上止點(diǎn)后參與燃燒，造成了缸內(nèi)壓力的降低。同時(shí)更早的預(yù)噴柴油噴射使得IDpilot進(jìn)一步增大，更長的著火延遲期為預(yù)噴柴油與天然氣混合氣的混合提供了足夠的時(shí)間，更廣的著火核心分布在天然氣混合氣中，天然氣混合氣燃燒速率加快，使得以天然氣多點(diǎn)燃燒為主導(dǎo)的峰值放熱率和最高壓力升高率增大．然而過早的預(yù)噴柴油受缸內(nèi)較低壓力的影響而出現(xiàn)濕壁現(xiàn)象，同時(shí)，過長的柴油、天然氣混合時(shí)間導(dǎo)致部分著火點(diǎn)難以自燃，這都惡化了柴油的燃燒，使得天然氣的著火區(qū)域變小，天然氣利用率降低。因此，峰值放熱率和最高壓力升高率出現(xiàn)下降的趨勢。
 
03、預(yù)噴油量對DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響
 
圖3為預(yù)噴油量對DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性影響的試驗(yàn)結(jié)果。預(yù)噴油量在3～5mg/cyc 時(shí)缸內(nèi)放熱率曲線呈現(xiàn)雙峰，第一峰值放熱率隨著預(yù)噴油量的增大而減小，第二放熱率峰值不斷增大，當(dāng)預(yù)噴油量進(jìn)一步增大至7mg/cyc，放熱率曲線呈現(xiàn)單峰，且峰值放熱率隨著預(yù)噴油量的增加而增大；CA5和CA50隨著預(yù)噴油量的增大不斷提前，缸內(nèi)峰值壓力不斷升高，最高壓力升高率先降低后增大．在較早的預(yù)噴柴油噴射策略下，著火相位的控制主要是由主噴柴油噴射所控制，預(yù)噴柴油雖然不直接影響著火相位，但是它影響著缸內(nèi)混合氣在壓縮行程中溫度升高的快慢，進(jìn)而影響著主噴柴油的著火延遲期，導(dǎo)致著火相位的變化。正如圖3b和圖3c所示，隨著預(yù)噴油量的增大，IDpilot和IDmain減小，著火相位和燃燒相位不斷提前，并接近上止點(diǎn)。這是因?yàn)殡S著預(yù)噴柴油噴射量的增多，一方面，更多的柴油/空氣、天然氣/空氣混合氣在壓縮行程混合并被壓縮，使得缸內(nèi)混合氣溫度升高加快，改善了主噴柴油的霧化和蒸發(fā)，因而IDmain減小，著火相位提前；另一方面，預(yù)噴柴油的增多，意味著起引燃作用的主噴柴油噴射量越少，相對主噴柴油噴射，著火相位對缸內(nèi)燃料的化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)程度更加敏感，這種情況類似于單次噴射模式下早噴的噴射策略。因此，在較早的預(yù)噴柴油噴射策略下，對于著火相位的控制是由主噴柴油噴射和缸內(nèi)燃料的化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)共同控制的，而預(yù)噴油量影響著兩者所占的比重。
 
預(yù)噴油量的增多(3～4mg/cyc)使得IDmain 減小，起引燃作用的柴油/空氣預(yù)混合氣減少，預(yù)混柴油燃燒為主導(dǎo)第一放熱率和最高壓力升高率減小。更多的預(yù)噴柴油分布在天然氣/空氣的混合氣中，混合氣活性提高，加快了混合氣中燃燒產(chǎn)物和活化基的生成，天然氣混合氣燃燒速率提高，因而以天然氣預(yù)混合燃燒為主導(dǎo)的第二放熱率升高．預(yù)噴油量的進(jìn)一步增加至5～7mg/cyc，混合氣的溫度和活性達(dá)到一定程度，柴油的預(yù)混合燃燒和天然氣的多點(diǎn)預(yù)混燃燒時(shí)序性減弱，放熱率曲線呈現(xiàn)單峰特征，且峰值放熱率以天然氣的多點(diǎn)預(yù)混燃燒為主導(dǎo)，由于更多的著火源分布在天然氣混合氣中，天然氣的引燃面積進(jìn)一步增大，燃燒速率加快，因此，缸內(nèi)最高壓力升高率和峰值放熱率增大。
 
圖3 不同預(yù)噴油量對DF發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響
 
04、結(jié)論
較早的預(yù)噴正時(shí)(15～54°CA BTDC)能夠在降低缸內(nèi)最高壓力升高率的同時(shí)促進(jìn)主燃料的穩(wěn)定燃燒，為預(yù)噴柴油與天然氣混合氣的充分混合提供了足夠的時(shí)間，主燃料利用率和燃燒的穩(wěn)定性得到提高；較晚的預(yù)噴正時(shí)(15～30°CA BTDC)造成更高的缸內(nèi)壓力，CA5 和CA50 的提前，更多的主燃料在上止點(diǎn)前參與燃燒，缸內(nèi)燃燒壓力和溫度升高。小預(yù)噴油量能夠進(jìn)一步降低缸內(nèi)壓力和最高壓力升高率；大預(yù)噴油量會(huì)造成著火相位不穩(wěn)定和壓力升高率的陡增。
 
文獻(xiàn)來源及推薦閱讀
[1]趙國鋒,賈崎,姚崇,宋恩哲,盧昌浩,孫軍.預(yù)噴策略對雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2020,38(01):19-26.
[2]王斌，姚安仁，姚春德，等. 柴油噴射壓力對柴油/甲醇二元燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放影響的試驗(yàn)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程，2017，38(3)：23-28.
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