CNG—柴油双燃料发动机排放特性研究1

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1、精品论文推荐CNG柴油双燃料发动机排放特性研究1刘克铭 1， 张强 1，刘讯涛 21 辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新（123000）2 黑龙江科技学院，黑龙江（150027）E-mail：liukeming0927摘要：论述了 CNG柴油双燃料供给系统，该系统可以有效地降低发动机的碳烟的排放。 通过试验给出了 CO、CH、NOX、碳烟随有效功率的变化规律，并从四种有害排放物的生成机理上分析了产生的原因。通过试验比较了在不同负荷下燃用 CNG柴油与纯柴油的排放，分析了燃用 CNG柴油双燃料降低碳烟的原因。根据改造后的 CNG柴油双燃料发动 机的排放物的变化规律，合理调整使用参数和组织燃烧

2、过程，将三元或四元催化转换器应用 于此双燃料发动机上可望获得良好的排放效果。关键词：双燃料；柴油机；CNG；排放特性0. 引言随着汽车工业的发展，能源与环保问题越发引起人们的关注。柴油车以其良好的动力 性和燃油经济性得到了广泛的应用；随着一系列排放法规出台柴油机的排烟问题成为限制其 进一步推广的瓶颈。发动机的燃烧方式分为同时爆炸燃烧、预混合燃烧、扩散燃烧三种；柴 油机碳烟主要源于扩散燃烧阶段，在预混合燃烧阶段产生的碳烟很少。若采用预混合燃烧可 减少碳烟等有害物质的生产，可以用柴油作为引燃剂，采用压缩天然气（CNG）为气体燃 料，实现 CNG 稀薄混合气的燃烧。这样可以降低碳烟的排放减少柴油消耗

3、的同时又可发挥 天然气储量丰富、价格低廉的优势1。1. 双燃料发动机降低碳烟的机理由于柴油机采用的混合气形成方式为缸内混合，属于质调节，柴油与空气混合过程中会 出现局部过浓，在燃烧时过浓的混合气由于高温缺氧将会形成碳烟2。碳烟生产量的多少取 决于混合气的形成速度和混合气的燃烧速率，加快混合气的形成速度和提高燃烧速率的方法 均有利于减少碳烟的生成。增大着火延迟期、提高燃烧速率都能减少碳烟生成，从着火到活 塞到达上止点这段时间产生的碳烟很少，主要是由于富氧的缘故；在随后的燃烧过程，碳烟 的产生会增加很快，正是由于这段时期缸内温度不断下降，同时随着燃烧的不断进行及活塞 对外作功的持续进行工质的压力下

4、降的同时氧的浓度不断下降，碳烟被氧化的速度不断下降 10，导致在此扩散燃烧阶段产生的碳烟增多。所以适当控制柴油机在燃烧过程中的扩散燃 烧阶段可以降低碳烟的产生。燃料的品质对于燃烧过程有着重要的影响，柴油的自燃性用十 六烷值表示，此值越高表示其自燃能力越强、其分子量大，燃料的蒸发燃烧能力较差，由于 其分子结构较为松散，在燃烧的过程中容易发生聚合和裂解，自燃性越强着火延迟期越短， 不利于混合气的均匀形成，这些因素都会促进碳烟的生产9。CNG 与柴油比较，具有的十 六烷值低、自燃能力差、蒸发性好、着火延迟期短等优点。当采用 CNG 和柴油双燃料工作 时，气态的 CNG 在进气的过程中就开始与空气进行

5、混合，当柴油作为引燃剂喷入到气缸内 时 CNG 与空气已经充分混合。这样柴油机以柴油为主要燃料的燃烧过程由扩散燃烧转变为 以 CNG 和柴油双燃料燃烧的以预混合燃烧为主的燃烧过程。这样提高了燃烧的速率，缩短1本课题得到辽宁工程技术大学机械工程学院青年教师科研人选培养计划 辽宁工程技术大学青年基金资助 项目（07-79）的资助。- 6 -了缓燃期，从而有利于控制碳烟的生成。2. 双燃料发动机燃烧特性的多区模型将气体燃料的燃烧和引燃柴油的燃烧分别进行考虑，求解双燃料发动机放热率的微分方 程式,计算双燃料发动机燃烧放热规律, 柴油引燃的双燃料发动机由柴油机改装而来,对原机 结构变动不大,具有高效率、

6、低排放的优势,其燃烧过程是引燃柴油的喷雾扩散燃烧和缸内均 质混合气的火焰传播过程共同作用的结果；应用越来越广泛,但其燃烧特性与纯柴油有很大 不同2。由于气体燃料与柴油的热力性质之间的差异,双燃料发动机的燃烧过程与柴油机存在 较大差别，所以应该建立一个描述双燃料发动机燃烧特性的多区模型。根据双燃料发动机的 燃烧特点,柴油机双区放热率计算模型的基础上，做了适当调整，增加了气体燃料区，模型 将气体燃料的燃烧和引燃柴油的燃烧分别进行考虑。假设当柴油喷入缸内时,缸内总体被分 为三个区,由于各区互相重叠,因此也可称为三个充量层,第区由柴油-空气混合物组成,其中 又分为已燃区和未燃区,第区由气体燃料-空气混

7、合物组成,也细分为已燃区和未燃区,第 区由剩余空气和残余废气组成,其中的剩余空气是指两种燃料按理论当量比计算所剩余的过 量空气,其质量也可为零,并且一旦柴油喷射结束,其值即固定。为简化起见,再作如下假设2： 引燃柴油和气体燃料均匀混合,两种燃料按等比例燃烧;柴油喷入缸内立即蒸发,两种燃料之 间无化学反应发生,均为完全燃烧;缸内气体为理想气体,各区压力相同,忽略缸内工质泄漏;已 燃区和未燃区的温度均匀,分别为 Tb 与 Tu;区域内的状态参数变化服从多变指数规律。2.1 基本能量方程b对于已燃区质量增量2： dm= dm fb+ dmgb+ dma1b+ dma 2b引燃柴油质量变化率：dm f

8、bd= m f 0(H ufma 0dQ+ H ugmgo)d气体燃料质量变化率：dmgbd= mg 0(H ufma 0dQ+ H ugmgo)d空气质量变化率为：dmab1dm fb + 2 dmgb=d d式中， 为曲轴转角；H uf 为柴油的低热值；H ug 为气体燃料的低热值；1 为柴油的当量空燃比； 2 为气体燃料的当量空燃比。2.2 缸内工质温度计算未燃区温度可有多变指数方程求得，已燃区的温度可根据理想气体状态方程求解2Tb式中，R 为气体常数。=(m fb+ mgbpVb+ ma1b+ ma 2b)Rgb2.3 各区体积的计算柴油-空气混合物区域未燃混合气体积：V1u= ma1

9、u R + m fa R f Tpu气体燃料-空气混合物区域未燃混合气体积：V2u= ma 2u R + mgu Rg Tpu剩余空气和残余废气区域混合气体积：V3 =已燃区体积为：Vb = V V3 V1u V2uma 3 Ra + mrr RgbTup联立求解上述方程,即可求出双燃料发动机的放热率和缸内工质温度等燃烧特性参数。 应用于一台天然气柴油双燃料发动机,并与传统柴油机计算模型进行了对比。新模型将缸 内分为多区,缸内温度为各区体积平均温度,这说明用双燃料模型计算所得的缸内温度更为接 近缸内实际温度。另外排放测试结果10也表明,发动机以纯柴油模式运行时,标定工况和最大 扭矩工况的 NO

10、x 排放分别为 154610-6 和 201310-6;发动机以双燃料模式运行时,标定工况和 最大扭矩工况的 NOx 排放分别为 46110-6 和 80310-6。可见发动机以双燃料模式运行时的 NOx 排放明显下降,燃用天然气的双燃料发动机由于天然气对燃烧速度的抑制作用,低负荷使 燃烧压力和温度下降,对双燃料发动机 NOx 排放的降低有着积极的意义。3. 实验装置及研究方法为了实现燃烧 CNG，对原柴油机进行改造，天然气喷射器安装在进气歧管35，采用多 点的间歇喷射。天然气调压系统工作范围为 0.20.4Mpa。原发动机为水冷、四冲程、自然 进气、直喷的 ZS1115 单缸柴油机，缸径行程

11、：115115mm，压缩比 17，标定转速：2200r/min。 实验中所用的主要仪器型号：XC174-YD-2 型烟度计、AVLCEB200 废气分析仪、CW260 型 电涡流测功机。实验装置如图 1 所示。天然气气钢瓶控制执 行器供油齿条双燃料喷射器天然气减压系CNG 质量流量计实验控制台电涡流测功机双燃料发动机三位电磁阀电子控制单五温曲轴气缸 烟气度位置压力度分传传感传感计析感器器仪器燃烧分析仪4. 实验结果及分析图 1 实验装置示意图Fig.1 Test installation schematic draw图 2 为燃用 CNG柴油双燃料和纯柴油在转速 2400r/min 时的排放物

12、的变化曲线图。350烟度 RkCH/10-633002502200150110050024681012Pe/（KW）024681012Pe/（KW）700CO/10-6600500400300200100700NOX/10-6600500400300200100024681012Pe/（KW）024681012Pe/（KW）纯柴油发动机；CNG柴油双燃料发动机；图 2 CNG柴油双燃料发动机与纯柴油主要排放物对比图Fig.2 main emission contrast chart of CNG- diesel oil double fuel engine and pure diesel oi

13、l从图中可以看出，CNG柴油双燃料发动机的碳烟排放比原柴油机的碳烟排放大大降 低，原柴油机碳烟的排放随着有效功率的增大而上升，特别是随着负荷的增大而明显上升； 双燃料发动机的碳烟排放较低且变化较平坦，随负荷变化不明显6。这主要是由于双燃料发 动机的燃烧方式以预混合燃烧为主，限制了扩散燃烧阶段碳烟的产生。双燃料发动机的 CH 及 CO 的排放高于原柴油机的排放，主要是由于天然气的燃烧不完 全所致4。柴油作为引燃剂点燃天然气，由于采用稀薄燃烧，在部分负荷及小负荷情况下容 易造成缸内的混合气局部过稀而超过了天然气的稀燃极限8，造成燃烧速度的下降，燃烧不 完全，从而 CH 及 CO 的排放有所上升。随

14、着负荷的增大，缸内天然气与空气的混合气浓度 有所上升，燃料燃烧速度加快，燃烧较为完全，CH 及 CO 的排放有所下降。原柴油机的 CH 随负荷变化不大，主要是由于过量空气系数远大于 1，燃料可充分燃烧。原柴油机的 CO 的 排放随着负荷的增加而先减小后增大，这主要是由于混合气中氧的浓度的变化和燃烧温度及 燃烧持续时间长短三者综合作用的结果。CNG柴油双燃料发动机的 NOX 的排放浓度随着有效功率的增大而增大，这主要是由 于小负荷时混合气的燃烧速度及火焰传播速度慢，即使处于富氧的状态由于缸内的工质的温 度低抑制了 NOX 的生成。随着负荷由小负荷过渡到中等负荷，缸内工质的温度上升，同时 处于富氧

15、状态，所以 NOX 排量增加。当负荷进一步增大，由于混合气中氧的浓度下降，NOX 排放下降。改装后的 CNG柴油双燃料发动机的碳烟得到了明显的控制，效果良好7，但是 CH、 CO、NOX 的排放有所上升，需要对空燃比进行控制，需要采用三元或四元催化器等进行控 制。5. 小结在多点喷射 CNG柴油双燃料发动机的基础上设计了供给系统及电子控制系统，该系 统可以优化发动机的排放性能。在结构上采用进气歧管多点喷射，本文重点对此系统燃用 CNG柴油双燃料时的排放特性进行了研究。通过试验分析了在一定转速情况下 CO、CH、NOX、碳烟四种排放物随发动机的有效功 率的变化趋势。对比了燃用纯柴油和 CNG柴油

16、双燃料时发动机的排放物的变化情况，燃用双燃料可有效地降低柴油机的碳烟排放，但 CH、CO、NOX 比原柴油机有所上升。本文从四种有害排放物的生成机理上分析了产生排放物的原因及变化的规律，试验结果与理论分 析基本一致。为了提高 CNG柴油双燃料发动机的排放性能需对喷油提前角和着火延迟期进行合理 的控制，同时为了控制三种有害气体排放物需在原柴油机加装三元或四元催化转化器。参考文献1 郭孔辉.清洁气体燃料21 世纪汽车的主要能源M.北京：中国科学技术出版社，1998. 2 汤 东,胡正权,刘胜吉 双燃料发动机放热率计算和试验分析，内燃机工程J.2007.2:3 GB147611999，汽车排放污染物

17、限制及测试方法S.4 夏渊.电控天然气/柴油双燃料发动机的研究J.车辆与动力技术.2000，80（4）：1721.5 王学合.LPG 多点连续电喷发动机及车辆的排放试验研究J.内燃机学报.2004，22（2）：97102.6 张春化.机电联合控制 LPG柴油双燃料增压发动机的研究J.内燃机学报.2002，20（4）：329334. 7 刘克铭. EGR 系统对柴油发动机排放性能的影响J.辽宁工程技术大学学报(增刊).2007 11，26 卷：1911938 姚春 德 , 刘增勇 , 高昌 卿 , 等 . 柴油引燃天 然气的 双燃料燃烧机理 的研究 J. 工程热物理学 报,2002,23(6):

18、761-763.9 孙济美.天然气和液化石油气汽车M.北京：北京理工大学出版社.1999.Research on emissions characteristic of CNG- diesel oil double fuel engineLiu keming1, Zhang qiang1, Liuxuntao21 College of mechanical Engineering ,Liaoning Technical University liaoning fuxin(123000)2 Heilongjiang Institute of Science and Technology(1500

19、27)AbstractThe CNG- diesel oil double propellant supply system may reduce engine carbon smoke emissionseffectively. It has given CO,CH, NOX, carbon smoke through the experiment along with the active power change rule, and it has analyzed the reason which from four kind of harmful emissions productio

20、n mechanisms produces. Compared through the experiment emissions has burnt under the different load the CNG- diesel oil with the pure diesel oil, it analyzed has burnt with the CNG- diesel oil double fuel falls the low-carbon smoke the reason. It use CNG- diesel oil double fuel engine emission chang

21、e rule to adjusts the operating parameter and the organization combustion process reasonably, and it applies three or four catalyzed switches on this pair of fuel engine hopes to obtain the good emissions effect.Key words: Double fuel; Diesel engine; CNG; Emissions characteristic作者简介: 刘克铭 博士生 讲师 ；研究方向为发动机的动力与排放控制；籍贯：辽宁阜新1977 汉族。