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柴油-天然气双燃料发动机工作特性分析 |
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作者：左承基 欧阳明高 刘峥 |
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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，被天然气所替代的柴油量md与原纯柴油工作方式的总柴油量mt之比，即
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
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
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时热消耗率对比
燃烧过程比较与分析
为了深入了解双燃料发动机的燃烧特点，对两种发动机在相同外特性工况点的燃烧过程进行了比较。图8和图9给出了在1800r/min和2800r/min时的燃烧放热率。
图8 1800r/min时燃烧放热率比较
图9 2800r/min时燃烧放热率比较
与柴油机不同，双燃料发动机燃烧放热率基本上是较为丰满的单峰形式，这是由于双燃料发动机引燃柴油压燃着火和均质混合气燃烧的特性所造成的。因引燃柴油少，放热始点略为推迟（供油提前角相同），前期放热峰值明显降低。所以，最大压力升高率明显比柴油机降低。从放热曲线形状上看，双燃料发动机中、后期的放热率大。说明它的中后期燃烧速度高使热效率提高。此外，双燃料发动机的燃烧过程没有振荡燃烧的迹象，而柴油机的振荡燃烧迹象较为明显。
图10和图11是燃烧质量百分比的比较。在1800r/min时，双燃料发动机的主燃烧期为17℃A（原机为23℃A），燃烧非常迅速；而在2800r/min时，主燃烧期为29℃A（原机为22℃A）。说明燃烧快慢主要由火焰传播速度决定，转速越低，燃烧越快。
图10 1800r/min时燃烧质量百分比
图11 2800r/min时燃烧质量百分比
因此，利用柴油机的高压缩比，柴油-天然气发动机以少量引燃柴油着火、均质混合气燃烧，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。
(end)
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(6/10/2004) |
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