预喷柴油品质对双燃料发动机火延时的影响

预喷柴油品质对双燃料发动机火延时的影响 摘要 本文试验研究了改变预喷柴油中的十六烷值增进剂对双燃料发动机的着火延迟期的影响。试验在一定的发动机负荷下运用了不同比例的工业纯甲烷、丙烷和带有碳和氮的氧化物的低热值汽油。着火延时随着汽油的增加而变化，对预喷燃油的品质和数量都很敏感。研究明，高的十六烷值燃油的预喷量应该较少。使用丙烷和低热值汽油的发动机相比只运用一般柴油的双燃料发动机要好。 介绍 双燃料发动机是一个使用气体燃料燃烧的柴油机，喷射液体燃料来引燃。这种系统通常是在保证发动机性能的条件下，使用气体燃料及其混合物替代柴油的使用。但是将柴油机改成双燃料系统还有一些问需要解决。在小负荷下，相比传统的柴油机工作情况，双燃料发动机燃料利用率很低，效率下降，并带来很大的排放。另外，在小负荷下很多参数都偏大，如最高气缸压力，扭矩和着火延时，这些都会减小双燃料发动机的最佳工作范围。这种问题的原因在于燃料稀薄，火焰传播特性太差，以及预喷的多点点火。 很多研究都致力于改善双燃料发动的低负荷特性。Burn和Karim【1980】，Karim和Amoozegar【1982】和Karim等【1989】研究了在一定范围内不同的气体燃料与空气混合时，进气温度，氧气浓度和预喷优良以及其喷射特性对点火延迟期的影响。研究表明，增压温度和压力的变化来自于压气机的不同物理特性，提前点火能量释放，外部热量传递和残余废气都是控制低负荷点火延迟的主要因素， 最近研究表明，通过试验研究十六烷值和预喷油量的变化对对双燃料发动机工作过程以及点燃特性的影响，特别是在低负荷工况下。特殊兴趣是从压力时间图中分析点火延时情况。 这研究的主要目的是是否使用高十六烷值的液体燃料进行预喷射，对于汽油燃料，特别是天然气，小的预喷油量效率更高。此外，当双燃料发动机使用丙烷和低热值混合器工作时，点火延时较甲烷长，在低负荷下工作能够改善【Liu和Karim，1998】。一般柴油的十六烷值标志着柴油的自燃性能因地域不同而又较大差异。高十六烷值的燃油价格更高，未来可能很容易得到。相应地，如果搞十六烷值的燃油被用于双燃料发动机的预喷，发动机工作过程的本质改进需要考虑预喷油量了。 试验 测试发动机使用单缸，水冷，中间直喷，自然吸气，两气门，四冲程柴油机，缸径108mm，冲程152mm，碗型活塞，压缩比14.2。汽油在进气管道单点喷射，在被压缩前就均匀混合。发动机与电力测功机相连接。使用四种不同的柴油，十六烷值分别为:41.5,46.5,53和58。此外，还使用了一些双燃料测试，十六烷值有高于58的，也有地域41.5的，这些可以通过对十六烷值为58和41.5的柴油加入添加剂。使用不同预喷量的甲烷、丙烷和低热燃料，这 种地热燃料主要由甲烷和氮和碳的氧化物组成。点火延时期由压力时间图监测，压力时间图由水冷压力传感器测出。喷射正时由电感传感器建立。在试验过程中，喷射正时保持一致，发动机转速稳定在1000rpm，保持进气一致。 试验结论和讨论 在压燃发动机中，着火延时的变化对接下来的燃烧过程有着深远的影响，随之影响着发动机的性能。当喷油正时相同时，缸内压力-时间曲线测得的着火时的曲轴转角用来表征着火延迟。如图1所示，柴油机中着火延迟随着柴油喷射量增加而缩短，液态燃油喷射量在一定值后效果不明显。对于柴油工作的发动机用于双燃料同样的预喷油量通常在部分区域可以产生更大的功率(如:对于测试发动机在Φ=0.12以下)。点火延迟值都增加，开始受制于循环的变化。通过每循环多喷液体燃料，点火延迟缩短，当循环变化几乎不起作用时趋近于恒定值。和预想一样，从定义上说，点火延迟随着十六烷值的增加而缩短。四种不同十六烷值的柴油燃料均测试过，在一定的当量比(基于预喷和气体燃料计算得出的)范围内，随着十六烷值的增加，点火延迟几乎相同地缩短。输出功率和排温的变化却很小，Belardini等人【1993】试验研究过柴油发动机使用不同的十六烷值液体燃料。 图1 柴油机燃烧当量比和点火时刻的关系(1000rpm，相同喷油时刻) 对应的双燃料发动机使用CN41.5柴油引燃不同的预喷油量 图2 双燃料发动机在1000rpm使用不同的预喷油量对排温的关系 双燃料发动机使用的工业甲烷通常含甲烷浓度为96%，其它大部分为乙烷。不同的CN41.5柴油预喷油量首先被采用。从图1中可以看出，对于固定预喷油量和喷射时间，在双燃料模式工作，当气体燃料的喷射量增加，当量比增加，点火延迟显著增加到最大值。这种延迟随着气体燃料的不断增加稍后会缩短。延迟周期的这种变化主要取决于使用了预喷油量，如图1所示。大的预喷油量使得延时变化小，而小的预喷量使得延迟变化范围增大。继续减少预喷油量，点火延迟期明显增加甚至不能回到小预喷量的延迟程度。对应的排温的变化如图2所示，对于稀混合气，大的喷射量带来高排温。 图3 双燃料模式下点火时刻与当量比的关系(1000rpm) 添加丙烷和甲烷的不同十六烷值柴油比较 气体燃料的类型同样决定着火延时。如图3所示，使用丙烷作为燃料比在同样条件下使用甲烷的着火延迟期长很多。对于工业用纯丙烷燃烧，这种延迟的主要是由于丙烷的有效比热值比较低，这导致平均进气温度和压力降低，降低了着火时的活性，影响着燃烧后期的放热率【Liu和Karim，1998】。 图4 使用不同十六烷值燃油和不同预喷油量 以及甲烷和氮气混合物的双燃料发动机点火时刻和当量比的关系 同样地，使用低热值的气体燃料，这种气体燃料由63%体积的甲烷和37%体积的氮气混合而成，即为50%质量的甲烷，这种混合物模拟气体燃料被稀释，结果点火延迟增加与氮气浓度有关(如图4所示)。点火延迟的增加是进气的氧气分压降低的表现，伴随而来的是反应活性降低和燃烧的有效温度水平改变。运用二氧化碳代替氮气形成相似的混合气体，如图5,8,6所示，由于平均温度和压力更低造成着火延迟更大。 图5 双燃料工作模式在1000rpm当量比和着火点的关系 不同十六烷值燃料和CH4-CO2混合物(CH4的质量份数50%) 图6 当量比与着火时刻的关系 使用不同浓度的二氧化碳和甲烷燃烧，带有0.20g/h的58CN柴油预喷 发动机使用甲烷燃烧时，降低预喷燃料的十六烷值，着火延迟缩短很显著，保持着气体燃料增加的特性，如图7所示。但是用纯甲烷作为燃料时，预喷燃料的增加到一定的时候对着火延迟不敏感，如图8所示。 图7 使用甲烷的双燃料模式着火时刻和当量比的关系 使用不同十六烷值的0.20kg/h柴油作为预喷 图8 双燃料模式甲烷燃烧不同当量比喻着火时刻的关系 使用不同十六烷值的柴油作为预喷(1000rpm，0.40kg/h) 然而如图9所示，使用相当小的预喷量(当量比约为0.065)和比较大的十六烷值的燃料对着火延迟又很大的改善，压力增高比降低，改善低负荷燃烧，使工作平稳。事实上，如图9所示，使用CN41.5的柴油着火延迟较大，会造成循环震动。 图9 双燃料甲烷燃烧模式不同当量比与着火时刻的关系 使用不同的十六烷值的燃料作为预喷(1000rpm，0.02kg/h) 着火延迟的时间长度不仅与喷射雾化和周围的气体燃料的化学反应特性有关，而且与预喷燃油，雾化，蒸发以及混合气的特性有关系。对于比重比较大的燃料，粘性也比较大，燃料的物理张度对着火延迟起到决定性作用【Henein和Akasaka，1987】.这就是十六烷值相当于53的精制柴油相对于工业柴油性质差的原因。实验还表明，低当量比的柴油预喷油量少，不能满足发动机的燃烧，着火延迟严重，使得发动机负荷不稳定，转速波动大。 从图3中可以看出，使用相对较高的十六烷值作为预喷燃料在低负荷下可以有效的缩短着火延迟。同样地，高十六烷值预喷改善氮气(二氧化碳)甲烷混合燃料的双燃料模式燃烧。即使很小的预喷油量也能满足。 结论 , 使用气体燃料燃烧的双燃料发动机，着火延迟很大程度上由预喷燃料的数量和品质决 定; , 双燃料模式下的发动机，高十六烷值的柴油的优秀的自燃特性不会受到气体燃料的影 响; , 使用高十六烷值的预喷燃料可以改善双燃料发动机工作性能。使用这种预喷燃料可以减 少预喷油量，改善使用丙烷和低热值气体燃料的燃烧，相比十六烷值较低的一般柴油。 ACKNOWLEDGEMENTS The financial assistance of the Canadian Natural Science and Engineering Research Council ( N. S. E. R. C.) and Alternative Fuel Systems Intl. ( A. F. S. ) is gratefully acknowledged. The contribution of Imperial Oil Co. , Dr. Ming Zheng and Mr. Ka Wai Leung is also acknowledged. REFERENCES 1. Belardini, P., Bertoli, C., Del Giacomo, N. and Iorio, B., "Soot Formation and Oxidation in a DI Diesel Engine: A Comparison Between Measurements and Three Dimensional Computations", SAE Trans. 932658, Vol. 102, Sect. 3, 1993 2. Burn, K. S. and Karim, G. A., "The Combustion of Gaseous Fuels in Dual Fuel Engines of the Compression Ignition Type with Particular Reference to Cold Intake Temperature Conditions", SAE 800263,1980 3. Henein, N. A. and Akasaka, Y., "Effect of Physical Properties and Composition of Fuels on Autoignition and Cetane Rating", SAE 871617, 1987 4. Karim, G. A. and Amoozegar, N., "Examination of the Performance of a Dual Fuel Engine with Particular Reference to the Presence of Some Inert Diluents in the Engine Intake Charge", SAE 821222, 1982 5. Karim, G. A., Jones, W. and Raine, R. R. "An Examination of the Ignition Delay Period in Dual Fuel Engines", SAE 892140,1989 6. Karim, G. A., "An Examination of Some Measures for Improving the Performance of Gas Fuelled Diesel Engines at Light Load", SAE Trans., Vol. 100, PP (888-902), 1991 7. Liu, Z. and Karim, G. A., "The Ignition Delay in Dual Fuel Engines", SAE 950466, 1995 8. Nielsen, O. B., Qvale, B. and Sorenson, S., "Ignition Delay in the Dual Fuel Engine", SAE Trans. 870589, Vol. 96., Sect. 5, 1987 9. Turner, S. H. and Weaver, C. S., "Dual-Fuel Natural Gas/ Diesel Engines: Technology, Performance and Emissions", Gas Research Institute, Topical Report No. 94/0094, Nov. 1994