柴油_CNG双燃料发动机排放性能的试验研究

第 21 卷 (2003)第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　内 　燃 　机 　学 　报Transactions of CSICE 　　　　　　　　　　　　　Vol. 21 (2003) No. 2 文章编号 :100020909( 2003) 0220106205 212022 柴油/ CNG双燃料发动机排放性能的试验研究 Ξ 李志军1 ,付晓光1 ,吕筱萍1 ,郭永田2 ,常立家2 ,段家修1 ,许斯都1 ( 1. 天津大学 机械工程学院 ,天津 300072 ; 2 . 一汽大连柴油机厂 ,辽宁 大连 116021) 　　　　　　　　摘要 :在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 开发的 CA6113BN201 柴油/ CN G双燃料发动机的基础上 ,通过改变燃烧系统参数、柴油供油系 统参数和天然气供气系统参数等 ,研究了这些参数变化时对柴油/ CN G双燃料发动机排放特性的影响。试验 结果表明 :柴油/ CN G双燃料发动机的燃烧室形状对双燃料发动机性能、排放的影响较小。NO x 、HC 排放量 随提前角的变化趋势和柴油机相似 ,提前角增大 ,NO x排放量增加 , HC 排放量也增加 ,提前角对 CO 排放影响 较小。喷油器的开启压力提高可以有效地改善双燃料发动机的排放。 关键词 :柴油/ CN G双燃料发动机 ;排放特性 ;试验研究 中图分类号 : TK421. 5 　　　文献标识码 :A 引言 　　天然气是一种非常有前途的清洁代用燃料[1 ] 。 以柴油为引燃剂、以压缩天然气 (CN G) 为气体燃料的 双燃料发动机具有低污染、油气转换灵活方便等优点 , 该发动机以喷入缸内的少量柴油作为“引燃燃料”,天 然气作为主要燃料 ,通过混合器同空气混合进入气缸 或者被直接喷入气缸形成比较均匀的混合气 ,在活塞 接近压缩上止点时 ,被压燃的柴油点燃。然而 ,以往的 双燃料发动机研究多集中在双燃料发动机的改装和使 用经济性方面 ,对双燃料发动机的燃烧系统参数、柴油 供油系统参数和天然气供气系统参数等改变时 ,双燃 料发动机的排放特性变化研究较少。本文通过改变双 燃料发动机的燃烧系统参数、供油系统参数和天然气 供气系统参数 ,对 CA6113BN201 柴油/ CN G双燃料发 动机进行了排放性能试验 ,研究了这些参数变化时 ,柴 油/ CN G双燃料发动机排放特性的变化规律。 1 　试验装置 　　图 1 为试验系统结构示意图。 图 1 　试验系统结构示意简图 Fig. 1 　Schematic of experimental systemΞ 收稿日期 :2002210218 ;修订日期 :2002211212。 作者简介 :李志军 (1962 - ) ,男 ,副教授 ,主要研究方向为内燃机工作过程优化和排放控制技术。 　　试验所用的柴油/ CN G 双燃料发动机由一台 CA6113BZS260 柴油机改装而成 ,其主要技术规格如 表 1 所示。 表 1 　CA6113BZS260 柴油机主要技术规格 Tab. 1 　Specif ication of CA6113BZS260 diesel engine 型　号 CA6113BZS21B 型　式 立式、直列、水冷、四行程、废气涡轮增压 缸数×气缸直径×行程 6 ×113 mm ×125 mm 压缩比/ 排量 17. 5/ 7. 522 L 标定功率及转速 155 kW ,2 500 r/ min 最大转矩及转速 680 N·m , (1 400～1 600) r/ min 喷油泵 威孚高科技股份有限公司 BH6PW110 最低燃油消耗率 ≤220 g/ (kW·h) 怠速转速 ≤750 r/ min 2 　柴油/ CNG双燃料发动机排放特性试验研 究 　　在 CA6113BN201 柴油/ CN G双燃料发动机上 ,对 影响其排放特性的燃烧系统参数、柴油供油系统参数 和天然气供气系统参数等进行了发动机排放试验。试 验时按 GB 1769122001 的试验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进行 ,并按 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的 方法计算比排放量。 2 . 1 　燃烧系统参数的影响[2 ,3 ] 　　作者设计了几种不同的燃烧室形状和压缩比。一 种燃烧室形状是在原机活塞燃烧室的基础上 ,将中间 凸起消去一部分 ,在燃烧室外边坑加工一浅圆环 ,以减 小缸内涡流比和挤气面积 ,ε= 15. 5 (参见图 2) 。另一 种燃烧室形状为加大中间凹坑直径 ,中间凸起变缓、变 低 ,ε= 16. 5 ,燃烧室形状示意图参见图 3。燃烧室形 状对双燃料发动机排放特性的影响参见图 4。 图 3 　燃烧室 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 Ⅱ(ε= 16. 5) Fig. 3 　Combustion chamber , Type Ⅱ(ε= 16. 5) 图 4 　燃烧室形状对双燃料 发动机排放特性影响 Fig. 4 　Effects of combustion chamber shape on CO、HC and NOx emissions 　　从图 4 中可以看出 ,燃烧室形状的改变对双燃料 发动机排放性能的影响不大。这是由于双燃料发动机 中的燃烧不同于纯柴油的燃烧过程。纯柴油燃烧过程 为边喷油、边燃烧的过程 ,而双燃料发动机的燃烧一般 在喷油结束后开始 ,其着火滞燃期较长。双燃料发动 机的燃烧不仅与柴油机不同 ,而且与汽油机也不同。 双燃料发动机的着火较迟 ,着火时喷油已结束 ,柴油有 充分的时间雾化并与天然气和空气的混合气进行再混 合。此时 ,柴油已混合较均匀且多处已完成焰前反应 , 表现为着火点多、位置分散 ,在极短的时间内就能点燃 天然气。天然气燃烧后放出的热量又进一步促进了未 燃柴油的焰前反应和已燃柴油的进一步燃烧 ,导致双 燃料发动机的燃烧速度较快 ,因此 ,双燃料发动机的燃 ·701·2003 年 3 月 　　　　　　　　　　李志军等 :柴油/ CN G双燃料发动机排放性能的试验研究 烧室形状对其性能、排放影响较小。 　　燃烧室方案 Ⅰ是利用原产品活塞加工而成的 ,其 压缩比较低 (ε= 15. 5) ,故发动机的动力性有所降低 , NO x 排放减小 , HC、CO 变化不大 ;而燃烧室方案 Ⅱ的 压缩比近似相等 ,故发动机的动力性变化不大 , HC、 CO、NO x 的变化也较小。 　　为研究不同气门重叠角对发动机性能和排放的影 响 ,同时考虑到产品的易加工性 ,将原 CA6113BZS260 柴油机所用凸轮轴的排气配气相位由原来的下止点前 53°CA 开、上止点后 11°CA 关变为下止点前 63°CA 开、上止点后 1°CA 关进行试验 ,以研究双燃料发动机 减小气门重叠角后的性能和排放变化情况。排气凸轮 早开 10°CA、早关闭 10°CA ,进气凸轮未作改变 ,从而 使进气门、排气门的重叠角由原来的 27°CA 减小为 17°CA。试验结果如图 5 所示。 图 5 　不同气门重叠角对双燃料 发动机排放的影响 Fig. 5 　Effects of overlap angle on CO、HC and NOx emissions 　　从图 5 可以看出 :减小气门重叠角虽然有助于防 止天然气随气门叠开扫气中从排气门排出 ,然而气门 重叠角减小使 CO 排放降低不多 , HC 稍有下降 ,NO x 改变也不多。较早开启排气门将使双燃料发动机的动 力性下降 (损失膨胀功) ,排气门早闭则会增大活塞上 行的阻力。试验中仅将原柴油机的配气相位做了调 整 ,使排气门早开 10°CA、早闭 10°CA ,气门重叠角由 原来的 27°CA 变为 17°CA ,而未对进气门的气门定时 做任何调整改变 ,仅考虑了气门重叠角减小后双燃料 发动机的排放情况。 2 . 2 　柴油供油系统参数的影响[4 ] 2. 2. 1 　供油提前角的影响 　　着火时刻对双燃料发动机的排放和燃烧效率有重 要影响。双燃料发动机的着火时刻是由引燃柴油的喷 射定时结合引燃燃料本身的着火落后期确定的 ,同时 也受到空气/ 天然气混合情况和过量空气系数大小的 影响 ,因为这将影响火焰在气缸内的传播速度。原柴 油机的静态供油提前角为 8°CA ±1°CA ,由于改装的 发动机压缩比较高 ( 压缩比ε= 17. 5 ) ,尽管天然气的 辛烷值 (130)较高 ,在双燃料发动机中 ,爆震仍然是最 主要、最危险的非正常燃烧现象。为避免出现爆震、降 低 NO x 排放 ,应选用较小的供油提前角。但较小的供 油提前角又会使发动机在纯柴油工作时的性能变坏。 为研究供油提前角对发动机性能和排放的影响 ,在供 油提前角分别为 7°CA、9°CA、11. 5°CA 时分别测试了 双燃料发动机 13 工况气体排放情况 (参见图 6) 。 　　从图 6 可以看出 :NO x 、HC 排放量随供油提前角 的变化趋势和柴油机相似 ,随着提前角的增大 ,NO x排 放量增加 , HC 排放量也增加。这是因为提前喷油也 相应地使燃烧时刻提前、最高爆发压力和压力升高率 升高。缸内温度和压力的增高使 NO x 的排放增加 ,同 时发动机的工作柔顺性变差 ,爆燃倾向增加。试验中 发现在最大转矩和最大功率点由于发动机进气温度较 高 (最高达 130 ℃) 、吸进空气量有限 ,天然气有可能过 浓 ,存在着严重的爆燃现象 ,NO x 排放升高。加大引 燃柴油供应量、减少天然气供给量可避免爆震的发生。 在大负荷工况 ,爆震燃烧限制了引燃柴油的降低。较 小的供油提前角对减少爆震和降低 NO x 排放有利 ,但 过小的提前角将导致纯柴油状态下发动机功率下降 , 使燃烧质量变差。考虑到原机改为双燃料发动机后燃 烧的最高温度提高 ,产生 NO x的可能性增加 (稀燃除 外) ,爆燃倾向增大 ,为防止爆燃发生和降低 NO x 排 放 ,综合考虑双燃料发动机的经济性、动力性和排放 性 ,选择采用较小的供油提前角 (上止点前 7°CA) 。为 了更好地降低 NO x 排放和防止爆燃发生 ,提高双燃料 ·801· 内 　　燃 　　机 　　学 　　报 　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷第 2 期 图 6 　不同供油提前角排放物 CO、HC、NOx 比较 Fig. 6 　Effects of fuel supply angle on CO、HC and NOx emissions n = 1 400 r/ min 发动机的工作可靠性 ,建议除采用较小的供油提前角 外 ,发动机应采用增压中冷技术。 2. 2. 2 　喷油器开启压力的影响 　　由于减小了发动机的喷油量 (原柴油机最大转矩 工况供油量减小 50 %左右) ,双燃料发动机的引燃柴 油雾化情况发生了变化。作者对双燃料发动机在不同 喷油器开启压力 (25 MPa、28. 5 MPa)下的性能和排放 情况进行了研究。结果如图 7 所示。 　　从图 7 的试验结果可以看出 :喷油器开启压力为 28. 5 MPa 时 ,其 CO、NO x 、HC 的排放比开启压力为 25 MPa 时的低 ,即提高喷油器的开启压力可以有效地 改善双燃料发动机的排放。其原因在于 :一方面 ,开启 压力的提高使喷油始点迟后 ,缸内温度提高 ,有利于引 图 7 　不同喷油器开启压力下 CO、NOx 、HC排放比较 Fig. 7 　Effects of needle opening pressure on CO、 HC and NOx emissions n = 2 500 r/ min 燃柴油的雾化 ,使引燃柴油的油滴直径变得更小、雾化 更好 ;另一方面 ,喷油持续期的缩短使后期天然气的燃 烧更加迅速和完全。表 2 给出了喷油器开启压力为 25 MPa、28. 5 MPa 时实测的双燃料发动机十三工况 排放值。 表 2 　不同喷油器开启压力下双燃料 发动机十三工况排放值 Tab12 　Exhaust emission of dual fuel engine on different needle opening pressure 排放物 28. 5 MPa 25 MPa CO/ g·(kW·h) - 1 3. 54 4. 41 THC/ g·(kW·h) - 1 7. 37 8. 29 NO x/ g·(kW·h) - 1 7. 98 8. 23 ·901·2003 年 3 月 　　　　　　　　　　李志军等 :柴油/ CN G双燃料发动机排放性能的试验研究 2 . 3 　天然气供气系统 　　天然气供气系统通过调节压力调节器中高压、平 衡和进气量孔尺寸使柴油/ CN G双燃料发动机的供气 特性与原柴油机特性匹配 ,使发动机的动力性能和排 放特性最佳。 3 　结 　论 　　(1) 　在所研究的柴油/ CN G双燃料发动机中 ,燃 烧室形状的改变对其排放特性的影响不大。 　　(2) 　NO x 、HC 排放量随引燃柴油提前角的变化 趋势和柴油机相似 ,随着提前角的增大 ,NO x 的排放 量增加 ,HC 排放量也增加。引燃柴油提前角的变化 对 CO 排放量影响较小。 　　(3) 　提高喷油器的开启压力可以有效地改善双 燃料发动机的排放。 参考文献 : [1 ] 　Hundleby G E. Emissions Low Approaches for Heavy2Duty Gas2Powered urban Vehicles[ C] . SAE Paper 892134 ,1989. [2 ] 　Jin Kusaka , Takashi Okamoto , Yasuhiro Daisho ,et al. Com2 bustion and Exhaust Gas Emission Characteristics of a Diesel Engine Dual2Fueled with Natural Gas [J ] . J SAE Review , 2000 ,21 :489～496. [3 ] 　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. [ 4 ] 　Daisho Y , Takahashi K. Controlling Combustion and Ex2 haust Emissions in a Direct2Injection Diesel Engine Dual2 Fueled with Natural Gas[ C] . SAE Paper 952436 ,1995. Experimental Study on Emission Characteristics of a Diesel/ CNG Dual Fuel Engine L I Zhi2jun1 , FU Xiao2guang1 , LüXiao2ping1 , GUO Yong2tian2 , CHANG Li2jia2 , D UAN Jia2xiu1 , XU Si2du1 (1. School of Mechanical Engineering , Tianjin University , Tianjin 300072 ,China ; 2. China First Automobile Group Dalian Diesel Engine Works ,Dalian 116021 ,China) Abstract : The emission characteristics of the modified CA6113BN201 diesel/ CN G dual fuel engine were investigated through changing the parameters of combustion system , diesel fuel supply system and natural gas supply system. The experiment results show that the change of combustion chamber shape has slight influence on the emission char2 acteristics of the dual fuel engine. NO x and HC emissions increase with the advance of diesel fuel injection timing , which is similar to that of diesel engine , whereas the CO emission shows less sensitive to fuel supply angle. Increase in needle opening pressure can reduce the emission characteristics of dual fuel engine. Keywords : Diesel / CN G dual fuel engine ; Emission characteristics ; Experimental research ·011· 内 　　燃 　　机 　　学 　　报 　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷第 2 期