柴油-天然气双燃料发动机工作特性分析.doc

柴油-天然气双燃料发动机工作特性分析
合肥工业大学汽车学院   左承基
清华大学汽车工程系   欧阳明高刘峥
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。G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,G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
(1)
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
(2)
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
(3)
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。

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