高压共轨双燃料发动机燃烧循环变动试验研究

任立童　王洪荣　张衡　邓鹏毅

摘 要：对双燃料发动机在不同掺烧控制系数下的燃烧变动进行了试验研究。在中等负荷和大负荷下分别调整不同掺烧控制系数改变燃烧特性，对燃料发动机的缸压进行了测量，对比分析了双燃料与纯柴油模式下最大缸压值、IMEPn、燃烧起始角及燃烧持续期、放热率等燃烧性能循环变动的影响。测试数据的分析表明，中等负荷时需要优化选择掺烧的天然气量，以保证发动机性能的稳定；大负荷时可选择较大天然气掺烧量以提高燃油经济性。

关键词：共轨柴油机；双燃料；掺烧控制系数；燃烧性能；循环变动率

中图分类号：U464.173文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.09

Abstract：The paper experimentally studied the combustion cyclic variations of a diesel /CNG dual-fuel engine with different blending control coefficients. Under the medium-loading and high loading conditions， different blending control coefficients were respectively adjusted to change the combustion characteristics of the fuel engine. Meanwhile， the cylinder pressure was measured in dual-fuel mode and in pure diesel mode to analyze the influence of the combustion cyclic variations， including the maximum cylinder pressure， IMEPn， the combustion starting angle， the duration of combustion and the heat release rate etc. Test results show that for medium-loading conditions， the amount of blended natural gas needs to be optimized in order to ensure the stability of engine performance； and for high loading conditions， a larger amount of gas mixture can be used to improve fuel economy.

Key words：common rail diesel engine；dual-fuel； blending control coefficient； combustion characte-ristic；coefficient of variation

随着社会经济的发展，环境污染越来越严重，对石油资源的消耗也越来巨大。而我国天然气资源非常丰富，如何有效利用天然气已成为相关学者研究的热点。柴油机因其良好的动力性和经济性，在我国作为汽车和工程机械的动力被广泛应用，柴油机的氮氧化物和碳烟排放比较严重，对生活环境及人体健康危害很大。天然气成分以CH4为主，具有热值高、抗爆性好和着火温度高的特点。而压缩天然气（Compressed Natural Gas，CNG）在发动机进气管内与空气混合时同为气态，与柴油机相比，燃料混合更均匀，燃烧也更完全，因此，天然气发动机可以明显降低有害物质的排放[1]。

采用柴油/天然气双燃料发动机技术，对原柴油机结构改动少、见效快、费用低，发动机动力性、可靠性方面几乎与原机相当，经济性比原柴油机好，还可以大幅降低碳烟颗粒等排放物，节能环保。双燃料发动机已得到了广泛关注[2-6]。

双燃料发动机的燃烧方式比较复杂，由少量柴油压燃后点燃天然气混合气，不同掺烧参数下的燃烧过程稳定性的影响也不同[7-8]。本文试验中采用自主开发的双燃料控制系统，研究了不同掺烧控制系数对双燃料发动机的最大燃烧压力值、燃烧起始角、燃烧持续期、放热率等燃烧性能变动的影响。

1 双燃料发动机控制原理

在原机高压共轨燃油系统不改变的前提下，加装天然气燃料供给系统和双燃料控制系统，进行减油、喷气控制，实现天然气与柴油的混合燃烧。自主开发的发动机控制系统同时具有纯柴油和双燃料掺烧两种工作模式，可以通过硬件选择开关或者软件条件判断选用纯柴油模式工作还是双燃料掺烧模式工作。纯柴油模式下，仅以柴油为燃料，由纯柴油控制模块控制原机燃油系统工作；在掺烧模式下，纯柴油模块和燃气控制模块协同控制同时燃用柴油与天然气两种燃料，由发动机压缩柴油着火，再引燃喷入汽缸的天然气，在保证动力性能基本不变的前提下，减小柴油喷射量，增加燃气喷射量，以实现期望的替代率要求。

高压共轨系统的轨压是闭环控制的，轨压跟随纯柴油控制模块内部轨压设定值而变化。掺烧模式时，纯柴油控制模块采集到的轨压值是由燃气控制模块输出的模拟轨压而非真实轨压。模拟轨压基于实时真实轨压生成，反映真实轨压变化情况，但是与真实轨压之间存在差异，通常模拟轨压比真实轨压大。模拟轨压与真实轨压之间的具体关系由采用的算法确定。当纯柴油控制模块检测到轨压（模拟轨压）大于轨压设定值时，将做出降低轨压的调整，这将使真实轨压下降。当纯柴油控制模块检测到的轨压（模拟轨压）接近轨压设定值时，实际上真实轨压已经小于此时纯柴油控制模块内部的轨压设定值，这将使实际的喷油量小于设定喷油量，达到减小柴油喷射量的目的。燃气控制模块则根据减掉的柴油量计算出需要的天然气量并进行燃气供给控制。基于此控制原理，控制系统中引入掺烧控制系数的概念。调节掺烧控制系数以调节模拟轨压和实际轨压的差值，进而调节掺烧的天然气量。掺烧控制系数值大，引燃的柴油量就少，掺烧的天然气量就大，其对应关系如图1所示。

2 双燃料发动机准备及测试方案

以2.5 L四缸高压共轨柴油机为原机，原机燃料供给系统不变，加装天然气气瓶、减压阀、过滤器、喷气控制阀等燃气系统，采用纯柴油控制系统和燃气控制系统协同控制，通过开关选择纯柴油工作模式或双燃料工作模式。发动机原机主要技术参数见表1。

试验测试系统简图如图2所示。选取2 000 r/min下51%负荷和100%负荷两个工况，供油提前角、油门开度等条件不变，仅调节不同掺烧控制系数，以调节燃气的掺烧量。测试过程中分别记录100个燃烧循环值，得出最大缸压值、指示平均有效压力、燃烧起始角、燃烧持续期、I50放热率角度和放热率等燃烧参数值的变动情况，与纯柴油模式下的燃烧参数值进行对比分析。

双燃料发动机掺烧控制系数对燃烧循环变动

影响的分析

通常，最大缸压值的变动能够很好地表示燃烧接近终了时刻的变动状况，而指示平均有效压力的变动和转矩的变动有直接的关系，燃烧持续期、放热重心角度等参数可以寻找燃烧变动的原因。因此，我们将从这几个方面研究不同掺烧控制系数对它们的影响。

燃烧循环变动通常用循环变动率（Coefficient of Variation，COV）表示：

其结果的大小可以直观地反映该项性能在循环过程中的稳定程度。

3.1 对最大缸压值循环变动的影响

51%负荷时缸压最大值的波动曲线如图3所示。从图中可以看出，随着掺烧控制系数的增加，最大缸压值波动呈增大趋势，在1.2、1.4、1.6掺烧控制系数下，其波动幅度和纯柴油机模式（掺烧控制系数为1.0时）下相当，此时由于天然气量少，部分混合气和引燃柴油的量充分混合，燃烧速率较快，能够快速点燃未燃混合气，燃烧过程相对平稳。而继续增大掺烧控制系数，其最大缸压值的波动幅度也超过纯柴油模式的幅度，这是由于天然气量增加较多，混合气含氧量低，火焰传播速度降低，后燃增加，此时的燃烧很不稳定。

100%负荷时的最大缸压值波动曲线如图4所示，掺烧后的最大缸压值的波动幅度均超过了纯柴油模式下的波动幅度，燃烧稳定性比纯柴油模式下要差。

3.2 对指示平均有效压力循环变动的影响

51%负荷时的指示平均有效压力（IMEPn）的波动曲线如图5所示。从图中可以看出，掺烧控制系数越大，IMEPn值也呈现出波动幅度增大趋势。同样，在1.2、1.4、1.6掺烧控制系数下的波动幅度和纯柴油模式相差不大，转矩波动不大，但在1.8、2.0掺烧控制系数下的波动幅度明显超过了纯柴油模式，转矩波动较大。

图6显示了100%负荷时不同掺烧控制系数的IMEPn波动幅度和纯柴油模式下波动幅度相差不大，说明掺烧后的转矩波动和纯柴油模式下的转矩波动相近。

3.3 主要燃烧角度的影响

对于柴油机来讲，一般以放热零点定义为燃烧始点。计算出100个燃烧循环各主要燃烧角度的平均值，对比分析不同掺烧控制参数对燃烧角度的影响。如图7所示，51%负荷时的燃烧起始角度随着掺烧控制系数的增加而减小（靠近上止点），这是因为双燃料模式时，天然气和空气混合进入气缸，因氧含量减少，引燃柴油的自燃时间增长引起的。燃烧持续期随着掺烧控制系数的增加而延迟长，I50放热率的角度也增大，说明燃烧重心后移，燃烧速度放缓。

如图8所示，在100%负荷时，随着掺烧控制系数的增加，燃烧起始角逐渐靠近上止点，I50放热率的角度逐渐减少，但其值差值变化不大；燃烧持续期有先长后短的趋势，燃烧重心稍微提前。

3.4 对放热率的影响

由图9可知，在51%负荷时，掺烧后的放热率峰值明显比纯柴油模式下低。随着掺烧控制系数的增加，由于燃烧持续期变长，放热重心后移，放热率峰值变小，而在掺烧控制系数为2.0时的放热率比1.8时放热率要大些。结合前面的分析结果，掺烧控制系数为2.0时最大缸压值和转矩波动幅值非常大，燃烧起始角减小，燃烧持续期长，后燃增加，燃烧极其不稳定。

100%负荷时，如图10所示的放热率曲线，掺烧后发动机的放热率峰值相当，均比纯柴油模式稍微高些。掺烧前后放热比较集中，燃烧速度较快，由于燃烧重心角度变小，放热点峰值有些前移。

3.5 主要参数的循环变动率比较

在51%负荷时掺烧控制系数和最大缸压值、IMEPn及I50放热率角度的循环变动率的关系如图11所示。综合前面的分析，随着掺烧控制系数的增加，由于混合气氧浓度逐渐降低、变稀，燃烧持续期变长，燃烧过程减慢，燃烧重心波动明显增大，燃烧不完全，且燃烧过程恶劣，后燃现象增加，转矩波动明显变大，发动机动力性和经济性降低。因此，在部分负荷时，需要选取最佳天然气掺烧量，以保证发动机燃烧平稳，减小转矩波动。

100%负荷时的掺烧控制系数和最大缸压值、IMEPn及I50放热率角度循环变动率的关系如图12所示。综合以上分析，随着掺烧控制系数的增加，I50放热率角度的波动率和燃烧终了最大缸压值的变动率呈增大趋势，IMEPn的变动率变化不大，掺烧前后输出的转矩波动不大。所以，在大负荷时选取较大的天然气替代率，也可以获得稳定的发动机转矩输出，提高发动机经济性。

4 结论

（1） 中等负荷时掺烧控制系数（燃气替代率）不大的情况下，燃烧较为稳定，最大缸压值波动较小，IMEPn比较稳定，但掺烧控制系数继续增大时，最大缸压值波动变大，转矩输出波动越大。随着掺烧控制系数的增大，燃烧放热率降低，燃烧持续期变长，燃烧重心的角度也变大，因此中等负荷时不需要太大的燃料替代率，以保证发动机动力的稳定性。

（2）大负荷时掺烧控制系数变大，最大缸压值的变动率增大量不大，转矩输出、燃烧持续期和纯柴油模式下相当，放热率峰值比纯柴油模式稍大，因此大负荷时可以选用较大的燃料替代率，以明显提高发动机的经济性。

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