预喷正时对柴油燃烧天然气发动机燃烧性能的影响

预喷正时对柴油燃烧天然气发动机燃烧性能的影响

由于丰富的储量、价格低廉、燃烧清洁，天然气被认为是一种具有发展前景的可替代燃料。它的燃烧可以同时减少和生成氮和氧气，以解决柴油流失的问题。引燃柴油单次喷射，柴油喷射正时的提前(10°～30°CABTDC)能够有效提高DF发动机在中、低负荷时的热效率，降低HC和CO排放，但是NO由于引燃柴油单次喷射策略改善DF发动机性能存在局限性，国内外学者研究不同的引燃柴油喷射策略对DF发动机燃烧和排放的影响．Yousefi等引燃柴油两次喷射是一种优化DF发动机中、低负荷时燃烧和排放特性的有效方法，但是预喷柴油喷射参数对燃烧和排放的影响规律及优化预喷柴油喷射参数方法的研究较少．因此，笔者探究预喷柴油喷射参数对DF发动机在中、低负荷时燃烧和排放特性的影响．通过分析在不同预喷正时、预喷油量下的发动机的燃烧和排放特性，为优化预喷柴油喷射策略和改善发动机燃烧和排放特性提供指导．1试验台架和试验方案试验在一台由直列6缸、四冲程高压共轨柴油机改装而成的DF发动机上开展，发动机主要技术参数见表1，试验台架示意如图1所示．柴油机共轨燃油喷射系统最小喷油量为2mg/cyc，最大柴油喷射压力为160MPa，柴油ECU和天然气ECU分别控制柴油和天然气的驱动喷射.天然气喷射阀将天然气喷入装在进气总管的混合器.AMAi60R1DI排放分析仪用来测量废气中NO2soi2为主喷正时所对应的轴系角为了更好地理解预喷和主喷柴油对燃烧过程的影响，以ID式中：SOI1为预喷正时所对应的曲轴转角；SOI2为主喷正时所对应的曲轴转角；CA5为着火相位所对应的曲轴转角．BTE为发动机有效输出功率与燃料燃烧放热量的比，计算公式为式中：P循环变动系数(COV)是评价DF发动机燃烧稳定性的重要参数．以缸内平均有效压力作为计算COV的依据，计算公式为式中：σ2.1燃烧性能2.1.1预喷正时对df发动机燃烧特性的影响图2为不同预喷正时DF发动机缸内压力曲线．当预喷正时位于15°～30°CABTDC时，提前预喷正时放热率曲线呈现双峰，第一放热率峰值不断降低，第二放热率峰值不断升高，着火和燃烧相位提前并接近上止点，缸内峰值压力升高，最高压力升高率不断降低，当预喷正时位于33°～60°CABTDC时，随着预喷正时的提前，放热率曲线呈现单峰，同时放热率峰值先增大后减小，着火和燃烧相位不断推迟并远离上止点，缸内峰值压力先维持不变后逐渐降低，最高压力升高率先升高后降低．DF发动机燃烧过程分为柴油的着火延迟期、预混柴油的燃烧并点燃周围天然气混合气、可燃混合气的预混燃烧和后燃从图2b可以看出，随着预喷正时的提前，ID随着预喷正时的提前(15°～30°CABTDC)，一方面ID2.1.2预喷柴油对全尾砂流量的影响图3为预喷油量对DF发动机燃烧特性影响的试验结果．预喷油量在3～5mg/cyc时缸内放热率曲线呈现双峰，第一峰值放热率随着预喷油量的增大而减小，第二放热率峰值不断增大，当预喷油量进一步增大至7mg/cyc，放热率曲线呈现单峰，且峰值放热率随着预喷油量的增加而增大；CA5和CA50随着预喷油量的增大不断提前，缸内峰值压力不断升高，最高压力升高率先降低后增大．在较早的预喷柴油喷射策略下，着火相位的控制主要是由主喷柴油喷射所控制，预喷柴油虽然不直接影响着火相位，但是它影响着缸内混合气在压缩行程中温度升高的快慢，进而影响着主喷柴油的着火延迟期，导致着火相位的变化．正如图3b和图3c所示，随着预喷油量的增大，ID预喷油量的增多(3～4mg/cyc)使得IDmain减小，起引燃作用的柴油/空气预混合气减少，预混柴油燃烧为主导第一放热率和最高压力升高率减小．更多的预喷柴油分布在天然气/空气的混合气中，混合气活性提高，加快了混合气中燃烧产物和活化基的生成，天然气混合气燃烧速率提高，因而以天然气预混合燃烧为主导的第二放热率升高．预喷油量的进一步增加至5～7mg/cyc，混合气的温度和活性达到一定程度，柴油的预混合燃烧和天然气的多点预混燃烧时序性减弱，放热率曲线呈现单峰特征，且峰值放热率以天然气的多点预混燃烧为主导，由于更多的着火源分布在天然气混合气中，天然气的引燃面积进一步增大，燃烧速率加快，因此，缸内最高压力升高率和峰值放热率增大．2.2排水功能预喷正时对NO预喷油量对NO2.3不同预喷柴油对df发动机tbe、cov的影响DF发动机中、低负荷BTE低和燃烧稳定性差的原因是：中、低负荷下由微量引燃柴油所触发的湍流火焰无法向处于柴油着火核心区域以外的稀薄混合气区域传播，缸内混合气燃烧速率慢，增大了天然气混合气的不完全燃烧的几率，甚至有失火现象的发生预喷柴油的释放可以使更多的柴油分布在天然气混合气中，预喷正时从15°CABTDC向54°CABTDC提前，预喷柴油与天然气/空气混合时间更加充裕，因而提高了可燃混合气的活性，促进了混合气中燃烧产物和活化基的生成，主燃料燃烧稳定性和利用率提高，发动机BTE提高、COV图8为不同预喷油量对CA5和CA50波动的影响．预喷油量对DF发动机BTE和COV的影响如图9所示，预喷柴油从3～7mg/cyc变化时，发动机BTE从36.8%升高到39.8%,COV早预喷柴油喷射策略下，微量的预喷柴油能够改善主燃料燃烧相位的不稳定性，BTE提高、COV3提高主燃料利用率和燃烧稳定性(1)较早的预喷正时(15°～54°CABTDC)能够在降低缸内最高压力升高率的同时促进主燃料的稳定燃烧，为预喷柴油与天然气混合气的充分混合提供了足够的时间，主燃料利用率和燃烧的稳定性得到提高；与单次喷射相比，发动机的BTE从36.8%提高到39.7