双燃料发动机技术浅析

双燃料发动机技术浅析

发表时间：2018-08-09T15:52:39.380Z 来源：《科技中国》2018年7期作者：王健[导读] 摘要：对柴油／天然气双燃料发动机的基本燃烧过程及工作特点：换气短路损失，高压缩比，小负荷工作等作了介绍，并对双燃料发动机的两种典型结构预燃室双燃料发动机、直喷式双燃料发动机以及双燃料发动机未来主要的发展趋势作了阐述。

摘要：对柴油／天然气双燃料发动机的基本燃烧过程及工作特点：换气短路损失，高压缩比，小负荷工作等作了介绍，并对双燃料发动机的两种典型结构预燃室双燃料发动机、直喷式双燃料发动机以及双燃料发动机未来主要的发展趋势作了阐述。

关键词：发动机；天然气；柴油

引言

随着石油资源的逐渐紧缺，寻找发动机替代能源成为各国政府和相关研究机构共同关注的问题。天然气(NG)的主要成份是CH。，它是一种清洁燃料。和石油资源相比，中国拥有比较丰富的天然气资源，从能源供应结构出发，中国政府首先鼓励和支持天然气汽车的发展。双燃料发动机(一般指柴油／天然气发动机)，以天然气为主要燃料，可以克服柴油机NO 和PM高排放的缺点，使发动机在整个工作过程中几乎可以无烟运行，并且与中国现阶段的天然气供应状况相适应，因此具有良好的发展前景。

1 双燃料发动机技术

由于天然气在常温下为气体，因此作为车用燃料时必须压缩(CNG)或液化(I NG)。表1是天然气的燃料特性与其它车用燃料特性的对比。从天然气的特性可以看出，天然气具有比较高的单位质量热量，比较高的辛烷值(RON)，正是因为这种特殊性质，天然气既可以作为压燃式发动机燃料，在柴油／天然气双燃料发动机中使用，也可以作为单一燃料点燃式发动机的燃料 J。

1．1燃烧特性

双燃料发动机的主要燃料天然气，在进入缸内时存在不同程度的均相混合过程，缸内的可燃混合气是在上止点附近通过喷射少量柴油引燃，与柴油机点火方式类似，高压喷射进入缸内的引燃柴油雾化并依靠高温的压缩空气加热着火，着火的引燃柴油再将混合气点燃。双燃料发动机工作时同时燃烧柴油和天然气，天然气是主要做功燃料，柴油仅用于引燃天然气。由于2种燃料的不同物理性质，使得双燃料发动机燃烧过程类似于柴油机，其主要燃烧特点是： a．天然气十六烷值很低，可燃性能差，因此发动机的最高燃烧压力和温度较低，表现为发动机工作柔和，NO 排放比柴油机低。图1为双燃料发动机的着火延迟与燃料当量比的关系 j，CH 的着火延迟比柴油大许多，这导致燃烧拖后，热效率降低；另外，发动机随负荷的增大，着火延迟期缩短，最佳点火喷油时刻推后，而天然气的着火延迟期在小负荷时随负荷增加而增大，在中大负荷时随负荷增加而减小。 b．天然气的RON为130，具有较高的抗爆震性能，但由于应用于双燃料发动机时发动机的压缩比没有改变，发动机存在爆震倾向，因此改装后的双燃料发动机的喷油提前角应适当推迟。 C．虽然天然气的可燃极限范围较宽，但在发动机上由于燃烧时间有限，在小负荷时双燃料发动机存在一定程度的不完全燃烧或失火现象，使小负荷时发动机的经济性降低，HC 和CO排放增加。 1．2基本工作特点

双燃料发动机同时使用天然气和柴油，因此具有两种不同的燃料供给系统，一般天然气通过进气管混合后以混合气方式在扫气过程进入燃烧室，而柴油则通过高压油嘴喷射进入燃烧室。 a．换气短路损失。现在使用的双燃料发动机都是在现有的柴油机基础上直接改装的，天然气／空气的混合气多数是在缸外混合后进人缸内，在扫气过程中不可避免导致部分天然气没有燃烧直接排出燃烧室，造成HC和CO排放增加。 b．高压缩比。常规的柴油发动机为了得到较高的功率和好的冷起动性能，压缩比在13-19：1 范围内。改装为双燃料发动机时，发动机的压缩比一般不必改变，这是因为双燃料发动机的混合气是靠柴油点燃的，在缸内分布广阔的柴油能够使混合气快速燃烧；另一方面，天然气的RON为130，具有良好的抗爆震性能。 C．小负荷工作。小负荷工作特性是双燃料发动机一个重要的特性，这主要是因为其在小负荷时混合气浓度过稀，燃烧过程进行缓慢，不完全，降低了发动机的经济性和动力性，同时发动机的排放也增加。

2 典型的双燃料发动机

双燃料发动机的非甲烷HC排放比汽油机低9o％，而甲烷排放则高出9倍，CO排放约为汽油机的20％-80％，而NO 排放差异较大，这主要与发动机引燃柴油的喷射量和混合气的燃烧过程有关。 2．1预燃室双燃料发动机

采用预燃室能够提高发动机的抗爆震性能，有利于增加发动机的平均有效压力。如Cooper 公司的Cleanburn双燃料LSVB系列双燃料发动机，其标定功率为6 102．9 kW，Cleanburn系统减小了引燃柴油量，使烟度几乎不存在，标定点的NO 排放比原机减少了92％，为1．21 g ／kW·h 。

2．2直喷式双燃料发动机

采用预混合方式提供天然气，不可避免地要降低发动机充气效率，存在一定程度的换气损失，发动机有爆震倾向，这导致发动机的功率减低，油耗增大，采用天然气缸内直接喷射可以消除这些不利因素，提高发动机的性能。目前存在的主要问题还是直喷式系统的成本过高，系统的可靠性还有待进一步检验。

3 双燃料发动机的发展动向

3．1 从常规喷射向微喷射发展

普通的双燃料发动机，其引燃柴油喷射系统仍采用原柴油机上的喷油系统，发动机工作在双燃料方式时，通过机械或电控执行器减小喷油泵的供油量，通常喷油泵的最小供油量可以达到全负荷油量的5％。这样引起的主要问题是：

a．喷油器的喷油量过小，容易导致喷油器过热；

b．在双燃料工作方式，发动机的NO 排放虽比原柴油机低，要想进一步降低NO 排放，必须减少引燃柴油循环喷油量；

c．在双燃料工作方式，发动机的烟度大幅度减少，但颗粒(PM)排放仍较高，减小颗粒排放，必须减少引燃柴油循环喷油量；

d．从经济性考虑，柴油消耗量越少越好，因此也有必要减少柴油喷射量。

3．2从预混合进气向缸内喷射发展

为了减少预混合扫气短路损失，强化缸内燃烧过程，提高双燃料发动机的经济性，一些最新的技术采用天然气缸内喷射技术，将天然气和柴油高压喷人燃烧室，这样发动机可以保证高压缩比和高强化前提下，同时获得好的经济性和低的排放，特别是低的NO 排放数值 J