預(yù)噴正時對柴油燃燒天然氣發(fā)動機燃燒性能的影響

由于豐富的儲量、價格低廉、燃燒清潔，天然氣被認為是一種具有發(fā)展前景的可替代燃料。它的燃燒可以同時減少和生成氮和氧氣，以解決柴油流失的問題。引燃柴油單次噴射，柴油噴射正時的提前(10°～30°CABTDC)能夠有效提高DF發(fā)動機在中、低負荷時的熱效率，降低HC和CO排放，但是NO由于引燃柴油單次噴射策略改善DF發(fā)動機性能存在局限性，國內(nèi)外學者研究不同的引燃柴油噴射策略對DF發(fā)動機燃燒和排放的影響．Yousefi等引燃柴油兩次噴射是一種優(yōu)化DF發(fā)動機中、低負荷時燃燒和排放特性的有效方法，但是預(yù)噴柴油噴射參數(shù)對燃燒和排放的影響規(guī)律及優(yōu)化預(yù)噴柴油噴射參數(shù)方法的研究較少．因此，筆者探究預(yù)噴柴油噴射參數(shù)對DF發(fā)動機在中、低負荷時燃燒和排放特性的影響．通過分析在不同預(yù)噴正時、預(yù)噴油量下的發(fā)動機的燃燒和排放特性，為優(yōu)化預(yù)噴柴油噴射策略和改善發(fā)動機燃燒和排放特性提供指導．1試驗臺架和試驗方案試驗在一臺由直列6缸、四沖程高壓共軌柴油機改裝而成的DF發(fā)動機上開展，發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)見表1，試驗臺架示意如圖1所示．柴油機共軌燃油噴射系統(tǒng)最小噴油量為2mg/cyc，最大柴油噴射壓力為160MPa，柴油ECU和天然氣ECU分別控制柴油和天然氣的驅(qū)動噴射.天然氣噴射閥將天然氣噴入裝在進氣總管的混合器.AMAi60R1DI排放分析儀用來測量廢氣中NO2soi2為主噴正時所對應(yīng)的軸系角為了更好地理解預(yù)噴和主噴柴油對燃燒過程的影響，以ID式中：SOI1為預(yù)噴正時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；SOI2為主噴正時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；CA5為著火相位所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角．BTE為發(fā)動機有效輸出功率與燃料燃燒放熱量的比，計算公式為式中：P循環(huán)變動系數(shù)(COV)是評價DF發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性的重要參數(shù)．以缸內(nèi)平均有效壓力作為計算COV的依據(jù)，計算公式為式中：σ2.1燃燒性能2.1.1預(yù)噴正時對df發(fā)動機燃燒特性的影響圖2為不同預(yù)噴正時DF發(fā)動機缸內(nèi)壓力曲線．當預(yù)噴正時位于15°～30°CABTDC時，提前預(yù)噴正時放熱率曲線呈現(xiàn)雙峰，第一放熱率峰值不斷降低，第二放熱率峰值不斷升高，著火和燃燒相位提前并接近上止點，缸內(nèi)峰值壓力升高，最高壓力升高率不斷降低，當預(yù)噴正時位于33°～60°CABTDC時，隨著預(yù)噴正時的提前，放熱率曲線呈現(xiàn)單峰，同時放熱率峰值先增大后減小，著火和燃燒相位不斷推遲并遠離上止點，缸內(nèi)峰值壓力先維持不變后逐漸降低，最高壓力升高率先升高后降低．DF發(fā)動機燃燒過程分為柴油的著火延遲期、預(yù)混柴油的燃燒并點燃周圍天然氣混合氣、可燃混合氣的預(yù)混燃燒和后燃從圖2b可以看出，隨著預(yù)噴正時的提前，ID隨著預(yù)噴正時的提前(15°～30°CABTDC)，一方面ID2.1.2預(yù)噴柴油對全尾砂流量的影響圖3為預(yù)噴油量對DF發(fā)動機燃燒特性影響的試驗結(jié)果．預(yù)噴油量在3～5mg/cyc時缸內(nèi)放熱率曲線呈現(xiàn)雙峰，第一峰值放熱率隨著預(yù)噴油量的增大而減小，第二放熱率峰值不斷增大，當預(yù)噴油量進一步增大至7mg/cyc，放熱率曲線呈現(xiàn)單峰，且峰值放熱率隨著預(yù)噴油量的增加而增大；CA5和CA50隨著預(yù)噴油量的增大不斷提前，缸內(nèi)峰值壓力不斷升高，最高壓力升高率先降低后增大．在較早的預(yù)噴柴油噴射策略下，著火相位的控制主要是由主噴柴油噴射所控制，預(yù)噴柴油雖然不直接影響著火相位，但是它影響著缸內(nèi)混合氣在壓縮行程中溫度升高的快慢，進而影響著主噴柴油的著火延遲期，導致著火相位的變化．正如圖3b和圖3c所示，隨著預(yù)噴油量的增大，ID預(yù)噴油量的增多(3～4mg/cyc)使得IDmain減小，起引燃作用的柴油/空氣預(yù)混合氣減少，預(yù)混柴油燃燒為主導第一放熱率和最高壓力升高率減?。嗟念A(yù)噴柴油分布在天然氣/空氣的混合氣中，混合氣活性提高，加快了混合氣中燃燒產(chǎn)物和活化基的生成，天然氣混合氣燃燒速率提高，因而以天然氣預(yù)混合燃燒為主導的第二放熱率升高．預(yù)噴油量的進一步增加至5～7mg/cyc，混合氣的溫度和活性達到一定程度，柴油的預(yù)混合燃燒和天然氣的多點預(yù)混燃燒時序性減弱，放熱率曲線呈現(xiàn)單峰特征，且峰值放熱率以天然氣的多點預(yù)混燃燒為主導，由于更多的著火源分布在天然氣混合氣中，天然氣的引燃面積進一步增大，燃燒速率加快，因此，缸內(nèi)最高壓力升高率和峰值放熱率增大．2.2排水功能預(yù)噴正時對NO預(yù)噴油量對NO2.3不同預(yù)噴柴油對df發(fā)動機tbe、cov的影響DF發(fā)動機中、低負荷BTE低和燃燒穩(wěn)定性差的原因是：中、低負荷下由微量引燃柴油所觸發(fā)的湍流火焰無法向處于柴油著火核心區(qū)域以外的稀薄混合氣區(qū)域傳播，缸內(nèi)混合氣燃燒速率慢，增大了天然氣混合氣的不完全燃燒的幾率，甚至有失火現(xiàn)象的發(fā)生預(yù)噴柴油的釋放可以使更多的柴油分布在天然氣混合氣中，預(yù)噴正時從15°CABTDC向54°CABTDC提前，預(yù)噴柴油與天然氣/空氣混合時間更加充裕，因而提高了可燃混合氣的活性，促進了混合氣中燃燒產(chǎn)物和活化基的生成，主燃料燃燒穩(wěn)定性和利用率提高，發(fā)動機BTE提高、COV圖8為不同預(yù)噴油量對CA5和CA50波動的影響．預(yù)噴油量對DF發(fā)動機BTE和COV的影響如圖9所示，預(yù)噴柴油從3～7mg/cyc變化時，發(fā)動機BTE從36.8%升高到39.8%,COV早預(yù)噴柴油噴射策略下，微量的預(yù)噴柴油能夠改善主燃料燃燒相位的不穩(wěn)定性，BTE提高、COV3提高主燃料利用率和燃燒穩(wěn)定性(1)較早的預(yù)噴正時(15°～54°CABTDC)能夠在降低缸內(nèi)最高壓力升高率的同時促進主燃料的穩(wěn)定燃燒，為預(yù)噴柴油與天然氣混合氣的充分混合提供了足夠的時間，主燃料利用率和燃燒的穩(wěn)定性得到提高；與單次噴射相比，發(fā)動機的BTE從36.8%提高到39.7