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Effect of advanced injection timing on emission
characteristics of diesel engine running on natural gas
O.M.I.Nwafor
Renewable Energy,2007,32:2361-2368
噴油定時(shí)對(duì)柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性影響
O.M.I.Nwafor
替代能源，2007，32：2361-2368
摘 要
導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體排放日益受人關(guān)注，現(xiàn)已證明它主要來(lái)源于礦物燃料的燃燒?？茖W(xué)家一直在尋求綠色的替代燃料，天然氣?因其辛烷值高、環(huán)保性好被認(rèn)為最有潛力作為柴油機(jī)上的替代燃料。然而進(jìn)一步研究表明，天然氣燃燒速率低，著火延遲長(zhǎng)，從而產(chǎn)生高的升功率使柴油機(jī)易產(chǎn)生爆燃。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究了基于柴油機(jī)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)噴油定時(shí)對(duì)排放性的影響：柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)為30° BTDC。當(dāng)噴油定時(shí)調(diào)整為35.5° BTDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)，而當(dāng)噴油定時(shí)變?yōu)?3.5° BTDC時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行順暢，特別是在低負(fù)荷工況下。故把33.5° BTDC定為優(yōu)化噴油定時(shí)。試驗(yàn)表明，雖然燃料消耗略有增加，但著火延遲縮短，CO、CO2排放量降低。
關(guān)鍵詞：一氧化碳（CO）； 二氧化碳（CO2）； 碳?xì)浠衔铮℉C）排放； 著火延遲
1 引言
1997年?yáng)|京各國(guó)首腦會(huì)談關(guān)注的焦點(diǎn)是溫室氣體排放對(duì)全球環(huán)境的影響。它能導(dǎo)致洪災(zāi)、山體滑坡等，2005年在美國(guó)發(fā)生的Katrina、Rita 和Wilma颶風(fēng)就是最好的例證。這都是由于礦物燃料燃燒產(chǎn)生大量溫室氣體CO2所致。
許多科學(xué)家在尋找替代傳統(tǒng)礦物燃料的綠色燃料(Nwafor[1]、 Lowe and Branhan[2] 、 Horie and Mishizawa[3] )，他們不約而同對(duì)天然氣作為未來(lái)柴油機(jī)上的替代燃料極為看好。然而天然氣要真正替代柴油還有很多問(wèn)題要解決。比方說(shuō)，天然氣自然溫度高，這就要求配有著火系統(tǒng)。再者，天然氣因燃燒速率低，著火延遲長(zhǎng)，從而缸內(nèi)壓力波動(dòng)大。不過(guò)從最近關(guān)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能、排放研究可知(Nwafor[4] 、Stone and Lallommatos[5] 、Karim and Ali[6])，天然氣辛烷值高(RON 131)，故抗爆性好，可以通過(guò)提高壓縮比來(lái)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
這個(gè)試驗(yàn)研究了基于柴油機(jī)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)噴油定時(shí)對(duì)排放的影響（以天然氣為主要燃料柴油－天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)）。在壓縮行程終了吸入空氣－天然氣混合氣，并噴入一定量的柴油引燃混合氣。所需引燃柴油量受爆燃限制(Rani and Rice[7] 、Nwafor [8])，隨柴油量增加，天然氣減少，爆燃趨勢(shì)減弱。優(yōu)化噴油定時(shí)是為了補(bǔ)償著火延遲和燃燒速率低的影響?！ ?
研究表明，與標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)在優(yōu)化噴油定時(shí)下，HC、CO2排放量下降，著火延遲縮短，但燃料消耗量大。發(fā)動(dòng)機(jī)在全柴油運(yùn)行下，HC排放最低，CO排放最高。總的來(lái)說(shuō)，在低負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化噴油定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放改進(jìn)很有用，但在高負(fù)荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度起著決定作用。
2 實(shí)驗(yàn)裝置
這個(gè)試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)為一個(gè)Petter型AC1單缸柴油機(jī)，它是一種空冷高速直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)。功率計(jì)包括一個(gè)分流式Mawdsley型直流發(fā)電機(jī)和一個(gè)能量?jī)?chǔ)存器，力矩則是由相當(dāng)于牛頓彈簧測(cè)量范圍的裝置測(cè)得。
燃燒室壓力由Kistle型7063A壓力計(jì)測(cè)量（這個(gè)壓力計(jì)是水冷電控壓電式的，靈敏度為79pc/bar），再通過(guò)數(shù)字示波器顯示，并把結(jié)果儲(chǔ)存到軟盤(pán)里以便隨后分析缸內(nèi)壓力最大升高率。排氣歧管壓力由普通Ｕ型壓力計(jì)測(cè)量，空氣流量由Viscous流量計(jì)測(cè)。和測(cè)量缸內(nèi)壁溫度一樣，進(jìn)、排氣道安裝有熱敏電阻可以監(jiān)控氣體溫度變化。柴油由噴油泵輸?shù)絿娪推鳎牧髁坑梢粋€(gè)50cm3的分級(jí)式滴管和秒表共同完成。天然氣流量由一個(gè)能測(cè)量多樣空間的轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得，相對(duì)溫度和環(huán)境溫度由Vaisala型溫度計(jì)測(cè)，空氣－天然氣混合氣由安裝在進(jìn)氣歧管的氣體控制閥控制。
2．1 天然氣組成成份
氮2.18% 甲烷92.69% 乙烷3.43%
二氧化碳0.52% 丙烷0.71% 異丁烷0.12%
正丁烷0.15% 正戊烷0.09% 正己烷0.11%
毛熱值=38.59?MJ/m3
凈熱值=34.83 MJ/m3
Wobbe數(shù)=49.80 MJ/m3
空燃比=16.65:1
柴油凈熱值=42.70 MJ/kg
柴油相對(duì)密度=0.844
2．2 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)
缸徑=76.20?mm
行程=66.67?mm
排量=304 cc
壓縮比=17
噴油壓力=183?bar
標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)=30°BTDC
優(yōu)化噴油定時(shí)=33.5°BTDC
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3．1 一氧化碳（CO）排放
CO排放量與空燃比有關(guān)，它是表明發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率的一個(gè)參數(shù)。圖1和圖2分別顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000rpm和2400rpm時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放情況。由圖可知，發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下，CO的排放特性是不同?？偟膩?lái)說(shuō)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在雙燃料時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)相比，優(yōu)化噴油定時(shí)下CO排放量明顯低。兩者CO排放變化趨勢(shì)相似，但CO排放量集中區(qū)段不同。全柴油運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，CO排放量最少，但它隨負(fù)荷增加而加大。CO排放量最大點(diǎn)是在全柴油運(yùn)轉(zhuǎn)高負(fù)荷下產(chǎn)生的。
圖1 CO排放
(n=3000rpm)
圖2 CO排放
（n=2400rpm）
3．2 二氧化碳（CO2）排放
圖3和圖4顯示了CO2的排放特性。由圖可知，噴油定時(shí)對(duì)CO2排放影響很大。在優(yōu)化噴油定時(shí)下，不管發(fā)動(dòng)機(jī)處于哪個(gè)轉(zhuǎn)速下，CO2的排放都很低。CO2排放量最高是在全柴油運(yùn)轉(zhuǎn)下，而在標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)下，CO2排放量處于中間。試驗(yàn)表明，隨空燃比的減小，CO2的排放量呈增多趨勢(shì)。我們知道在理想燃燒下，燃料燃燒產(chǎn)物為CO2和H2O，故CO2可以作為衡量燃燒效率的一個(gè)參數(shù)。使發(fā)動(dòng)機(jī)排放盡量多的CO2和少的HC一直是我們追求的目標(biāo)。
圖3 CO2 排放
（n=3000rpm）
圖4 CO2 排放
(n=2400rpm)
3．3 碳?xì)浠衔铮℉C）排放
圖5顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000rpm時(shí)，分別在雙燃料和全柴油運(yùn)行下HC的排放。全柴油運(yùn)行下，HC排放量最少。與標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)相比，在優(yōu)化噴油定時(shí)在低負(fù)荷下排放低但在高負(fù)荷下排放高。圖6顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2400rpm時(shí)HC的排放性與圖5相似。實(shí)驗(yàn)表明，在燃燒開(kāi)始時(shí)，有大量天然氣未及時(shí)參與反應(yīng)，這可能是因?yàn)樘烊粴馊紵俾事脑?。雙燃料運(yùn)行下，HC排放量大主要原因有：稀薄燃燒、缸內(nèi)壁熄火作用、天然氣－空氣混合氣不均勻等。由圖還可知，不同工況，不管是在標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)還在優(yōu)化噴油定時(shí)HC排放量都比較高。當(dāng)在進(jìn)氣行程，由于氣門(mén)重疊角大導(dǎo)致大量已吸入的新鮮氣又被排出很可能是重要原因。
圖5 HC排放
(n=3000rpm)
圖6 HC排放
(n=2400rpm)
3．4 著火延遲
著火延遲指柴油機(jī)燃料被引燃到燃料正式燃燒之間的時(shí)間段。圖7和圖8顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料和全柴油運(yùn)行下，著火延遲的情況。從兩圖中可知，雖發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同，但全柴油運(yùn)行下著火延遲都比較短。與優(yōu)化噴油定時(shí)相比，標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)在高負(fù)荷下著火延遲長(zhǎng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2400rpm時(shí)，雙燃料與全柴油運(yùn)行著火延遲有明顯不同，標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)下著火延遲最長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)知，雙燃料下，隨轉(zhuǎn)速下降，著火延遲變長(zhǎng)，這與全柴油運(yùn)行下剛好相反。因?yàn)樵诘娃D(zhuǎn)速時(shí)，大量氣體參與預(yù)燃從而增加了發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃趨勢(shì)。在雙燃料運(yùn)行下總的比全柴油運(yùn)行下著火延遲要長(zhǎng)，因天然氣自燃溫度（704 oC）比柴油（245 oC）高很多，在壓縮行程終了缸內(nèi)溫度達(dá)不到氣體自燃溫度。柴油的霧化程度和噴油錐角取決于缸內(nèi)氣體密度，霧化不良導(dǎo)致著火延遲長(zhǎng)可能是由于油滴原因。
圖7 點(diǎn)火延遲
(n＝3000rpm)
圖8 點(diǎn)火延遲
(n＝2400rpm)
4 結(jié)論
試驗(yàn)表明，替代燃料都有著火延遲特性，有人認(rèn)為是受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速和影響。同時(shí)每一種替代燃料都有各自的最佳噴油定時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在最佳噴油定時(shí)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗量都略微增加，但CO2的排放量明顯下降，CO排放集中的也下降。在雙燃料運(yùn)行下，HC排放比較高，但在優(yōu)化噴油定時(shí)下，它的排放有明顯改進(jìn)。在雙燃料時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)噴油定時(shí)相比，優(yōu)化噴油定時(shí)在低負(fù)荷運(yùn)行下優(yōu)為順暢，但當(dāng)噴油定時(shí)調(diào)整為35.5°BTDC時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)就不穩(wěn)了。在高負(fù)荷下，燃燒溫度起決定作用，進(jìn)而增加了柴油的蒸發(fā)可縮短著火延遲。故調(diào)整噴油定時(shí)不適合高負(fù)荷工況。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)據(jù)說(shuō)受著火延遲影響。
參考文獻(xiàn)
1 O.M.I. Nwafor and G. Rice, Combustion characteristics and performance of natural gas in high speed, indirect injection diesel engine, WREC, UK (1994) p. 841.
2 W. Lowe and R.T. Brandham, Development and application of medium speed gas burning engines, IMechE 186 (1971), p. 75.
3 K. Horie and K. Mishizawa, Development of a high fuel economy and performance four-valve lean burn engine, IMechE C448/014 (1992), p. 137.
4 O.M.I. Nwafor, Effect of advanced injection timing on the performance of natural gas in diesel engine, Int J Indian Acad Sci, Sadhana 25 (2000), p. 11.
5 C.R. Stone and N. Ladommatos, Design and evaluation of a fast-burn spark ignition combustion system for gaseous fuels at high compression ratios, J Inst Energy 64 (1991), p. 202.
6 G.A. Karim and A.I. Ali, Combustion, knock and emission characteristics of a natural gas fuelled s.i. engines with particular reference to low intake temperature conditions, IMechE 189 (25/75) (1975), p. 135.
7 Bari S, Rice G. Knocking in gas-fumigated dual-fuel engine. In: Proceedings of the fourth international conference on small engines, their fuels and the environment. 21–24 September 1993.
8 O.M.I. Nwafor, Effect of oxygen supply on dual-fuel engine performance using natural gas as primary fuel, J AMSE, Modelling, Simulation Control, Fr 71 (3) (2002), p. 29.
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