微喷引燃量及其喷射正时对双燃料发动机性能和排放影响的理论研究外文翻译资料

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微喷引燃量及其喷射正时对双燃料发动机性能和排放影响的理论研究

摘要

在没有对发动机作出重大修改的前提下，已经提出各种解决方案用来改善常规柴油发动机的燃烧过程，并减少废气排放量。其中使用天然气作为常规柴油的补充的柴油机被称为天然气柴油双燃料发动机。这些最常见的类型是指实验性点燃的天然气柴油机（PINGDE）。在这里，主要燃料是天然气，控制发动机的输出功率，而微喷引燃油在压缩行程结束附近自动点火并为周围燃烧的气体燃料混合物创建点火源。以前的研究表明，这种双燃料燃烧的与一般柴油机相比主要缺点是效率比较低，而一氧化碳的排放量也增加。微喷引燃油量和喷油提前明显的影响燃烧机理。然后，为了检查这两个参数在性能和排放的影响，一个综合的双区唯象模型被建立并应用于位于作者实验室的一台高速、引燃点火的天燃气柴油发动机。根据研究结果，同时增加燃油量和喷油正时可以导致发动机的效率提高（增加）和CO排放量（减少），它有一个负面影响NO排放（增加）。

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关键词：双燃料柴油机；天然气；引燃点火；喷油正时；燃烧；排放

1、介绍

改善传统内燃机燃烧过程的主要目标之一是要找到减少尾气排放的有效途径而不对内燃机结构进行大改。已经提出了各种解决方案，其中气体燃料的使用具有主导地位[ 1 - 4 ]。一个好的选择是使用天然气作为常规柴油的补充（天然气柴油双燃料发动机）由于其固有的清洁燃烧性质以及其诱人价格的高可用性。

许多压缩点火发动机采用双燃料原理。这些发动机的主要燃料是在进气冲程时容易与空气混合的气体。通常使用的气体燃料之一是天然气，因为它的高自燃温度支持其在常规柴油机上的应用。在压缩冲程中，在接近上止点的同一点，少量柴油通过传统的柴油系统喷射，作为压缩气体燃料-空气混合物的点火源。每次柴油的喷油量对于一个给定的发动机通常是固定的；在满负荷量，喷油量少于发动机总油量的10%。在大多数双燃料操作系统中，发动机输出功率通过改变在进气冲程中添加到空气中气体燃料的量控制。因此，在恒定的发动机转速下，由于空气和燃料混合物的总量保持不变，气态燃料的量的变化导致燃烧空气的变化。无论是柴油点火的双燃料原理（微喷引燃的天然气燃油发动机）还是柴油机燃油喷射，目前大多数双燃料发动机的操作和普通柴油机一样。

许多研究[ 5 - 10 ]报告说，双燃料操作时，在气体燃料利用率低的低、中负荷下，柴油机性能差（柴油机效率下降）而且一氧化碳排放量浓度相比正常柴油操作下观察到的值高。高负荷时，气体燃料利用率的改善使发动机性能和一氧化碳排放都得到相应改善，但它们的值仍低于正常柴油操作下观察到的值。

根据许多研究工作[ 5 - 16 ]，在微喷引燃的天然气柴油发动机中，喷油正时和微喷引燃油量是一些最重要控制性能和废气排放的变量。在过去的几年中，本课题组已报道了这种发动机的实验研究与计算机模拟[ 6,10–13]。目前的工作，用一台单缸，高速，直喷式柴油机改装，在双燃料模式运行下进行关于微喷引燃油量和喷油提前对性能和排放的理论研究，已使用一个双区唯象模型获得了理论结果。已经对该模型进行了改进和修改，以便更好地描述和理解发生在微喷引燃的天然气柴油发动机中的燃烧过程；一些模型的结果已在之前提交[ 10–13 ]。作为模型验证的基础上，实验结果还用来表明，在固定的微喷引燃油量和正常的喷油提前的双燃料模式下，对于各种在恒定转速时的发动机负载，发动机的行为。

从理论研究结果，重要的信息来自揭示这两个参数对发动机性能和污染物排放的影响。这是通过计算和比较在相同发动机转速的不同负载下，微喷引燃油量和喷油正时的各种组合时的最大气缸压力和燃油消耗率。此外，两参数的影响，体现在污染物排放的形成，通过比较正常微喷引燃油量和正常喷油正时下获得的相关的值。此信息是非常有价值的，如果确定两个变量的适当组合，将在双燃料模式下改善发动机在特定工况（速度和负载）下的行为。

1. 模型概要

在目前的工作只有一个轮廓的模型，一方面是因为缺乏空间和其他，另一方面是基于现有的模型，作者已在以前的出版物中详细介绍过[ 10 - 13 ]。如上所述这项工作的主要目的是研究理论，这是通过仿真模型，研究微喷引燃油量和喷油正时对发动机性能性能和排放的影响。

所使用的模型是现象学的两区。一区是检查发动机冲程中的封闭部分。在压缩阶段的气缸进气被视为一个单一的区域（未燃烧区），假定其在压力、温度和组成空间是均匀的。在压缩阶段，气缸内气体被压缩到接近TDC的高压力和高温度。到达TDC之前为止，少量柴油喷入燃烧室，雾化和蒸发，形成一个未燃区内的锥形穿透射流。当射流穿透，均匀的混合物被夹带到喷射口和蒸发的柴油燃料混合。该混合物在锥形射流夹带的数量是从它的体积变化的估计出来的。这种射流边界定义二区，“燃烧区”，如图1所示的10–[ 13 ]。

根据模型，燃烧区域内发生燃烧过程，因此，该区域的主要成分是燃烧产物，未燃的蒸发柴油，未燃烧的气体燃料和空气。此外，该模型假定压力，燃烧温度和成分在空间内是均匀的。燃烧区域内的电荷点火开始后的蒸发柴油燃料自动点火。柴油机开始喷射和开始燃烧的时间间隔定义点火延迟时间。在此期间，当活塞接近上止点时，燃烧区的温度和气缸的压力显著增加。同时，蒸发柴油的增加形成一个夹带可燃混合物的燃烧区。因此燃烧开始后，两个区域存在（未燃烧和燃烧的）分离的火焰的前端，这被假定为有一个圆锥体形状覆盖的射流外部区域。

该模型假定，火焰前有一个可以忽略不计的厚度，根据实验数据，实际发动机条件下报告的火焰厚度约0.2毫米的[ 17 ]。因此，外燃烧区的边界是由火焰锋定义的，在未燃区内火焰边界的渗透由火焰传播机制计算的火焰速度控制。火焰前锋在垂直方向的未燃烧区域内扩散到锥形燃烧区的外表面，如图2所示。

用Hiro yasu等人的射流理论估计，燃烧区体积变化影响了燃烧区内气体燃料的夹带速率[ 18 ]，并从缸套周围的火焰传播。由于火焰传播，在燃烧区内夹带的气体燃料混合物立即燃烧。因此，实际上气体燃料释放的热量的一部分取决于火焰的传播速度。由于燃料射流的形成和渗透，剩下的部分取决于从喷射开始的燃烧区内夹带的气体燃料的量。

这种气体燃料的燃烧被认为是Arrhenius型预混反应速率。因此，气体燃料的热释放速率是上述两个比率的总和，而总放热率则定义为柴油和气态燃料的总和。该模型是基于质量，动量和能量基本守恒定律分别适用于每个区域和整个气缸充电。注入开始后的每个区域内的混合物被假定为均匀的。对于每个区域，温度和成分均匀性的存在。此外，该模型假定的压力是均匀的在燃烧室。Glauert [ 19 ]附壁射流理论是用来描述碰壁后的喷气燃料的变化过程。区域之间的传热被忽略。在燃烧区，燃烧产物解离通过vickland等人的方法再结合[ 20 ]，这种方法被认为有十一种。

液体燃料通常是用十二烷，一种典型的商业柴油燃料。当前模型中使用的天然气是甲烷和其他碳氢化合物的混合物。所使用的燃料的主要特点见表1。从一组三阶常微分方程得到了燃烧区和燃烧室的温度和气缸压力。推导热力学第一定律的数学操作和理想气体状态方程 [10–13,21 ]

每个区域的热交换率是采用著名的Annand公式[ 10–13,22 ]计算，而柴油机喷油率的计算，见参考文献[ 10 - 12 ]，取决于它的密度，喷射孔的面积和注射速度。这里应该说明，喷油器的压力已经从燃油管线和气缸压力的测量值中得到 [ 10–13,23,24 ]。

如前所述，燃烧区域内的燃烧在注入的微喷引燃油点火后开始发生[5,10–16]。在当前的工作中，微喷引燃油的点火延迟周期是燃烧区温度、气缸压力和燃料蒸气-空气混合物的当量比的函数[10–13,23–25 ]虽然气体燃料的燃烧速率是通过使用所描述的公式计算[ 26 ]。在两个随后的阶段，即预混和扩散燃烧的微喷引燃油的燃烧假定发生在两个后续阶段。因此，这个半经验模型用于描述液体燃料燃烧率和制备[ 10–13,23,24,27–29 ]。

假定NO的形成是一个化学动力学控制的非平衡过程 [17,21,23,28–32]。然后，用于估计NO形成的扩展Zeldovich机制与小的修改，已在目前的工作中采用[10–13]。此外，假定CO的形成和氧化机理都由动力学控制。因此，各自的速率为蓝本，以类似的方式作为各自的NO，使用的主要形成和氧化反应的动力学，结合一氧化碳，二氧化碳和羟基[13,23]。

许多研究使用半经验模型，得出的相关性，从实验数据的分析，来描述的烟灰形成机制。在目前的工作中，一个半经验的数学公式通过考虑到气缸压力、燃烧区温度、燃烧区内氧气和未燃液体燃料浓度[10–13]已被用来描述烟灰形成机制[24,27–32]。

1. 测试案例检验

为了验证该模型，实验研究已在单缸，进行自然吸气，直喷，LV1，改进双燃料模式下的柴油机进行柴油机燃油喷射操作[6]。该柴油机位于作者的实验室，提供从城市低压配电网获得的天然气，并且双燃料发动机的负荷调整是通过气体燃料流量计后的控制阀来完成的。之后，气体燃料流向发动机入口并与进气混合。从实验研究获得的数据已被用来验证模型，并了解复杂的性质，在双燃料操作模式下燃烧。更多关于发动机使用的信息和它的测力计在表2中给出。图3所示测试安装示意图的布局。

在实验研究中，在发动机转速为20 00转，在两个正常的柴油（即发动机只运行与柴油燃料）和双燃料操作（即同时燃烧的天然气和柴油）[6,10,11].，测量对应于20%，40%，60%和80%满载四个不同的发动机负载。

在双燃料的操作下，让柴油量恒定已十分有效（正常柴油引燃油量–npfq），当发动机的功率输出通过天然气量调节时。双燃料操作下的测量程序如下：在给定的恒定发动机转速下，喷射柴油量，以覆盖发动机的机械损失。然后，为了保持恒定的液体柴油的流量，输出功率仅使用气体燃料进一步增加。此过程被跟踪，直到获得所需的功率输出。

正如[ 5 ]所知，双燃料运行的主要缺点是双燃料燃烧对发动机效率和CO排放的负面影响。出于这个原因，在目前的工作中，有人试图，通过使用当前的模型，调查使用增加的微喷引燃油量和提前喷油正时补偿双燃料燃烧对发动机效率和CO的负面影响。因此，在每个发动机负荷，分别相对于正常引燃油量（npfq）柴油燃料试点数量增加了百分之五十（150% npfq）和百分之七十五（175% npfq）。

为了计算对于微喷引燃油量的150%和175%的天然气消耗量，使用了下列表达式：

i = NPFQ, 150% NPFQ, 175% NPFQ，AFRDst和AFRNGst分别为柴油和天然气燃料的化学计量的空气燃料比（质量）。在目前的理论调查，关闭入口阀后空气-气体燃料混合物流速和总空气过剩率在每个发动机负载条件下被认为是恒定的。因此，对每一笔微喷引燃油量，天然气的消耗是从上述关系计算。此外，分别比较了正常喷油时刻（NIT），在每个负载和微喷引燃油量增加、喷油正时提前 （上止点前）分别由4L、6L和8L曲轴转角BNIT。

表3显示，对每个测试检查柴油和天然气的质量流率和正常的喷射定时获得的实验研究。

1. 结果与讨论

为了验证该模型预测发动机性能和浓度的最重要的污染物排放量（NO，CO，烟尘）的能力，在过去的作者已经进行了扩展的理论和实验研究。这里应该说明的是，从该调查获得对应于发动机运行在双燃料模式，正常的微喷引燃油量(NPFQ)和正常喷油正时(NIT)下的结果，是先前给出的结果[6,10–13]。据透露，有一个很好的计算实验压力和总热释放痕迹之间的的协议，并以合理的精度预测了发动机负荷污染物形成机理。此外，为了确认模型关于最大气缸压力，燃油消耗率和污染物排放（NO，CO和烟尘）每个参数预测的真实性的影响（微喷引燃油量和喷射提前），做了一个模型的应用和实验之间的比较，比较结果来自国际参考文献 [5,10,33–38]。理论计算与实验结果的对比结果表明，尽管如预计一样，一二区唯象模型中绝对值观察到有差异，随着试验燃料量和喷油时刻的变化，它预测的性能和污染物排放的变化趋势具有良好的符合性。这是有前途的使用该模式，检查两个参数（微喷引燃油量和喷油提前量）对发动机性能和污染物排放的影响。

双燃料燃烧的主要缺点是其对发动机效率和一氧化碳的排放量的负面影响（减少），对于正常柴油操作（即发动机运行100%柴油）。在双燃料模式下微喷引燃油量和喷射正时是两个最重要的变量，其影响发动机的工作性能和污染物排放。

图4和5提供了在不同的喷射定时NPFQ 和175%NPFQ 操作模式下，根据双燃料操作作为发动机负载的函数，总燃料消耗率的计算值的变化。在正常喷油定时的常规柴油机下，给出了相同的实验燃料消耗率的值。这里必须说明，对于每个柴油和天然气测试检查，燃油消耗率是从计算出的功率输出和计算出的柴油和天然气的质量流率估计出来的。

如表1所示，天然气的热值与使用的柴油相比要高。因此，如果在图4和5报告的燃油消耗率被校正为柴油燃料的热值，双燃料发动机运行效率的绝对值会更低。但发动机的效率随微喷引燃油量和喷射定时的变化趋势在类似于图4和5中一个总的燃油消耗，其揭示这样的两参数对发动机效率的影响。

观察图4和5，这表明双燃料运行时，特别是在中、低负荷条件下，燃油消耗率被认为高于在正常柴油操作下。这是在燃烧初期，在双燃料操作下观察到的较低的预混控制燃烧速率的结果[ 10 ]。 研究了双燃料操作下的理论值，发现在相同喷油时刻燃料量的增加与正常燃油量模式下观察到的燃油消耗率相比有所改善（减少）。在预混控制燃烧阶段，使用较大的微喷引燃油量会

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