双燃料发动机高负荷时替代率的选取

林煜

摘要：随着国家对于排放问题被不断重视以及越来越严格的排放标准，将柴油发动机改装称为天然气-柴油双燃料发动机便称为行之有效的一个措施。在改装过程中，如何确定引燃油量的多少成为了核心问题。本文针对双燃料发动机在油门开度为75%的高负荷，固定转速下，通过CONVERGE软件仿真研究引燃油量对发动机动力性和经济性的影响并选取合适的替代率。对于双燃料发动机的改装具有参考价值。

关键词：CONVERGE;引燃油量;替代率

中图分类号：U464.173                                文献标识码：A                                       文章编号：1674-957X（2020）20-0007-03

0  引言

天然气相较于石油是相对清洁的能源，已被作为柴油的替代燃料进行了广泛的研究[1-4]。

柴油作为引燃燃料的天然气─柴油双燃料发动机以其改装方便，只需要在單燃料发动机上加装一套天然气供给系统，经济性好、燃料选用灵活、热效率高以及排放性能好，尤其是氮氧化物和固体颗粒物排放少等优点在国外日益受到关注[5]。

1  双燃料发动机改装理论基础

双燃料发动机是气体燃料使用的主要方式，具有可恢复原发动机工作、排放性好、经济性好等特点[6]。

改装后的双燃料发动机动力性接近原机的水平，在中、高负荷时动力性还稍有提高，因此具有非常好的应用前景。

通常，双燃料发动机只在中、高负荷时进入双燃料模式，在中、高负荷时，不但动力性更好，而且能获得更好的排放性。但是，此时的经济性却未必最佳。因此，双燃料模式下的经济性更需要认真考虑。

2  天然气供给量的计算

替代率是说在相同工况下，天然气所替代的柴油量与纯柴油工作模式下柴油消耗量之比。天然气替代率计算公式为：

式（1）中，R为天然气替代率，VD和VS分别发动机双燃料模式和单燃料模式时的喷油量。

在预先设定的替代率下，喷油量可以根据同工况下纯柴油单燃料时的喷油量计算得到。而天然气进气量则有两种计算方法：等热值和等空气消耗量。

在中、高负荷的时候，由于替代率较高，引燃油量较少，点火能量较小。同时，天然气进气量较大，混合器浓度较大，所以气缸内的天然气很相当一部分没有充分燃烧就被排出气缸。这时，再使用等热值的方法计算天然气的进气量就是不准确的，计算值和实际的天然气进气量相差会很大。因此，就要使用等空气消耗量来计算。

表1就是计算的六个不同的工况点在台架试验中实际天然气进气量和两种方法计算的理论值进行对比。

由表1可以得知，在低负荷的时候选择等热值计算天然气进气量更加接近实际值，在中、高负荷的时候选择等空气消耗量计算的天然气进气量更加接近试验中测得的值。

因此，在仿真计算中，在75%油门开度、1500r/min的工况下的天然气进气量使用等空气消耗量计算。

3  燃烧室模型构建

本文针对SL4108ZLQ柴油机说明书上气缸的尺寸在三维制图软件上画出气缸的三维图，之后将三维图导入Converge软件。

在Converge燃烧仿真中，选择湍流为雷诺平均法RANS（Reynolds Averaged Navier-Stokes）、液滴为修正KH-RT模型和燃烧模型为SAGE化学求解模型，选择合适的模型会使得仿真结果更加接近真实值。

在25%油门开度1300r/min的工况点进行仿真计算，并和实验数据进行对比分析。

由图1可以计算出曲线围成的单缸每循环指示功为996.3W，根据功率的计算公式：

通过公式（2）可以算出出柴油机单缸的功率为12.45kW，四缸的指示功率就是49.8kW。而实验测得的同等工况下的有效功率为48.34kW。有效功率是指示功率扣除机械损耗之后的功率，由于台架实验测功机与发动机通过联轴器直接相连，机械损耗只有发动机内部的一小部分摩擦等损耗。因此在论文中看作两者近似相等。因此，可以认为在动力性上，结果是准确的。

排放的比较本文选取双燃料发动机里十分典型的排放物，碳氢化合物（见图2）。根据实验数据，该工况下碳氢化合物的排放为93ppm，根据反应前后质量守恒的原则，可以通过喷入气缸的柴油量、天然气量和进入的空气大致计算出试验所得的碳氢化合物质量为0.124g，仿真计算的结果为0.112g。从试验数据和仿真计算结果对比可以得到，两者之间的结果误差在10%以内。因此，认为碳氢化合物的排放结果是准确的。

还有碳氧化合物以及氮氧化物等排放，仿真计算的数值和试验值相差在10%以内，因此认为燃烧室的仿真模型是合理和有效的。

4  高负荷下引燃油量对发动机性能的影响

4.1 理论天然气量下引燃油量对发动机动力性的影响

高负荷下仿真计算选择的是75%油门开度的1500r/min的工况点，选择30%、50%和70%代表低、中、高替代率对动力性进行对比分析，天然气进气量依然根据第2章的方案确定。

由于替代率升高使得引燃油量不断减少，双燃料发动机的点火能量也在不断减少。此时压力变化率开始出现极大差异。说明引燃油量的不同导致点火能量的差异。因此，在保证天然气量按照理论计算值供给的同时，随着引燃油量的减少，气缸内的最大压力也不断下降（见图3）。

缸内压力是表示动力性的一项重要指标，缸内压力的减少就会导致气缸内燃料燃烧的内能对活塞所做的指示功的减少。由图4可以看出，随着替代率的升高指示功在不断下降，动力性随替代率上升而下降。

由图4可得三个引燃油量下发动机输出功率：（表2）

三个引燃油量下都出现了动力性不足，而在高替代率时尤其明显（见表2）。究其原因，一个是因为高负荷时喷入气缸的柴油和天然氣比低负荷和中负荷时更多，但空气进气量却相差不大，所以空气进气量出现不足。在高替代率时，由于天然气喷射量更多，而天然气的理论空燃比比柴油更大，需要更多的空气，因此燃料无法彻底燃烧。第二个原因是因为在高替代率时引燃油量过少，导致点火能量不足，影响气缸内的燃烧情况。

低、中、高三个替代率下气缸内的温度都是正常的燃烧温度，低替代率和中替代率时缸内温度接近3000K，也说明此时燃烧情况良好，燃料可以充分燃烧。在燃料充分燃烧的前提下却出现动力性的不足，说明总燃料不够（见图5），可以增加引燃油量或天然气供给量。

4.2 理论天然气量下引燃油量对发动机经济性的影响

研究低、中、高三个替代率对双燃料发动机经济性的影响，如表3所示。

燃料消耗率随着替代率的升高而下降，主要原因是由于动力性的下降，在提高动力性的前提下，双燃料发动机的燃料经济性也会随之上升。想要减少引燃油量，就必须比理论的天然气供给量喷射更多的天然气才能达到原机的动力性。

4.3 恒定天然气量下引燃油量对发动机动力性的影响

高负荷在70%替代率的引燃油量下出现了动力性不足的情况，导致动力性不足的原因是燃料供给不足。针对引燃油量，论文在70%替代率的理论天然气供给量之下，将引燃油量增大10%和20%，研究引燃油量的变化对双燃料发动机动力性的影响。

由图6可知，替代率越小，即引燃油量越大的时候缸内压力也越大，越接近原机的动力性，这说明缸内燃烧情况随着引燃油量的增加得到改善。

由示功图图7可知，随着引燃油量的增加，燃烧内能所输出的指示功也呈现上升的趋势。根据计算可得（见表4）。

在天然气进气量恒定的情况下增加引燃油量，双燃料发动机的输出功率也随之上升，这说明动力性出现不足的原因是燃料不足，增加了引燃油量之后动力性得到明显的改善。

4.4 恒定天然气量下引燃油量对发动机经济性的影响

基于恒定的天然气量，引燃油量的改变导致双燃料发动机动力性的改变，燃料经济性也随之改变。

由于引燃油量的增加，双燃料发动机动力性得到改善，原本相比于单燃料模式下偏小的输出功率也随着引燃油量的增加而上升。在燃料消耗量差别不大的情况下，在高替代率时增加天然气进气量使得输出功率上升，可以有效改善燃料消耗率。因此，在供给高于理论值的天然气量的前提下，可以选择70%的替代率（见表5）。

5  总结

本文基于计算机仿真模型对双燃料发动机在高负荷下引燃油量及替代率对双燃料发动机的燃烧的影响进行研究，得到如下结论：①根据理论计算的喷油量和天然气供给量可以满足双燃料发动机的动力性。②在高负荷下，以理论天然气供给量为基础，随着引燃油量的减少，双燃料发动机的动力性由于点火能量的不足而下降;而随着引燃油量减少的同时，燃料消耗率总体上呈现上升的趋势。③在双燃料模式下，高负荷的替代率选择70%。

参考文献：

[1]Chandra R， Vijay V K， Subbarao P M V， et al. Performance evaluation of a constant speed IC engine on CNG， methane enriched biogas and biogas[J].Applied Energy， 2011， 88（11）： 3969-3977.

[2]Von Mitzlaff K.，Engines for biogas，Friedr.Vieweg & sohn Verlagsgesellschaft GmbH，1988.

[3]Kettrup AA F， Kicinski H G， Masuch G. Investigating the effect of hydrogen peroxide on Norway spruce trees[J]. Analytical Chemistry， 1991，63（21）： 1047A-1056A.

[4]Namasivayam A M， Korakianitis T， Crookes R J， et al. Biodiesel， emulsified biodiesel and dimethyl ether as pilot fuels for natural gas fuelled engines[J].Applied Energy， 2010， 87（3）： 769-778.

[5]冯春龙.柴油LNG双燃料发动机燃烧过程数值计算研究[D].江苏科技大学硕士学位论文，2014.

[6]张武高，周明，欧阳明高.柴油天然气双燃料发动机的燃烧特性分析[J].内燃机学报，2000，18（3）：299-304.