摘要：为在柴油机上应用液化天然气，将电控共轨柴油机改装为柴油引燃天然气的双燃料发动机，天然气在进气歧管前通过混合器与空气混合，引燃柴油由原高压共轨系统供应，喷油量和喷油正时由双燃料电控单元（electronic control unit，简称ECU）控制。在双燃料发动机试验台架上，对比研究发动机转速为1 200 r/min，负荷率为25%、75%时，原柴油机与双燃料发动机的燃烧循环变动。结果表明，与原机相比，双燃料发动机峰值压力循环变动系数、峰值压力升高率循环变动系数和平均指示压力循环变动系数均升高；与25%负荷率相比，75%负荷率时，原机的峰值压力循环变动系数和峰值压力升高率循环变动系数增大，平均指示压力循环变动系数降低；双燃料发动机的峰值压力循环变动系数、峰值压力升高率循环变动系数和平均指示压力循环变动系数均降低。

关键词：电控共轨；柴油机；液化天然气；双燃料；循环变动

中圖分类号： TK46+4文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）15-0209-05

随着能源危机和环境污染的进一步加剧，代用燃料应用技术得到了快速发展。在众多车用代用燃料中，天然气凭借其辛烷值高、燃烧清洁和价格低廉等特点，占据了较大的市场份额。天然气在汽油机和柴油机上均可应用，一般情况下，以压缩天然气（CNG）或液化天然气（LNG）的形式应用于车上。20 MPa的CNG的密度为175 kg/m3，而LNG的密度为 435 kg/m3，因此，LNG应用于重型车上具有续驶里程长的优势[1]。

往复式内燃机以柴油机和汽油机为主，柴油机为扩散燃烧，汽油机为预混合燃烧，而LNG-柴油双燃料发动机的燃烧过程既包含引燃柴油的扩散燃烧，也包含天然气的预混合燃烧[2]。LNG-柴油双燃料发动机的天然气与空气预混合进入汽缸，但由于其自燃温度较高，在压缩冲程不能够自燃，所以在接近压缩冲程终了时，喷入少量柴油，柴油自燃后引燃周围的天然气和空气的混合气[3-4]。这种燃烧方式不但降低了碳烟和氮氧化合物（NOx）排放，还具有较高的热效率[5-6]。

近年来，随着排放标准的进一步提高，柴油机喷射系统得到了快速发展，电控高压共轨喷射系统的应用逐渐广泛[7-8]。与传统柴油机相比，电控共轨柴油机的喷油正时和喷油量控制精确且方便，这有利于LNG-柴油双燃料的应用[9]。

燃烧循环变动是指发动机在某一稳定工况下，某个气缸相邻循环燃烧过程的变化[10-11]。与汽油机相比，柴油机进入气缸的只是空气，各缸的喷油量比较均匀，而且空气量比较充足，所以柴油机的循环变动相对较小，但柴油引燃天然气双燃料发动机在燃烧过程中具有预混燃烧和扩散燃烧的特殊性，有必要对其循环变动特性展开研究，对于认识这一复杂的燃烧过程、阐明循环变动产生的原因、寻求降低循环变动特性的措施意义很大[12-13]。

为研究电控共轨柴油机燃用LNG-柴油双燃料的燃烧循环变动，在1台电控共轨柴油机上加装天然气供给系统和电控系统，控制引燃柴油的喷射量、喷油正时和天然气供给量。在双燃料发动机试验台架上，对比分析原机与LNG-柴油双燃料发动机的峰值压力循环变动、峰值压力升高率循环变动和平均有效压力循环变动，为开发电控共轨柴油引燃天然气双燃料发动机提供研究基础。

1试验方法与数据处理

1.1试验装置

试验用LNG-柴油双燃料发动机由1台6缸、4冲程、增压中冷、强制水冷、电控共轨、直喷式柴油机改造而成，其主要性能和结构参数见表1。

试验用发动机台架测试系统如图1所示，在原柴油机控制系统的基础上，增加LNG-柴油双燃料控制系统。双燃料发动机控制系统与原机共享冷却水温度、曲轴位置、凸轮轴位置、油轨压力等信号。双燃料ECU可控制柴油喷油器及天然气供给系统的通断电磁阀和天然气喷射电磁阀，也可监测天然气液位和压力等。双燃料模式下，发动机的轨压、涡轮增压、废气再循环等仍由原机ECU控制。双燃料ECU可以通过控制外部继电器进行双燃料发动机的工作模式转换。

天然气混合器安装在发动机的进气总管上，在混合器内天然气与空气混合后进入发动机。缸压采集及放热率分析采用奇石乐（Kistler）公司的6052A型压电式缸压传感器、5019型电荷放大器及2893A型Kibox燃烧分析仪。缸压传感器安装在气缸盖上，采集到的信号为电荷信号，经电荷放大器放大处理后转化为正比于缸内压力的电压信号，并传给燃烧分析仪。电涡流测功机用来对发动机的转速、功率、水温、进气温度等参数进行监控和测量。

1.2试验方法

试验工况选取的发动机转速为1 200 r/min，负荷率为25%（27 kW）、75%（79 kW）。试验时，首先在选定工况下，采集原柴油机的缸内压力。然后使发动机以天然气-柴油双燃料模式运行，在油门位置不变的前提下，调节引燃柴油量和天然气供给量，将引燃柴油的喷油正时调节为最大转矩喷油正时，使双燃料发动机以相同转速和功率输出运行，运行平稳后采集双燃料发动机的缸内压力。连续测量100个工作循环的缸内压力，压力传感器采集的缸压信号，经电荷放大器放大后传送至燃烧分析仪。各工况双燃料发动机的天然气与柴油供给量、掺烧比和引燃柴油喷油正时见表2。

双燃料发动机的天然气与空气为预混合，而且多点同时着火，燃烧速率快，等容度比原机高，所以其峰值压力平均值较高。由于天然气的着火是由柴油引燃，而引燃柴油的喷入状态受到多种因素的影响，很难保持各循环喷入状态完全相同，所以各缸着火点的数量和能量均不相同，引起双燃料的峰值压力标准差增大，此外，由于天然气燃烧火焰传播速度较低，也导致其峰值压力标准差增大[14]。与25%负荷率相比，75%负荷率时，柴油机缸内温度升高，燃烧状况得到改善，缸内压力逐步升高；对于双燃料发动机来说，与25%负荷率相比，75%负荷率时，天然气-空气混合气变浓，再加上多点同时着火，燃烧加快，缸内压力升高幅度较大。

不同負荷下，原机与双燃料发动机的峰值压力循环分布对比如图3所示。可以看出，与原机相比，双燃料发动机峰值压力所对应的曲轴转角（φpmax）分布分散；25%负荷率时，双燃料发动机的峰值压力循环分布极其分散；随着负荷的增大，天然气-空气混合气变浓，燃烧得到改善，75%负荷率时峰值压力循环分布相对集中。

2.2峰值压力升高率循环变动

不同负荷率下，原机与双燃料发动机的缸内峰值压力升高率随循环序数的变化如图4所示，峰值压力升高率平均值[（dp/dφ）[TX-]max]和标准差见表4。与原机相比，双燃料发动机峰值压力升高率平均值升高，标准差增大；75%负荷率时，双燃料发动机的峰值压力升高率平均值比原机的升高幅度大，这是因为压力升高率由缸内压力对曲轴转角微分得到，微小的压力变化都会造成压力升高率较大的波动[15]。与25%负荷率相比，75%负荷率时，原机与双燃料发动机缸内峰值压力升高率平均值和标准差均增大。

不同负荷下，原机与双燃料发动机的缸内峰值压力升高率循环分布如图5所示。与原机相比，双燃料发动机峰值压力升高率所对应的曲轴转角[φ（dp/dφ）max]分布分散；25%负荷率时，双燃料发动机的峰值压力升高率循环分布极其分散，随着负荷率的增大，天然气-空气混合气变浓，燃烧得到改善，所以75%负荷率的相对集中。

2.4循环变动系数

从图7可以看出，与原机相比，双燃料发动机峰值压力循环变动系数、峰值压力升高率循环变动系数和平均指示压力循环变动系数均升高；与25%负荷率相比，75%负荷率时，原机的峰值压力循环变动系数和峰值压力升高率循环变动系数增大，平均指示压力循环变动系数降低；双燃料发动机的峰值压力循环变动系数、峰值压力升高率循环变动系数和平均指示压力循环变动系数均降低。

柴油机进入气缸的只是空气，各缸的喷油量比较均匀，而且[CM（25]空气比较充足，所以循环变动相对较低。双燃料发动机的工作方式有所不同，双燃料发动机的循环变动包括引燃柴油燃烧和天然气燃烧2个部分，引燃柴油的燃烧波动会造成更严重的天然气燃烧波动。另外，双燃料发动机燃烧循环变动系数增大也因为天然气以气态形式进入汽缸，占用一部分汽缸容积，混合气氧浓度降低，使引燃柴油与氧气接触的概率降低，难于着火燃烧；双燃料发动机25%、75%负荷率下，引燃柴油量分别为原机该工况下的13.92%、7.36%， 喷油量的大幅降低造成喷油雾化性能恶化，部分柴油无法正常压燃着火；引燃柴油的量降低，天然气的点火数量和能量减小，也会导致天然气燃烧恶化甚至失火[16]。随负荷增大，天然气-空气混合气变浓，双燃料发动机缸内温度升高，缸内燃烧条件得到改善，燃烧循环变动系数均降低[17]。

3结论

在双燃料发动机试验台架上，对比研究了发动机转速为1 200 r/min，负荷率为25%、75%时，原柴油机与双燃料发动机的燃烧循环变动。研究结果表明，与原机相比，双燃料发动机峰值压力、峰值压力升高率和平均指示压力的平均值和标准差均增大。与25%负荷率相比，75%负荷率时，原机和双燃料发动机的峰值压力、峰值压力升高率和平均指示压力的平均值均增大。与原机相比，双燃料发动机的峰值压力循环分布和峰值压力升高率循环分布分散；与25%负荷率相比，75%负荷率时，双燃料发动机的峰值压力循环分布和峰值压力升高率循环分布相对集中。与原机相比，双燃料发动机峰值压力循环变动系数、峰值压力升高率循环变动系数和平均指示压力循环变动系数均升高；与25%负荷率相比，75%负荷率时，原机的峰值压力循环变动系数和峰值压力升高率循环变动系数增大，平均指示压力循环变动系数降低；双燃料发动机的峰值压力循环变动系数、峰值压力升高率循环变动系数和平均指示压力循环变动系数均降低。由结果可知，双燃料发动机的峰值压力循环变动系数、峰值压力升高率循环变动系数和平均指示压力循环变动系数具有较强的相关性。

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