双燃料发动机技术浅析

王健

关键词：发动机；天然气；柴油

引言

随着石油资源的逐渐紧缺，寻找发动机替代能源成为各国政府和相关研究机构共同关注的问题。天然气(NG)的主要成份是CH。，它是一种清洁燃料。和石油资源相比，中国拥有比较丰富的天然气资源，从能源供应结构出发，中国政府首先鼓励和支持天然气汽车的发展。双燃料发动机(一般指柴油／天然气发动机)，以天然气为主要燃料，可以克服柴油机NO和PM高排放的缺点，使发动机在整个工作过程中几乎可以无烟运行，并且与中国现阶段的天然气供应状况相适应，因此具有良好的发展前景。

1双燃料发动机技术

由于天然气在常温下为气体，因此作为车用燃料时必须压缩(CNG)或液化(ING)。表1是天然气的燃料特性与其它车用燃料特性的对比。从天然气的特性可以看出，天然气具有比较高的

单位质量热量，比较高的辛烷值(RON)，正是因为这种特殊性质，天然气既可以作为压燃式发动机燃料，在柴油／天然气双燃料发动机中使用，也可以作为单一燃料点燃式发动机的燃料J。

1．1燃烧特性

双燃料发动机的主要燃料天然气，在进入缸内时存在不同程度的均相混合过程，缸内的可燃混合气是在上止点附近通过喷射少量柴油引燃，与柴油机点火方式类似，高压喷射进入缸内的引燃柴油雾化并依靠高温的压缩空气加热着火，着火的引燃柴油再将混合气点燃。双燃料发动机工作时同时燃烧柴油和天然气，天然气是主要做功燃料，柴油仅用于引燃天然气。由于2种燃料的不同物理性质，使得双燃料发动机燃烧过程类似于柴油机，其主要燃烧特点是：

a．天然气十六烷值很低，可燃性能差，因此发动机的最高燃烧压力和温度较低，表现为发动机工作柔和，NO排放比柴油机低。图1为双燃料发动机的着火延迟与燃料当量比的关系j，CH的着火延迟比柴油大许多，这导致燃烧拖后，热效率降低；另外，发动机随负荷的增大，着火延迟期缩短，最佳点火喷油时刻推后，而天然气的着火延迟期在小负荷时随负荷增加而增大，在中大负荷时随负荷增加而减小。

b．天然气的RON为130，具有较高的抗爆震性能，但由于应用于双燃料发动机时发动机的压缩比没有改变，发动机存在爆震倾向，因此改装后的双燃料发动机的喷油提前角应适当推迟。

C．虽然天然气的可燃极限范围较宽，但在发动机上由于燃烧时间有限，在小负荷时双燃料发动机存在一定程度的不完全燃烧或失火现象，使小负荷时发动机的经济性降低，HC和CO排放增加。

1．2基本工作特点

双燃料发动机同时使用天然气和柴油，因此具有两种不同的燃料供给系统，一般天然气通过进气管混合后以混合气方式在扫气过程进入燃烧室，而柴油则通过高压油嘴喷射进入燃烧室。

a．换气短路损失。现在使用的双燃料发动机都是在现有的柴油机基础上直接改装的，天然气／空气的混合气多数是在缸外混合后进人缸内，在扫气过程中不可避免导致部分天然气没有燃烧直接排出燃烧室，造成HC和CO排放增加。

b．高压缩比。常规的柴油发动机为了得到较高的功率和好的冷起动性能，压缩比在13-19：1范围内。改装为双燃料发动机时，发动机的压缩比一般不必改变，这是因为双燃料发动机的混合气是靠柴油点燃的，在缸内分布广阔的柴油能够使混合气快速燃烧；另一方面，天然气的RON为130，具有良好的抗爆震性能。

C．小负荷工作。小负荷工作特性是双燃料发动机一个重要的特性，这主要是因为其在小负荷时混合气浓度过稀，燃烧过程进行缓慢，不完全，降低了发动机的经济性和动力性，同时发动机的排放也增加。

2典型的双燃料发动机

双燃料发动机的非甲烷HC排放比汽油机低9o％，而甲烷排放则高出9倍，CO排放约为汽油机的20％-80％，而NO排放差异较大，这主要与发动机引燃柴油的喷射量和混合气的燃烧过程有关。

2．1预燃室双燃料发动机

采用预燃室能够提高发动机的抗爆震性能，有利于增加发动机的平均有效压力。如Cooper公司的Cleanburn双燃料LSVB系列双燃料发动机，其标定功率为6102．9kW，Cleanburn系统减小了引燃柴油量，使烟度几乎不存在，标定点的NO排放比原机减少了92％，为1．21g／kW·h。

2．2直喷式双燃料发动机

采用预混合方式提供天然气，不可避免地要降低发动机充气效率，存在一定程度的换气损失，发动机有爆震倾向，这导致发动机的功率减低，油耗增大，采用天然气缸内直接喷射可以消除这些不利因素，提高发动机的性能。目前存在的主要问题还是直喷式系统的成本过高，系统的可靠性还有待进一步检验。

3双燃料发动机的发展动向

3．1从常规喷射向微喷射发展

普通的双燃料发动机，其引燃柴油喷射系统仍采用原柴油机上的喷油系统，发动机工作在双燃料方式时，通过机械或电控执行器减小喷油泵的供油量，通常喷油泵的最小供油量可以达到全负荷油量的5％。这样引起的主要问题是：

a．喷油器的喷油量过小，容易导致喷油器过热；

b．在双燃料工作方式，发动机的NO排放虽比原柴油机低，要想进一步降低NO排放，必须减少引燃柴油循环喷油量；

c．在双燃料工作方式，发动机的烟度大幅度减少，但颗粒(PM)排放仍较高，减小颗粒排放，必须减少引燃柴油循环喷油量；

d．从经济性考虑，柴油消耗量越少越好，因此也有必要减少柴油喷射量。

3．2从预混合进气向缸内喷射发展

为了减少预混合扫气短路损失，强化缸内燃烧过程，提高双燃料发动机的经济性，一些最新的技术采用天然气缸内喷射技术，将天然气和柴油高压喷人燃烧室，这样发动机可以保证高压缩比和高强化前提下，同时获得好的经济性和低的排放，特别是低的NO排放数值J