柴油

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第24卷（2003）第6期内燃。机工程柴油h天然气发动机的爆震燃烧特性的研究马志豪\徐斌\姬爱玲\段开涛2，曾亚兵2，韩勇3；2.拖集团有限公司；3.深圳天地集团股份有限公司）和双燃料发动机的示功图和放热率的对比，将双燃料发动机的爆震燃烧分为三种形式，并分析了双燃料发动机爆震燃烧的主要影响因素。

导致燃烧爆震的发生。本文以天然气作为主燃料来研究双燃料发动机的爆震燃烧特性。天然气用于压燃式发动机后，其工作过程可能存在三种形式的爆燃：柴油爆燃，柴油燃烧后点燃天然气而产生的爆燃和主燃料自燃所产生的不稳定爆燃。试验结果表明：双燃料发动机的爆燃取决于负荷和转速、燃烧温度、引燃柴油与天然气的比例以及缸内紊流情况；通过增加引燃油量，减少主燃气量可使运转状况得到改善。

2试验装置发动机性能的测试系统如所示。缸内压力由安装在气缸头上的压力传感器测量。

1概述目前，由于环境及矿物燃料的排放问题，以天然气为燃料的发动机研究在世界各国不断深入。

天然气发动机的燃油供给系统与液体燃料发动机略有不同。与柴油发动机相比，天然气发动机着火延迟长、燃烧速率低，自燃温度达704°cl1.因为压缩上止点的温度比自燃温度低，如果没有点火手段，天然气无法用于压燃式发动机。对天然气/柴油双燃料发动机，主要的燃料（天然气）在进气道内就与空气混合。在压缩冲程，燃气、空气混合物被压缩，在压缩上止点前，作为引燃的柴油喷入气缸点燃可燃混合气，因此双燃料发动机的燃烧过程界于点燃和压燃发动机之间。天然气的燃烧持续时间较长，热量传给已燃气体所需的时间随之增长，：2003~03>28基金项目：河南省杰出青年基金项目（2001年度）；河南科技大学校科研基金（20020012）烧纯柴油时缸内压力和放热率随曲轴转角的变化3.2.2柴油燃烧后点燃天然气而产生的爆燃在双燃料发动机中，点火发生在延迟期后燃烧室的不同位置，形成多点点火，不同于火花点火发>uru动机的单点点火过程。它包括两个、阶/段：点火和燃publishingtouse.alin运ms研究样机是xn2100型直接喷射式柴油发动天然气的主要成分选用中原油田的天然气，主要成分见表1.表1天然气主要成分3试验结果3.1缸内压力和放热率曲线为双燃料发动机标定工况下气缸压力和放热率曲线。从图中可以判断出，该双燃料发动机的燃烧特性介于压燃和火花点燃发动机之间，包括点火和燃烧两个发展阶段，从而可能会产生三种形式的爆燃。根据其燃烧特性，将燃烧过程分为五个阶段：引燃柴油的着火延迟阶段ab、引燃柴油的预混合燃烧阶段bc、主燃料着火延迟阶段cd、主燃料的快速燃烧阶段de和扩散燃烧阶段ef.放热率曲线显示了引燃柴油在燃烧时具有较低的放热率（bc），且没有明显的峰值，这说明柴油燃烧后的瞬间已经把天然气点燃，从而出现了不断增加的放热率曲线，直至最大放热率，所以作为主燃料的天然气燃烧时具有最高的放热率（de）。

3.2双燃料发动机的爆震燃烧3.2.1柴油的爆震燃烧为发动机在标定工况燃用纯柴油时缸内压力和放热率曲线。与比较，双燃料发动机的着火翻期比柴油机长。在相同的喷油时刻下纯柴油燃烧开始时刻在上止点前6. 3*ca；双燃料则是在上止点前3.53ca.这是因为对双燃料发动机来讲，着火延迟期内作为引燃剂的柴油的浓度很低，只有达到其可燃温度和浓度时才开始燃烧。柴油机运转时，着火延迟随转速的增加而增加；而对双燃料发动机而言，参与燃烧的预混合引燃柴油量同样随转速的增加而增加。从示功图上看，引燃柴油自燃而产生的缸内压力的升高也是明显的，但是它低于最高峰值压力。

烧阶段。第一次燃烧是引燃柴油的自燃，经过一个时间间隔后（的cd段），第二次燃烧开始。这个有限的时间间隔足以把热量传递给天然气r空气混合气，使其压力、温度和反应速率增加。这些过程受燃烧室形状和缸内气体紊流强度的影响。在高负荷及高温下运转时，缸内压力波动减弱，着火延迟期缩短从而改善了燃烧。当发生化学反应而释放的热量大于向周围环境传递的热量时，气体燃料和空气的混合物也会发生自燃，增加了反应速率。双燃料发动机火花点火爆震燃烧的程度取决于第一次燃烧和第二次燃烧之间的时间间隔，这一间隔量随负荷和燃烧温度的增加而减弱，这与火花点火发动机的情况相反，原因是着火延迟期缩短和燃烧温度升高。

3.2.3双燃料发动机的不稳定爆震燃烧双燃料发动机的不稳定爆燃现象有两方面的原因：（1）燃烧过程中不断有越来越多的天然气参与燃烧；（2）不同运转状况的影响，如发动机负荷、转速、温度以及燃烧过程中氧的浓度等。为标定工况时正常运转的双燃料发动机的缸内压力随曲轴转角的变化曲线。引燃柴油燃烧而产生的第一个峰值压力清晰可见，但比第二个峰值压力低。

最大燃烧压力大幅度降低，着火延迟期较长，引燃柴油的燃烧在膨胀冲程才开始。氧的浓度是影响双燃料发动机的平稳运转因素之一，在双燃料发动机中，天然气部分替代了吸入的空气，因此降低了氧气的浓度。通过增加火焰温度和燃烧速率，可以改善燃烧过程。特别是当双燃料发动机在低负荷运转时，也可以通过增加引燃柴油量、减少天然气量来改善燃烧过程。由此可见，不稳定爆震燃烧随天然气的替代率的提高而加剧。

3.3转速对双燃料发动机的影响双燃料发动机转速的变化主要影响着火延迟和碳烟的排放水平。试验表明，在相同的供油提前角的情况下，发动机在标定工况运转时，双燃料的着火时刻却是上止点前3.5*ca；当发动机在13.5kw、1500r/min工况运转时，双燃料的着火时刻是上止点前2.9*ca.这与一般柴油发动机的着火延迟随转速的增加而增加的情况相反，将使双燃料发动机的碳烟排放量增加。因此，对双燃料发动机适当增大供油提前角会获得满意效果。

4结论对于主燃料（天然气）在进气管内与空气混合后进入气缸的双燃料发动机，其燃烧过程界于压燃和火花点燃发动机之间，燃烧分五个阶段，涉及到点火和燃烧两个阶段的发展过程。

柴油天然气双燃料发动机的爆震燃烧分成三种形式：柴油爆燃、火花点火爆燃和主燃料自燃所产生的不稳定爆燃。

影响爆震的主要因素有引燃柴油量、着火延迟、负荷、转速、气体的流动速率以及第二次点火的时间间隔。增加引燃柴油量，适当减少天然气量可以有效减少爆震燃烧现象的发生。

双燃料发动机的着火延迟随发动机转速的提高而减小，并且着火延迟较长，燃烧速率较慢，最高峰值压力低，初期压力升高率低。

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