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外文翻译喷油定时对柴油天然气双燃料发动机排放性影响
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喷油定时对柴油/天然气双燃料发动机排放性影响
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译文:
Effectofadvancedinjectiontimingonemission
characteristicsofdieselenginerunningonnaturalgas
O.M.I.Nwafor
RenewableEnergy,2007,32:
2361-2368
喷油定时对柴油/天然气双燃料发动机排放性影响
O.M.I.Nwafor
替代能源,2007,32:
2361-2368
摘要
导致全球变暖的温室气体排放日益受人关注,现已证明它主要来源于矿物燃料的燃烧。
科学家一直在寻求绿色的替代燃料,天然气 因其辛烷值高、环保性好被认为最有潜力作为柴油机上的替代燃料。
然而进一步研究表明,天然气燃烧速率低,着火延迟长,从而产生高的升功率使柴油机易产生爆燃。
这项实验研究了基于柴油机的双燃料发动机喷油定时对排放性的影响:
柴油机标准喷油定时为30°BTDC。
当喷油定时调整为35.5°BTDC时,发动机运转不稳,而当喷油定时变为33.5°BTDC时发动机运行顺畅,特别是在低负荷工况下。
故把33.5°BTDC定为优化喷油定时。
试验表明,虽然燃料消耗略有增加,但着火延迟缩短,CO、CO2排放量降低。
关键词:
一氧化碳(CO);二氧化碳(CO2); 碳氢化合物(HC)排放; 着火延迟
1引言
1997年东京各国首脑会谈关注的焦点是温室气体排放对全球环境的影响。
它能导致洪灾、山体滑坡等,2005年在美国发生的Katrina、Rita和Wilma飓风就是最好的例证。
这都是由于矿物燃料燃烧产生大量温室气体CO2所致。
许多科学家在寻找替代传统矿物燃料的绿色燃料(Nwafor[1]、LoweandBranhan[2]、HorieandMishizawa[3]),他们不约而同对天然气作为未来柴油机上的替代燃料极为看好。
然而天然气要真正替代柴油还有很多问题要解决。
比方说,天然气自然温度高,这就要求配有着火系统。
再者,天然气因燃烧速率低,着火延迟长,从而缸内压力波动大。
不过从最近关于双燃料发动机性能、排放研究可知(Nwafor[4]、StoneandLallommatos[5] 、KarimandAli[6]),天然气辛烷值高(RON131),故抗爆性好,可以通过提高压缩比来改进发动机的性能。
这个试验研究了基于柴油机的双燃料发动机喷油定时对排放的影响(以天然气为主要燃料柴油-天然气双燃料发动机)。
在压缩行程终了吸入空气-天然气混合气,并喷入一定量的柴油引燃混合气。
所需引燃柴油量受爆燃限制(RaniandRice[7]、Nwafor[8]),随柴油量增加,天然气减少,爆燃趋势减弱。
优化喷油定时是为了补偿着火延迟和燃烧速率低的影响。
研究表明,与标准喷油定时相比,发动机在优化喷油定时下,HC、CO2排放量下降,着火延迟缩短,但燃料消耗量大。
发动机在全柴油运行下,HC排放最低,CO排放最高。
总的来说,在低负荷、低转速下,优化喷油定时对发动机排放改进很有用,但在高负荷下,发动机温度起着决定作用。
2实验装置
这个试验所用的发动机为一个Petter型AC1单缸柴油机,它是一种空冷高速直喷式发动机。
功率计包括一个分流式Mawdsley型直流发电机和一个能量储存器,力矩则是由相当于
牛顿弹簧测量范围的装置测得。
燃烧室压力由Kistle型7063A压力计测量(这个压力计是水冷电控压电式的,灵敏度为79pc/bar),再通过数字示波器显示,并把结果储存到软盘里以便随后分析缸内压力最大升高率。
排气歧管压力由普通U型压力计测量,空气流量由Viscous流量计测。
和测量缸内壁温度一样,进、排气道安装有热敏电阻可以监控气体温度变化。
柴油由喷油泵输到喷油器,它的流量由一个50cm3的分级式滴管和秒表共同完成。
天然气流量由一个能测量多样空间的转子流量计测得,相对温度和环境温度由Vaisala型温度计测,空气-天然气混合气由安装在进气歧管的气体控制阀控制。
2.1天然气组成成份
氮2.18%甲烷92.69%乙烷3.43%
二氧化碳0.52% 丙烷0.71%异丁烷0.12%
正丁烷0.15% 正戊烷0.09%正己烷0.11%
毛热值=38.59 MJ/m3
净热值=34.83MJ/m3
Wobbe数=49.80MJ/m3
空燃比=16.65:
1
柴油净热值=42.70MJ/kg
柴油相对密度=0.844
2.2发动机数据
缸径=76.20 mm
行程=66.67 mm
排量=304cc
压缩比=17
喷油压力=183 bar
标准喷油定时=30°BTDC
优化喷油定时=33.5°BTDC
3实验结果
3.1一氧化碳(CO)排放
CO排放量与空燃比有关,它是表明发动机燃烧效率的一个参数。
图1和图2分别显示了发动机转速在3000rpm和2400rpm时,双燃料发动机CO排放情况。
由图可知,发动机不同转速下,CO的排放特性是不同。
总的来说,在发动机运转在双燃料时,与标准喷油定时相比,优化喷油定时下CO排放量明显低。
两者CO排放变化趋势相似,但CO排放量集中区段不同。
全柴油运转时,CO排放量最少,但它随负荷增加而加大。
CO排放量最大点是在全柴油运转高负荷下产生的。
图1CO排放
(n=3000rpm)
图2CO排放
(n=2400rpm)
3.2二氧化碳(CO2)排放
图3和图4显示了CO2的排放特性。
由图可知,喷油定时对CO2排放影响很大。
在优化喷油定时下,不管发动机处于哪个转速下,CO2的排放都很低。
CO2排放量最高是在全柴油运转下,而在标准喷油定时下,CO2排放量处于中间。
试验表明,随空燃比的减小,CO2的排放量呈增多趋势。
我们知道在理想燃烧下,燃料燃烧产物为CO2和H2O,故CO2可以作为衡量燃烧效率的一个参数。
使发动机排放尽量多的CO2和少的HC一直是我们追求的目标。
图3CO2 排放
(n=3000rpm)
图4CO2 排放
(n=2400rpm)
3.3碳氢化合物(HC)排放
图5显示了发动机转速为3000rpm时,分别在双燃料和全柴油运行下HC的排放。
全柴油运行下,HC排放量最少。
与标准喷油定时相比,在优化喷油定时在低负荷下排放低但在高负荷下排放高。
图6显示发动机转速为2400rpm时HC的排放性与图5相似。
实验表明,在燃烧开始时,有大量天然气未及时参与反应,这可能是因为天然气燃烧速率慢的原故。
双燃料运行下,HC排放量大主要原因有:
稀薄燃烧、缸内壁熄火作用、天然气-空气混合气不均匀等。
由图还可知,不同工况,不管是在标准喷油定时还在优化喷油定时HC排放量都比较高。
当在进气行程,由于气门重叠角大导致大量已吸入的新鲜气又被排出很可能是重要原因。
图5HC排放
(n=3000rpm)
图6HC排放
(n=2400rpm)
3.4着火延迟
着火延迟指柴油机燃料被引燃到燃料正式燃烧之间的时间段。
图7和图8显示了发动机在双燃料和全柴油运行下,着火延迟的情况。
从两图中可知,虽发动机转速不同,但全柴油运行下着火延迟都比较短。
与优化喷油定时相比,标准喷油定时在高负荷下着火延迟长。
在发动机转速为2400rpm时,双燃料与全柴油运行着火延迟有明显不同,标准喷油定时下着火延迟最长。
实验知,双燃料下,随转速下降,着火延迟变长,这与全柴油运行下刚好相反。
因为在低转速时,大量气体参与预燃从而增加了发动机爆燃趋势。
在双燃料运行下总的比全柴油运行下着火延迟要长,因天然气自燃温度(704oC)比柴油(245oC)高很多,在压缩行程终了缸内温度达不到气体自燃温度。
柴油的雾化程度和喷油锥角取决于缸内气体密度,雾化不良导致着火延迟长可能是由于油滴原因。
图7点火延迟
(n=3000rpm)
图8点火延迟
(n=2400rpm)
4结论
试验表明,替代燃料都有着火延迟特性,有人认为是受发动机负荷和转速和影响。
同时每一种替代燃料都有各自的最佳喷油定时,试验发现,在最佳喷油定时下,发动机的燃料消耗量都略微增加,但CO2的排放量明显下降,CO排放集中的也下降。
在双燃料运行下,HC排放比较高,但在优化喷油定时下,它的排放有明显改进。
在双燃料时,与标准喷油定时相比,优化喷油定时在低负荷运行下优为顺畅,但当喷油定时调整为35.5°BTDC时,发动机运转就不稳了。
在高负荷下,燃烧温度起决定作用,进而增加了柴油的蒸发可缩短着火延迟。
故调整喷油定时不适合高负荷工况。
双燃料发动机据说受着火延迟影响。
参考文献
1O.M.I.NwaforandG.Rice,Combustioncharacteristicsandperformanceofnaturalgasinhighspeed,indirectinjectiondieselengine,WREC,UK(1994)p.841.
2W.LoweandR.T.Brandham,Developmentandapplicationofmediumspeedgasburningengines,IMechE186(1971),p.75.
3K.HorieandK.Mishizawa,Developmentofahighfueleconomyandperformancefour-valveleanburnengine,IMechEC448/014(1992),p.137.
4O.M.I.Nwafor,Effectofadvancedinjectiontimingontheperformanceofnaturalgasindieselengine,IntJIndianAcadSci,Sadhana25(2000),p.11.
5C.R.StoneandN.Ladommatos,Designandevaluationofafast-burnsparkignitioncombustionsystemforgaseousfuelsathighcompressionratios,JInstEnergy64(1991),p.202.
6G.A.KarimandA.I.Ali,Combustion,knockandemissioncharacteristicsofanaturalgasfuelleds.i.engineswithparticularreferencetolowintaketemperatureconditions,IMechE189(25/75)(1975),p.135.
7BariS,RiceG.Knockingingas-fumigateddual-fuelengine.In:
Proceedingsofthefourthinternationalconferenceonsmallengines,theirfuelsandtheenvironment.21–24September1993.
8O.M.I.Nwafor,Effectofoxygensupplyondual-fuelengineperformanceusingnaturalgasasprimaryfuel,JAMSE,Modelling,SimulationControl,Fr71(3)(2002),p.29.
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