双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究尧命发精.docx
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双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究尧命发精
文章编号-0312-********双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究
尧命发1,段家修1,覃 军2,许斯都1,付晓光1
（1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;2.广西玉柴机器股份有限公司,广西玉林537000
摘要:
从热力学和内燃机燃烧的基本理论入手,推导了计算分析双燃料发动机缸内工质成分和热力学参数的计算关系式以及求解双燃料发动机燃烧放热规律的微分方程式,基于面向对象技术开发了双燃料
发动机燃烧放热规律计算软件。
研究结果表明:
用传统柴油机分析方法计算双燃料发动机的放热率峰值
偏小,所计算的缸内工质平均温度偏高,新模型计算的结果与实际情况更为吻合。
该分析软件可以适用
于多种燃料发动机,是内燃机燃烧放热规律的通用计算软件。
双燃料发动机燃烧特性研究表明:
双燃料
发动机初始放热率比纯柴油大,若着火始点在上止点后,双燃料缸内最大爆发压力比纯柴油低,否则比
纯柴油高;控制双燃料发动机着火始点是控制缸内最大爆发压力和NOx排放的关键,双燃料发动机着
火始点应在上止点后,可以使发动机爆发压力和NOx排放比纯柴油低。
关键词:
双燃料;燃烧;放热规律;燃烧特性
中图分类号:
TK432 文献标识码:
A
引言
随着内燃机排放法规的日益严格和石油资源危机日益加剧,柴油-气体燃料双燃料发动机应用越来越广泛,柴油机双燃料发动机具有高效率、低排放的优势,但其燃烧特性与纯柴油不同,其燃烧过程是引燃柴油的喷雾扩散燃烧和缸内均质混合气的快速火焰传播过程共同作用。
示功图测试分析是研究内燃机工作过程的重要工具,它可以揭示发动机燃烧的内在规律和特点,为开发高效清洁发动机提供有效的分析手段,被广泛应用于研究和产品开发过程中。
迄今为止,还没有针对双燃料发动机示功图的分析手段,大都采用柴油机的分析方法。
实践证明,这种分析方法和实际双燃料发动机有较大差别。
传统的计算分析方法,如描述缸内工质内能的Just经验公式用于描述双燃料发动机燃烧过程将会导致较大的误差。
本文从热力学和内燃机燃烧原理的基本理论入手,推导了用于分析计算双燃料发动机缸内工质成分、热力学参数及求解燃烧放热规律的微分方程式,在此基础上基于面向对象技术开发了相应的计算分析软件,并研究分析了双燃料发动机的燃烧放热规律以及双燃料发动机的燃烧特性。
1 双燃料发动机放热率分析计算模型
目前,计算双燃料发动机的放热规律通常采用计算柴油机的放热规律程序来进行计算。
计算程序中一般将气体燃料折算成等热值的柴油,这样忽略了气体燃料与柴油热物性之间的差异,从而引起较大的计算误差。
实际上,一方面气体燃料是在进气行程进入缸内的,在压缩行程中缸内的工质与纯柴油有较大差别,另一方面气体燃料的摩尔质量远比柴油小,同样热值的气体燃料的摩尔数远比柴油大,同时气体燃料的热物性参数也和柴油相差较大。
为了减小计算误差,有必要从发动机燃烧过程的基本理论入手来推导双燃料发动机放热规律的计算模型。
1.1 模型的基本假设
（1发动机缸内的热力学过程满足零维假定,即缸内温度、压力和工质是均匀的;
（2柴油和气体燃料按等比例燃烧;
（3柴油和气体燃料完全燃烧,即缸内工质为气体燃料、空气、完全燃烧产物和残余废气等组成;
（4忽略缸内工质泄露,缸内工质总质量变化率即为柴油的燃烧速率。
1.2 缸内工质计算
计算缸内工质时,首先需要求解出柴油和气体燃料组成的混合燃料完全燃烧产物混合气的组成及摩尔分数,并求出完全燃烧产物的摩尔质量。
完全燃烧产物由CO2、H2O和N2组成,由于混合燃料中各元素组成发生了变化,因而双燃料完全燃烧产物中各成分的摩
第20卷（2002第4期 内 燃 机 学 报
TransactionsofCSICE
Vol.20（2002No.4
收稿日期:
2001-06-06;修订日期:
2002-01-28。
作者简介:
尧命发（1968-,男,博士,主要研究方向为内燃机燃烧过程及排放控制技术。
尔分数和摩尔质量也将发生变化。
1kg混合燃料各元
素组分的质量成分为
gi=gi1（1-y+gi2y
Hu1
Hu2
（1
式中:
i表示C,H,O元素组分;gi1,gi2分别为柴油和气体燃料各元素的质量成分;Hu1,Hu2分别为柴油和气体燃料的热值;y为气体燃料的替代率,其定义为 y=mqHu2
mcHu1+mqHu2
（2
式中:
mc,mq分别为柴油和气体燃料单位时间消耗的质量,kg/h。
计算出混合燃料各元素组分后,可以根据完全燃烧化学反应方程式求解1kg燃料完全燃烧后混合气的组成及摩尔分数、完全燃烧产物的摩尔质量以及完全燃烧产物的热力学参数。
1.3 双燃料发动机燃烧放热规律计算热力学模型 由热力学第一定律[1],有
d（mudh=-pdVdh+dQwidh+dQf
dh
（3式中:
m为工质质量,kg;u为比内能,J/kg;p为缸内压力,Pa;V为气缸容积,m3;Qwi为缸内工质与燃烧室壁热交换,对外传热为负,缸壁对工质传热为正,可选用Woschni传热公式进行计算,J;Qf为燃料的燃烧放热量,J。
根据假设,缸内工质由空气、气体燃料、完全燃烧产物和残余废气组成,可将式（3左边展开为
d（mudh=mdudh+u
dm
dh
=∑4
i=1
miCVi+dCVidTTdT
dh+
∑4
i=1
C
Vi
dmi
dhT（4式中:
T为缸内工质温度,K;CVi为缸内工质定容比热,
J/（kmolK,i=1,2,3,4,分别代表空气、气体燃料、
完全燃烧产物和残余废气。
由气体状态方程,有:
dTdh=Vdpdh+pdVdhmR-dmdh1
mT
（5
式中:
R为气体常数,J/（kgK。
累计放热率可由下式求得:
x=∫
h
h0
dQfdh1
mfHu1dh（6式中:
mf为折算的柴油循环供油量;h0为燃烧的起始
角度。
1.4 缸内工质质量计算 （1缸内工质总质量
m=m1+m2+m3+m4
（7
质量变化率为
dmdh=dQfdh
（1-y
Hu1
（8
（2缸内空气变化率
dm1dh=-dQfdhλ1（1-yHu1+λ
2yHu2
（9
式中:
λ1,λ2分别为柴油和气体燃料的当量空燃比。
（3气体燃料质量变化率
dm2dh=-dQfdh
y
Hu2
（10
（4完全燃烧产物质量变化率 dm3dh=dm1dh+dm2dh+dQfdh1-y
Hu1
（11
（5残余废气质量变化率为0,即
dm4
dh
=0（12 联立求解上述方程,即可求出发动机放热率和缸内工质温度。
在上述模型中,若y=0,即气体燃料的替代率为0,为纯柴油情况;若y=1,即为气道进气的火花点火式发动机情况。
所以上述模型是一个通用的内燃机燃烧放热规律计算模型。
基于面向对象（OOP的思想,作者在Window98
平台上用VisualC++
6.0语言编制了计算软件,并且
建立了用于发动机工作过程计算的基础库函数。
该软件用户界面友好,功能易于扩充,为作者进一步开发工作过程计算软件提供了一个基础。
2 模型计算结果比较与分析
图1是某增压水-空中冷双燃料发动机（为了尊重厂家意见,本文未列出原发动机的结构参数和性能参数的最大扭矩和标定功率工况用不同计算方法得到的结果,气体燃料进气方式为混合器进气。
标定功率工况的平均有效压力为0.806MPa,天然气替代率为47.4%,最大扭矩工况平均有效压力为0.926MPa,天然气替代率为51.3%。
计算结果表明,双燃料发动机用柴油机的计算模型算出的放热率比本模型算出的要
小。
主要表现为:
在燃烧前期,最高放热率比新模型小,在燃烧后期新模型比柴油机模型小,但放热规律的形状基本一致。
图2是用两种计算方法计算的缸内工质的平均温度以及和纯柴油相应工况缸内平均温度的比较,新模型的计算值比按纯柴油模型计算的低。
大量数据计算结果表明,这种误差约为2.5%~
3.5%,而且
随着替代率的增加其误差加大。
这主要是由于按双燃料计算缸内工质的摩尔数比纯柴油大。
在图2a中也给出了用柴油机模型的计算结果,按新模型计算的双燃
料缸内工质温度比纯柴油燃料的低,用柴油机模型算出的结果与纯柴油相当。
另外排放测试结果表明,该工
·
313·2002年7月 尧命发等:
双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究
况的NOx排放双燃料比燃用纯柴油低。
这也许证明修正后的模型计算结果与实际发动机工作情况更为吻合。
因而为了客观地描述双燃料发动机缸内工作过程中的工质状态,新模型的修正是必要的,这有助于正确认识双燃料发动机燃烧过程的特点
。
（a
最大扭矩工况（b标定工况
图1 新模型与按柴油机模型计算的双燃料发动机放热规律比较
Fig.1 Comparisontheheatreleaseratecalculatedbythedualfuelenginemodelwiththedieselengine
model
（a
最大扭矩工况（b标定功率工况
图2 新模型与按柴油机模型计算的双燃料发动机缸内温度计算结果比较
Fig.2 Comparisonthetemperatureincylindercalculatedbythedualfuelenginemodelwiththedieselenginemodel
3 双燃料发动机燃烧特性分析
在相同的供油提前角和平均有效压力条件下测
量了两种机型（A和B燃用双燃料和纯柴油的示功
图,并用新模型进行了分析计算,其中A机型为水-空
中冷,油泵带提前器,B机型为空-空中冷,不带提前器。
图3和图4分别是发动机A和B双燃料与纯柴油缸内
压力比较。
图中表明,在最大扭矩工况下,发动机A缸
内的压力,双燃料与纯柴油几乎相当,纯柴油略高;标
定功率工况下,双燃料远大于纯柴油工况。
而发动机B
则相反,标定功率工况下,双燃料缸内最大压力比纯柴
油低。
结合图5和图6燃烧放热规律计算结果可以发
现,最高压力高的共同特征是发动机的着火燃烧开始
点在上止点前。
发动机A带提前器,标定功率工况转
速较高（2600r/min,由于提前器的作用,发动机A
在标定工况的着火开始于上止点前,最大扭矩工况点
的着火开始于上止点后,而发动机B由于没有提前器,
标定点着火开始于上止点后,最大扭矩工况着火开始
于上止点前。
图5和图6示出燃烧放热规律有一个共
同的特点,就是双燃料初期的最高放热峰值比纯柴油
大,因而导致了在上止点前着火工况双燃料缸内最大
爆发压力比纯柴油大,而上止点后着火工况双燃料缸
内最大爆发压力比纯柴油低。
作者在研究天然气替代
率对燃烧过程及排放影响的研究中也发现,对于上止
点后着火的工况,替代率增大时,缸内爆发压力降低,
NOx排放也降低,反之,缸内爆发压力和NOx排放也
升高,因而将双燃料发动机燃烧始点控制在上止点后
是控制其缸内爆发压力和降低NOx排放的关键,同时
燃烧初期的快速燃烧也不至于导致发动机经济性的恶
化。
图3b中双燃料比纯柴油爆发压力大得较多的原因
是由于发动机A是水-空中冷增压发动机,在标定点进
气温度较高,进气管的温度为105℃,温度升高一方面
减少了进气空气量,空燃比减小,另一方面CNG均质
混合气温度高更易着火燃烧,使双燃料初始放热率很
大,从图5b放热率曲线可以清楚地看到双燃料发动机
初始放热率远比柴油大,这导致双燃料发动机最大压
力升高率和缸内爆发压力升高。
但发动机A在最大扭
矩工况以及发动机B的最大扭矩和标定功率工况,双
燃料进气管温度均在60℃左右,初始放热率峰值差
别相应要小些,因而控制增压发动机进气温度是控制·
314
·内 燃 机 学 报 第20卷第4期
（a
最大扭矩工况（b标定功率工况
图3 发动机A的双燃料与纯柴油示功图
Fig.3 ComparisonthepC-φdiagramofdieselenginewiththeduelfuelengineofengine
A
（a
最大扭矩工况（b标定功率工况
图4 发动机B的双燃料与纯柴油示功图
Fig.4 ComparisonthepC-φdiagramofdieselenginewiththeduelfuelengineofengine
B
（a
最大扭矩工况（b标定功率工况
图5 发动机A的双燃料与纯柴油放热规律比较
Fig.5 Comparisontheheatreleaserateofdieselenginewiththeduelfuelengineofengine
A
（b
标定功率工况
（a最大扭矩工况图6 发动机B的双燃料与纯柴油放热规律比较
Fig.6 ComparisontheheatreleaserateofdieselenginewiththeduelfuelengineofengineB
·
315·2002年7月 尧命发等:
双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究
最大爆发压力和NOx排放的又一个重要参数。
为了避免在标定点产生过高的进气温度,双燃料发动机应该采用空-空中冷。
双燃料发动机燃烧放热峰值高的现象可由文献[2]报道的双燃料燃烧过程的高速摄影照片进行解释。
高速摄影照片表明,双燃料燃烧是准均质混合气燃烧过程,一旦着火即为多点同时着火并迅速燃烧,并不像传统观点认为的那样存在明显的火焰传播燃烧过程。
图5和图6燃烧分析计算的燃烧放热规律与着火滞燃期与文献[3]报道的自然吸气发动机研究结果也不一致,双燃料发动机着火滞燃期在中低速比纯柴油长,但在标定转速和纯柴油相当,其放热规律曲线形状都表现为前高后低,即一旦着火迅速燃烧,随后燃烧速率降低,原因在于发动机增压后进气状态（压力和温度发生变化所导致,因为对于自然吸气式发动机,不同工况的进气状态都是和大气状态相同的。
图5和图6还表明,双燃料发动机总的放热量比燃用纯柴油多,但发动机的平均有效压力是相同的,这表明双燃料发动机的经济性比纯柴油差,试验测量也证明了这一点。
4 结 论
（1 本文提出的计算双燃料发动机燃烧放热规
律模型的计算结果与实际更为吻合,用新模型计算的
燃烧放热峰值比用柴油机模型计算的高,缸内平均温度比用柴油机模型计算的低。
（2 双燃料发动机燃烧初期燃烧放热率比纯柴油大;燃烧后期燃烧放热率相差不大,双燃料发动机的经济性比纯柴油差。
（3 进气温度对双燃料发动机初始放热率、缸内压力和NOx排放影响较大,故应采用空-空中冷。
（4 控制双燃料发动机缸内最大爆发压力,进而控制NOx排放的关键是控制其着火时刻,将着火时刻控制在上止点后,有利于控制双燃料发动机的最大爆发压力,进而可以降低发动机的NOx排放。
参考文献:
[1] 刘永长.内燃机工作过程计算[M].武汉:
华东理工大
学出版社,1996.
[2] 刘增勇.天然气/柴油双燃料发动机燃烧特性的研究:
[学位论文][D].天津:
天津大学,2001.
[3] 尧命发,许斯都,郑尊清,等.直喷式柴油机燃用柴油-LPG双燃料燃烧与排放特性的试验研究[J].汽车技术,2001,（1:
14~18.
AnInvestigationontheHeatReleaseRateandtheCombustion
CharacteristicsofDual-FuelEngines
YAOMing-fa1,DUANJia-xiu1,QINJun2,XUSi-du1,FUXiao-guang1
（1.NationalCombustionEngineLaboratory,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;
2.GuangxiYuchaiMachineLimitedCo.,Yulin537000,China
Abstract:
Inthispaper,anewzerocombustionmodelofdual-fuelengineshasbeendevelopedbasedonthe
fundamentalcombustiontheoryofinternalcombustionengine.Itincludestheexpressionscalculatingthemass
andthethermo-physicsparametersincylinder.Alsothedifferentialequationscalculatingtheheatreleaserateofthecombustionhavebeendeduced.Theresultsshowthatthemaximumheatreleaseratecalculatedbytheconventionaldieselmodelislowerthanthatcalculatedbythenewmodel,butthetemperatureincylinderishigher.Itindicatesthatthenewmodelagreeswellwiththeexperimentalresults.Additionally,thismodelisauniversalenginecombustionanalysisone,anditcananalyzethecombustionprocessoftheengineburningdif-ferentfuels.Theresearchresultsofthecombustioncharacteristicsofdualfuelenginesshowthattheheatre-leaserateatthecombustionbeginningofdualfuelenginesislargerthanthatoftheoriginaldieselengines,andthepressureriserateofdualfuelenginesislargerthanthatofdieselengines.However,themaximumpressureincylinderofdualfuelenginesislowerthanthatoftheoriginaldieselenginesifthecombustionini-tiationtakesplaceafterTDC,themaximumpressureofdualfuelenginesislowerthanthatoftheoriginaldieselenginesifthecombustioninitiationtakesplacebeforeTDC.So,inordertocontrolthemaximumpres-sureandtheNOxemissionsofdualfuelengines,itisveryimportanttocontrolthecombustionbeginningtime.
Keywords:
Dual-fuel;Combustion;Heatreleaserate;Combustioncharacteristics
·
316·内 燃 机 学 报 第20卷第4期
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