双燃料发动机燃烧特性分析.doc

中 文 摘 要
浙江海洋学院
航 海 类 专 业 专 题 论 文

题 目： 双燃料发动机燃烧特性分析
学 院： 海运与港航建筑工程学院
学生姓名： 朱廷栋
专 业： 轮机工程
班 级： A11轮机2班
指导老师： 董良雄
起止日期： 2015.01.17—2015.05.20
2015年05 月20 日
摘 要
研究了柴油、天然气双燃料发动机的燃烧特性,并着重分析了引燃柴油供给系统参数对双燃料发动机燃烧特性的影响。以双燃料发动机的工作原理为基础首先简要比较了柴油、天然气双燃料发动机与柴油机的燃烧特性,并对比了负荷对双燃料发动机燃烧特性的影响,然后分析了最小循环喷油量、引燃柴油量、引燃油喷射压力、喷嘴参数及供油提前角等引燃柴油供给系统参数对最高爆发压力、燃烧放热率、着火开始时间、累积燃烧放热率等柴油、天然气双燃料发动机燃烧特性的影响,并在分析燃烧特性的基础上,提出了改善双燃料发动机性能的研究方向。

关键词:柴油；天然气双燃料发动机放热规律；缸内温度；影响因素

英 文 摘 要
ABSTRACT
We study the combustion characteristics of diesel, natural gas dual fuel engines, and analyzes the influence of system parameters on the ignition of diesel supply dual-fuel engine combustion characteristics. In dual fuel engine works based on relatively briefly diesel combustion characteristics of natural gas dual fuel engine and diesel engine, and compared the effect of load on the dual fuel engine combustion characteristics, and then analyzed the minimum cycle fuel injection, ignition and diesel the amount of lead fuel injection pressure, nozzle parameters and ignited diesel fuel supply advance angle supply system parameters on the maximum explosion pressure, heat release rate, ignition start time, the cumulative heat release rate, diesel, natural gas dual fuel engine combustion characteristics influence, and based on the analysis of the combustion characteristics, proposed to improve research dual fuel engine performance.

Key words: diesel; natural gas dual fuel engines; heat rules; cylinder temperature; factors

目 录
目 录
引 言 1
第1章 绪论 2
1.1 国内外研究现状 2
1.2 研究目的和意义 3
1.3 研究内容 3
第2章 双燃料发动机的燃烧特性 4
2.1 双燃料发动机的定义 4
2.2 双燃料发动机的结构和工作原理 4
2.3 双燃料发动机的燃烧特性 5
2.3.1 双燃料发动机的特点 5
2.3.2 双燃料发动机的燃烧特性与柴油机的区别 6
第3章 影响双燃料发动机燃烧性能的因素 7
3.1 负荷对双燃料发动机燃烧性能的影响 7
3.2 燃油喷射系统对双燃料发动机燃烧性能的影响 7
3.2.1 循环供油量对燃烧特性的影响 7
3.2.2 喷油压力对燃烧性能的影响 8
3.2.3 喷油提前角对燃烧性能的影响 8
3.3 替代率对双燃料发动机燃烧性能的影响 10
第4章 总结 11
参考文献 12
致 谢 13

双燃料发动机燃烧特性分析
引 言
人类社会存在和发展都离不开能源，我们的生活很大程度上依赖于石油、煤炭以及天然气等化石燃料的消耗,但在大量使用这些一次化石燃料的同时,也给人类带来了严重的后果:资源枯竭、生态环境严重破坏等。本世纪以来,中国的能源,特别是石油方面,问题逐渐凸显,变得日益严重。能源是一个国家生存和发展的必要因素,面临能源枯竭这一严重问题,我国现在提倡的新能源开发和利用,具有极其重要的战略意义。天然气作为一种清洁能源,节能减排效果明显,符合国家能源产业政策和节能减排要求,具有较好的经济效益和广阔的市场前景。虽然目前我国的天然气加气站还没有得到普及,但双燃料发动机具有恢复原柴油机工作的特点,其动力性、经济性排放性等具有潜在的优势，因而,双燃料发动机的研究也成为国内研究的重点与热点。通过燃烧放热率曲线的比较,简要分析柴油、天然气双燃料发动机相对于柴油机的燃烧特性，为船东、船公司在船舶营运中控制成本,提供理论指导、建议和帮助。
第1章 绪论
1.1 国内外研究现状
国内双燃料发动机的开发研制工作,正不断向着纵深方向发展。将柴油机改为双燃料发动机应该达到以下目标:发动机改动小;与原机相比,动力性保持不变或略有提高;排放指标应有大幅度的改善;具有良好的安全性和可靠性[1]。
继“1996北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术研讨会暨展览会”之后,国内开始注重天然气汽车的研究。对柴油机改烧天然气研究已由简单的改装匹配工作,发展到燃烧特性的研究,以及发动机结构、参数、工作过程的优化,电控技术的应用等多方面的研究,但成熟的产品还较少。文献[2]研究了由X6130柴油机改装成的天然气/柴油发动机的燃料供给系统,重点分析了节气门开度和混合器喉管直径对喉管真空度的影响,并试验比较了三种不同管径的喉管供气特性,得到了双燃料发动机的供给系统的有关特性。文献[3]针对天然气内燃机充气系数下降问题,提出了缸内直接喷气的基本思想:天然气以20MPa气压贮存在CNG罐内,通过安全电磁阀,由压力调节器使气压降至1.0MPa,最后通过气体燃料喷射器喷射到发动机气缸内。微处理器依据氧传感器的输出信号,采用反馈控制方案来调节燃料量,使混合气空燃比接近于理想空燃比。
美国Clean Air Partner公司与加拿大阿尔伯达州卡尔加里市代用燃料系统(AFS)公司联营,共同开发出多点喷射的双燃料控制系统,并应用在10.3L卡特彼勒3176B重型发动机上,在发动机压缩比不变的情况下,两种燃料均采用电子控制,燃用的天然气可达燃料总量的60%～90%,发动机根据需要能转换为100%燃用柴油[4]。
目前,国外主要采用压天然气的缸内直喷技术和微引然技术条件下的多点电喷射技术来提高双燃料发动机的性能[5]。天然气/柴油双燃料发动机的研究和开发目前存天然气的替代率较低,热耗率较高,HC排放随负荷的减小有增高的趋势等问题。尤其在中小负荷、低转速工况下,其主要的性能指标要达到原机的技术水平,还存在一定的距离[6]。主要原因是当前双燃料发动机普遍采用进气道混合器预混合的工作方式,使工作过程中产生燃烧速度慢,此外燃油供给系统控制不精确,使天然气与空气的混合比不能保证在最优燃烧比附近,因此天然气/柴油双燃料发动机的改造还需进一步完善与改进。
目前,提高发动机功率和充气效率、提高热效率、进一步降低排放水平,以及实现整车的优化匹配技术是解决天然气/柴油双燃料发动机的关键技术问题。具体地说,如下几项关键技术是天然气/柴油双燃料发动机今后一段时间重点的发展方向[7]:（1)进行天然气/柴油双燃料发动机燃烧规律和燃烧特性的研究,侧重稀薄燃烧技术的应用研究。特别是中、小负荷燃烧恶化的问题;(2)针对排放试验中某些排放物和排放工况的排放量略高的问题,特别是HC排放量高问题,研究双燃料发动机有关排放物的形成规律及其控制,包括新型催化剂和催化技术、缸内燃烧技术等。天然气/柴油双燃料发动机实现成熟性的发展,达到高效低污染的目的,应重视开展相应的关键技术及其应用基础研究。以关键技术及应用基础研究为基础,注重先进技术的推广使用,探索实现高起点和高技术含量开发与发展的途径[8]。
1.2 研究目的和意义
天然气/柴油双燃料发动机是天然气发动机的一种形式。它具有热效率较高、功率损失小、对原柴油机改动少及使用灵活方便等特点，因此得到了广泛的应用。由于天然气/柴油双燃料发动机既要在双燃料模式下工作，也要能在纯柴油方式下运行，因此天然气/柴油双燃料发动机的改造要同时兼顾两者的性能。为了能够充分发挥天然气/柴油双燃料发动机的优点，本文通过试验对天然气/柴油双燃料发动机燃用纯柴油和天然气时的燃烧特性进行了分析对比，提出自己的观点。
1.3 研究内容
了解双燃料发动机的定义、结构、工作原理以及燃烧过程。比较双燃料发动机与柴油机稍稍特性的不同。以双燃料发动机的工作原理为依据，去考虑影响双燃料发动燃烧性能的因素，分析这些因素是如何影响双燃料发动机的燃烧过程。最后总结出该如何改进双燃料发动机。
第2章 双燃料发动机的燃烧特性
2.1 双燃料发动机的定义
双燃料发动机以天然气和柴油为燃料,以双燃料模式工作时,以少量的柴油作为引燃油点燃气缸内的天然气和空气的混合气体。其主要优点是在满足排放规定的前提下,具有较高的输出功率,并且在天然气供给不足时,可将工作模式转换为纯柴油工作。
2.2 双燃料发动机的结构和工作原理

图2.1 双燃料发动机结构部件
Figure 2.1 dual fuel engine structural components

双燃料发动机的主要结构部件有：调压阀、零压阀、天然气执行器、增压器、中冷器、喷油泵等。
双燃料发动机的工作原理如下图所示：

图2.2 双燃料发动机的基本工作原理
Figure 2.2 The basic operating principle of the dual-fuel engine

高压天然气过滤后经过调压阀将高压天然气减压变成接近于大气压力的低压天然气并且保持压力基本稳定。然后通过零压阀和天然气执行器共同控制进入混合气中天然气的流量。经过混合器，其目的是将低压天然气和空气混合输入到发动机的进气口。当发动机运转时,由于活塞的运动在进气口处产生周期性的负压,混合器根据负压的变化按一定比例吸入的空气和天然气,从而使发动机在整个运行过程中获得最佳性能。混合气体经进入燃烧室，在柴油的引燃下燃烧，未燃烧的废气通过排气系统排出。而设置增压器的目的是为了提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩。
双燃料发动机燃料在燃烧室中的燃烧过程和柴油机基本一致，分为四个阶段：
（1） 滞燃阶段—— 从喷油开始到点火开始的阶段，在滞燃期中燃料进行着一系列发火前的物理和化学准备。
（2） 速燃阶段—— 从气缸内燃油发火燃烧到出现最高压力为止的阶段。速燃期的燃烧速率很难直接用控制该燃烧期燃料与空气混合速度的办法来加以控制，故亦称不可控燃烧期。
（3） 缓然阶段—— 从气缸内工质出现最高压力到出现最高温度的阶段该燃烧期的燃烧速度取决于喷入气缸的燃油分子寻找氧分子的速度，故亦称扩散燃烧阶段。
（4） 后燃阶段——后燃期是燃烧过程在膨胀行程中的继续。后燃期的存在使排气温度提高并由此使发动机的热负荷增加，因此后燃现象越短越好。
2.3 双燃料发动机的燃烧特性
2.3.1 双燃料发动机的特点
在分析双燃料发动机燃烧特性及其影响因素之前,我们了解到双燃料发动机具有如下的特点：
（1） 双燃料发动机点火方式略有不同。使用气体燃料时。与柴油机机火花塞点火方式不同,双燃料发动机的混合气通过喷入燃烧室的少量柴油引燃。这种点火方式具有可靠性高和点火能量大的特点,能提高单缸功率和适应稀燃。
（2） 天然气/柴油双燃料发动机既可以烧柴油,也可以烧油气的混合燃料。
（3） 天然气/柴油双燃料机动船可以CNG为气源,也可以以LNG为气源。
（4） 增加了一套天然气供气(含调压或蒸发)系统。
（5） 设置天然气控制系统,实现天然气自动控制和油气转换。
2.3.2 双燃料发动机的燃烧特性与柴油机的区别
柴油、天然气双燃料发动机相对于柴油机的燃烧特性区别在于发动机在双燃料模式下的放热率最大值要明显低于纯柴油模式，开始放热适中，满足柔和燃烧的要求，随后燃烧加快。发动机燃用双燃料时缸内燃烧发展较为平缓，这对于降低发动机的燃烧噪声是非常有利的。与柴油机相比,双燃料发动机的燃烧特性具有以下特点:
(1)低速小负荷时,双燃料发动机的着火开始时间较迟,燃烧速率较慢,燃烧持续期加长,最高爆发压力低,压力升高率低,燃烧噪音小,热效率降低。
(2)高速高负荷时,双燃料发动机的着火开始时间较迟,但燃烧速度加快,燃烧持续期与柴油机基本一致,最高爆发压力及压力升高率较低,燃烧噪声随负荷的增大进一步降低,热效率与柴油机基本一致,甚至略高于柴油机的水平。
天然气与空气形成的较为均匀的混合气，使得双燃料发动机在燃用双燃料时的燃烧特性与燃用纯柴油时有许多不同。相比之下，双燃料模式下发动机燃烧时的放热规律更加合理；但低速低负荷时，由于混合气浓度过稀，对燃料的燃烧、发动机热效率以及发动机的排放是不利的。
第3章 影响双燃料发动机燃烧性能的因素
燃料的品质、发动机的负荷和转速、喷油定时，雾化质量等都会影响到双燃料发动机的燃烧过程，进而影响其燃烧特性。
3.1 负荷对双燃料发动机燃烧性能的影响
发动机的负荷和转速是反映柴油机运转情况的两个主要参数。转速和负荷对整个燃烧的过程都有影响。
发动机的负荷对燃烧性能的影响主要体现在对滞燃期的间接影响。当负荷增加时，混合气浓度增加,循环喷油量的增加，气缸内总发热量增加，燃烧室壁温升高，使滞燃期稍有缩短。与此同时燃烧持续期成比例的增长，爆压提高，后燃加剧。而平均压力增长率的变化随机型而异。当负荷减小时,气缸内混合气浓度变低，循环喷油量减少，气缸内总发热量减少，燃烧室壁温降低，使滞燃期增长。与此同时燃烧持续期发动机的燃烧持续期较短,燃烧放热速率较慢,这种现象会引起气缸内的天然气有较大部分会直接排出缸外，在缸内还存在较多未燃天然气的情况下,燃烧提前结束。
3.2 燃油喷射系统对双燃料发动机燃烧性能的影响
双燃料发动机实在气缸内部形成混合气，即在活塞接近上止点时，燃油喷射系统将燃油在极短的时间内以高压喷入气缸，实现混合气体去柴油的混合燃烧。因此燃油喷射系统对双燃料发动机的燃烧性能有重要的影响。燃油喷射系统的基本组成是高压喷油泵、喷油器以及高压油管。根据双燃料发动机的工作原理分析燃油喷射系统对双燃料发动机燃烧性能的影响可以从循环供油量、喷油压力、喷油提前角等方面去分析。
3.2.1 循环供油量对燃烧特性的影响
循环供油量是指双燃料发动机工作时每循环喷入气缸内的柴油量。双燃料发动机的混合气体进入气缸时，需要用柴油引燃。当循环供油量小时，由于混合气中天然气过稀,使得的燃烧速率减慢，燃烧情况不良,燃烧室温度较低,燃烧结束缓慢。而循环供油量的增加,就相当于点火能量增加,可以加快燃烧的速率，火焰可以正常传播到整个燃烧室,燃烧室温度升高，造成燃烧提前结束。因此循环供油量对燃烧性能的影响主要是体现是对点火能量的影响。
3.2.2 喷油压力对燃烧性能的影响
.在双燃料发动机中，燃料在高压下喷入气缸并分散成细小油滴的过程称为燃油的，雾化。其目的是为了增加燃料蒸发的表面积从而加速燃油的吸热与气化过程。雾化质量会影响燃烧过程，而喷油压力是影响雾化的重要因素。
喷油压力高时在发动机压缩冲程末期,从喷射器喷入少量且油量固定的引燃柴油作为点火燃料。随后向缸内内高压喷入天然气,使天然气依靠微量引燃柴油着火释放的能量进行燃烧。实现非均质混合气的扩散燃烧。当喷油压力低时，在活塞将扫气口关闭之后,向缸内以较低压力喷入天然气,使得天然气和空气混合。当活塞运动到上止点附近时向缸内喷射少量引燃柴油,利用引燃柴油的着火能量将社内的天然气和空气的混合气点燃,从而进行燃料的燃烧并完成做功过程。
在相同喷油提前角和喷油量的情况下，喷油持续时间相差不大，缸内混合气体的质量几乎一致。喷油压力较大时，喷油完成较快，缩短了滞燃期，促进了燃料的雾化及空气的卷入，也促进了混合气的形成，提高了燃烧速率。喷油压力较小时时，喷油完成较慢，延长了滞燃期，燃油的雾化细度差，雾化质量减弱，燃烧速率变慢。
3.2.3 喷油提前角对燃烧性能的影响
燃油喷入气缸的时刻到活塞上止点所经历的曲柄转角称为喷油提前角，记为θ。喷油规律在一定程度上控制盒燃烧过程，因而喷油提前角是影响发动机燃烧特性的重要因素。供油规律可以根据喷油泵集合参数计算得出，而喷油规律则由喷油系统的几何参数和燃油高压作用下的液力特性综合作用所决定，他们之间有一定的内在联系，喷油规律受供油规律的影响，喷油始点迟于供油始点，喷油持续时间大于供油持续时间，喷油的峰值小于供油速率的峰值。下图是在保持其他参数不变的情况下考察喷油提前角对柴油机性能的影响所得到的图片：

图6.1 喷油提前角对缸内压力的影响
Figure6.1 Effect of injection timing on cylinder pressure

图6.2 喷油提前角对缸内温度的影响
Figure6.2 Effect of injection timing on cylinder temperature

从图6.1中可以看出喷油提前角越大，缸内压力越大。这是因为喷油喷油提前角靠前，滞燃期就会变长，在滞燃期内喷入燃烧室的燃料就会增多，从而着火前形成的可燃混合气就会增多。一但着火，这些燃料在急燃期中几乎一起燃烧视野里升高率和最大爆发压力增大。这也造成着火点提前。如图6.2所示，最高温度随之提前，而且温度升高率越高，喷油提前角 θ=20 ℃A时，温度曲线明显靠左；喷油提前角θ=10℃A时，燃油蒸发扩散相对较慢，且由于存在较大的“边喷油边燃烧”的曲轴转角，燃烧变得柔和，因此最大压力和最大温度降低，在上止附近，此时燃烧室体积几乎最小，出现最大爆发压力。随着活塞的下降，燃烧室体积增大，压力下降。随着燃烧的继续及热量的积累，最高温度出现在上止点后40℃A左右。
3.3 替代率对双燃料发动机燃烧性能的影响
柴油引燃天然气双燃料发动机的燃料消耗替代率指在相同工况、相同功率输出下，双燃料发动机的天然气消耗量占原柴油机柴油消耗量的比例，即：

替代率小时，喷入气缸的柴油量相对比较多，在引然过程中，发火点数量较多，分布较广，因此缸内燃烧速率较慢，导致缸内最高温度比较高。当替代率变大时，天然气与混合气的浓度增加，引燃油的着火，滞燃期增加。此外替代率对双燃料发动机排放的也存在影响：随着替代率的增加在同一工况下THC值有所上升,NO相对降低,CO值也相应降低。排气烟度随替代率的增加而下降,替代率越高下降程度越大。权衡各项排放指标,替代率取值较大具有节约石油燃料、改善排放性能等优点。
第4章 总结
通过双燃料发动机燃用纯柴油和双燃料时的燃烧特性的分析比较可以看出，双燃料发动机在双燃料模式下的最高燃烧压力、最大压力升高率、燃烧放热率以及累积放热率与负发动机的负荷、供油系统的供油循环量、喷油压力、喷油提前角、燃油替代率以及燃油的品质等有影响。因此，双燃料发动机的改造要能够同时满足双燃料燃烧和纯柴油燃烧的要求，并充分发挥各自的长处。针对上述分析，为提高天然气/柴油双燃料发动机的性能，可采取以下措施：
（1） 在双燃料模式下，为避免低负荷时由于缸内混合气浓度较稀、燃烧情况不好而造成发动机热效率降低以及发动机排气中HC排放量升高的问题，可采取进气节流的方式，或在低负荷时发动机以纯柴油的方式工作，只有在发动机的负荷超过一定值后，再逐渐加入天然气。
（2） 在发动机燃用双燃料时，引燃油量增加,燃烧加快。为加速天然气的燃烧，缩短天然气燃烧持续时间，在优化双燃料发动机的引燃柴油量时,应尽量降低高负荷时的引燃油量,适当增大低负荷时的引燃柴油量。
（3） 优化燃烧系统参数时,优选引燃油喷射压力应与优选引燃油量配合进行。
（4） 由于双燃料发动机的缸内燃烧不存在燃料分布不均匀问题,选取具有较大流通面积的喷嘴,有利于实现柴油对天然气的快速引燃。
（5） 在不影响纯柴油模式下发动机性能的前提下，适当加大喷油提前角，使发动机燃用双燃料时的着火点提前。
总之，根据双燃料和纯柴油燃烧的特点，适当调整发动机，并采取合适的控制方式，完全可以使天然气/柴油双燃料发动机在燃用纯柴油和双燃料时发动机的性能都达到一个较高的水平。
参 考 文 献
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[8]　Wai Y Wang.Performance and Emission of a Natural gas Dual-fuel Indirect Injected Diesel Engine[J].SAE Paper,911766,1991.
致 谢
衷心感谢董良雄老师在这段时间内对我的指导和帮助。在论文写作期间,董老师在百忙之中对本文的开题、撰写严格把关、耐心指导,使本论文得以顺利完成,并使本人的学习能力有了明显的提高。董老师渊博的学识、严谨的治学态度和谦和的为人,使我如沐春风,受益匪浅。值此论文答辩之际,向董老师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢浙江海洋学院给我提供了一个良好的学习平台,感谢各位老师近年来的指导、关怀和帮助。目 录
第一章 项目的意义和必要性 1
1.1 项目名称及承办单位 1
1.2 项目编制的依据 1
1.3 肺宁系列产品的国内外现状 2
1.4产业关联度分析 3
1.5项目的市场分析 4
第二章 项目前期的技术基础 8
2.1成果来源及知识产权情况，已完成的研发工作 8
2.3产品临床试验的安全性和有效性 8
第三章 建设方案 23
3.1建设规模 23
3.2 建设内容 23
3.3产品工艺技术 23
3.5产品质量标准 29
3.6 土建工程 37
3.7 主要技术经济指标 39
第四章 建设内容、地点 41
4.1 建设内容及建设规模 41
4.2 建设地点 41
4.3外部配套情况 44
第五章 环境保护、消防、节能 46
51 环境保护 46
5.2消防 49
5.3节能 50
第六章 原材料供应及外部配套条件落实情况 52
6.1主要原辅材料、燃料、动力消耗指标 52
6.2 公用工程 54
第七章 建设工期和进度安排 56
7.1建设工期和进度安排 56
7.2建设期管理 56
第八章 项目承担单位或项目法人所有制性质及概况 57
8.1 项目承担单位概况 57
8.2 企业财务经济状况 58
8.3 项目负责人基本情况 59
第九章 投资估算与资金筹措 62
9.1 项目计算期 62
9.2 投资估算的编制依据及参数 62
9.3 投资估算 62
9.4 资金筹措 64
9.5 贷款偿还 64
第十章 财务评价 65
10.1财务评价依据 65
10.2销售收入和销售税金及附加估算 65
10.3利润总额及分配 66
10.4盈利能力分析 66
10.5不确定分析 66
10.6财务评价结论 68
第十一章 项目风险分析，效益分析 69
11.1 风险分析 69
11.2 效益分析 70

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