柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性研究

李靜，田新宇

（西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710043）

柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性研究

李靜，田新宇

（西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710043）

本文以某柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為對象，通過臺(tái)架試驗(yàn)對其性能和排放進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與原柴油機(jī)相比，其可發(fā)出的功率與原柴油機(jī)相當(dāng)，動(dòng)力性不降低；有效燃料消耗率較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性；排放性相比原機(jī)有明顯的改善。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；動(dòng)力性；排放性

CLC NO.:U464.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)12-65-03

引言

柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝一套天然氣供給系統(tǒng)和雙燃料電控系統(tǒng)，無須更換任何的零部件。該電控系統(tǒng)同時(shí)精確控制柴油噴射及天然氣噴射，利用柴油引燃?xì)飧變?nèi)的天然氣和空氣混合氣體實(shí)現(xiàn)燃燒對外做功。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)保持了原柴油機(jī)高壓縮比的特點(diǎn)，具有優(yōu)良的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，其排放水平與原柴油機(jī)相比也得到明顯的改善。

此外，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在天然氣供氣不足時(shí)，還可以靈活轉(zhuǎn)換為純柴油工作模式，保障了無氣狀態(tài)時(shí)的正常運(yùn)行。

本文以一臺(tái)六缸增壓中冷柴油機(jī)為原機(jī)，加裝天然氣供氣系統(tǒng)和電控噴射系統(tǒng)，就其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1、試驗(yàn)裝置和過程

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)及其組成

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要性能參數(shù)

柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要由天然氣供給系統(tǒng)和電

控系統(tǒng)構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

天然氣供給系統(tǒng)主要由LNG氣瓶、穩(wěn)壓閥、低壓濾清器、天然氣噴軌以及混合器。

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴射系統(tǒng)是保留原機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝一套控制單元來實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)共享原柴油機(jī)的傳感器信號(hào)，對柴油噴射和天然氣噴射進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的控制。雙燃料控制單元可以監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)參數(shù)，根據(jù)既定策略靈活選擇是否對柴油噴射系統(tǒng)和燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)的控制。在不適合使用天然氣的情況下（如燃?xì)鈬娮鞌嗦?、傳感器失效等），切斷天然氣噴射，并將系統(tǒng)控制權(quán)歸還原柴油機(jī)系統(tǒng)。若該系統(tǒng)完全失效，則整機(jī)的控制權(quán)自動(dòng)移交給原柴油機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)靈活控制，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)測試設(shè)備

（1）測功機(jī)

測功機(jī)采用南峰CW260-1800/7500型電渦流測功機(jī)，額定吸收功率260kW，扭矩量程0～1395 N·m，額定轉(zhuǎn)速1800 r/min允許最高轉(zhuǎn)速7500r/min。

（2）油耗儀

油耗儀采用德國Gregory公司FCS3型油耗儀測量，測量范圍0.1到250L/h，測量精度4x10-3ml。

（3）天然氣流量計(jì)

采用北京首科DMF-1系列質(zhì)量流量計(jì)測量。流量測量精度：±0.20% 流量±[(零點(diǎn)穩(wěn)定性/流量值)×100]% 流量；密度測量精度為±0.002g/ml；

（4）排放測試設(shè)備

本試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣通過奧地利AVL公司生產(chǎn)的AVL DiGas 4000 Light尾氣排放分析儀和AVL DiSmoke 4000不透光煙度分析儀進(jìn)行測量。DiGas 4000 Light可測量項(xiàng)目包括CO，HC，CO2，O2，NOx及λ；AVL DiSmoke 4000可測量不透光煙度值（K值）和消光系數(shù)（N值）。

（5）溫度和壓力等常規(guī)檢測傳感器和儀表。

1.3 試驗(yàn)方法

對比純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)的動(dòng)力性和排放特性。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外特性動(dòng)力性分析

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外特性功率和扭矩對比如圖2和圖3所示。

從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速上升，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩逐漸增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)2000r/min時(shí)，功率達(dá)到最大功率；當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)1600r/min附近時(shí)，扭矩達(dá)到最大值，而后隨著轉(zhuǎn)速升高，扭矩開始下降。雙燃料的扭矩在低轉(zhuǎn)速時(shí)下降比較明顯，隨著轉(zhuǎn)速升高，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩比純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)略有下降。主要原因天然氣以氣體的形式進(jìn)入進(jìn)氣總管，使得發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率下降，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有所降低。然而從圖中可看出，在整體上雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性基本不降低。

2.2 排放性分析

外特性工況時(shí)雙燃料和純柴油HC和CO排放對比如圖4、圖5所示。

由圖中可看出，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的HC和CO排放明顯高

于柴油機(jī)。對HC排放物的進(jìn)一步分析可知排放物含有甲烷（CH4）和非甲烷兩類成分，而且大部分成分是甲烷，過多未燃的甲烷造成測得的總碳?xì)洌═HC）成分過高。

外特性工況時(shí)雙燃料和純柴油NOX排放對比如圖6所示。

從圖中可知，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放比柴油的要低。NOx的生成的影響因素主要是氧含量、燃燒溫度以及燃燒產(chǎn)物在高溫中的停留時(shí)間的影響，即在氧濃度足夠的條件下，反應(yīng)時(shí)間越長，溫度越高，則NOx的生成量越大。氣態(tài)的天然氣和空氣形成的混合氣使得充氣效率降低，從而導(dǎo)致氣缸氧含量下降，同時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃燒壓力和缸內(nèi)燃燒溫度都低于柴油機(jī)，使得雙燃料NOx排放低。

外特性工況時(shí)雙燃料和純柴油碳煙排放對比如圖7所示。

從圖7中可以看出，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以顯著降低碳煙的排放，各轉(zhuǎn)速平均降低96%。這是由于在進(jìn)氣過程中天然氣與空氣進(jìn)行了預(yù)混合，混合氣均勻，使得缸內(nèi)燃燒速率加快，燃燒完全，燃燒持續(xù)期縮短，從而有利于抑制碳煙的生成；另一方面，芳香烴是不飽和烴，其碳?xì)滟|(zhì)量比（C/H）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于烷烴。一般情況下，燃料的芳香烴量越高，其煙度越大，而烷烴量越多，其煙度越小，天然氣的主要成分是烷烴，芳香烴的含量比較少，因此LNG的碳煙排放也會(huì)相對較少。

3、結(jié)論

（1）在整個(gè)外特性工況范圍內(nèi)雙燃料發(fā)

動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能夠完全達(dá)到原柴油機(jī)的性能水平；

（2）相比柴油機(jī)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合排放性明顯得到改善，其NOx排放降低，尤其碳煙排放大幅下降。

[1] 張沛,黎輝等.柴油/CNG雙燃料汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(11).

[2] 馬征,李國岫等.電噴雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2001，19(6).

[3] 劉彥輝. LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放研究[D].陜西：長安大學(xué). 2013.

Study on Performance and Emission of Diesel-NG Dual-Fuel Engine

Li Jing, Tian Xinyu
(Xi'an Lande New Energy Automobile Technology Development Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710043)

In this paper, the performance and emission of diesel-NG dual fuel engine was studied based on the bench test. The test result shows that, comparing with the diesel engine, the power of the dual-fuel engine was not reduced, and less specific fuel consumption with good economy; the emissions was improved greatly.

Duel Fuel Engine; Perfomance; Emission

U464.3

A

1671-7988(2014)12-65-03

李靜，就職于西安蘭德新能源汽車技術(shù)開發(fā)有限公司。