電控柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機的試驗研究

石來華，姜艷（.重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶40；.環(huán)境保護部機動車排污監(jiān)控中心，北京000）

電控柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機的試驗研究

石來華1，姜艷2
（1.重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶401122；2.環(huán)境保護部機動車排污監(jiān)控中心，北京100101）

對某款柴油機改裝的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機進行多工況試驗研究，對比分析該雙燃料發(fā)動機在純柴油和柴油-天然氣雙燃料模式下的動力性能、燃料經(jīng)濟性能及排放性能。試驗結(jié)果表明，與純柴油模式相比，雙燃料模式時發(fā)動機的動力性能略有下降，燃料經(jīng)濟性大幅提升，NOx及PM排放有效降低，HC與CO排放顯著增加。

柴油機；雙燃料發(fā)動機；動力性能；排放性

柴油引燃式天然氣發(fā)動機，以其良好的點火性能和在動力性能、經(jīng)濟性能及排放性能上的優(yōu)勢成為天然氣發(fā)動機，尤其是固定線路貨車用大型發(fā)動機的一個重要發(fā)展方向，在我國西部天然氣資源豐富的地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。

1　試驗條件

1.1試驗方案

與傳統(tǒng)汽油機和柴油機相比，柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機的燃燒過程既有柴油機擴散燃燒的特點，又有汽油機預混燃燒的特點，其燃燒過程非常復雜［1］。目前，柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動機存在運行區(qū)域相對較窄，進氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和燃油燃氣噴射系統(tǒng)控制精度不高與匹配不夠合理等問題。為了進一步研究柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機的各項特性，本文對一臺以柴油機為原機改裝的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機進行試驗研究，對比分析該發(fā)動機在純柴油及柴油-天然氣雙燃料模式時的動力性、燃油經(jīng)濟性及排放性能。

按照有關(guān)的試驗要求，對該發(fā)動機在純柴油及柴油-天然氣雙燃料模式時進行了凈功率［2］、負荷特性［3］、全負荷煙度［4］、穩(wěn)態(tài)循環(huán)（ESC）、負荷煙度（ELR）及瞬態(tài)循環(huán)（ETC）［5］等試驗。測量不同燃燒模式時發(fā)動機的動力性能、燃料經(jīng)濟性和排放性能。

1.2樣機的主要技術(shù)參數(shù)

試驗用發(fā)動機的主要技術(shù)配置及參數(shù)見表1。在原柴油機中冷后進氣管處加裝了一套燃氣噴射裝置，為雙燃料模式工作提供天然氣。在原機增壓器后加裝了一套DOC（氧化還原裝置）裝置，凈化雙燃料模式時排氣中的HC和CO。

1.3試驗用主要設(shè)備

試驗在國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心重型發(fā)動機排放試驗室進行，試驗用主要設(shè)備如表2所示。

表1　樣機主要配置及參數(shù)

表2　試驗用主要設(shè)備

2　試驗結(jié)果與分析

2.1發(fā)動機動力性

對于雙燃料發(fā)動機，天然氣對于柴油的替代率是表征其性能的主要參數(shù)之一，其計算公式如下：

式中：md為雙燃料模式時的柴油消耗量，kg/h；mdt為純柴油模式時的柴油消耗量，kg/h。

在預混燃燒雙燃料模式時，為了防止爆震需較大的噴油提前角。同時，為保證發(fā)動機外特性上的動力性能，雙燃料發(fā)動機在全負荷工況時多采用較小的燃油替代率或純柴油模式，如圖1（b）所示。圖1為雙燃料發(fā)動機在不同燃燒模式下的外特性扭矩、功率及燃油替代率曲線。由圖1（a）可知，在雙燃料模式時，發(fā)動機動力性能有所下降，但下降幅度不大，扭矩、功率的最大降幅度僅為1.42%。雙燃料模式時由于天然氣以氣體的形式進入進氣總管，發(fā)動機充氣效率下降，從而引起發(fā)動機動力性能下降。

2.2燃料經(jīng)濟性

由于柴油（國Ⅳ）與天然氣（中國西部）的低熱值不同（柴油：42.5MJ/kg，天然氣：47.14MJ/kg），不能用有效燃油消耗率來評價雙燃料發(fā)動機的經(jīng)濟性。因此，引入了當量燃油消耗量來評價雙燃料發(fā)動機的經(jīng)濟性［6-7］。當量燃油消耗量計算如下：

圖2為不同燃燒模式下全負荷工況的當量燃料消耗量及總的燃料費用曲線；圖3為不同燃燒模式下1 400 r/min部分負荷時燃料消耗量及燃油替代率。由圖2和圖3可知，相同工況時，雙燃料模式下的當量燃油消耗量比純柴油模式時有所增加，全負荷工況時最大增幅為1.82%，部分負荷時最大增幅為13.6%，這與文獻［8］中的研究結(jié)果一致，即雙燃料模式下發(fā)動機所耗的當量燃油消耗量比原柴油機高。這主要是由于雙燃料發(fā)動機天然氣采用的進氣管單點噴射，在氣門疊開期會有部分混合氣直接排出，造成燃料有效熱效率降低，需要更多的燃料來提供相同的動力。雖然在相同工況下，雙燃料模式時的當量燃油耗比純柴油時高，但柴油與天然氣間的價格差使得雙燃料發(fā)動機的經(jīng)濟性得以體現(xiàn)。按照2015年4月重慶天然氣4.8元/kg、柴油6.68元/kg的價格計算，得到圖2和圖4各工況下的燃料費用。全負荷工況時，因其燃油替代率低，最大替代率僅為11.8%，如圖1（b）所示，燃油成本降低不明顯，最大降低幅度為4.1%。部分負荷工況時，燃油替代率高，最大燃油替代率達到了78.7%，如圖3所示。燃料成本降低幅度大，最大降幅達到了20.6%。

2.3排放性能

由于全負荷工況點的燃油替代率低，對排放的影響不大，本文只對最大扭矩轉(zhuǎn)速時部分負荷及法規(guī)要求的工況法排放進行對比研究。表3和表4為純柴油與雙燃料模式時ESC、ELR及ETC的試驗結(jié)果。

表4　 ETC試驗結(jié)果g/（kW·h）

1）CO、HC排放。圖5為轉(zhuǎn)速1 400 r/min部分負荷時HC和CO排放。由圖5（a）、表3和表4可知，雙燃料模式時HC排放遠高于純柴油模式，但其中主要為化學性能相對比較穩(wěn)定的CH4。這主要是由于雙燃料發(fā)動機天然氣采用的進氣管單點噴射，在氣門疊開期會有部分混合氣直接排出，增加了HC的排放量。通過加裝DOC后處理裝置可將HC排放降低到標準限值以下。由圖5（b）可知，在中、高負荷時，雙燃料模式時CO排放遠高于純柴油模式，且隨著燃氣替代率的增加，其增加的幅度越大。但因其濃度低，對整個排放影響不大。通過DOC氧化后其總體排放低于標準限值。這主要是由于中、高負荷時燃燒室局部缺氧加劇，低負荷時混合氣隨負荷降低而變稀，燃燒不充分，使得雙燃料模式時CO排放比純柴油模式時高［9-10］。

2）NOX排放。圖6為不同燃燒模式下轉(zhuǎn)速1 400 r/min部分負荷時NOX排放對比。由圖6可知，與純柴油模式相比，雙燃料模式能有效地降低NOX排放，最大降低了88.3%。表3和表4顯示整個工作區(qū)域內(nèi)NOX的降低幅度ESC為15.3%，ETC為13.3%。這主要是由于雙燃料發(fā)動機在30%～80%中高負荷時燃氣替代率高，如圖1（b）所示，引燃油量少，大部分燃料為預混稀燃。因此，燃燒溫度低，不利于NOX的形成；大負荷時，隨著燃氣替代率降低，引燃柴油量增加，高溫燃燒區(qū)域增加，NOX排放隨之上升。然而為了抑制預混天然氣的爆震傾向，會加大噴油提前角，同時由于柴油引燃天然氣為多點著火同時燃燒，滯燃期變短，這又抑制了NOX的產(chǎn)生。

3）煙度及顆粒排放。降低微粒和煙塵排放是雙燃料發(fā)動機的又一個非常重要的優(yōu)點。圖7為1 400 r/min部分負荷時的煙度排放。由圖7和表3可知，雙燃料模式時可有效地降低發(fā)動機煙度及顆粒排放。ESC試驗時，PM的降低幅度為25.0%；ELR排放時，煙度的降低幅度為87.5%；ETC試驗時，PM的降低幅度為56.1%；轉(zhuǎn)速1 400 r/min部分負荷時，煙度排放的最大降幅為39.6%。這主要由于雙燃料發(fā)動機采用天然氣和空氣預混合供氣方式，在進氣行程和壓縮行程與空氣充分混合形成均質(zhì)混合氣，燃燒過程則由混合速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣裙餐刂?，因而不易生成碳煙，而引燃柴油的噴油量很少，所形成的混合氣較為均勻，處于混合氣過濃區(qū)的總?cè)剂蠝p少，從而減少了碳煙的生成。

3　結(jié)論

1）動力性能試驗表明，在全負荷工況，雙燃料發(fā)動機的動力性能與柴油機基本保持一致，其最大相差僅為1.42%。

2）在相同工況下，雙燃料模式時，當量燃油耗比純柴油時高，但柴油與天然氣存在較大的價格差，雙燃料模式時的燃料購置成本比純柴油時低。

3）雙燃料模式下，可有效地降低發(fā)動機的NOx、碳煙排放，但HC、CO的排放比純柴油時高，其中HC的主要成分為化學性能相對穩(wěn)定的CH4，通過加裝DOC，可使其整體排放滿足標準要求。

［1］史強，翟海鵬.柴油引燃天然氣發(fā)動機的性能研究［J］.交通節(jié)能與環(huán)保，2014，（2）：28-31.

［2］GB 17692-1999，汽車用發(fā)動機凈功率測試方法［S］.北京：中國標準出版社，1999.

［3］GB/T 18297-2001，汽車發(fā)動機性能試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2001.

［4］GB 3847-2005，車用壓燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機汽車排氣煙度排放限值及測量方法［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［5］GB 17691-2005，車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方式（中國III、IV、V階段）［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［6］雷基林，申立中，畢玉華，等.乙醇-生物柴油-柴油混合燃料對柴油機性能和排放的影響［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2012，43（11）：21-25.

［7］呂興才，馬駿駿，吉麗斌，等.乙醇/生物柴油雙燃料發(fā)動機燃燒過程與排放特性的研究［J］.內(nèi)燃機學報，2008，（2）：140-146.

［8］張春潤，李輝，張衛(wèi)鋒.基于原機動力性的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動機性能研究［J］.車用發(fā)動機，2013，（6）：57-61.

［9］汪洋，蘇萬華，謝輝，等.柴油/汽油雙燃料發(fā)動機排放性能的研究［J］.汽車工程，2002，（3）：221-223.

［10］張德福，田野.DDF電控柴油/天然氣雙燃料客車［J］.客車技術(shù)與研究，2010，32（1）：10-12.

修改稿日期：2015-05-22

ExperimentalStudy on Electronic-controlDual-fuelEngineof NaturalGas Ignited by Pilot Diesel

ShiLaihua1，Jiang Yan2
（1.Chongqing Vehicle Test&Research Institute，NationalCoach Quality Supervision&Testing Center，Chongqing401122，China；2.Vehicle Emission ControlCenter，ChineseResearch Academy ofEnvironmental Sciences，Beijing100101，China）

An experimentalstudy isconducted on amodified diesel-natural gas dual-fuelenginewith a diesel engine undermultiple conditions in order to comparativelyanalyze thepower，economy and emission between the pure diesel and diesel-naturalgasengine.The results show that the engine power of dual-fuel engine is about the same with the pure dieselengine，and the economy，NOx and PM emissionsof the dual-fuel engine are better than those with the pure diesel engine，the CO and HC emissions of the dual-fuel engine areworse than thosewith the pure dieselengine.

dieselengine；dual-fuelengine；power；emissions

U464.172；U 4732.+4

A

1006-3331（2015）04-0056-04

石來華（1980-），男，碩士；工程師；研究方向：發(fā)動機試驗檢測、發(fā)動機性能模擬計算及優(yōu)化。