某LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性測試

王國盛，馬世輝，趙開新

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

某LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性測試

王國盛，馬世輝，趙開新

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

為了更好地反映改裝后的LNG（液化天然氣）/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，校驗(yàn)改裝成果，對改裝后的發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架實(shí)驗(yàn)，獲得發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。對比原柴油發(fā)動機(jī)，改裝后的發(fā)動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)符合預(yù)期，獲得較好的改裝效果，改裝具有推廣價值。

雙燃料；功率；負(fù)荷；特性

1 臺架實(shí)驗(yàn)原理

本課題引入一款改裝了燃料供給系統(tǒng)的LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)，為了與原發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比，搭建了實(shí)驗(yàn)臺架，通過功率實(shí)驗(yàn)獲得外特性扭矩和功率數(shù)據(jù)，通過負(fù)荷特性試驗(yàn)獲得燃油消耗量和燃油消耗率數(shù)據(jù)，從而繪制曲線，進(jìn)行分析對比。

發(fā)動機(jī)外特性曲線是指發(fā)動機(jī)油門開度100%時，在發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩Me、功率Pe和耗油量be隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線[1]。發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性曲線指發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷變化的關(guān)系曲線。

為了對改裝前后的發(fā)動機(jī)燃油消耗量進(jìn)行對比，需要定義燃油替代率，對于LNG/雙燃料發(fā)動機(jī)，天然氣對柴油的替代率是表征其性能的重要參數(shù)之一，通常定義為：在發(fā)動機(jī)工況相同的條件下，改用雙燃料工作方式后，天然氣所替代的柴油量mdg(kg/h)與純柴油模式下的柴油消耗量mdt（kg/h）之比。即

式中md(kg/h)為雙燃料工作模式下的柴油消耗量[2]。

為了獲得特性曲線數(shù)據(jù)，本課題搭建LNG/柴油發(fā)動機(jī)性能測試臺，其測試原理如圖1所示。

圖1 LNG/柴油雙燃料測試系統(tǒng)原理圖

2 所選發(fā)動機(jī)主要性能參數(shù)

本課題選擇某增壓柴油發(fā)動機(jī)作為雙燃料改裝的母機(jī)，其主要性能參數(shù)如表1所示。通過設(shè)置發(fā)動機(jī)工作模式切換開關(guān)，使改裝后的雙燃料發(fā)動機(jī)，即可以工作在純柴油模式下，又可以工作在LNG/柴油雙燃料模式下。

表1 柴油機(jī)主要性能參數(shù)列表

3 LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)

綜合國內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)對雙燃料發(fā)動機(jī)一系列的實(shí)驗(yàn)研究，搭建了實(shí)驗(yàn)臺架。并依據(jù)國標(biāo)GB/T18297-2001《汽車發(fā)動機(jī)性能測試方法》進(jìn)行測試[3]。

本課題主要用到的測試儀器設(shè)備如表2所示。

表2 臺架測試主要儀器設(shè)備一覽表

4 測試結(jié)果及對比分析

4.1 功率測試結(jié)果及分析

功率測試的目的是評定發(fā)動機(jī)在最大供油量工況下的動力性和經(jīng)濟(jì)性，通過功率實(shí)驗(yàn)可以獲得發(fā)動機(jī)的功率及扭矩?cái)?shù)據(jù)。本課題利用搭建的發(fā)動機(jī)測試臺，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行功率測試，分別獲得了雙燃料發(fā)動機(jī)在純柴油和LNG/柴油雙燃料模式下的功率及扭矩?cái)?shù)據(jù)，從而繪制外特性功率曲線如圖2所示，扭矩曲線如圖3所示。

圖2 LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)功率曲線圖

圖3 LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)扭矩曲線圖

從圖2和圖3可以看出，發(fā)動機(jī)采用LNG/柴油雙燃料模式相較于純柴油模式，有效功率下降1%～10%。在中速工況時，純柴油工作模式的功率、扭矩顯著大于雙燃料工作模式的功率和扭矩，在低速和高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，純柴油模式下的功率、扭矩略大于LNG/柴油雙燃料工作狀態(tài)的功率和扭矩。但其整體變化趨勢基本相同。

純柴油模式下，發(fā)動機(jī)額定功率達(dá)到222.4kW，最大扭矩在轉(zhuǎn)速1400r/min時出現(xiàn)，達(dá)到1128N·m。在LNG/柴油雙燃料模式下，額定功率達(dá)到220.8kW，最大扭矩在轉(zhuǎn)速1200r/min時出現(xiàn)，達(dá)到1090.2N·m；相較于原發(fā)動機(jī)，改裝后最大扭矩下降了3.35%，最大扭矩出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速提前了200r/min?？梢钥闯?，發(fā)動機(jī)在動力性上與原柴油機(jī)水平相當(dāng)，達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)，雖然改裝后的發(fā)動機(jī)最大功率和最大扭矩都有所下降，但是功率曲線和扭矩曲線更加趨于平緩，使得發(fā)動機(jī)在較高功率和較高扭矩下工作的概率增大。在中高速工況時，完全可以通過提高天然氣的供給量達(dá)到與純柴油工作狀態(tài)相同的功率和扭矩。

4.2 負(fù)荷特性測試結(jié)果及分析

本課題主要檢測發(fā)動機(jī)純柴油模式和LNG/柴油雙燃料模式下燃料消耗量和燃料消耗率，從而評價改裝后發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性[4]。

將改裝好的發(fā)動機(jī)安裝在臺架上，將實(shí)驗(yàn)發(fā)動機(jī)切換到純柴油模式，保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1300r/min，然后改變負(fù)荷，使發(fā)動機(jī)分別在表3中的各功率下運(yùn)轉(zhuǎn)15分鐘，測得發(fā)動機(jī)燃油消耗量和燃油消耗率。

表3 純柴油負(fù)荷特性測試表

然后將轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到LNG/柴油雙燃料模式下，穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1300r/min，同樣調(diào)整發(fā)動機(jī)負(fù)荷如表3所示，ECU（發(fā)動機(jī)控制單元）通過調(diào)整設(shè)置好的參數(shù)配置來控制柴油替代率，從而實(shí)現(xiàn)LNG對柴油最大限度的替代，進(jìn)而獲得雙燃料模式下發(fā)動機(jī)燃料消耗量和燃料消耗率數(shù)據(jù)。

將以上兩種模式下的測試結(jié)果繪制曲線如圖4所示。

圖4 純柴油模式和雙燃料模式下燃料消耗率曲線圖

從圖4中可以看出，在純柴油模式下，發(fā)動機(jī)在負(fù)荷50kW時柴油消耗率達(dá)到最高值252.8g/(kW·h)，隨著負(fù)荷的逐漸增加，在負(fù)荷160kW時，發(fā)動機(jī)柴油消耗率達(dá)到最低值204.1g/(kW·h)，隨后，柴油消耗率逐漸上升。然而在LNG/柴油雙燃料模式下，由于LNG按照一定比率替代柴油，隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的逐漸提高，燃油消耗率從139.04g/(kW·h)，一直下降到18.46g/(kW·h)，而LNG消耗率則由最初的125.4g/(kW·h)直接上升到226.5g/(kW·h)，翻了將近一倍。

柴油替代率曲線如圖5所示，從圖中可以看出發(fā)動機(jī)設(shè)定在1300r/min運(yùn)轉(zhuǎn)時，隨著負(fù)荷的逐漸增大，柴油替代率也由最初的45%一直上升到92%。這是因?yàn)殡S著負(fù)荷的增加，混合氣中天然氣量越來越多，燃燒更加充分，要求的點(diǎn)火能量相對較低，因此較少的柴油量就可以引燃天然氣，達(dá)到穩(wěn)定燃燒，替代率也隨之上升，從而實(shí)現(xiàn)最大限度地節(jié)約柴油，達(dá)到本次改裝柴油發(fā)動機(jī)的目的。

盡管雙燃料模式下總?cè)剂舷穆时燃儾裼湍Ｊ较掠兴嵘獿NG的價格優(yōu)勢使得燃料成本大幅度降低[5]。為較好地評價LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，需要定義評價指標(biāo)“燃料成本”為：在理想情況下，某種燃料充分燃燒時釋放出單位能量所消耗的成本。即：

圖5 LNG/柴油雙燃料模式下柴油替代率曲線圖

柴油和LNG的燃料經(jīng)濟(jì)性參數(shù)如表4所示。本表數(shù)值是在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、溫度為0℃時測得。

表4 柴油和LNG燃料經(jīng)濟(jì)性參數(shù)列表

按照表4中數(shù)據(jù)計(jì)算，理想的狀態(tài)下，0#柴油的燃料成本約為1.79元×10-4/kJ，而LNG的燃料成本約為0.81×10-4元/kJ，LNG燃料成本約為0#柴油的45.3%。于是當(dāng)LNG對柴油替代率達(dá)到80%時，發(fā)動機(jī)燃燒所需成本能夠有效降低50%以上。因此改用雙燃料工作的發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

5 結(jié)語

本課題對改裝后的LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架實(shí)驗(yàn)，通過功率實(shí)驗(yàn)和負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，采集了改裝后發(fā)動機(jī)兩種模式下的動力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，并繪制曲線。通過實(shí)驗(yàn)得出：改裝后的雙燃料發(fā)動機(jī)，LNG對柴油的替代率最大為92%，平均超過50%；最大扭矩小于原機(jī)最大扭矩，但大于等于原機(jī)最大扭矩的95%，最大扭矩出現(xiàn)時的轉(zhuǎn)速比原機(jī)提前了200r/min；最大功率小于原機(jī)最大功率，但大于等于原機(jī)最大功率的98%；當(dāng)LNG對柴油替代率達(dá)到80%時，發(fā)動機(jī)燃燒所需成本能夠有效降低50%以上，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

（責(zé)任編輯 呂春紅）

[1] 趙丹平，吳雙群.現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)原理[M].北京:北京大學(xué)出版社，2010.

[2] 林少芳.基于電控噴射方式的柴油-LNG雙燃料改裝發(fā)動機(jī)的性能分析[J].長春師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（8）.

[3] 龍焱祥，王忠俊.替代率對船用LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)性能的影響[J].內(nèi)燃機(jī)，2016（4）.

[4] 沈亞沖.柴油引燃液化天然氣雙燃料發(fā)動機(jī)的摻燒特性研究[D].長安大學(xué)，2016.

[5] 姚冬梅.LNG/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)供氣技術(shù)發(fā)展趨勢[J].技術(shù)研發(fā)，2013（7）.Abstract: In order to better reflect the power and economy of refitted LNG/ diesel dual fuel engine and verify the refit results, In this paper, the engine test of the refitted engine is carried out, and the power and economic indexes of the engine are obtained. Compared with the original diesel engine, the refitted engine runs stably, and all the indexes meet the expectation, and better refit results are obtained, the refit has promotion value. Key words: dual fuel; power; load; characteristic

Dynamic and Economic Test of a LNG/ Diesel Dual Fuel Engine

WANG Guo-sheng，et al
(Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

U467.2

A

1008–2093(2017)03–0004–04

2017-03-23

王國盛（1986―），男，河南新鄉(xiāng)人，助教，碩士，主要從事車輛工程研究。