某LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性測(cè)試應(yīng)用研究

王國(guó)盛，王紅霞，劉學(xué)軍

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

某LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性測(cè)試應(yīng)用研究

王國(guó)盛，王紅霞，劉學(xué)軍

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

為了減少汽車(chē)尾氣排放造成的大氣污染，以某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為母機(jī)開(kāi)發(fā)LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)改裝后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行排放性測(cè)試，利用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析得出，改裝后發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)排放指標(biāo)均優(yōu)于原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，為今后雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在商用汽車(chē)上的應(yīng)用提供一定的參考。

LNG/柴油；改裝；排放

隨著中國(guó)工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快，霧霾問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，柴油車(chē)尾氣排放是霧霾形成重要原因之一。LNG（液化天然氣）作為燃料，應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域，幾乎實(shí)現(xiàn)了尾氣排放的近零排放，對(duì)改善大氣環(huán)境，減少PM2.5有著十分重要的意義。

1 LNG/柴油供給系統(tǒng)改裝原理

文章在國(guó)內(nèi)外柴油、天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究的基礎(chǔ)上。采用進(jìn)氣道預(yù)混合供氣方式對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行LNG柴油燃料供給系統(tǒng)低成本改裝，在柴油車(chē)上加裝一套LNG/柴油雙燃料燃?xì)庀到y(tǒng)裝置（包括減壓器、氣量分配器、轉(zhuǎn)換器、ECU電控單元等），通過(guò)輸氣管路與儲(chǔ)氣瓶和發(fā)動(dòng)機(jī)連接，起到轉(zhuǎn)換、供氣等功能，使車(chē)輛既可使用純柴油模式工作，又可使用柴油和燃?xì)饣旌先剂夏Ｊ焦ぷ?。系統(tǒng)改裝原理圖如圖1所示：

圖1 LNG/柴油雙燃料系統(tǒng)燃料供給系統(tǒng)改造原理圖

在行駛中僅靠駕駛臺(tái)的一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)就可輕松地進(jìn)行油、氣轉(zhuǎn)換，雙燃料工況的動(dòng)力性與柴油工況的動(dòng)力性相比幾無(wú)差別，且大大改善了車(chē)輛的尾氣排放。

2 系統(tǒng)組成

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格論證，該LNG/柴油雙燃料供給系統(tǒng)的組成：充氣閥和LNG氣瓶、緩沖器、汽化器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電子控制單元ECU、油控機(jī)構(gòu)、進(jìn)氣噴嘴、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、減壓器、分配器、電磁閥、轉(zhuǎn)速傳感器、油門(mén)位置傳感器。

3 排放性測(cè)試結(jié)果及分析

（1）碳煙排放及結(jié)果分析。在進(jìn)行功率實(shí)驗(yàn)和負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，對(duì)改裝前后的發(fā)動(dòng)機(jī)下進(jìn)行碳煙排放測(cè)試，實(shí)驗(yàn)按照GB3847-1999《壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和裝用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛排氣可見(jiàn)污染物限值及測(cè)試方法》進(jìn)行。由于對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)柴油供給系統(tǒng)基本無(wú)改動(dòng)，因此可以用改裝后發(fā)動(dòng)機(jī)純柴油模式代替改裝前發(fā)動(dòng)機(jī)柴油運(yùn)行工況，其中功率實(shí)驗(yàn)時(shí)，碳煙排放曲線如圖2所示，負(fù)荷特性試驗(yàn)時(shí)，不同負(fù)荷下的碳煙排放曲線如圖3所示。

圖2 LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外特性煙度曲線

圖3 LNG/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性煙度曲線

從圖2中可以看出，LNG/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其純柴油模式和LNG/柴油雙燃料模式下，碳煙排放相差不大；在中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在雙燃料模式下碳煙排放明顯好于純柴油模式，在進(jìn)行功率實(shí)驗(yàn)時(shí)，純柴油、LNG/柴油的煙度平均值分別是3.76Rb、2.27Rb，整整降低了39.6%。從圖3中可以看出煙度隨著負(fù)荷的增加而增加，當(dāng)功率大于80kW時(shí)純柴油模式下，煙度值迅速上升，而在雙燃料模式下上升確比較平緩。其原因如下：天然氣預(yù)混合進(jìn)氣，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程接近火花點(diǎn)燃預(yù)混合燃燒，碳煙生成少；另外，天然氣分子量小，燃燒清潔。因此，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的煙度和顆粒排放可以大大降低。但是個(gè)別轉(zhuǎn)速下，由于最大暴壓的限值，替代率不能大幅提高，所以煙度值只是略有下降。

（2）有害氣體排放及結(jié)果分析。在功率外特性試驗(yàn)的同時(shí)，分別對(duì)純柴油和LNG/柴油雙燃料模式下有害氣體排放量進(jìn)行檢測(cè)，本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)檢測(cè)HC、CO和NOX的排放量，其結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 外特性HC排放量對(duì)比曲線

外特性HC排放量對(duì)比曲線如上圖4所示，從圖4中可以看出：LNG/柴油雙燃料模式下的HC排放量一直比純柴油模式下高，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加在1400～1800r/min時(shí)，HC排放量短暫下降后迅速上升，這是由于一方面LNG和空氣的混合氣在壓縮過(guò)程中非常容易被擠到一些氣缸壁面和狹小的空間內(nèi)，混合氣降溫，這就是間隙效應(yīng)，導(dǎo)致燃燒室縫隙內(nèi)的HC化物不能完全燃燒；另一方面由于發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)重疊角的影響，使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過(guò)程發(fā)生短路，其中一部分預(yù)混合氣體直接被當(dāng)做廢氣排出缸外。而純柴油模式下，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，HC排放量一直沒(méi)有較大的波動(dòng)，排放一直維持在18×10-6左右這樣一個(gè)數(shù)量。

圖5 外特性CO排放量對(duì)比曲線

外特性CO排放量對(duì)比曲線如圖5所示。從圖5中可以看出：轉(zhuǎn)速在1600r/min時(shí)，LNG/柴油雙燃料模式下和純柴油模式下CO排放量基本相當(dāng)，但是隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升，雙燃料模式下的CO排放量基本呈直線迅速上升，而純柴油模式下，CO排放量在1600～1800r/min出現(xiàn)短暫的下降后到6%后迅速上升，趨勢(shì)和雙燃料模式下上升趨勢(shì)基本相同。高速運(yùn)轉(zhuǎn)下雙燃料模式大于純柴油模式CO排放量，這是因?yàn)殡p燃料高速運(yùn)轉(zhuǎn)下柴油替代率升高到80%以上，混合其中天然氣含量大大提升，而天然氣著火后火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诓裼突旌蠚?，著火滯后期延長(zhǎng)，部分混合氣不能充分燃燒，造成CO排放量的迅速上升。

外特性NOX排放量對(duì)比曲線如圖6所示。從圖6中可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)在LNG/柴油雙燃料模式下，在低速段NOX排放相比原機(jī)有很大增加，在1200r/min時(shí)達(dá)到峰值1000×10-6，然后隨著轉(zhuǎn)速的增加迅速下降；然而LNG/柴油雙燃料模式下轉(zhuǎn)速大于1800r/min后，NOX排放量略低于純柴油模式。其原因如是：在全負(fù)荷工況下，由于缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)較小，大量的LNG被柴油引燃，預(yù)混合燃燒使放熱集中，致使缸內(nèi)壓力和溫度急劇上升，NOx排放量增加。由此說(shuō)明，LNG/柴油雙燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工況時(shí),如何控制粗暴燃燒是一技術(shù)難點(diǎn)。在轉(zhuǎn)速到達(dá)1800r/min后NOX排放量和兩種模式下基本持平大約為210×10-6，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加后，也就是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，混合燃燒氣體燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾硬幻黠@，燃燒等容度降低，氣缸被溫度也隨之減低，導(dǎo)致雙燃料模式下NOX量降低。而純柴油模式下發(fā)動(dòng)機(jī)從低速到高速增加的過(guò)程中，NOX排放量呈現(xiàn)一個(gè)逐漸緩慢下降的態(tài)勢(shì)。

圖6 外特性NOX排放量對(duì)比曲線

4 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)改裝后的LNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，通過(guò)功率實(shí)驗(yàn)和負(fù)荷實(shí)驗(yàn)，采集了改裝后排放性指標(biāo)，并繪制曲線，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改裝后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)煙度降低四分之三，HCCONOx排放量大幅度降低，沒(méi)有煙塵污染，有效地保護(hù)了空氣質(zhì)量。降低汽車(chē)廢氣排放，煙度（Rb）≤2.3，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)只要達(dá)到≤4.0既可。

［1］管西玲.淺談LNG的應(yīng)用及在國(guó)內(nèi)的發(fā)展［J］.中國(guó)石油石化，2017，（1）：143-144.

［2］宋建桐，劉芹，朱春紅，等.電控共軌柴油機(jī)燃用LNG/柴油雙燃料噴油正時(shí)規(guī)律研究［J］.世界科技研究與發(fā)展，2016，（6）：1198-1201，1221.

［3］張新塘，戰(zhàn)蕊，涂登磊，等.LNG-柴油雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用現(xiàn)狀分析［J］.柴油機(jī)，2016，（6）：6-10.

［4］高華光.LNG重整氣/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能研究［D］.舟山：浙江海洋大學(xué)，2016.

［5］張春化，李剛，宋建桐，等.引燃柴油噴油正時(shí)對(duì)LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2016，（5）：229-233.

Study on the Application of a LNG/Diesel Dual Fuel Engine Em ission Test

WANG Guo-sheng，WANG Hong-xia，LIU Xue-jun
（Henan Institute of Technology，Xinxiang，Henan 453000，China）

In order to reduce the air pollution caused by automobile exhaustemissions，the paper designsa LNG/diesel dual fuel engine diesel engine by taking diesel engine as themain body，builds engine test bench，tests the refitted engine emission, obtains the resultsby using the leastsquaremethod，which show thatallemission indexesof the refitted engine are better than the originaldieselengine.Itprovidesa the reference for the futureapplication of the dual fuelengine in the commercialvehicle.

LNG/dieseloil；modification；emission

U664.1

A

2095-980X（2017）05-0068-02

2017-04-12

王國(guó)盛（1986-），男，碩士，主要研究方向：車(chē)輛工程。