替代率對CNG柴油雙燃料發動機排放性影響的研究

張文曦，盧 曦

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

汽車工業大力發展刺激了消費，拉動國民經濟增長，年產量已經躍居世界首位，但因此也帶來了交通堵塞，環境污染，資源短缺等一系列現象。天燃氣汽車尾氣中的有害污染物的排放量遠遠低于傳統石油燃料汽車，汽車尾氣中CO，NOx，顆粒物排放量可大大降低。燃氣汽車是一種清潔能源汽車，發展燃氣汽車是減少大氣污染和保護生態環境的重要手段[1]。雙燃料汽車是目前既能保證汽車動力性，又能提高在原始石油燃料基礎上的經濟性和排放性的新型汽車，還可以解決當前世界能源壓力的問題。

天然氣替代柴油率是雙燃料發動機性能的主要參數之一，其含義為：在發動機工況相同的條件下，雙燃料工作方式中天然氣所替代的柴油量與純柴油工作模式下的柴油的消耗量之比[2]。發動機的經濟性主要體現在燃料成本和維修費用問題上，天然氣替代率與燃料成本密不可分。由于天然氣價格遠遠低于柴油價格，汽車越多的使用天然氣燃料代替柴油燃料，其經濟性明顯越高。

1 試驗及實驗分析

1.1 試驗裝置

試驗裝置系統如圖1所示，以濰柴226B柴油機改裝的CNG柴油雙燃料發動機為研究對象，在原柴油機的基礎上，增加的雙燃料供氣裝置，是由壓縮天然氣瓶、CNG減壓閥及過濾器、流量計、節流閥和混合器等特殊裝置所組成。以柴油作為引燃燃料，壓縮天然氣為主燃料，采用天然氣和空氣預混合供氣方式。壓縮天然氣經減壓后送入混合器與空氣混合，發動機可以在不熄火的狀態下利用轉換開關使用兩種燃料。本試驗采用德國BOSCH350尾氣分析儀測量HC，CO，NOx的排放量。

圖1 試驗裝置示意圖

表1 226B 柴油機主要技術參數

1.2 試驗方法

為了保證排放性和經濟性，并且達到設計目的，一般CNG柴油雙燃料發動機的替代率都選擇在50%以上，過小的替代率不能滿足改造后的雙燃料發動機的排放要求。試驗中首先以多次微調方法調節天然氣量，測試柴油和天然氣消耗量，計算出天然氣替代柴油率，替代率選擇為60%、70%、80%、90%四種不同情況下，發動機轉速保持在2000±100r/min，引燃柴油量和壓力一定的條件下，測量尾氣中HC、CO、NOx的含量，為了測取更為準確的試驗數據，每個數據分多次測量。對所測出的數據進行統計分析，去掉較大誤差的數據后取平均值，分析替代率的變化對尾氣中HC、CO、NOx排放量所造成的影響及其變化規律。

1.3 試驗結果分析

對試驗數據進行歸一化處理，做不同替代率下HC、CO、NOx排放量的變化情況，如圖2所示。

圖2 替代率對CNG柴油雙燃料發動機排放的影響

從圖2看出，隨著替代率的提高，HC排量增加。升高率較大的區域70%-90%，因為替代率越高，發動機燃燒的穩定性越差，燃氣在排氣管內燃燒發出爆炸聲的“放炮”現象[3]，會使發動機動力下降，燃氣消耗變大，未燃HC大量排出，從而造成HC排放增加率上升。且替代率越大，掃氣過程中排出的甲烷量越高，故HC排放量也隨之升高。

同種工況下，隨著替代率的升高，發動機排放廢氣中的CO含量降低。這是因為天然氣代替了更多的碳氫化合物從而減少燃燒中CO的產生，同時替代率高，混合氣體混合均勻，更易于充分燃燒，CO降低。總體而言，CO的排放隨著替代率的升高而降低，但是替代率過高的話，燃燒會不穩定使燃燒過程變壞，因此有可能會增加CO的排放。

隨著替代率的升高，NOx的排放量不斷降低。這是因為高替代率發動機中，爆發壓力下降，燃燒較為緩慢，氣缸內燃燒溫度降低導致NOx排放量下降。

為了更明確地得出替代率對CNG柴油時燃料發動機排放的影響，選擇最合適的替代率，根據替代率的變化對廢氣中HC、CO、NOx的排放量做擬合分析，用OriginPro軟件多次擬合分析，經過反復擬合和比較，發現線性方程就完全能夠滿足不同替代率下HC、CO、NOx的變化趨勢。

不同替代率下HC的擬合方程：

不同替代率下CO的擬合方程：

不同替代率下NOx的擬合方程：

式中：x為替代率，y1為HC排放量，y2為CO排放量，y3為NOx排放量。

為了綜合分析替代率變化對發動機排放性的影響，需要分析不同替代率下HC、CO、NOx的綜合影響因素，首先假定HC、CO、NOx排放相對獨立，相互不耦合，在排放中的權重一樣。則不同替代率下HC、CO、NOx的綜合排放為式（1）、式（2）、式（3）之和最小，同時考慮到動力性等其他性能影響，替代率的邊界條件的最大值為90%，最小值為60%。因此，不同替代率下HC、CO、NOx的綜合排放的優化模型為：

解上述優化模型：

2 結論

綜合試驗表明，同一工況下，HC的濃度隨著替代率的減小而降低，當替代率過高時，天然氣中所含的HC會不完全燃燒而導致廢氣中含有較高的HC。而NOx，CO則隨著替代率的提高而降低。

由優化模型看出CNG柴油雙燃料發動機替代率越大，排放性越好，綜合分析，在本試驗中，替代率為90%時CNG柴油雙燃料發動機的排放性較好。實際產品實驗的經驗表明，替代率越高其動力性越低，特別是在緊急加速時動力性更低，按照試驗經驗，替代率超過90也有可能使柴油燃油量過小，發動機不能正常工作，這種情況嚴重時會使噴油器冷卻不足而燒毀，活塞和缸套過量磨損。

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