柴油-天然氣雙燃料發動機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開發有限公司，陜西 西安 710043）

柴油-天然氣雙燃料發動機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開發有限公司，陜西 西安 710043）

本文以某柴油-天然氣雙燃料發動機為對象，通過臺架試驗對其性能和排放進行了研究。結果表明，雙燃料發動機與原柴油機相比，其可發出的功率與原柴油機相當，動力性不降低；有效燃料消耗率較低，具有良好的經濟性；排放性相比原機有明顯的改善。

雙燃料發動機；動力性；排放性

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

引言

柴油-天然氣雙燃料發動機是在原柴油發動機上加裝一套天然氣供給系統和雙燃料電控系統，無須更換任何的零部件。該電控系統同時精確控制柴油噴射及天然氣噴射，利用柴油引燃氣缸內的天然氣和空氣混合氣體實現燃燒對外做功。雙燃料發動機保持了原柴油機高壓縮比的特點，具有優良的動力性和經濟性，同時，其排放水平與原柴油機相比也得到明顯的改善。

此外，雙燃料發動機在天然氣供氣不足時，還可以靈活轉換為純柴油工作模式，保障了無氣狀態時的正常運行。

本文以一臺六缸增壓中冷柴油機為原機，加裝天然氣供氣系統和電控噴射系統，就其動力性、經濟性和排放性進行了試驗研究。

1、試驗裝置和過程

1.1 試驗用發動機及其組成

試驗所用發動機的具體參數如表1所示。

表1 試驗用柴油機主要性能參數

柴油-天然氣雙燃料發動機主要由天然氣供給系統和電

控系統構成，其總體結構圖如圖1所示。

天然氣供給系統主要由LNG氣瓶、穩壓閥、低壓濾清器、天然氣噴軌以及混合器。

雙燃料發動機電控噴射系統是保留原機控制系統的基礎上加裝一套控制單元來實現的。該系統共享原柴油機的傳感器信號，對柴油噴射和天然氣噴射進行實時精確的控制。雙燃料控制單元可以監控發動機各個參數，根據既定策略靈活選擇是否對柴油噴射系統和燃氣噴射系統的控制。在不適合使用天然氣的情況下（如燃氣噴嘴斷路、傳感器失效等），切斷天然氣噴射，并將系統控制權歸還原柴油機系統。若該系統完全失效，則整機的控制權自動移交給原柴油機的控制系統，實現靈活控制，保證發動機的平穩運行。

1.2 試驗測試設備

（1）測功機

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

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

（4）排放測試設備

本試驗發動機尾氣通過奧地利AVL公司生產的AVL DiGas 4000 Light尾氣排放分析儀和AVL DiSmoke 4000不透光煙度分析儀進行測量。DiGas 4000 Light可測量項目包括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（N值）。

（5）溫度和壓力等常規檢測傳感器和儀表。

1.3 試驗方法

對比純柴油發動機和雙燃料發動機外特性試驗的動力性和排放特性。

2、試驗結果及分析

2.1 外特性動力性分析

雙燃料發動機和純柴油發動機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，隨著轉速上升，發動機功率和扭矩逐漸增加，當轉速到達2000r/min時，功率達到最大功率；當轉速到達1600r/min附近時，扭矩達到最大值，而后隨著轉速升高，扭矩開始下降。雙燃料的扭矩在低轉速時下降比較明顯，隨著轉速升高，雙燃料發動機功率和扭矩比純柴油發動機略有下降。主要原因天然氣以氣體的形式進入進氣總管，使得發動機充氣效率下降，從而引起發動機動力性有所降低。然而從圖中可看出，在整體上雙燃料發動機的動力性基本不降低。

2.2 排放性分析

外特性工況時雙燃料和純柴油HC和CO排放對比如圖4、圖5所示。

由圖中可看出，雙燃料發動機的HC和CO排放明顯高

于柴油機。對HC排放物的進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氫（THC）成分過高。

外特性工況時雙燃料和純柴油NOX排放對比如圖6所示。

從圖中可知，雙燃料發動機的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物在高溫中的停留時間的影響，即在氧濃度足夠的條件下，反應時間越長，溫度越高，則NOx的生成量越大。氣態的天然氣和空氣形成的混合氣使得充氣效率降低，從而導致氣缸氧含量下降，同時雙燃料發動機最高燃燒壓力和缸內燃燒溫度都低于柴油機，使得雙燃料NOx排放低。

外特性工況時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，雙燃料發動機可以顯著降低碳煙的排放，各轉速平均降低96%。這是由于在進氣過程中天然氣與空氣進行了預混合，混合氣均勻，使得缸內燃燒速率加快，燃燒完全，燃燒持續期縮短，從而有利于抑制碳煙的生成；另一方面，芳香烴是不飽和烴，其碳氫質量比（C/H）遠遠大于烷烴。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的碳煙排放也會相對較少。

3、結論

（1）在整個外特性工況范圍內雙燃料發

動機的動力性能夠完全達到原柴油機的性能水平；

（2）相比柴油機，雙燃料發動機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雙燃料汽車發動機的性能研究[J].機械設計與制造，2009(11).

[2] 馬征,李國岫等.電噴雙燃料發動機排放性能的試驗研究[J].內燃機學報，2001，19(6).

[3] 劉彥輝. LNG/柴油雙燃料發動機性能及排放研究[D].陜西：長安大學. 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開發有限公司。