某LNG/柴油雙燃料發動機排放性測試應用研究

王國盛，王紅霞，劉學軍

（河南工學院，河南 新鄉 453000）

某LNG/柴油雙燃料發動機排放性測試應用研究

王國盛，王紅霞，劉學軍

（河南工學院，河南 新鄉 453000）

為了減少汽車尾氣排放造成的大氣污染，以某柴油發動機為母機開發LNG/柴油雙燃料發動機，搭建發動機試驗臺架，對改裝后發動機進行排放性測試，利用最小二乘法對試驗結果分析得出，改裝后發動機各項排放指標均優于原柴油發動機，為今后雙燃料發動機在商用汽車上的應用提供一定的參考。

LNG/柴油；改裝；排放

隨著中國工業化、城市化進程不斷加快，霧霾問題越來越嚴重，柴油車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，應用于汽車領域，幾乎實現了尾氣排放的近零排放，對改善大氣環境，減少PM2.5有著十分重要的意義。

1 LNG/柴油供給系統改裝原理

文章在國內外柴油、天然氣雙燃料發動機的相關研究的基礎上。采用進氣道預混合供氣方式對某柴油發動機進行LNG柴油燃料供給系統低成本改裝，在柴油車上加裝一套LNG/柴油雙燃料燃氣系統裝置（包括減壓器、氣量分配器、轉換器、ECU電控單元等），通過輸氣管路與儲氣瓶和發動機連接，起到轉換、供氣等功能，使車輛既可使用純柴油模式工作，又可使用柴油和燃氣混合燃料模式工作。系統改裝原理圖如圖1所示：

圖1 LNG/柴油雙燃料系統燃料供給系統改造原理圖

在行駛中僅靠駕駛臺的一個轉換開關就可輕松地進行油、氣轉換，雙燃料工況的動力性與柴油工況的動力性相比幾無差別，且大大改善了車輛的尾氣排放。

2 系統組成

經過嚴格論證，該LNG/柴油雙燃料供給系統的組成：充氣閥和LNG氣瓶、緩沖器、汽化器、轉換開關、電子控制單元ECU、油控機構、進氣噴嘴、轉換開關、減壓器、分配器、電磁閥、轉速傳感器、油門位置傳感器。

3 排放性測試結果及分析

（1）碳煙排放及結果分析。在進行功率實驗和負荷試驗時，對改裝前后的發動機下進行碳煙排放測試，實驗按照GB3847-1999《壓燃式發動機和裝用壓燃式發動機的車輛排氣可見污染物限值及測試方法》進行。由于對原發動機柴油供給系統基本無改動，因此可以用改裝后發動機純柴油模式代替改裝前發動機柴油運行工況，其中功率實驗時，碳煙排放曲線如圖2所示，負荷特性試驗時，不同負荷下的碳煙排放曲線如圖3所示。

圖2 LNG/柴油雙燃料發動機外特性煙度曲線

圖3 LNG/柴油發動機負荷特性煙度曲線

從圖2中可以看出，LNG/柴油發動機在低速運轉時，其純柴油模式和LNG/柴油雙燃料模式下，碳煙排放相差不大；在中高速運轉時，在雙燃料模式下碳煙排放明顯好于純柴油模式，在進行功率實驗時，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荷的增加而增加，當功率大于80kW時純柴油模式下，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：天然氣預混合進氣，雙燃料發動機的燃燒過程接近火花點燃預混合燃燒，碳煙生成少；另外，天然氣分子量小，燃燒清潔。因此，雙燃料發動機的煙度和顆粒排放可以大大降低。但是個別轉速下，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）有害氣體排放及結果分析。在功率外特性試驗的同時，分別對純柴油和LNG/柴油雙燃料模式下有害氣體排放量進行檢測，本實驗重點檢測HC、CO和NOX的排放量，其結果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 外特性HC排放量對比曲線

外特性HC排放量對比曲線如上圖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，并且隨著轉速的增加在1400～1800r/min時，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程中非常容易被擠到一些氣缸壁面和狹小的空間內，混合氣降溫，這就是間隙效應，導致燃燒室縫隙內的HC化物不能完全燃燒；另一方面由于發動機氣門重疊角的影響，使得發動機進排氣過程發生短路，其中一部分預混合氣體直接被當做廢氣排出缸外。而純柴油模式下，隨著發動機轉速增加，HC排放量一直沒有較大的波動，排放一直維持在18×10-6左右這樣一個數量。

圖5 外特性CO排放量對比曲線

外特性CO排放量對比曲線如圖5所示。從圖5中可以看出：轉速在1600r/min時，LNG/柴油雙燃料模式下和純柴油模式下CO排放量基本相當，但是隨著轉速的繼續上升，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出現短暫的下降后到6%后迅速上升，趨勢和雙燃料模式下上升趨勢基本相同。高速運轉下雙燃料模式大于純柴油模式CO排放量，這是因為雙燃料高速運轉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傳播速度低于柴油混合氣，著火滯后期延長，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排放量對比曲線如圖6所示。從圖6中可以看出：發動機在LNG/柴油雙燃料模式下，在低速段NOX排放相比原機有很大增加，在1200r/min時達到峰值1000×10-6，然后隨著轉速的增加迅速下降；然而LNG/柴油雙燃料模式下轉速大于1800r/min后，NOX排放量略低于純柴油模式。其原因如是：在全負荷工況下，由于缸內過量空氣系數較小，大量的LNG被柴油引燃，預混合燃燒使放熱集中，致使缸內壓力和溫度急劇上升，NOx排放量增加。由此說明，LNG/柴油雙燃料在發動機大負荷工況時,如何控制粗暴燃燒是一技術難點。在轉速到達1800r/min后NOX排放量和兩種模式下基本持平大約為210×10-6，雙燃料發動機轉速繼續增加后，也就是雙燃料發動機高速運轉下，混合燃燒氣體燃燒火焰傳播速度增加不明顯，燃燒等容度降低，氣缸被溫度也隨之減低，導致雙燃料模式下NOX量降低。而純柴油模式下發動機從低速到高速增加的過程中，NOX排放量呈現一個逐漸緩慢下降的態勢。

圖6 外特性NOX排放量對比曲線

4 結語

文章對改裝后的LNG/柴油雙燃料發動機進行臺架實驗，通過功率實驗和負荷實驗，采集了改裝后排放性指標，并繪制曲線，通過實驗驗證了改裝后的雙燃料發動機煙度降低四分之三，HCCONOx排放量大幅度降低，沒有煙塵污染，有效地保護了空氣質量。降低汽車廢氣排放，煙度（Rb）≤2.3，國家標準只要達到≤4.0既可。

［1］管西玲.淺談LNG的應用及在國內的發展［J］.中國石油石化，2017，（1）：143-144.

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

［3］張新塘，戰蕊，涂登磊，等.LNG-柴油雙燃料動力系統技術與應用現狀分析［J］.柴油機，2016，（6）：6-10.

［4］高華光.LNG重整氣/柴油發動機燃燒和排放性能研究［D］.舟山：浙江海洋大學，2016.

［5］張春化，李剛，宋建桐，等.引燃柴油噴油正時對LNG-柴油雙燃料發動機燃燒特性的影響［J］.內燃機工程，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

王國盛（1986-），男，碩士，主要研究方向：車輛工程。