柴油-天然气双燃料发动机性能和排放特性研究

李静，田新宇

（西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043）

柴油-天然气双燃料发动机性能和排放特性研究

李静，田新宇

（西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043）

本文以某柴油-天然气双燃料发动机为对象，通过台架试验对其性能和排放进行了研究。结果表明，双燃料发动机与原柴油机相比，其可发出的功率与原柴油机相当，动力性不降低；有效燃料消耗率较低，具有良好的经济性；排放性相比原机有明显的改善。

双燃料发动机；动力性；排放性

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

引言

柴油-天然气双燃料发动机是在原柴油发动机上加装一套天然气供给系统和双燃料电控系统，无须更换任何的零部件。该电控系统同时精确控制柴油喷射及天然气喷射，利用柴油引燃气缸内的天然气和空气混合气体实现燃烧对外做功。双燃料发动机保持了原柴油机高压缩比的特点，具有优良的动力性和经济性，同时，其排放水平与原柴油机相比也得到明显的改善。

此外，双燃料发动机在天然气供气不足时，还可以灵活转换为纯柴油工作模式，保障了无气状态时的正常运行。

本文以一台六缸增压中冷柴油机为原机，加装天然气供气系统和电控喷射系统，就其动力性、经济性和排放性进行了试验研究。

1、试验装置和过程

1.1 试验用发动机及其组成

试验所用发动机的具体参数如表1所示。

表1 试验用柴油机主要性能参数

柴油-天然气双燃料发动机主要由天然气供给系统和电

控系统构成，其总体结构图如图1所示。

天然气供给系统主要由LNG气瓶、稳压阀、低压滤清器、天然气喷轨以及混合器。

双燃料发动机电控喷射系统是保留原机控制系统的基础上加装一套控制单元来实现的。该系统共享原柴油机的传感器信号，对柴油喷射和天然气喷射进行实时精确的控制。双燃料控制单元可以监控发动机各个参数，根据既定策略灵活选择是否对柴油喷射系统和燃气喷射系统的控制。在不适合使用天然气的情况下（如燃气喷嘴断路、传感器失效等），切断天然气喷射，并将系统控制权归还原柴油机系统。若该系统完全失效，则整机的控制权自动移交给原柴油机的控制系统，实现灵活控制，保证发动机的平稳运行。

1.2 试验测试设备

（1）测功机

测功机采用南峰CW260-1800/7500型电涡流测功机，额定吸收功率260kW，扭矩量程0～1395 N·m，额定转速1800 r/min允许最高转速7500r/min。

（2）油耗仪

油耗仪采用德国Gregory公司FCS3型油耗仪测量，测量范围0.1到250L/h，测量精度4x10-3ml。

（3）天然气流量计

采用北京首科DMF-1系列质量流量计测量。流量测量精度：±0.20% 流量±[(零点稳定性/流量值)×100]% 流量；密度测量精度为±0.002g/ml；

（4）排放测试设备

本试验发动机尾气通过奥地利AVL公司生产的AVL DiGas 4000 Light尾气排放分析仪和AVL DiSmoke 4000不透光烟度分析仪进行测量。DiGas 4000 Light可测量项目包括CO，HC，CO2，O2，NOx及λ；AVL DiSmoke 4000可测量不透光烟度值（K值）和消光系数（N值）。

（5）温度和压力等常规检测传感器和仪表。

1.3 试验方法

对比纯柴油发动机和双燃料发动机外特性试验的动力性和排放特性。

2、试验结果及分析

2.1 外特性动力性分析

双燃料发动机和纯柴油发动机外特性功率和扭矩对比如图2和图3所示。

从图中可以看出，随着转速上升，发动机功率和扭矩逐渐增加，当转速到达2000r/min时，功率达到最大功率；当转速到达1600r/min附近时，扭矩达到最大值，而后随着转速升高，扭矩开始下降。双燃料的扭矩在低转速时下降比较明显，随着转速升高，双燃料发动机功率和扭矩比纯柴油发动机略有下降。主要原因天然气以气体的形式进入进气总管，使得发动机充气效率下降，从而引起发动机动力性有所降低。然而从图中可看出，在整体上双燃料发动机的动力性基本不降低。

2.2 排放性分析

外特性工况时双燃料和纯柴油HC和CO排放对比如图4、图5所示。

由图中可看出，双燃料发动机的HC和CO排放明显高

于柴油机。对HC排放物的进一步分析可知排放物含有甲烷（CH4）和非甲烷两类成分，而且大部分成分是甲烷，过多未燃的甲烷造成测得的总碳氢（THC）成分过高。

外特性工况时双燃料和纯柴油NOX排放对比如图6所示。

从图中可知，双燃料发动机的NOx排放比柴油的要低。NOx的生成的影响因素主要是氧含量、燃烧温度以及燃烧产物在高温中的停留时间的影响，即在氧浓度足够的条件下，反应时间越长，温度越高，则NOx的生成量越大。气态的天然气和空气形成的混合气使得充气效率降低，从而导致气缸氧含量下降，同时双燃料发动机最高燃烧压力和缸内燃烧温度都低于柴油机，使得双燃料NOx排放低。

外特性工况时双燃料和纯柴油碳烟排放对比如图7所示。

从图7中可以看出，双燃料发动机可以显著降低碳烟的排放，各转速平均降低96%。这是由于在进气过程中天然气与空气进行了预混合，混合气均匀，使得缸内燃烧速率加快，燃烧完全，燃烧持续期缩短，从而有利于抑制碳烟的生成；另一方面，芳香烃是不饱和烃，其碳氢质量比（C/H）远远大于烷烃。一般情况下，燃料的芳香烃量越高，其烟度越大，而烷烃量越多，其烟度越小，天然气的主要成分是烷烃，芳香烃的含量比较少，因此LNG的碳烟排放也会相对较少。

3、结论

（1）在整个外特性工况范围内双燃料发

动机的动力性能够完全达到原柴油机的性能水平；

（2）相比柴油机，双燃料发动机的综合排放性明显得到改善，其NOx排放降低，尤其碳烟排放大幅下降。

[1] 张沛,黎辉等.柴油/CNG双燃料汽车发动机的性能研究[J].机械设计与制造，2009(11).

[2] 马征,李国岫等.电喷双燃料发动机排放性能的试验研究[J].内燃机学报，2001，19(6).

[3] 刘彦辉. LNG/柴油双燃料发动机性能及排放研究[D].陕西：长安大学. 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

李静，就职于西安兰德新能源汽车技术开发有限公司。