电控柴油引燃天然气双燃料发动机的试验研究

石来华，姜艳（.重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆40；.环境保护部机动车排污监控中心，北京000）

电控柴油引燃天然气双燃料发动机的试验研究

石来华1，姜艳2
（1.重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122；2.环境保护部机动车排污监控中心，北京100101）

对某款柴油机改装的柴油-天然气双燃料发动机进行多工况试验研究，对比分析该双燃料发动机在纯柴油和柴油-天然气双燃料模式下的动力性能、燃料经济性能及排放性能。试验结果表明，与纯柴油模式相比，双燃料模式时发动机的动力性能略有下降，燃料经济性大幅提升，NOx及PM排放有效降低，HC与CO排放显著增加。

柴油机；双燃料发动机；动力性能；排放性

柴油引燃式天然气发动机，以其良好的点火性能和在动力性能、经济性能及排放性能上的优势成为天然气发动机，尤其是固定线路货车用大型发动机的一个重要发展方向，在我国西部天然气资源丰富的地区具有广泛的应用前景。

1　试验条件

1.1试验方案

与传统汽油机和柴油机相比，柴油引燃天然气双燃料发动机的燃烧过程既有柴油机扩散燃烧的特点，又有汽油机预混燃烧的特点，其燃烧过程非常复杂［1］。目前，柴油引燃天然气双燃料发动机存在运行区域相对较窄，进气系统、燃烧系统和燃油燃气喷射系统控制精度不高与匹配不够合理等问题。为了进一步研究柴油-天然气双燃料发动机的各项特性，本文对一台以柴油机为原机改装的柴油-天然气双燃料发动机进行试验研究，对比分析该发动机在纯柴油及柴油-天然气双燃料模式时的动力性、燃油经济性及排放性能。

按照有关的试验要求，对该发动机在纯柴油及柴油-天然气双燃料模式时进行了净功率［2］、负荷特性［3］、全负荷烟度［4］、稳态循环（ESC）、负荷烟度（ELR）及瞬态循环（ETC）［5］等试验。测量不同燃烧模式时发动机的动力性能、燃料经济性和排放性能。

1.2样机的主要技术参数

试验用发动机的主要技术配置及参数见表1。在原柴油机中冷后进气管处加装了一套燃气喷射装置，为双燃料模式工作提供天然气。在原机增压器后加装了一套DOC（氧化还原装置）装置，净化双燃料模式时排气中的HC和CO。

1.3试验用主要设备

试验在国家客车质量监督检验中心重型发动机排放试验室进行，试验用主要设备如表2所示。

表1　样机主要配置及参数

表2　试验用主要设备

2　试验结果与分析

2.1发动机动力性

对于双燃料发动机，天然气对于柴油的替代率是表征其性能的主要参数之一，其计算公式如下：

式中：md为双燃料模式时的柴油消耗量，kg/h；mdt为纯柴油模式时的柴油消耗量，kg/h。

在预混燃烧双燃料模式时，为了防止爆震需较大的喷油提前角。同时，为保证发动机外特性上的动力性能，双燃料发动机在全负荷工况时多采用较小的燃油替代率或纯柴油模式，如图1（b）所示。图1为双燃料发动机在不同燃烧模式下的外特性扭矩、功率及燃油替代率曲线。由图1（a）可知，在双燃料模式时，发动机动力性能有所下降，但下降幅度不大，扭矩、功率的最大降幅度仅为1.42%。双燃料模式时由于天然气以气体的形式进入进气总管，发动机充气效率下降，从而引起发动机动力性能下降。

2.2燃料经济性

由于柴油（国Ⅳ）与天然气（中国西部）的低热值不同（柴油：42.5MJ/kg，天然气：47.14MJ/kg），不能用有效燃油消耗率来评价双燃料发动机的经济性。因此，引入了当量燃油消耗量来评价双燃料发动机的经济性［6-7］。当量燃油消耗量计算如下：

图2为不同燃烧模式下全负荷工况的当量燃料消耗量及总的燃料费用曲线；图3为不同燃烧模式下1 400 r/min部分负荷时燃料消耗量及燃油替代率。由图2和图3可知，相同工况时，双燃料模式下的当量燃油消耗量比纯柴油模式时有所增加，全负荷工况时最大增幅为1.82%，部分负荷时最大增幅为13.6%，这与文献［8］中的研究结果一致，即双燃料模式下发动机所耗的当量燃油消耗量比原柴油机高。这主要是由于双燃料发动机天然气采用的进气管单点喷射，在气门叠开期会有部分混合气直接排出，造成燃料有效热效率降低，需要更多的燃料来提供相同的动力。虽然在相同工况下，双燃料模式时的当量燃油耗比纯柴油时高，但柴油与天然气间的价格差使得双燃料发动机的经济性得以体现。按照2015年4月重庆天然气4.8元/kg、柴油6.68元/kg的价格计算，得到图2和图4各工况下的燃料费用。全负荷工况时，因其燃油替代率低，最大替代率仅为11.8%，如图1（b）所示，燃油成本降低不明显，最大降低幅度为4.1%。部分负荷工况时，燃油替代率高，最大燃油替代率达到了78.7%，如图3所示。燃料成本降低幅度大，最大降幅达到了20.6%。

2.3排放性能

由于全负荷工况点的燃油替代率低，对排放的影响不大，本文只对最大扭矩转速时部分负荷及法规要求的工况法排放进行对比研究。表3和表4为纯柴油与双燃料模式时ESC、ELR及ETC的试验结果。

表4　 ETC试验结果g/（kW·h）

1）CO、HC排放。图5为转速1 400 r/min部分负荷时HC和CO排放。由图5（a）、表3和表4可知，双燃料模式时HC排放远高于纯柴油模式，但其中主要为化学性能相对比较稳定的CH4。这主要是由于双燃料发动机天然气采用的进气管单点喷射，在气门叠开期会有部分混合气直接排出，增加了HC的排放量。通过加装DOC后处理装置可将HC排放降低到标准限值以下。由图5（b）可知，在中、高负荷时，双燃料模式时CO排放远高于纯柴油模式，且随着燃气替代率的增加，其增加的幅度越大。但因其浓度低，对整个排放影响不大。通过DOC氧化后其总体排放低于标准限值。这主要是由于中、高负荷时燃烧室局部缺氧加剧，低负荷时混合气随负荷降低而变稀，燃烧不充分，使得双燃料模式时CO排放比纯柴油模式时高［9-10］。

2）NOX排放。图6为不同燃烧模式下转速1 400 r/min部分负荷时NOX排放对比。由图6可知，与纯柴油模式相比，双燃料模式能有效地降低NOX排放，最大降低了88.3%。表3和表4显示整个工作区域内NOX的降低幅度ESC为15.3%，ETC为13.3%。这主要是由于双燃料发动机在30%～80%中高负荷时燃气替代率高，如图1（b）所示，引燃油量少，大部分燃料为预混稀燃。因此，燃烧温度低，不利于NOX的形成；大负荷时，随着燃气替代率降低，引燃柴油量增加，高温燃烧区域增加，NOX排放随之上升。然而为了抑制预混天然气的爆震倾向，会加大喷油提前角，同时由于柴油引燃天然气为多点着火同时燃烧，滞燃期变短，这又抑制了NOX的产生。

3）烟度及颗粒排放。降低微粒和烟尘排放是双燃料发动机的又一个非常重要的优点。图7为1 400 r/min部分负荷时的烟度排放。由图7和表3可知，双燃料模式时可有效地降低发动机烟度及颗粒排放。ESC试验时，PM的降低幅度为25.0%；ELR排放时，烟度的降低幅度为87.5%；ETC试验时，PM的降低幅度为56.1%；转速1 400 r/min部分负荷时，烟度排放的最大降幅为39.6%。这主要由于双燃料发动机采用天然气和空气预混合供气方式，在进气行程和压缩行程与空气充分混合形成均质混合气，燃烧过程则由混合速度与火焰传播速度共同控制，因而不易生成碳烟，而引燃柴油的喷油量很少，所形成的混合气较为均匀，处于混合气过浓区的总燃料减少，从而减少了碳烟的生成。

3　结论

1）动力性能试验表明，在全负荷工况，双燃料发动机的动力性能与柴油机基本保持一致，其最大相差仅为1.42%。

2）在相同工况下，双燃料模式时，当量燃油耗比纯柴油时高，但柴油与天然气存在较大的价格差，双燃料模式时的燃料购置成本比纯柴油时低。

3）双燃料模式下，可有效地降低发动机的NOx、碳烟排放，但HC、CO的排放比纯柴油时高，其中HC的主要成分为化学性能相对稳定的CH4，通过加装DOC，可使其整体排放满足标准要求。

［1］史强，翟海鹏.柴油引燃天然气发动机的性能研究［J］.交通节能与环保，2014，（2）：28-31.

［2］GB 17692-1999，汽车用发动机净功率测试方法［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［3］GB/T 18297-2001，汽车发动机性能试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［4］GB 3847-2005，车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［5］GB 17691-2005，车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方式（中国III、IV、V阶段）［S］.北京：中国标准出版社，2005.

［6］雷基林，申立中，毕玉华，等.乙醇-生物柴油-柴油混合燃料对柴油机性能和排放的影响［J］.农业机械学报，2012，43（11）：21-25.

［7］吕兴才，马骏骏，吉丽斌，等.乙醇/生物柴油双燃料发动机燃烧过程与排放特性的研究［J］.内燃机学报，2008，（2）：140-146.

［8］张春润，李辉，张卫锋.基于原机动力性的柴油-天然气双燃料发动机性能研究［J］.车用发动机，2013，（6）：57-61.

［9］汪洋，苏万华，谢辉，等.柴油/汽油双燃料发动机排放性能的研究［J］.汽车工程，2002，（3）：221-223.

［10］张德福，田野.DDF电控柴油/天然气双燃料客车［J］.客车技术与研究，2010，32（1）：10-12.

修改稿日期：2015-05-22

ExperimentalStudy on Electronic-controlDual-fuelEngineof NaturalGas Ignited by Pilot Diesel

ShiLaihua1，Jiang Yan2
（1.Chongqing Vehicle Test&Research Institute，NationalCoach Quality Supervision&Testing Center，Chongqing401122，China；2.Vehicle Emission ControlCenter，ChineseResearch Academy ofEnvironmental Sciences，Beijing100101，China）

An experimentalstudy isconducted on amodified diesel-natural gas dual-fuelenginewith a diesel engine undermultiple conditions in order to comparativelyanalyze thepower，economy and emission between the pure diesel and diesel-naturalgasengine.The results show that the engine power of dual-fuel engine is about the same with the pure dieselengine，and the economy，NOx and PM emissionsof the dual-fuel engine are better than those with the pure diesel engine，the CO and HC emissions of the dual-fuel engine areworse than thosewith the pure dieselengine.

dieselengine；dual-fuelengine；power；emissions

U464.172；U 4732.+4

A

1006-3331（2015）04-0056-04

石来华（1980-），男，硕士；工程师；研究方向：发动机试验检测、发动机性能模拟计算及优化。