天然气/柴油双燃料发动机研究现状分析

李玉兰，王 谦

（1.镇江高等职业技术学校，江苏镇江 212016；2.江苏大学 能源与动力学院，江苏镇江 212013）

天然气/柴油双燃料发动机研究现状分析

李玉兰1，2，王 谦2

（1.镇江高等职业技术学校，江苏镇江 212016；2.江苏大学 能源与动力学院，江苏镇江 212013）

随着世界传统能源的日益匮乏，以及排放污染问题的日益加重，天然气天然气/柴油双燃料发动机的开发和应用成为发动机行业新的研究热点。从传统燃料发动机面临的问题、新型燃料发动机发展前景和天然气发动机的特点分析了天然气/柴油双燃料发动机研究背景；综述了天然气/柴油双燃料发动机研究现状，提出了天然气/柴油双燃料发动机需要继续研究的方面，对开发和设计天然气/柴油双燃料发动机提供了一定的参考价值。

天然气；柴油；双燃料发动机

1 天然气/柴油双燃料发动机研究背景

1.1 传统燃料发动机面临的问题

随着时代的不断发展，全世界人口也在不断增加，对传统能源的消耗也不断增加，全球都面临着能源危机，石油资源可开采量也日益减少。因此传统燃料发动机面临的问题主要来自两个方面。一方面柴油作为一种石油资源，全球油价不断攀升，一度造成了严重“油荒”。

另一方面传统柴油机尾气排放污染问题。传统柴油机尾气污染物中含有氮氧化物（NOx）、二氧化碳，未燃的碳氢化合物（HC）、微粒物（PM）等，这些尾气排放危害成为人类生存环境的主污染物来源。在传统燃料的柴油机行业，各类排放法规对污染物的控制越来越严格。因此，改善柴油机污染势在必行。

1.2 新型燃料发动机发展前景

为了解决传统燃料发动机所面临的问题，新型燃料发动机的研究得到日益关注。目前，解决柴油机尾气污染问题的热门方法是使用替代燃料，包括生物质燃料，LPG 和天然气等。其中天然气具有清洁环保高效的优势，受到越来越多研究者的关注，已经成为发动机替代燃料研究热点。所以以天然气为代表的新型燃料发动机的发展前景是非常乐观的。

1.3 天然气发动机的特点分析

目前天然气发动机使用的燃料分为两种，分别是气态天然气和液态天然气。甲烷（CH4）是天然气的主要成分，通常占90％以上，有些纯度高的天然气，甲烷含量甚至达到95％～98％，因此天然气的物理化学性质十分接近甲烷。与其它化学燃料相比，它具有以下优点：

（1）燃烧清洁。天然气单位能量中的碳元素含量低于其柴油和汽油，因此百公里产生的 CO2排放明显降低。

（2）可在高压缩比条件下工作。天然气辛烷值很高，约为130。因此天然气具有优良的抗暴性，一方面发动机工作稳定，压力升高速率平缓；另一方面，可通过增大压缩比、改进点火提前角等方式改善混合气热值低，进气效率低的缺陷，提高天然气发动机的动力性。

（3）天然气汽车冷启动性能好。

（4）天然气射流发展速度快，射流的贯穿距与锥角增加，有利于缸内气流混合

（5）天然气发动机比燃油发动机具有更宽的稀燃边界，空燃比最大可达2.0，放热率大，燃烧迅速。

（6）天然气发动机具有很高的经济效益，据统计，使用天然气比汽油节省50％的费用；车辆大修理时间较汽、柴油机延长 20％以上，润滑油更换周期延长到 1.5 万 km，维修保养费节约 50％。

2 天然气发动机的分类

天然气发动机有很多应用形式，可按不同应用形式，如燃料，进气方式等等分成很多种类，如表1所示。

表1 天然气发动机的分类

天然气可以引入到柴油机上成为天然气/柴油双燃料发动机。它采用柴油作为引燃燃料，形成火焰花点燃天然气。改装好的气体机，热效率与同排量柴油机相当，碳烟颗粒NOx和CO2的排放显著降低。但是与传统柴油机相比，中小负荷工况下的未燃气体排放会升高。这主要是因为，较低的进气温度和较长的着火延迟期使得缸内的燃烧温度降低。另一个原因是微引燃柴油的喷雾贯穿距位置和雾化状况恶劣造成引燃火焰点在缸内不能平均分布。在中小负荷工况下采用废气循环技术（EGR），可以提高燃烧温度，降低未燃CH和CO的排放。增加引燃燃料量或者在天然气中掺入氢气都可以提高燃烧速率。柴油引燃式天然气发动机动力性能略微下降，但是通过改进天然气直喷技术，加强燃料的深度精炼，优化燃料供给技术都可应对天然气燃料物理化学性质引起的功率下降现象。

天然气双燃料发动机是在天然气发动机应用早期，由于加气站等基础设施建设不完善，为了能够使汽车正常运行，天然气发动机的开发主要是在原有的发动机上增加一套天然气系统，这种发动机能够在汽油和天然气燃料之间切换使用，目前出租车上用的主要是这种天然气发动机，这种技术简单，发展成熟。对于私家车而言，由于天然气发动机系统占用后备箱很大空间，目前还没有使用。

3 天然气/柴油双燃料发动机研究现状

近年来的研究热点是双燃料发动机的燃烧特性及排放特性、燃烧模型、稀燃技术、增压中冷技术、油气电子调节与控制、控制排放的缸内燃烧技术、机外催化技术和废气再循环技术等。天然气/柴油双燃料缸内射流发展混合过程对优化组织燃烧，提高双燃料发动机动力性，降低排放均有重要的影响。但是目前目前国内外针对双燃料发动机的研究多集中在发动机的性能研究，针对双燃料缸内射流发展混合过程的研究还不够广泛和深入。

Abraham等开展了高压直喷气体射流的实验研究。1994年，他通过研究气液两种射流，发现得益于液体射流的高动量，其与空气动量交换速度更快，因此液体射流比气体射流更易于和环境气体混合。1996 年，他总结计算了气体入口速度与气体射流贯穿距之的经验公式。1997 年，他通过 CFD 模拟计算，认为气体射流可使用尺度低于气体喷孔直径的计算网格。P.Ouellette等基于k-ε湍流模型，利用数值模拟研究了缸内湍流，喷射持续时间以及壁面等因素对天然气射流的速度场、贯穿距的影响。Timothy White利用纹影仪法，背影法和数值计算方法研究了天然气/柴油双燃料射流的发展。设计加工了不同的双燃料喷射器结构，分析了不同天然气，柴油喷射位置，喷射夹角距离等因素对射流的影响。Yu Jingzhou等利用平面激光诱导荧光测试技术（PLIF）研究了喷射压力与缸内背压不同比值下天然气撞击平面的射流结构变化以及射流与周围空气的相互作用。研究发现，平面撞击有利于气体射流与环境气体的混合，为气体机分层燃烧技术开展提供了技术基础。Yu Liu等利用纹影仪，定容弹等实验设备，用L型管道代替喷嘴研究了天然气喷射压力，背压，以环境因素对天然气射流发展，天然气点火成功率，天然气火焰生长速度的影响。Taib Mohamad等人提出，由于天然气无色无味，可将天然气射流导入水中，从而拍摄天然气射流发展过程。作者将火花塞改装成为直喷天然气喷射器，喷射压力在 4-6MPa 之间。天然气射流的涡流结构与天然气射流球形射流模型十分吻合。Xu Cheng等在背压为 4MPa，环境温度为 850K 条件下研究了不同气体射流喷射压力对喷孔内部的流动状态的影响，结果显示，喷孔出口速度大于入口速度，而喷孔出口压力和出口温度则低于入口。Iman Chitsaz等利用纹影仪以及数值模拟手段，研究了单燃料压缩天然气（CNG）射流发展过程，研究发现，较高的喷射压力与背压比值以及更大的天然气喷孔孔径会导致射流贯穿距显著增加，但是射流初始发展阶段基本不受影响，模拟结果与实验射流发展基本一致。Mingi Choi等结合PLIF实验数据，针对气体燃料喷射优化了KIVA-3V的程序。Karri Keskinen等研究了喷嘴类型，喷射压力，喷射时刻对缸内混合气形成的影响。

国内江苏大学张州榕等利用纹影仪开展了天然气单燃料射流特性研究，同时针对天然气/柴油双燃料同轴喷射器的喷孔几何位置因素开展了数值模拟研究。戴礼明等基于 AVLFIRE 软件，针对某型柴油机模型开展缸内高压直喷式天然气/柴油双燃料发动机不同天然气替代率对发动机燃烧和排放的影响开展数值模拟。王金华在定容弹上利用高速摄影纹影法片得到了不同喷射压力和背压下的射流贯穿距离、射流锥角和射流体积随时间变化的规律，计算得到了射流内整体过量空气系数随时间变化的规律。

4 天然气/柴油双燃料发动机需要解决的问题

为降低排放，缓解石油能源紧张的局面，气体燃料受到了世界各国的重视和推广，双燃料发动机技术不断完善，但天然气/柴油双燃料发动机需要解决如下的问题：

1）优化喷射器几何结构，提高天然气/柴油双燃料混合和燃烧效果；

2）设计天然气/柴油双燃料射流模拟模型，验证实验结果；3）完善天然气/柴油双燃料发动机的排放特性。

5 结束语

随着世界传统能源的日益匮乏，以及排放污染问题的日益加重，天然气天然气/柴油双燃料发动机的开发和应用成为发动机行业新的研究热点。本文从传统传统燃料发动机面临的问题、新型燃料发动机发展前景和天然气发动机的特点分析了天然气/柴油双燃料发动机研究背景；综述了天然气/柴油双燃料发动机研究现状，提出了天然气/柴油双燃料发动机需要继续研究的方面，对开发和设计天然气/柴油双燃料发动机提供了一定的参考价值。

[1]梁昱，周立迎.双燃料发动机技术研究综述[J].贵州学院学报.2008，（3）：18-23.

[2]Karri Keskinen，Ossi Kaario，Mika Nuutinen，et al.Mixture formation in a direct injection gas engine：Numerical study on nozzle type，injection pressure and injection timing effects.Energy.Volume 94，1January 2016，Pages 542-556.

[3]张州榕，王谦，何志霞，等.缸内高压直喷柴油/天然气喷射混合过程分析[J].工程热物理学报，2015，（10）：2262.

[4]戴礼明.柴油、天然气双燃料喷射混合特性与燃烧模拟研究[D].江苏大学，2016.

Research Status of Natural Gas/Diesel Dual Fuel Engine

Li Yu-lan，Wang Qian

with the increasing scarcity of traditional energy sources，and the increasing pollution of the emission，the development and application of natural gas/diesel dual fuel engine has become a new research hotspot in the engine industry.This paper from the traditional fuel engine problems，new fuel engine and development prospect of natural gas engine and analyzes the characteristics of natural gas/diesel dual fuel engine research background；summarized the natural gas/diesel dual fuel engine research status，the natural gas/diesel dual fuel engine needs to continue to study，to the development and design of natural gas/diesel dual fuel engine to provide a certain reference value.

natural gas；diesel fuel；dual fuel engine

TK438.9

A

1003-6490（2016）08-0087-02

2016-08-10

国家自然科学基金资助项目（51176066）。

李玉兰（1980—），女，安徽涡阳人，讲师，主要从事微燃烧理论和电子技术研究工作。