柴油引燃天然气双燃料发动机性能试验研究

柴油引燃天然气双燃料发动机性能试验研究

孙昌1，王华2，张雄1，常欣宇1，李传爆1，周思林1

（1.浙江吉利汽车有限公司，浙江，宁波 315800；2.重庆凯瑞燃气汽车有限公司，重庆 401122）

摘 要：针对柴油/天然气双燃料发动机的动力性、燃料经济性和排放特性，采用十三工况法，在WP10.336型柴油机上进行柴油/天然气双燃料与纯柴油的性能与排放对比试验研究，试验中柴油替代率为88%～97%，满足微量柴油的要求。试验结果表明：，双燃料模式下动力性基本不变，但热效率会降低；，排放减少，同时HC和CO2排放明显增加。

关键词：柴油引燃；双燃料发动机；排放；十三工况法

中图分类号：TK437 文献标识码：A

Experimental Study on the Performance of a Diesel Pilot Ignition CNG Engine

Sun Chang1，WANG Hua2，Zhang Xiong1，CHANG Xinyu1，Li Chuanbao1，Zhou Silin1

（1.Zhejiang Geely Automobile Co.， Ltd.， ，Zhejiang Ningbo 315800，，Zhejiang ，China；2.Chongqing CAERI Gas Vehicle Co.，Ltd，Chongqing 401122，China）

Abstract： In order to obtain the power， fuel economy and characteristics of diesel/CNG dual fuel engine. The performances and exhaust emission of diesel engine between diesel/CNG and pure diesel were measured according to the ECE R49 13-mode test cycle in a WP10.336 diesel engine. In the test process， the substitution rate of diesel is 88%～97%，which meets the requirement of small amount of diesel. The result shows that in the premise of ensuring the original diesel engine power， the combustion thermal efficiency is reduced. The diesel pilot ignition CNG engine can lead to the decrease NO_x emissions， but with increase emission of the HC and CO2.

Keywords：diesel pilot ignition； dual-fuel engine； emission； ECE R49 13-mode test cycle

0 前言

目前普遍预测在未来近五十50年内，内燃机还将作为世界上的主力动力源[1]。世界各个国家都在积极寻求替代燃料来减轻内燃机对石油资源的依赖[2]。目前，，可供汽车使用的新能源有电能、天然气、乙醇、甲醇、生物柴油、液化石油气、氢气、二甲醚等其他它替代能源[3]。在所有替代燃料中，，能够满足汽车发动机使用要求、，应用最为广泛的是天然气，，它拥有资源丰富、清洁、经济和安全上的优势。与液态燃料相比，，天然气的存储所占体积较大，，天然气汽车的行驶里程较短；天然气的点火温度高，需要更高的点火能量，对点火系统提出了更高的要求；天然气的燃烧速度慢，燃烧持续期长，热效率较低[4-8] 。

近年来，我国已经开展了柴油/天然气双燃料发动机的研究，但尚无成熟产品。由于天然气和柴油的燃烧特性存在较大的差异，要使柴油/天然气混合燃烧达到理想状态具有一定的难度。为充分利用天然气的优点，有必要细致了解柴油/天然气双燃料发动机的动力性、燃料经济性和排放特性。本文以WP10.336型柴油机为原型机，采用十三工况法进行微量柴油引燃柴油/天然气双燃料发动机的燃烧试验。

1 试验设备

首先，在纯柴油模式下， ，测试并记录发动机试验数据。然后在双燃料模式下，，调整标定软件相应参数， ，减少每个工况点的柴油喷油量， ，并喷射一定量的天然气使发动机的功率恢复到纯柴油时的数据，，同时保证发动机正常运行，，排气温度不能超过纯柴油机排温， ，通过天然气流量计和柴油油耗仪测出天然气和柴油量， ，记录此时的试验数据。用到的主要设备如图1所示。

本试验以潍柴WP10.336型柴油机为原型机，采用单ECU同时控制柴油喷射和天然气供给，双燃料模式下采用天然气和空气预混合供气方式，。预混合供气方式是将天然气与发动机进气在发动机进气总管前混合，形成混合气进入发动机缸内进行压缩后，，由喷入缸内的引燃柴油点燃混合气进行燃烧。。其原型机主要参数如见表1所示。，柴油和天然气主要燃烧参数如见表2所示。

2 试验方案及结果分析

2.1 试验方案

按照GB17691-—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》进行ESC循环试验，。根据原机的全负荷曲线，确定发动机转速A、B和C分别为1 310 r/min、1 630 r/min和1 950 r/min，怠速转速为600 r/min（工况点L1），针对25%、50%、75%和100%四个负荷测量其燃料消耗量和尾气排放量。

2.2 柴油替代率

替代率定义：

式中： ——为替代率； ——为原柴油机柴油油耗，g·（kW·h）-1单位； —— 为双燃料发动机柴油油耗，g·（kW·h）-1单位。

图2示出了为柴油/天然气双燃料发动机和纯柴油机的扭矩转矩对比特性，由图可以看出知：维持原机扭矩转矩基本不变的情况下，各工况点达到较高替代率，最小替代率为88%，，最高替代率为97%。

式中： HCNG——为天然气低热值，kJ/kg； ； Hdie——为柴油低热值，kJ/kg；；Pe——为发动机有效功率，kW。

燃料消耗情况如图3和图4所示，其中图3中双燃料模式下的燃料消耗为柴油消耗和天然气消耗的和，图4中双燃料模式下将天然气消耗量转化为当量柴油消耗量。从由图3中可以看出知：在低负荷时，双燃料发动机能耗高于纯柴油发动机；中高负荷时，双燃料发动机能耗低于纯柴油发动机。但天然气价格低于柴油，双燃料发动机具有较大的经济优势。低负荷时，燃料消耗较高，这与混合气浓度过稀，，燃烧速度慢，燃烧不充分有关。随着负荷的增大，混合气变浓，双燃料发动机的热效率逐渐提高，燃烧充分。图4中双燃料模式下具有和图3同样的变化规律。

对比图3和图4容易发现：在图3中除了低负荷双燃料发动机燃料消耗高于纯柴油发动机外，其他它负荷下都低于纯柴油发动机；而在图4中，所有工况下双燃料发动机燃料消耗都高于纯柴油发动机。图4中的当量柴油消耗本质上是通过能量相等将天然气转化为柴油，所以图4实质上是纯柴油和当量柴油两者之间能耗的比较，而此时双燃料发动机的能耗高，所以双燃料发动机的能源利用率就低。

2.4 排放分析

图5和图6分别为NO_x各工况点ppm排放分布图和比排放分布图，在两图中双燃料发动机NO_x排放有共同规律，即在低负荷时排放低，高负荷时排放高。在低负荷混合气稀薄，燃烧推迟，缸内燃烧温度较低，因此NO_x排放较低；随着负荷的增加，替代率增大，缸内压力和温度升高，NO_x排放逐渐增大，在高负荷工况下，缸内压力和温度急剧上升，NO_x排放量迅速升高，尤其在高转速工况下，其NO_x排放ppm值甚至高于纯柴油模式。从由图76可以看出知：双燃料发动机NO_x比排放量相较于燃用纯柴油显著降低，因此，在排除掉负荷对NO_x排放的影响后，柴油/天然气双燃料发动机能够降低NO_x排放。

NOx比排放/[g·（kwh）-1]

图7和图8分别为HC排放ppm分布图和比排放分布图，从由图87可以看出知，双燃料发动机HC排放远高于纯柴油发动机，这是由于天然气点火困难，火焰传播速度慢，相对于纯柴油燃烧模式，双燃料模式下HC排放更高。在双燃料模式时，由于过量空气系数随着替代率的增加而降低，进入气缸内的天然气增加，燃烧室局部缺氧，在低负荷时燃烧不好或发生失火， HC排放量大幅度增大。双燃料模式HC排放质量分数随负荷增加而减小的变化趋势，在低负荷工况下，燃烧温度较低，火焰在燃烧室内传播速率低，未燃烧HC比例高，且此时的总排气量少，导致HC排放的质量分数高。中高负荷工况下，混合气变浓，燃烧条件充分改善， 总排气量增加使HC排放质量分数降低。另外在进、排气口重叠期，部分可燃混合气直接进入排气管也会造成HC排放量增加。从由图8可以看出知，HC比排放量在低速时较高，高速时较低；，同时发现，HC比排放量随负荷增加而增加，产生此现象产生的原因是随着总排气量的增加，HC的绝对排放量在增大。

HC比排放/[g·（kwh）-1]

从由图9可以看出知，双燃料发动机CO2排放在各工况点高于纯柴油发动机，这是由于天然气的主要成分CH4中碳所占的比例高于柴油中碳所占的比例；，同时随着燃烧的改善，负荷越高，CO2排放也越高，。这一点是和图8所反应反映的HC排放变化规律相符合的。

3 结论

通过以上分析我们可以得出如下结论，在所测试的转速和负荷范围内：

（1）纯柴油机改为柴油/天然气双燃料发动机可以保证其动力性基本不变，，ESC循环各工况点替代率在88%～97%。

（2）双燃料燃烧模式下，燃料消耗量比纯柴油燃烧模式下低，但是热效率也比纯柴油燃烧模式下低，为提高双燃料燃烧的热效率需要对发动机燃烧性能进行优化。

（3）柴油/天然气双燃料燃烧模式可以降低NO_x排放，但是会使HC排放增加。

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作者简介：

责任作者：孙昌（1987年-）， 男， 黑龙江省宝清县人，。 本科学士，主要研究方向为替代能源及新能源汽车设计制造。

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