某LNG/柴油双燃料发动机动力性及经济性测试

王国盛，马世辉，赵开新

（河南工学院，河南 新乡 453003）

某LNG/柴油双燃料发动机动力性及经济性测试

王国盛，马世辉，赵开新

（河南工学院，河南 新乡 453003）

为了更好地反映改装后的LNG（液化天然气）/柴油双燃料发动机的动力性和经济性，校验改装成果，对改装后的发动机进行台架实验，获得发动机动力性及经济性指标。对比原柴油发动机，改装后的发动机运行稳定，各项指标符合预期，获得较好的改装效果，改装具有推广价值。

双燃料；功率；负荷；特性

1 台架实验原理

本课题引入一款改装了燃料供给系统的LNG/柴油双燃料发动机，为了与原发动机的动力性和经济性进行对比，搭建了实验台架，通过功率实验获得外特性扭矩和功率数据，通过负荷特性试验获得燃油消耗量和燃油消耗率数据，从而绘制曲线，进行分析对比。

发动机外特性曲线是指发动机油门开度100%时，在发动机工作转速范围内，扭矩Me、功率Pe和耗油量be随转速变化的关系曲线[1]。发动机负荷特性曲线指发动机转速一定的情况下，发动机主要性能参数随发动机负荷变化的关系曲线。

为了对改装前后的发动机燃油消耗量进行对比，需要定义燃油替代率，对于LNG/双燃料发动机，天然气对柴油的替代率是表征其性能的重要参数之一，通常定义为：在发动机工况相同的条件下，改用双燃料工作方式后，天然气所替代的柴油量mdg(kg/h)与纯柴油模式下的柴油消耗量mdt（kg/h）之比。即

式中md(kg/h)为双燃料工作模式下的柴油消耗量[2]。

为了获得特性曲线数据，本课题搭建LNG/柴油发动机性能测试台，其测试原理如图1所示。

图1 LNG/柴油双燃料测试系统原理图

2 所选发动机主要性能参数

本课题选择某增压柴油发动机作为双燃料改装的母机，其主要性能参数如表1所示。通过设置发动机工作模式切换开关，使改装后的双燃料发动机，即可以工作在纯柴油模式下，又可以工作在LNG/柴油双燃料模式下。

表1 柴油机主要性能参数列表

3 LNG/柴油双燃料发动机台架实验

综合国内各科研机构对双燃料发动机一系列的实验研究，搭建了实验台架。并依据国标GB/T18297-2001《汽车发动机性能测试方法》进行测试[3]。

本课题主要用到的测试仪器设备如表2所示。

表2 台架测试主要仪器设备一览表

4 测试结果及对比分析

4.1 功率测试结果及分析

功率测试的目的是评定发动机在最大供油量工况下的动力性和经济性，通过功率实验可以获得发动机的功率及扭矩数据。本课题利用搭建的发动机测试台，对发动机进行功率测试，分别获得了双燃料发动机在纯柴油和LNG/柴油双燃料模式下的功率及扭矩数据，从而绘制外特性功率曲线如图2所示，扭矩曲线如图3所示。

图2 LNG/柴油双燃料发动机功率曲线图

图3 LNG/柴油双燃料发动机扭矩曲线图

从图2和图3可以看出，发动机采用LNG/柴油双燃料模式相较于纯柴油模式，有效功率下降1%～10%。在中速工况时，纯柴油工作模式的功率、扭矩显著大于双燃料工作模式的功率和扭矩，在低速和高速运转时，纯柴油模式下的功率、扭矩略大于LNG/柴油双燃料工作状态的功率和扭矩。但其整体变化趋势基本相同。

纯柴油模式下，发动机额定功率达到222.4kW，最大扭矩在转速1400r/min时出现，达到1128N·m。在LNG/柴油双燃料模式下，额定功率达到220.8kW，最大扭矩在转速1200r/min时出现，达到1090.2N·m；相较于原发动机，改装后最大扭矩下降了3.35%，最大扭矩出现的转速提前了200r/min。可以看出，发动机在动力性上与原柴油机水平相当，达到了开发目标，虽然改装后的发动机最大功率和最大扭矩都有所下降，但是功率曲线和扭矩曲线更加趋于平缓，使得发动机在较高功率和较高扭矩下工作的概率增大。在中高速工况时，完全可以通过提高天然气的供给量达到与纯柴油工作状态相同的功率和扭矩。

4.2 负荷特性测试结果及分析

本课题主要检测发动机纯柴油模式和LNG/柴油双燃料模式下燃料消耗量和燃料消耗率，从而评价改装后发动机的经济性[4]。

将改装好的发动机安装在台架上，将实验发动机切换到纯柴油模式，保持发动机转速稳定在1300r/min，然后改变负荷，使发动机分别在表3中的各功率下运转15分钟，测得发动机燃油消耗量和燃油消耗率。

表3 纯柴油负荷特性测试表

然后将转换开关拨到LNG/柴油双燃料模式下，稳定发动机转速在1300r/min，同样调整发动机负荷如表3所示，ECU（发动机控制单元）通过调整设置好的参数配置来控制柴油替代率，从而实现LNG对柴油最大限度的替代，进而获得双燃料模式下发动机燃料消耗量和燃料消耗率数据。

将以上两种模式下的测试结果绘制曲线如图4所示。

图4 纯柴油模式和双燃料模式下燃料消耗率曲线图

从图4中可以看出，在纯柴油模式下，发动机在负荷50kW时柴油消耗率达到最高值252.8g/(kW·h)，随着负荷的逐渐增加，在负荷160kW时，发动机柴油消耗率达到最低值204.1g/(kW·h)，随后，柴油消耗率逐渐上升。然而在LNG/柴油双燃料模式下，由于LNG按照一定比率替代柴油，随着发动机负荷的逐渐提高，燃油消耗率从139.04g/(kW·h)，一直下降到18.46g/(kW·h)，而LNG消耗率则由最初的125.4g/(kW·h)直接上升到226.5g/(kW·h)，翻了将近一倍。

柴油替代率曲线如图5所示，从图中可以看出发动机设定在1300r/min运转时，随着负荷的逐渐增大，柴油替代率也由最初的45%一直上升到92%。这是因为随着负荷的增加，混合气中天然气量越来越多，燃烧更加充分，要求的点火能量相对较低，因此较少的柴油量就可以引燃天然气，达到稳定燃烧，替代率也随之上升，从而实现最大限度地节约柴油，达到本次改装柴油发动机的目的。

尽管双燃料模式下总燃料消耗率比纯柴油模式下有所提升，但LNG的价格优势使得燃料成本大幅度降低[5]。为较好地评价LNG/柴油双燃料发动机的经济性，需要定义评价指标“燃料成本”为：在理想情况下，某种燃料充分燃烧时释放出单位能量所消耗的成本。即：

图5 LNG/柴油双燃料模式下柴油替代率曲线图

柴油和LNG的燃料经济性参数如表4所示。本表数值是在1个标准大气压、温度为0℃时测得。

表4 柴油和LNG燃料经济性参数列表

按照表4中数据计算，理想的状态下，0#柴油的燃料成本约为1.79元×10-4/kJ，而LNG的燃料成本约为0.81×10-4元/kJ，LNG燃料成本约为0#柴油的45.3%。于是当LNG对柴油替代率达到80%时，发动机燃烧所需成本能够有效降低50%以上。因此改用双燃料工作的发动机经济效益十分可观。

5 结语

本课题对改装后的LNG/柴油双燃料发动机进行台架实验，通过功率实验和负荷实验，采集了改装后发动机两种模式下的动力性和经济性指标，并绘制曲线。通过实验得出：改装后的双燃料发动机，LNG对柴油的替代率最大为92%，平均超过50%；最大扭矩小于原机最大扭矩，但大于等于原机最大扭矩的95%，最大扭矩出现时的转速比原机提前了200r/min；最大功率小于原机最大功率，但大于等于原机最大功率的98%；当LNG对柴油替代率达到80%时，发动机燃烧所需成本能够有效降低50%以上，最终实验结果符合设计预期。

（责任编辑 吕春红）

[1] 赵丹平，吴双群.现代汽车发动机原理[M].北京:北京大学出版社，2010.

[2] 林少芳.基于电控喷射方式的柴油-LNG双燃料改装发动机的性能分析[J].长春师范大学学报，2016（8）.

[3] 龙焱祥，王忠俊.替代率对船用LNG/柴油双燃料发动机性能的影响[J].内燃机，2016（4）.

[4] 沈亚冲.柴油引燃液化天然气双燃料发动机的掺烧特性研究[D].长安大学，2016.

[5] 姚冬梅.LNG/柴油双燃料发动机供气技术发展趋势[J].技术研发，2013（7）.Abstract: In order to better reflect the power and economy of refitted LNG/ diesel dual fuel engine and verify the refit results, In this paper, the engine test of the refitted engine is carried out, and the power and economic indexes of the engine are obtained. Compared with the original diesel engine, the refitted engine runs stably, and all the indexes meet the expectation, and better refit results are obtained, the refit has promotion value. Key words: dual fuel; power; load; characteristic

Dynamic and Economic Test of a LNG/ Diesel Dual Fuel Engine

WANG Guo-sheng，et al
(Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

U467.2

A

1008–2093(2017)03–0004–04

2017-03-23

王国盛（1986―），男，河南新乡人，助教，硕士，主要从事车辆工程研究。