石來(lái)華，姜艷（.重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶40；.環(huán)境保護(hù)部機(jī)動(dòng)車(chē)排污監(jiān)控中心，北京000）

電控柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究

石來(lái)華1，姜艷2
（1.重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶401122；2.環(huán)境保護(hù)部機(jī)動(dòng)車(chē)排污監(jiān)控中心，北京100101）

對(duì)某款柴油機(jī)改裝的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行多工況試驗(yàn)研究，對(duì)比分析該雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在純柴油和柴油-天然氣雙燃料模式下的動(dòng)力性能、燃料經(jīng)濟(jì)性能及排放性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，與純柴油模式相比，雙燃料模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能略有下降，燃料經(jīng)濟(jì)性大幅提升，NOx及PM排放有效降低，HC與CO排放顯著增加。

柴油機(jī)；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；動(dòng)力性能；排放性

柴油引燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以其良好的點(diǎn)火性能和在動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能及排放性能上的優(yōu)勢(shì)成為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是固定線路貨車(chē)用大型發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向，在我國(guó)西部天然氣資源豐富的地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。

1　試驗(yàn)條件

1.1試驗(yàn)方案

與傳統(tǒng)汽油機(jī)和柴油機(jī)相比，柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程既有柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒的特點(diǎn)，又有汽油機(jī)預(yù)混燃燒的特點(diǎn)，其燃燒過(guò)程非常復(fù)雜［1］。目前，柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)存在運(yùn)行區(qū)域相對(duì)較窄，進(jìn)氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和燃油燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)控制精度不高與匹配不夠合理等問(wèn)題。為了進(jìn)一步研究柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)特性，本文對(duì)一臺(tái)以柴油機(jī)為原機(jī)改裝的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比分析該發(fā)動(dòng)機(jī)在純柴油及柴油-天然氣雙燃料模式時(shí)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能。

按照有關(guān)的試驗(yàn)要求，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)在純柴油及柴油-天然氣雙燃料模式時(shí)進(jìn)行了凈功率［2］、負(fù)荷特性［3］、全負(fù)荷煙度［4］、穩(wěn)態(tài)循環(huán)（ESC）、負(fù)荷煙度（ELR）及瞬態(tài)循環(huán)（ETC）［5］等試驗(yàn)。測(cè)量不同燃燒模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、燃料經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

1.2樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)配置及參數(shù)見(jiàn)表1。在原柴油機(jī)中冷后進(jìn)氣管處加裝了一套燃?xì)鈬娚溲b置，為雙燃料模式工作提供天然氣。在原機(jī)增壓器后加裝了一套DOC（氧化還原裝置）裝置，凈化雙燃料模式時(shí)排氣中的HC和CO。

1.3試驗(yàn)用主要設(shè)備

試驗(yàn)在國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心重型發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)用主要設(shè)備如表2所示。

表1　樣機(jī)主要配置及參數(shù)

表2　試驗(yàn)用主要設(shè)備

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性

對(duì)于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣對(duì)于柴油的替代率是表征其性能的主要參數(shù)之一，其計(jì)算公式如下：

式中：md為雙燃料模式時(shí)的柴油消耗量，kg/h；mdt為純柴油模式時(shí)的柴油消耗量，kg/h。

在預(yù)混燃燒雙燃料模式時(shí)，為了防止爆震需較大的噴油提前角。同時(shí)，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上的動(dòng)力性能，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況時(shí)多采用較小的燃油替代率或純柴油模式，如圖1（b）所示。圖1為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同燃燒模式下的外特性扭矩、功率及燃油替代率曲線。由圖1（a）可知，在雙燃料模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能有所下降，但下降幅度不大，扭矩、功率的最大降幅度僅為1.42%。雙燃料模式時(shí)由于天然氣以氣體的形式進(jìn)入進(jìn)氣總管，發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率下降，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能下降。

2.2燃料經(jīng)濟(jì)性

由于柴油（國(guó)Ⅳ）與天然氣（中國(guó)西部）的低熱值不同（柴油：42.5MJ/kg，天然氣：47.14MJ/kg），不能用有效燃油消耗率來(lái)評(píng)價(jià)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。因此，引入了當(dāng)量燃油消耗量來(lái)評(píng)價(jià)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性［6-7］。當(dāng)量燃油消耗量計(jì)算如下：

圖2為不同燃燒模式下全負(fù)荷工況的當(dāng)量燃料消耗量及總的燃料費(fèi)用曲線；圖3為不同燃燒模式下1 400 r/min部分負(fù)荷時(shí)燃料消耗量及燃油替代率。由圖2和圖3可知，相同工況時(shí)，雙燃料模式下的當(dāng)量燃油消耗量比純柴油模式時(shí)有所增加，全負(fù)荷工況時(shí)最大增幅為1.82%，部分負(fù)荷時(shí)最大增幅為13.6%，這與文獻(xiàn)［8］中的研究結(jié)果一致，即雙燃料模式下發(fā)動(dòng)機(jī)所耗的當(dāng)量燃油消耗量比原柴油機(jī)高。這主要是由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣采用的進(jìn)氣管單點(diǎn)噴射，在氣門(mén)疊開(kāi)期會(huì)有部分混合氣直接排出，造成燃料有效熱效率降低，需要更多的燃料來(lái)提供相同的動(dòng)力。雖然在相同工況下，雙燃料模式時(shí)的當(dāng)量燃油耗比純柴油時(shí)高，但柴油與天然氣間的價(jià)格差使得雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性得以體現(xiàn)。按照2015年4月重慶天然氣4.8元/kg、柴油6.68元/kg的價(jià)格計(jì)算，得到圖2和圖4各工況下的燃料費(fèi)用。全負(fù)荷工況時(shí)，因其燃油替代率低，最大替代率僅為11.8%，如圖1（b）所示，燃油成本降低不明顯，最大降低幅度為4.1%。部分負(fù)荷工況時(shí)，燃油替代率高，最大燃油替代率達(dá)到了78.7%，如圖3所示。燃料成本降低幅度大，最大降幅達(dá)到了20.6%。

2.3排放性能

由于全負(fù)荷工況點(diǎn)的燃油替代率低，對(duì)排放的影響不大，本文只對(duì)最大扭矩轉(zhuǎn)速時(shí)部分負(fù)荷及法規(guī)要求的工況法排放進(jìn)行對(duì)比研究。表3和表4為純柴油與雙燃料模式時(shí)ESC、ELR及ETC的試驗(yàn)結(jié)果。

表4　 ETC試驗(yàn)結(jié)果g/（kW·h）

1）CO、HC排放。圖5為轉(zhuǎn)速1 400 r/min部分負(fù)荷時(shí)HC和CO排放。由圖5（a）、表3和表4可知，雙燃料模式時(shí)HC排放遠(yuǎn)高于純柴油模式，但其中主要為化學(xué)性能相對(duì)比較穩(wěn)定的CH4。這主要是由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣采用的進(jìn)氣管單點(diǎn)噴射，在氣門(mén)疊開(kāi)期會(huì)有部分混合氣直接排出，增加了HC的排放量。通過(guò)加裝DOC后處理裝置可將HC排放降低到標(biāo)準(zhǔn)限值以下。由圖5（b）可知，在中、高負(fù)荷時(shí)，雙燃料模式時(shí)CO排放遠(yuǎn)高于純柴油模式，且隨著燃?xì)馓娲实脑黾?，其增加的幅度越大。但因其濃度低，?duì)整個(gè)排放影響不大。通過(guò)DOC氧化后其總體排放低于標(biāo)準(zhǔn)限值。這主要是由于中、高負(fù)荷時(shí)燃燒室局部缺氧加劇，低負(fù)荷時(shí)混合氣隨負(fù)荷降低而變稀，燃燒不充分，使得雙燃料模式時(shí)CO排放比純柴油模式時(shí)高［9-10］。

2）NOX排放。圖6為不同燃燒模式下轉(zhuǎn)速1 400 r/min部分負(fù)荷時(shí)NOX排放對(duì)比。由圖6可知，與純柴油模式相比，雙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顯示整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)NOX的降低幅度ESC為15.3%，ETC為13.3%。這主要是由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在30%～80%中高負(fù)荷時(shí)燃?xì)馓娲矢?，如圖1（b）所示，引燃油量少，大部分燃料為預(yù)混稀燃。因此，燃燒溫度低，不利于NOX的形成；大負(fù)荷時(shí)，隨著燃?xì)馓娲式档?，引燃柴油量增加，高溫燃燒區(qū)域增加，NOX排放隨之上升。然而為了抑制預(yù)混天然氣的爆震傾向，會(huì)加大噴油提前角，同時(shí)由于柴油引燃天然氣為多點(diǎn)著火同時(shí)燃燒，滯燃期變短，這又抑制了NOX的產(chǎn)生。

3）煙度及顆粒排放。降低微粒和煙塵排放是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的又一個(gè)非常重要的優(yōu)點(diǎn)。圖7為1 400 r/min部分負(fù)荷時(shí)的煙度排放。由圖7和表3可知，雙燃料模式時(shí)可有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)煙度及顆粒排放。ESC試驗(yàn)時(shí)，PM的降低幅度為25.0%；ELR排放時(shí)，煙度的降低幅度為87.5%；ETC試驗(yàn)時(shí)，PM的降低幅度為56.1%；轉(zhuǎn)速1 400 r/min部分負(fù)荷時(shí)，煙度排放的最大降幅為39.6%。這主要由于雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)采用天然氣和空氣預(yù)混合供氣方式，在進(jìn)氣行程和壓縮行程與空氣充分混合形成均質(zhì)混合氣，燃燒過(guò)程則由混合速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣裙餐刂?，因而不易生成碳煙，而引燃柴油的噴油量很少，所形成的混合氣較為均勻，處于混合氣過(guò)濃區(qū)的總?cè)剂蠝p少，從而減少了碳煙的生成。

3　結(jié)論

1）動(dòng)力性能試驗(yàn)表明，在全負(fù)荷工況，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能與柴油機(jī)基本保持一致，其最大相差僅為1.42%。

2）在相同工況下，雙燃料模式時(shí)，當(dāng)量燃油耗比純柴油時(shí)高，但柴油與天然氣存在較大的價(jià)格差，雙燃料模式時(shí)的燃料購(gòu)置成本比純柴油時(shí)低。

3）雙燃料模式下，可有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx、碳煙排放，但HC、CO的排放比純柴油時(shí)高，其中HC的主要成分為化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定的CH4，通過(guò)加裝DOC，可使其整體排放滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］史強(qiáng)，翟海鵬.柴油引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能研究［J］.交通節(jié)能與環(huán)保，2014，（2）：28-31.

［2］GB 17692-1999，汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率測(cè)試方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［3］GB/T 18297-2001，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［4］GB 3847-2005，車(chē)用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)排氣煙度排放限值及測(cè)量方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［5］GB 17691-2005，車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方式（中國(guó)III、IV、V階段）［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［6］雷基林，申立中，畢玉華，等.乙醇-生物柴油-柴油混合燃料對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（11）：21-25.

［7］呂興才，馬駿駿，吉麗斌，等.乙醇/生物柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程與排放特性的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，（2）：140-146.

［8］張春潤(rùn)，李輝，張衛(wèi)鋒.基于原機(jī)動(dòng)力性的柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究［J］.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2013，（6）：57-61.

［9］汪洋，蘇萬(wàn)華，謝輝，等.柴油/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的研究［J］.汽車(chē)工程，2002，（3）：221-223.

［10］張德福，田野.DDF電控柴油/天然氣雙燃料客車(chē)［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，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

石來(lái)華（1980-），男，碩士；工程師；研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬計(jì)算及優(yōu)化。