柴油引燃天然氣雙燃料發動機性能試驗研究

柴油引燃天然氣雙燃料發動機性能試驗研究

孫昌1，王華2，張雄1，常欣宇1，李傳爆1，周思林1

（1.浙江吉利汽車有限公司，浙江，寧波 315800；2.重慶凱瑞燃氣汽車有限公司，重慶 401122）

摘 要：針對柴油/天然氣雙燃料發動機的動力性、燃料經濟性和排放特性，采用十三工況法，在WP10.336型柴油機上進行柴油/天然氣雙燃料與純柴油的性能與排放對比試驗研究，試驗中柴油替代率為88%～97%，滿足微量柴油的要求。試驗結果表明：，雙燃料模式下動力性基本不變，但熱效率會降低；，排放減少，同時HC和CO2排放明顯增加。

關鍵詞：柴油引燃；雙燃料發動機；排放；十三工況法

中圖分類號：TK437 文獻標識碼：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

目前普遍預測在未來近五十50年內，內燃機還將作為世界上的主力動力源[1]。世界各個國家都在積極尋求替代燃料來減輕內燃機對石油資源的依賴[2]。目前，，可供汽車使用的新能源有電能、天然氣、乙醇、甲醇、生物柴油、液化石油氣、氫氣、二甲醚等其他它替代能源[3]。在所有替代燃料中，，能夠滿足汽車發動機使用要求、，應用最為廣泛的是天然氣，，它擁有資源豐富、清潔、經濟和安全上的優勢。與液態燃料相比，，天然氣的存儲所占體積較大，，天然氣汽車的行駛里程較短；天然氣的點火溫度高，需要更高的點火能量，對點火系統提出了更高的要求；天然氣的燃燒速度慢，燃燒持續期長，熱效率較低[4-8] 。

近年來，我國已經開展了柴油/天然氣雙燃料發動機的研究，但尚無成熟產品。由于天然氣和柴油的燃燒特性存在較大的差異，要使柴油/天然氣混合燃燒達到理想狀態具有一定的難度。為充分利用天然氣的優點，有必要細致了解柴油/天然氣雙燃料發動機的動力性、燃料經濟性和排放特性。本文以WP10.336型柴油機為原型機，采用十三工況法進行微量柴油引燃柴油/天然氣雙燃料發動機的燃燒試驗。

1 試驗設備

首先，在純柴油模式下， ，測試并記錄發動機試驗數據。然后在雙燃料模式下，，調整標定軟件相應參數， ，減少每個工況點的柴油噴油量， ，并噴射一定量的天然氣使發動機的功率恢復到純柴油時的數據，，同時保證發動機正常運行，，排氣溫度不能超過純柴油機排溫， ，通過天然氣流量計和柴油油耗儀測出天然氣和柴油量， ，記錄此時的試驗數據。用到的主要設備如圖1所示。

本試驗以濰柴WP10.336型柴油機為原型機，采用單ECU同時控制柴油噴射和天然氣供給，雙燃料模式下采用天然氣和空氣預混合供氣方式，。預混合供氣方式是將天然氣與發動機進氣在發動機進氣總管前混合，形成混合氣進入發動機缸內進行壓縮后，，由噴入缸內的引燃柴油點燃混合氣進行燃燒。。其原型機主要參數如見表1所示。，柴油和天然氣主要燃燒參數如見表2所示。

2 試驗方案及結果分析

2.1 試驗方案

按照GB17691-—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》進行ESC循環試驗，。根據原機的全負荷曲線，確定發動機轉速A、B和C分別為1 310 r/min、1 630 r/min和1 950 r/min，怠速轉速為600 r/min（工況點L1），針對25%、50%、75%和100%四個負荷測量其燃料消耗量和尾氣排放量。

2.2 柴油替代率

替代率定義：

式中： ——為替代率； ——為原柴油機柴油油耗，g·（kW·h）-1單位； —— 為雙燃料發動機柴油油耗，g·（kW·h）-1單位。

圖2示出了為柴油/天然氣雙燃料發動機和純柴油機的扭矩轉矩對比特性，由圖可以看出知：維持原機扭矩轉矩基本不變的情況下，各工況點達到較高替代率，最小替代率為88%，，最高替代率為97%。

式中： HCNG——為天然氣低熱值，kJ/kg； ； Hdie——為柴油低熱值，kJ/kg；；Pe——為發動機有效功率，kW。

燃料消耗情況如圖3和圖4所示，其中圖3中雙燃料模式下的燃料消耗為柴油消耗和天然氣消耗的和，圖4中雙燃料模式下將天然氣消耗量轉化為當量柴油消耗量。從由圖3中可以看出知：在低負荷時，雙燃料發動機能耗高于純柴油發動機；中高負荷時，雙燃料發動機能耗低于純柴油發動機。但天然氣價格低于柴油，雙燃料發動機具有較大的經濟優勢。低負荷時，燃料消耗較高，這與混合氣濃度過稀，，燃燒速度慢，燃燒不充分有關。隨著負荷的增大，混合氣變濃，雙燃料發動機的熱效率逐漸提高，燃燒充分。圖4中雙燃料模式下具有和圖3同樣的變化規律。

對比圖3和圖4容易發現：在圖3中除了低負荷雙燃料發動機燃料消耗高于純柴油發動機外，其他它負荷下都低于純柴油發動機；而在圖4中，所有工況下雙燃料發動機燃料消耗都高于純柴油發動機。圖4中的當量柴油消耗本質上是通過能量相等將天然氣轉化為柴油，所以圖4實質上是純柴油和當量柴油兩者之間能耗的比較，而此時雙燃料發動機的能耗高，所以雙燃料發動機的能源利用率就低。

2.4 排放分析

圖5和圖6分別為NO_x各工況點ppm排放分布圖和比排放分布圖，在兩圖中雙燃料發動機NO_x排放有共同規律，即在低負荷時排放低，高負荷時排放高。在低負荷混合氣稀薄，燃燒推遲，缸內燃燒溫度較低，因此NO_x排放較低；隨著負荷的增加，替代率增大，缸內壓力和溫度升高，NO_x排放逐漸增大，在高負荷工況下，缸內壓力和溫度急劇上升，NO_x排放量迅速升高，尤其在高轉速工況下，其NO_x排放ppm值甚至高于純柴油模式。從由圖76可以看出知：雙燃料發動機NO_x比排放量相較于燃用純柴油顯著降低，因此，在排除掉負荷對NO_x排放的影響后，柴油/天然氣雙燃料發動機能夠降低NO_x排放。

NOx比排放/[g·（kwh）-1]

圖7和圖8分別為HC排放ppm分布圖和比排放分布圖，從由圖87可以看出知，雙燃料發動機HC排放遠高于純柴油發動機，這是由于天然氣點火困難，火焰傳播速度慢，相對于純柴油燃燒模式，雙燃料模式下HC排放更高。在雙燃料模式時，由于過量空氣系數隨著替代率的增加而降低，進入氣缸內的天然氣增加，燃燒室局部缺氧，在低負荷時燃燒不好或發生失火， HC排放量大幅度增大。雙燃料模式HC排放質量分數隨負荷增加而減小的變化趨勢，在低負荷工況下，燃燒溫度較低，火焰在燃燒室內傳播速率低，未燃燒HC比例高，且此時的總排氣量少，導致HC排放的質量分數高。中高負荷工況下，混合氣變濃，燃燒條件充分改善， 總排氣量增加使HC排放質量分數降低。另外在進、排氣口重疊期，部分可燃混合氣直接進入排氣管也會造成HC排放量增加。從由圖8可以看出知，HC比排放量在低速時較高，高速時較低；，同時發現，HC比排放量隨負荷增加而增加，產生此現象產生的原因是隨著總排氣量的增加，HC的絕對排放量在增大。

HC比排放/[g·（kwh）-1]

從由圖9可以看出知，雙燃料發動機CO2排放在各工況點高于純柴油發動機，這是由于天然氣的主要成分CH4中碳所占的比例高于柴油中碳所占的比例；，同時隨著燃燒的改善，負荷越高，CO2排放也越高，。這一點是和圖8所反應反映的HC排放變化規律相符合的。

3 結論

通過以上分析我們可以得出如下結論，在所測試的轉速和負荷范圍內：

（1）純柴油機改為柴油/天然氣雙燃料發動機可以保證其動力性基本不變，，ESC循環各工況點替代率在88%～97%。

（2）雙燃料燃燒模式下，燃料消耗量比純柴油燃燒模式下低，但是熱效率也比純柴油燃燒模式下低，為提高雙燃料燃燒的熱效率需要對發動機燃燒性能進行優化。

（3）柴油/天然氣雙燃料燃燒模式可以降低NO_x排放，但是會使HC排放增加。

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作者簡介：

責任作者：孫昌（1987年-）， 男， 黑龍江省寶清縣人，。 本科學士，主要研究方向為替代能源及新能源汽車設計制造。

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