柴油引燃天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)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?xì)馄囉邢薰?，重慶 401122）

摘 要：針對(duì)柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性和排放特性，采用十三工況法，在WP10.336型柴油機(jī)上進(jìn)行柴油/天然氣雙燃料與純柴油的性能與排放對(duì)比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中柴油替代率為88%～97%，滿足微量柴油的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：，雙燃料模式下動(dòng)力性基本不變，但熱效率會(huì)降低；，排放減少，同時(shí)HC和CO2排放明顯增加。

關(guān)鍵詞：柴油引燃；雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)；排放；十三工況法

中圖分類號(hào)：TK437 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yù)測(cè)在未來近五十50年內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)還將作為世界上的主力動(dòng)力源[1]。世界各個(gè)國家都在積極尋求替代燃料來減輕內(nèi)燃機(jī)對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)使用要求、，應(yīng)用最為廣泛的是天然氣，，它擁有資源豐富、清潔、經(jīng)濟(jì)和安全上的優(yōu)勢(shì)。與液態(tài)燃料相比，，天然氣的存儲(chǔ)所占體積較大，，天然氣汽車的行駛里程較短；天然氣的點(diǎn)火溫度高，需要更高的點(diǎn)火能量，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)提出了更高的要求；天然氣的燃燒速度慢，燃燒持續(xù)期長，熱效率較低[4-8] 。

近年來，我國已經(jīng)開展了柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，但尚無成熟產(chǎn)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(dá)到理想狀態(tài)具有一定的難度。為充分利用天然氣的優(yōu)點(diǎn)，有必要細(xì)致了解柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性和排放特性。本文以WP10.336型柴油機(jī)為原型機(jī)，采用十三工況法進(jìn)行微量柴油引燃柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

首先，在純柴油模式下， ，測(cè)試并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后在雙燃料模式下，，調(diào)整標(biāo)定軟件相應(yīng)參數(shù)， ，減少每個(gè)工況點(diǎn)的柴油噴油量， ，并噴射一定量的天然氣使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率恢復(fù)到純柴油時(shí)的數(shù)據(jù)，，同時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，，排氣溫度不能超過純柴油機(jī)排溫， ，通過天然氣流量計(jì)和柴油油耗儀測(cè)出天然氣和柴油量， ，記錄此時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。用到的主要設(shè)備如圖1所示。

本試驗(yàn)以濰柴WP10.336型柴油機(jī)為原型機(jī)，采用單ECU同時(shí)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(yù)混合供氣方式，。預(yù)混合供氣方式是將天然氣與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣總管前混合，形成混合氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)進(jìn)行壓縮后，，由噴入缸內(nèi)的引燃柴油點(diǎn)燃混合氣進(jìn)行燃燒。。其原型機(jī)主要參數(shù)如見表1所示。，柴油和天然氣主要燃燒參數(shù)如見表2所示。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

按照GB17691-—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》進(jìn)行ESC循環(huán)試驗(yàn)，。根據(jù)原機(jī)的全負(fù)荷曲線，確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速A、B和C分別為1 310 r/min、1 630 r/min和1 950 r/min，怠速轉(zhuǎn)速為600 r/min（工況點(diǎn)L1），針對(duì)25%、50%、75%和100%四個(gè)負(fù)荷測(cè)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(jī)柴油油耗，g·（kW·h）-1單位； —— 為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)和純柴油機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)矩對(duì)比特性，由圖可以看出知：維持原機(jī)扭矩轉(zhuǎn)矩基本不變的情況下，各工況點(diǎn)達(dá)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(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)化為當(dāng)量柴油消耗量。從由圖3中可以看出知：在低負(fù)荷時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能耗高于純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；中高負(fù)荷時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能耗低于純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。但天然氣價(jià)格低于柴油，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。低負(fù)荷時(shí)，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(guān)。隨著負(fù)荷的增大，混合氣變濃，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(guī)律。

對(duì)比圖3和圖4容易發(fā)現(xiàn)：在圖3中除了低負(fù)荷雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗高于純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)外，其他它負(fù)荷下都低于純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；而在圖4中，所有工況下雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗都高于純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。圖4中的當(dāng)量柴油消耗本質(zhì)上是通過能量相等將天然氣轉(zhuǎn)化為柴油，所以圖4實(shí)質(zhì)上是純柴油和當(dāng)量柴油兩者之間能耗的比較，而此時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗高，所以雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)ppm排放分布圖和比排放分布圖，在兩圖中雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)NO_x排放有共同規(guī)律，即在低負(fù)荷時(shí)排放低，高負(fù)荷時(shí)排放高。在低負(fù)荷混合氣稀薄，燃燒推遲，缸內(nèi)燃燒溫度較低，因此NO_x排放較低；隨著負(fù)荷的增加，替代率增大，缸內(nèi)壓力和溫度升高，NO_x排放逐漸增大，在高負(fù)荷工況下，缸內(nèi)壓力和溫度急劇上升，NO_x排放量迅速升高，尤其在高轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷對(duì)NO_x排放的影響后，柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)HC排放遠(yuǎn)高于純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這是由于天然氣點(diǎn)火困難，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，相?duì)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(shí)，由于過量空氣系數(shù)隨著替代率的增加而降低，進(jìn)入氣缸內(nèi)的天然氣增加，燃燒室局部缺氧，在低負(fù)荷時(shí)燃燒不好或發(fā)生失火， HC排放量大幅度增大。雙燃料模式HC排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨負(fù)荷增加而減小的變化趨勢(shì)，在低負(fù)荷工況下，燃燒溫度較低，火焰在燃燒室內(nèi)傳播速率低，未燃燒HC比例高，且此時(shí)的總排氣量少，導(dǎo)致HC排放的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。中高負(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。另外在進(jìn)、排氣口重疊期，部分可燃混合氣直接進(jìn)入排氣管也會(huì)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(shí)較高，高速時(shí)較低；，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，HC比排放量隨負(fù)荷增加而增加，產(chǎn)生此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是隨著總排氣量的增加，HC的絕對(duì)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(fā)動(dòng)機(jī)CO2排放在各工況點(diǎn)高于純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)隨著燃燒的改善，負(fù)荷越高，CO2排放也越高，。這一點(diǎn)是和圖8所反應(yīng)反映的HC排放變化規(guī)律相符合的。

3 結(jié)論

通過以上分析我們可以得出如下結(jié)論，在所測(cè)試的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)：

（1）純柴油機(jī)改為柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以保證其動(dòng)力性基本不變，，ESC循環(huán)各工況點(diǎn)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能進(jìn)行優(yōu)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(huì)使HC排放增加。

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作者簡介：

責(zé)任作者：孫昌（1987年-）， 男， 黑龍江省寶清縣人，。 本科學(xué)士，主要研究方向?yàn)樘娲茉醇靶履茉雌囋O(shè)計(jì)制造。

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