替代率对CNG柴油双燃料发动机排放性影响的研究

张文曦，卢 曦

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

0 引言

汽车工业大力发展刺激了消费，拉动国民经济增长，年产量已经跃居世界首位，但因此也带来了交通堵塞，环境污染，资源短缺等一系列现象。天燃气汽车尾气中的有害污染物的排放量远远低于传统石油燃料汽车，汽车尾气中CO，NOx，颗粒物排放量可大大降低。燃气汽车是一种清洁能源汽车，发展燃气汽车是减少大气污染和保护生态环境的重要手段[1]。双燃料汽车是目前既能保证汽车动力性，又能提高在原始石油燃料基础上的经济性和排放性的新型汽车，还可以解决当前世界能源压力的问题。

天然气替代柴油率是双燃料发动机性能的主要参数之一，其含义为：在发动机工况相同的条件下，双燃料工作方式中天然气所替代的柴油量与纯柴油工作模式下的柴油的消耗量之比[2]。发动机的经济性主要体现在燃料成本和维修费用问题上，天然气替代率与燃料成本密不可分。由于天然气价格远远低于柴油价格，汽车越多的使用天然气燃料代替柴油燃料，其经济性明显越高。

1 试验及实验分析

1.1 试验装置

试验装置系统如图1所示，以潍柴226B柴油机改装的CNG柴油双燃料发动机为研究对象，在原柴油机的基础上，增加的双燃料供气装置，是由压缩天然气瓶、CNG减压阀及过滤器、流量计、节流阀和混合器等特殊装置所组成。以柴油作为引燃燃料，压缩天然气为主燃料，采用天然气和空气预混合供气方式。压缩天然气经减压后送入混合器与空气混合，发动机可以在不熄火的状态下利用转换开关使用两种燃料。本试验采用德国BOSCH350尾气分析仪测量HC，CO，NOx的排放量。

图1 试验装置示意图

表1 226B 柴油机主要技术参数

1.2 试验方法

为了保证排放性和经济性，并且达到设计目的，一般CNG柴油双燃料发动机的替代率都选择在50%以上，过小的替代率不能满足改造后的双燃料发动机的排放要求。试验中首先以多次微调方法调节天然气量，测试柴油和天然气消耗量，计算出天然气替代柴油率，替代率选择为60%、70%、80%、90%四种不同情况下，发动机转速保持在2000±100r/min，引燃柴油量和压力一定的条件下，测量尾气中HC、CO、NOx的含量，为了测取更为准确的试验数据，每个数据分多次测量。对所测出的数据进行统计分析，去掉较大误差的数据后取平均值，分析替代率的变化对尾气中HC、CO、NOx排放量所造成的影响及其变化规律。

1.3 试验结果分析

对试验数据进行归一化处理，做不同替代率下HC、CO、NOx排放量的变化情况，如图2所示。

图2 替代率对CNG柴油双燃料发动机排放的影响

从图2看出，随着替代率的提高，HC排量增加。升高率较大的区域70%-90%，因为替代率越高，发动机燃烧的稳定性越差，燃气在排气管内燃烧发出爆炸声的“放炮”现象[3]，会使发动机动力下降，燃气消耗变大，未燃HC大量排出，从而造成HC排放增加率上升。且替代率越大，扫气过程中排出的甲烷量越高，故HC排放量也随之升高。

同种工况下，随着替代率的升高，发动机排放废气中的CO含量降低。这是因为天然气代替了更多的碳氢化合物从而减少燃烧中CO的产生，同时替代率高，混合气体混合均匀，更易于充分燃烧，CO降低。总体而言，CO的排放随着替代率的升高而降低，但是替代率过高的话，燃烧会不稳定使燃烧过程变坏，因此有可能会增加CO的排放。

随着替代率的升高，NOx的排放量不断降低。这是因为高替代率发动机中，爆发压力下降，燃烧较为缓慢，气缸内燃烧温度降低导致NOx排放量下降。

为了更明确地得出替代率对CNG柴油时燃料发动机排放的影响，选择最合适的替代率，根据替代率的变化对废气中HC、CO、NOx的排放量做拟合分析，用OriginPro软件多次拟合分析，经过反复拟合和比较，发现线性方程就完全能够满足不同替代率下HC、CO、NOx的变化趋势。

不同替代率下HC的拟合方程：

不同替代率下CO的拟合方程：

不同替代率下NOx的拟合方程：

式中：x为替代率，y1为HC排放量，y2为CO排放量，y3为NOx排放量。

为了综合分析替代率变化对发动机排放性的影响，需要分析不同替代率下HC、CO、NOx的综合影响因素，首先假定HC、CO、NOx排放相对独立，相互不耦合，在排放中的权重一样。则不同替代率下HC、CO、NOx的综合排放为式（1）、式（2）、式（3）之和最小，同时考虑到动力性等其他性能影响，替代率的边界条件的最大值为90%，最小值为60%。因此，不同替代率下HC、CO、NOx的综合排放的优化模型为：

解上述优化模型：

2 结论

综合试验表明，同一工况下，HC的浓度随着替代率的减小而降低，当替代率过高时，天然气中所含的HC会不完全燃烧而导致废气中含有较高的HC。而NOx，CO则随着替代率的提高而降低。

由优化模型看出CNG柴油双燃料发动机替代率越大，排放性越好，综合分析，在本试验中，替代率为90%时CNG柴油双燃料发动机的排放性较好。实际产品实验的经验表明，替代率越高其动力性越低，特别是在紧急加速时动力性更低，按照试验经验，替代率超过90也有可能使柴油燃油量过小，发动机不能正常工作，这种情况严重时会使喷油器冷却不足而烧毁，活塞和缸套过量磨损。

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