某LNG/柴油双燃料发动机排放性测试应用研究

王国盛，王红霞，刘学军

（河南工学院，河南 新乡 453000）

某LNG/柴油双燃料发动机排放性测试应用研究

王国盛，王红霞，刘学军

（河南工学院，河南 新乡 453000）

为了减少汽车尾气排放造成的大气污染，以某柴油发动机为母机开发LNG/柴油双燃料发动机，搭建发动机试验台架，对改装后发动机进行排放性测试，利用最小二乘法对试验结果分析得出，改装后发动机各项排放指标均优于原柴油发动机，为今后双燃料发动机在商用汽车上的应用提供一定的参考。

LNG/柴油；改装；排放

随着中国工业化、城市化进程不断加快，雾霾问题越来越严重，柴油车尾气排放是雾霾形成重要原因之一。LNG（液化天然气）作为燃料，应用于汽车领域，几乎实现了尾气排放的近零排放，对改善大气环境，减少PM2.5有着十分重要的意义。

1 LNG/柴油供给系统改装原理

文章在国内外柴油、天然气双燃料发动机的相关研究的基础上。采用进气道预混合供气方式对某柴油发动机进行LNG柴油燃料供给系统低成本改装，在柴油车上加装一套LNG/柴油双燃料燃气系统装置（包括减压器、气量分配器、转换器、ECU电控单元等），通过输气管路与储气瓶和发动机连接，起到转换、供气等功能，使车辆既可使用纯柴油模式工作，又可使用柴油和燃气混合燃料模式工作。系统改装原理图如图1所示：

图1 LNG/柴油双燃料系统燃料供给系统改造原理图

在行驶中仅靠驾驶台的一个转换开关就可轻松地进行油、气转换，双燃料工况的动力性与柴油工况的动力性相比几无差别，且大大改善了车辆的尾气排放。

2 系统组成

经过严格论证，该LNG/柴油双燃料供给系统的组成：充气阀和LNG气瓶、缓冲器、汽化器、转换开关、电子控制单元ECU、油控机构、进气喷嘴、转换开关、减压器、分配器、电磁阀、转速传感器、油门位置传感器。

3 排放性测试结果及分析

（1）碳烟排放及结果分析。在进行功率实验和负荷试验时，对改装前后的发动机下进行碳烟排放测试，实验按照GB3847-1999《压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法》进行。由于对原发动机柴油供给系统基本无改动，因此可以用改装后发动机纯柴油模式代替改装前发动机柴油运行工况，其中功率实验时，碳烟排放曲线如图2所示，负荷特性试验时，不同负荷下的碳烟排放曲线如图3所示。

图2 LNG/柴油双燃料发动机外特性烟度曲线

图3 LNG/柴油发动机负荷特性烟度曲线

从图2中可以看出，LNG/柴油发动机在低速运转时，其纯柴油模式和LNG/柴油双燃料模式下，碳烟排放相差不大；在中高速运转时，在双燃料模式下碳烟排放明显好于纯柴油模式，在进行功率实验时，纯柴油、LNG/柴油的烟度平均值分别是3.76Rb、2.27Rb，整整降低了39.6%。从图3中可以看出烟度随着负荷的增加而增加，当功率大于80kW时纯柴油模式下，烟度值迅速上升，而在双燃料模式下上升确比较平缓。其原因如下：天然气预混合进气，双燃料发动机的燃烧过程接近火花点燃预混合燃烧，碳烟生成少；另外，天然气分子量小，燃烧清洁。因此，双燃料发动机的烟度和颗粒排放可以大大降低。但是个别转速下，由于最大暴压的限值，替代率不能大幅提高，所以烟度值只是略有下降。

（2）有害气体排放及结果分析。在功率外特性试验的同时，分别对纯柴油和LNG/柴油双燃料模式下有害气体排放量进行检测，本实验重点检测HC、CO和NOX的排放量，其结果如图4、图5、图6所示。

图4 外特性HC排放量对比曲线

外特性HC排放量对比曲线如上图4所示，从图4中可以看出：LNG/柴油双燃料模式下的HC排放量一直比纯柴油模式下高，并且随着转速的增加在1400～1800r/min时，HC排放量短暂下降后迅速上升，这是由于一方面LNG和空气的混合气在压缩过程中非常容易被挤到一些气缸壁面和狭小的空间内，混合气降温，这就是间隙效应，导致燃烧室缝隙内的HC化物不能完全燃烧；另一方面由于发动机气门重叠角的影响，使得发动机进排气过程发生短路，其中一部分预混合气体直接被当做废气排出缸外。而纯柴油模式下，随着发动机转速增加，HC排放量一直没有较大的波动，排放一直维持在18×10-6左右这样一个数量。

图5 外特性CO排放量对比曲线

外特性CO排放量对比曲线如图5所示。从图5中可以看出：转速在1600r/min时，LNG/柴油双燃料模式下和纯柴油模式下CO排放量基本相当，但是随着转速的继续上升，双燃料模式下的CO排放量基本呈直线迅速上升，而纯柴油模式下，CO排放量在1600～1800r/min出现短暂的下降后到6%后迅速上升，趋势和双燃料模式下上升趋势基本相同。高速运转下双燃料模式大于纯柴油模式CO排放量，这是因为双燃料高速运转下柴油替代率升高到80%以上，混合其中天然气含量大大提升，而天然气着火后火焰传播速度低于柴油混合气，着火滞后期延长，部分混合气不能充分燃烧，造成CO排放量的迅速上升。

外特性NOX排放量对比曲线如图6所示。从图6中可以看出：发动机在LNG/柴油双燃料模式下，在低速段NOX排放相比原机有很大增加，在1200r/min时达到峰值1000×10-6，然后随着转速的增加迅速下降；然而LNG/柴油双燃料模式下转速大于1800r/min后，NOX排放量略低于纯柴油模式。其原因如是：在全负荷工况下，由于缸内过量空气系数较小，大量的LNG被柴油引燃，预混合燃烧使放热集中，致使缸内压力和温度急剧上升，NOx排放量增加。由此说明，LNG/柴油双燃料在发动机大负荷工况时,如何控制粗暴燃烧是一技术难点。在转速到达1800r/min后NOX排放量和两种模式下基本持平大约为210×10-6，双燃料发动机转速继续增加后，也就是双燃料发动机高速运转下，混合燃烧气体燃烧火焰传播速度增加不明显，燃烧等容度降低，气缸被温度也随之减低，导致双燃料模式下NOX量降低。而纯柴油模式下发动机从低速到高速增加的过程中，NOX排放量呈现一个逐渐缓慢下降的态势。

图6 外特性NOX排放量对比曲线

4 结语

文章对改装后的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，采集了改装后排放性指标，并绘制曲线，通过实验验证了改装后的双燃料发动机烟度降低四分之三，HCCONOx排放量大幅度降低，没有烟尘污染，有效地保护了空气质量。降低汽车废气排放，烟度（Rb）≤2.3，国家标准只要达到≤4.0既可。

［1］管西玲.浅谈LNG的应用及在国内的发展［J］.中国石油石化，2017，（1）：143-144.

［2］宋建桐，刘芹，朱春红，等.电控共轨柴油机燃用LNG/柴油双燃料喷油正时规律研究［J］.世界科技研究与发展，2016，（6）：1198-1201，1221.

［3］张新塘，战蕊，涂登磊，等.LNG-柴油双燃料动力系统技术与应用现状分析［J］.柴油机，2016，（6）：6-10.

［4］高华光.LNG重整气/柴油发动机燃烧和排放性能研究［D］.舟山：浙江海洋大学，2016.

［5］张春化，李刚，宋建桐，等.引燃柴油喷油正时对LNG-柴油双燃料发动机燃烧特性的影响［J］.内燃机工程，2016，（5）：229-233.

Study on the Application of a LNG/Diesel Dual Fuel Engine Em ission Test

WANG Guo-sheng，WANG Hong-xia，LIU Xue-jun
（Henan Institute of Technology，Xinxiang，Henan 453000，China）

In order to reduce the air pollution caused by automobile exhaustemissions，the paper designsa LNG/diesel dual fuel engine diesel engine by taking diesel engine as themain body，builds engine test bench，tests the refitted engine emission, obtains the resultsby using the leastsquaremethod，which show thatallemission indexesof the refitted engine are better than the originaldieselengine.Itprovidesa the reference for the futureapplication of the dual fuelengine in the commercialvehicle.

LNG/dieseloil；modification；emission

U664.1

A

2095-980X（2017）05-0068-02

2017-04-12

王国盛（1986-），男，硕士，主要研究方向：车辆工程。