压缩天然气和柴油双燃料发动机的性能和废气排放特性(精)

压缩天然气和柴油双燃料发动机
的性能和废气排放特性
【澳大利亚】 Yusaf T F Buttsworth D
【马来西亚】 Mushtak Talib Ali Al-Atabi
摘要在马来西亚的露天集市和乡村地区，单缸柴油机被广泛用于小功率发电。

本文简要介绍了旨在如下目的的研究：(1)弄清采用双燃料系统的固定式单
缸柴油机使用压缩天然气(CNG)时的废气排放(NO
X 、CO和CO
2
)特点；(2)对双燃料
发动机与柴油机的排放和性能作一比较。

使用压缩天然气被认为是可以减少发动机有毒排放物的一种可行的方法。

这项研究的结果表明，通过采用双燃料系统，
在发动机全负荷运行时，废气排放中NO
X 、CO和CO
2
的浓度平均分别减少54％、
59％和31％；在整个测试转速范围内，平均输出功率比柴油机高出10％。

叙词：压缩天然气柴油双燃料发动机废气排放性能特性
1 前言
60年来的研究表明，天然气可用作汽车和发电站的燃料[1]。

这些研究主要是在世界各地对城市区域空气质量引入了严格的法规并在此法规推动下进行的。

柴油机排出的废气中主要有害成分是NO
X 、CO、CO
2
和未充分燃烧的碳氢化合
物。

NO
X 主要在燃烧过程中产生。

在燃烧过程中，氧气和氮气反应生成NO、NO
2
和少量的其他氮氧化合物。

空气中的氮分子和燃料中含有的化合态氮(称作燃料
氮)都能与氧反应生成氮氧化物(NO
X )。

NO
X
及碳氢化合物的混合物在太阳光中的
紫外线照射下会生成臭氧。

臭氧是人们通常所说的烟雾的主要成分。

另外，NO
2
本身被认为是一种主要污染物[2]。

大气中氮氧化物浓度高了就会产生烟雾和酸雨，刺激人的呼吸道和肺部，引起肺炎和支气管炎。

空气中氮氧化物浓度过高会使织物的强度降低，使纤维褪色，还会侵蚀金属表面。

CO是最普通的危害健康的气体。

CO的毒性在于它能和血液中的血红蛋白结合生成鲜红的、化学性质稳定的一氧化碳合血红蛋白(COHb)。

这样的血红蛋白就
不再具有输送氧气的能力。

水中自由态CO
2
浓度高了会影响水生动物的呼吸和气
体交换，甚至会引起死亡，因此水中CO
的浓度不应超过25mg/L[3]。

在马来西亚，
2
单缸柴油机驱动的小型发电机组广泛用于非长期运行的场合。

典型的事例为夜间集市，就是那种在每个聚居区的某个地点每周举办一至两次的大型露天集市。

成百上千的商贩使用这种发电机发电照亮他们的摊位。

发电机组排放造成空气质量恶化以及集市上人口密度高，都是人们考虑使用双燃料发动机代替柴油机的原因之一。

2 发动机改装和实验工作
这项工作包括将现有的四冲程单缸柴油机改装为使用双燃料的机型。

将柴油机改装为天然气发动机的最实用的方法是在燃烧室前进气管处安装天然气-空气混合装置。

这样，天然气就和被吸进的空气一起进入燃烧室，而柴油则被用作维持燃烧室内火焰的先导物[4]。

在双燃料系统中必须作一些改装。

这项研究中使用的喉管式混合器的设计是在文献[5]中CFD研究的基础上进行的。

混合器的结构参数是根据模拟试验取得的最佳结果定出的，最佳混合结果出现在L/D＝4，孔数为8时。

混合器草图如图l所示。

图1 本研究中采用的混合器示意图
为了完成所要求的试验，使用了如图2所示的发动机试验台架，利用这个台架可以测量排气温度、润滑油温度、燃料消耗率和发动机转速。

图2 本研究中采用的发动机试验装置示意图
使用电涡流测功器施加各种制动力矩以测试发动机的输出功率，用废气检测
装置检测废气中NO
X 、CO和CO
2
的浓度。

该废气检测器是一种便携式汽车排气分
析仪，利用单束非散射红外线测量技术确定废气中所含NO
X 、CO、CO
2
和02的浓
度。

测量废气成分用的是电化学传感器(图3)。

图3 本研究中采用的废气检测仪
用Y170F立式单缸风冷直喷式柴油机(缸径×行程：75×55mm；排量：211mL；
转速：1800/3600r/min；最大输出功率：4.7hp；压缩比：16；净重：27kg)进行了包括在不同工况下改变发动机扭矩和转速的各种试验。

3 结果和分析
3.1 氮氧化物
图4比较了柴油发动机和双燃料发动机全负荷运转时不同转速下NO
的排
X
的排放量比柴油发放。

显然，双燃料发动机的排放全面优于柴油发动机，且NO
X
动机平均低54％。

图4 全负荷运行时NO X排放量随转速的变化
然而在空负荷运行时情况却相反。

如图5所示，在高速空负荷工况下，双燃排放量比柴油发动机高。

这是由于空气利用率较高且燃烧过程较快，料发动机NO
X
[6)。

柴油发动机随着转速的增引起峰值循环温度大大升高，因而产生较多的NO
X
加，运行时的空燃比比双燃料发动机低，这也意味着吸人的氧气量减少了。

因此，
排放量。

另一种方法是减可以通过增加天然气喷射量来减少双燃料发动机的NO
X
少空气流量使双燃料发动机混合气的浓度比正常运转时浓一些。

这可以利用诸如电控装置(ECU)的专用机构在低负荷时进行进气节流来实现。

还有一种方法是让压缩天然气仅仅和部分空气流混合[7]。

不过，对于发电来说，空负荷运行的时间不象车辆怠速那样长，因此，高速空负荷情况下NO
排放增加量不明显。

X
图5 空负荷运行时NO X排放量随转速的变化
排放量低于柴油发动机转速为2000r/min时，在各扭矩下双燃料发动机NO
X
发动机，优势明显，这在图6中清楚可见。

图6 双燃料发动机和柴油发动机不同扭矩下的NO X排放量(转速为2000r/min)
在全负荷运行工况下，双燃料发动机CO的排放量比柴油发动机低59％。

实际排放量随发动机转速的变化如图7所示。

全负荷时，双燃料发动机一般比柴油发动机运转更平稳。

这表明在较高负荷时双燃料发动机比柴油发动机燃烧更充分。

图7 全负荷运行时CO排放量随转速的变化
影响CO排放量的最重要参数是燃料-空气当量比，所有其他参数的影响都是次要的。

在低负荷运行工况下，双燃料发动机的CO排放量比柴油发动机高(图8)。

图8为发动机恒定转速2000r/min时的CO浓度。

图8 空负荷运行工况时CO排放量随转速的变化
废气中CO
的浓度主要取决于燃料的化学成分和燃烧过程中可利用的氧气2
都比柴油发动机量。

试验结果表明在各种运行工况下，双燃料发动机排出的CO
2
少。

在全负荷运行工况下，双燃料发动机CO
的排放量比柴油发动机平均低31％
2
的排放量比柴油发动机低5％(图10)。

(图9)。

在空负荷工况下，双燃料发动机CO
2
在恒定转速2000r/min时，双燃料发动机在不同测试扭矩时CO
的排放量都比柴
2
油发动机低。

图11显示了双燃料发动机CO
的排放量比柴油发动机平均低18％。

2
图9 双燃料发动机和柴油发动机全负荷运行时CO2排放量随转速的变化
图10 双燃料发动机和柴油发动机空负荷运行时CO2排放量随转速的变化
图11 双燃料发动机和柴油发动机不同扭矩下的CO 2排放量(转速为2000r/min)
以上的结果可以根据下面的事实得到解释：压缩天然气的主要成分是甲烷，其分子式为CH 4，柴油的化学成分可以用C n H 1.8n 表示。

这就是说柴油中一个碳原
子伴有1.8个氢原子，而甲烷中有1个碳原子就有4个氢原子，可见甲烷或压缩天然气中碳的百分含量比柴油低，因此双燃料发动机CO 2的排放量少于柴油发动
机。

3.4 动力特性
研究结果表明在低于3000r/min 的各个转速下，双燃料发动机的功率高于柴油发动机。

双燃料发动机最大输出功率在3000r/min 以下随着转速的升高而增大，转速超过3000r/min 时，功率则随转速升高呈下降趋势。

在这方面双燃料发动机和柴油发动机表现出如图12所示的同样的趋势。

发动机转速超过3000r/min 时，柴油发动机的输出功率高于双燃料发动机，这是因为双燃料发动机燃烧过程进行得太快而发生了爆震。

图12 全负荷运行工况时发动机的动力特性
4 结论
这项研究表明，只需作极小的改动，就可以将现有的小型单缸固定式柴油机改造成双燃料发动机。

这种发动机突出的优点是：它以较低的压缩比(16)运行，这较适合双燃料发动机燃用压缩天然气。

改造这种小型发动机可节省改造大型柴油机时为降低压缩比所花的成本和工作量。

试验表明，双燃料发动机与柴油发动
机相比，在所有运行工况下，CO
2的排放量低；全负荷运行工况时，CO
2
排放量减
少的幅度最大，可达31％，而在空负荷运行工况时CO
2
的排放量仅减少5％；全
负荷运行工况时，NO
X
和CO的排放量分别减少54％和59％。

然而，试验表明空负荷运行工况时柴油发动机的排放一般优于双燃料发动机。

在用于发电时，空负荷工况不会象车辆怠速那样延续较长的时间，因而无关紧要。

另外，采用双燃料系统可使发动机在3000r/min以下宽广的转速范围内产生的功率大于柴油发动机。

试验已证明，在夜间集市之类的场所使用双燃料发动机发电将有益于周围地区人群的健康，不管是商贩还是顾客。

参考文献
1 International Association for Natural Gas Vehicles(Inc) IANGV. NGV Survey Newsletter No. 20, V 240, Auckland, New Zealand, September 1991
2 Guthrie J等. Sources and Control of Oxides of Nitrogen Emissions Report. State of California, California Environmental Protection Agency, Air Resources. August 1997
3 Yusaf T F. The Use of Natural Gas in Small High Speed Diesel Engine. Thesis Universiti Kebangsaan Malaysia
4 Yusaf T F等. Design Modification of High Speed Diesel Engine to Accommodate Compressed Natural Gas. RERIC International Energy Journal, 1996, 18(1)
5 Yusaf T F等. CNG Mixer for a Commercial Diesel Engine 7th International Conference & Exhibition on Natural Gas Vehicles. October l7～19, 2000, Yokohama, Japan. Paper No: PP53,: 567～574
6 David M C等. Performance and Emission of a Converted RABA 2356 Bus Engine
in Diesel and Dual Fuel Diesel/Natural Gas Operation. Proceedings of SAE Future Transportation Technology Conference(931823). San Antonio, Texas. August 1993
7 Weaver C S等. Dual Fuel Natural Gas/Diesel Engines. Technology, Performance, and Emission International Congress and Exposition. SAE Paper 940548. Detroit, Michigan. February 28～March 3, 1994
8 Dong S J等. Development of a Mechanical CNG-Diesel Dual Fuel System. SAE Paper 931947
张丽田启昌译自 SAE Paper 2001-01-1808
谢亚平校
(收稿日期：2003-02-26)。