天然氣/柴油雙燃料發動機研究現狀分析

李玉蘭，王 謙

（1.鎮江高等職業技術學校，江蘇鎮江 212016；2.江蘇大學 能源與動力學院，江蘇鎮江 212013）

天然氣/柴油雙燃料發動機研究現狀分析

李玉蘭1，2，王 謙2

（1.鎮江高等職業技術學校，江蘇鎮江 212016；2.江蘇大學 能源與動力學院，江蘇鎮江 212013）

隨著世界傳統能源的日益匱乏，以及排放污染問題的日益加重，天然氣天然氣/柴油雙燃料發動機的開發和應用成為發動機行業新的研究熱點。從傳統燃料發動機面臨的問題、新型燃料發動機發展前景和天然氣發動機的特點分析了天然氣/柴油雙燃料發動機研究背景；綜述了天然氣/柴油雙燃料發動機研究現狀，提出了天然氣/柴油雙燃料發動機需要繼續研究的方面，對開發和設計天然氣/柴油雙燃料發動機提供了一定的參考價值。

天然氣；柴油；雙燃料發動機

1 天然氣/柴油雙燃料發動機研究背景

1.1 傳統燃料發動機面臨的問題

隨著時代的不斷發展，全世界人口也在不斷增加，對傳統能源的消耗也不斷增加，全球都面臨著能源危機，石油資源可開采量也日益減少。因此傳統燃料發動機面臨的問題主要來自兩個方面。一方面柴油作為一種石油資源，全球油價不斷攀升，一度造成了嚴重“油荒”。

另一方面傳統柴油機尾氣排放污染問題。傳統柴油機尾氣污染物中含有氮氧化物（NOx）、二氧化碳，未燃的碳氫化合物（HC）、微粒物（PM）等，這些尾氣排放危害成為人類生存環境的主污染物來源。在傳統燃料的柴油機行業，各類排放法規對污染物的控制越來越嚴格。因此，改善柴油機污染勢在必行。

1.2 新型燃料發動機發展前景

為了解決傳統燃料發動機所面臨的問題，新型燃料發動機的研究得到日益關注。目前，解決柴油機尾氣污染問題的熱門方法是使用替代燃料，包括生物質燃料，LPG 和天然氣等。其中天然氣具有清潔環保高效的優勢，受到越來越多研究者的關注，已經成為發動機替代燃料研究熱點。所以以天然氣為代表的新型燃料發動機的發展前景是非常樂觀的。

1.3 天然氣發動機的特點分析

目前天然氣發動機使用的燃料分為兩種，分別是氣態天然氣和液態天然氣。甲烷（CH4）是天然氣的主要成分，通常占90％以上，有些純度高的天然氣，甲烷含量甚至達到95％～98％，因此天然氣的物理化學性質十分接近甲烷。與其它化學燃料相比，它具有以下優點：

（1）燃燒清潔。天然氣單位能量中的碳元素含量低于其柴油和汽油，因此百公里產生的 CO2排放明顯降低。

（2）可在高壓縮比條件下工作。天然氣辛烷值很高，約為130。因此天然氣具有優良的抗暴性，一方面發動機工作穩定，壓力升高速率平緩；另一方面，可通過增大壓縮比、改進點火提前角等方式改善混合氣熱值低，進氣效率低的缺陷，提高天然氣發動機的動力性。

（3）天然氣汽車冷啟動性能好。

（4）天然氣射流發展速度快，射流的貫穿距與錐角增加，有利于缸內氣流混合

（5）天然氣發動機比燃油發動機具有更寬的稀燃邊界，空燃比最大可達2.0，放熱率大，燃燒迅速。

（6）天然氣發動機具有很高的經濟效益，據統計，使用天然氣比汽油節省50％的費用；車輛大修理時間較汽、柴油機延長 20％以上，潤滑油更換周期延長到 1.5 萬 km，維修保養費節約 50％。

2 天然氣發動機的分類

天然氣發動機有很多應用形式，可按不同應用形式，如燃料，進氣方式等等分成很多種類，如表1所示。

表1 天然氣發動機的分類

天然氣可以引入到柴油機上成為天然氣/柴油雙燃料發動機。它采用柴油作為引燃燃料，形成火焰花點燃天然氣。改裝好的氣體機，熱效率與同排量柴油機相當，碳煙顆粒NOx和CO2的排放顯著降低。但是與傳統柴油機相比，中小負荷工況下的未燃氣體排放會升高。這主要是因為，較低的進氣溫度和較長的著火延遲期使得缸內的燃燒溫度降低。另一個原因是微引燃柴油的噴霧貫穿距位置和霧化狀況惡劣造成引燃火焰點在缸內不能平均分布。在中小負荷工況下采用廢氣循環技術（EGR），可以提高燃燒溫度，降低未燃CH和CO的排放。增加引燃燃料量或者在天然氣中摻入氫氣都可以提高燃燒速率。柴油引燃式天然氣發動機動力性能略微下降，但是通過改進天然氣直噴技術，加強燃料的深度精煉，優化燃料供給技術都可應對天然氣燃料物理化學性質引起的功率下降現象。

天然氣雙燃料發動機是在天然氣發動機應用早期，由于加氣站等基礎設施建設不完善，為了能夠使汽車正常運行，天然氣發動機的開發主要是在原有的發動機上增加一套天然氣系統，這種發動機能夠在汽油和天然氣燃料之間切換使用，目前出租車上用的主要是這種天然氣發動機，這種技術簡單，發展成熟。對于私家車而言，由于天然氣發動機系統占用后備箱很大空間，目前還沒有使用。

3 天然氣/柴油雙燃料發動機研究現狀

近年來的研究熱點是雙燃料發動機的燃燒特性及排放特性、燃燒模型、稀燃技術、增壓中冷技術、油氣電子調節與控制、控制排放的缸內燃燒技術、機外催化技術和廢氣再循環技術等。天然氣/柴油雙燃料缸內射流發展混合過程對優化組織燃燒，提高雙燃料發動機動力性，降低排放均有重要的影響。但是目前目前國內外針對雙燃料發動機的研究多集中在發動機的性能研究，針對雙燃料缸內射流發展混合過程的研究還不夠廣泛和深入。

Abraham等開展了高壓直噴氣體射流的實驗研究。1994年，他通過研究氣液兩種射流，發現得益于液體射流的高動量，其與空氣動量交換速度更快，因此液體射流比氣體射流更易于和環境氣體混合。1996 年，他總結計算了氣體入口速度與氣體射流貫穿距之的經驗公式。1997 年，他通過 CFD 模擬計算，認為氣體射流可使用尺度低于氣體噴孔直徑的計算網格。P.Ouellette等基于k-ε湍流模型，利用數值模擬研究了缸內湍流，噴射持續時間以及壁面等因素對天然氣射流的速度場、貫穿距的影響。Timothy White利用紋影儀法，背影法和數值計算方法研究了天然氣/柴油雙燃料射流的發展。設計加工了不同的雙燃料噴射器結構，分析了不同天然氣，柴油噴射位置，噴射夾角距離等因素對射流的影響。Yu Jingzhou等利用平面激光誘導熒光測試技術（PLIF）研究了噴射壓力與缸內背壓不同比值下天然氣撞擊平面的射流結構變化以及射流與周圍空氣的相互作用。研究發現，平面撞擊有利于氣體射流與環境氣體的混合，為氣體機分層燃燒技術開展提供了技術基礎。Yu Liu等利用紋影儀，定容彈等實驗設備，用L型管道代替噴嘴研究了天然氣噴射壓力，背壓，以環境因素對天然氣射流發展，天然氣點火成功率，天然氣火焰生長速度的影響。Taib Mohamad等人提出，由于天然氣無色無味，可將天然氣射流導入水中，從而拍攝天然氣射流發展過程。作者將火花塞改裝成為直噴天然氣噴射器，噴射壓力在 4-6MPa 之間。天然氣射流的渦流結構與天然氣射流球形射流模型十分吻合。Xu Cheng等在背壓為 4MPa，環境溫度為 850K 條件下研究了不同氣體射流噴射壓力對噴孔內部的流動狀態的影響，結果顯示，噴孔出口速度大于入口速度，而噴孔出口壓力和出口溫度則低于入口。Iman Chitsaz等利用紋影儀以及數值模擬手段，研究了單燃料壓縮天然氣（CNG）射流發展過程，研究發現，較高的噴射壓力與背壓比值以及更大的天然氣噴孔孔徑會導致射流貫穿距顯著增加，但是射流初始發展階段基本不受影響，模擬結果與實驗射流發展基本一致。Mingi Choi等結合PLIF實驗數據，針對氣體燃料噴射優化了KIVA-3V的程序。Karri Keskinen等研究了噴嘴類型，噴射壓力，噴射時刻對缸內混合氣形成的影響。

國內江蘇大學張州榕等利用紋影儀開展了天然氣單燃料射流特性研究，同時針對天然氣/柴油雙燃料同軸噴射器的噴孔幾何位置因素開展了數值模擬研究。戴禮明等基于 AVLFIRE 軟件，針對某型柴油機模型開展缸內高壓直噴式天然氣/柴油雙燃料發動機不同天然氣替代率對發動機燃燒和排放的影響開展數值模擬。王金華在定容彈上利用高速攝影紋影法片得到了不同噴射壓力和背壓下的射流貫穿距離、射流錐角和射流體積隨時間變化的規律，計算得到了射流內整體過量空氣系數隨時間變化的規律。

4 天然氣/柴油雙燃料發動機需要解決的問題

為降低排放，緩解石油能源緊張的局面，氣體燃料受到了世界各國的重視和推廣，雙燃料發動機技術不斷完善，但天然氣/柴油雙燃料發動機需要解決如下的問題：

1）優化噴射器幾何結構，提高天然氣/柴油雙燃料混合和燃燒效果；

2）設計天然氣/柴油雙燃料射流模擬模型，驗證實驗結果；3）完善天然氣/柴油雙燃料發動機的排放特性。

5 結束語

隨著世界傳統能源的日益匱乏，以及排放污染問題的日益加重，天然氣天然氣/柴油雙燃料發動機的開發和應用成為發動機行業新的研究熱點。本文從傳統傳統燃料發動機面臨的問題、新型燃料發動機發展前景和天然氣發動機的特點分析了天然氣/柴油雙燃料發動機研究背景；綜述了天然氣/柴油雙燃料發動機研究現狀，提出了天然氣/柴油雙燃料發動機需要繼續研究的方面，對開發和設計天然氣/柴油雙燃料發動機提供了一定的參考價值。

[1]梁昱，周立迎.雙燃料發動機技術研究綜述[J].貴州學院學報.2008，（3）：18-23.

[2]Karri Keskinen，Ossi Kaario，Mika Nuutinen，et al.Mixture formation in a direct injection gas engine：Numerical study on nozzle type，injection pressure and injection timing effects.Energy.Volume 94，1January 2016，Pages 542-556.

[3]張州榕，王謙，何志霞，等.缸內高壓直噴柴油/天然氣噴射混合過程分析[J].工程熱物理學報，2015，（10）：2262.

[4]戴禮明.柴油、天然氣雙燃料噴射混合特性與燃燒模擬研究[D].江蘇大學，2016.

Research Status of Natural Gas/Diesel Dual Fuel Engine

Li Yu-lan，Wang Qian

with the increasing scarcity of traditional energy sources，and the increasing pollution of the emission，the development and application of natural gas/diesel dual fuel engine has become a new research hotspot in the engine industry.This paper from the traditional fuel engine problems，new fuel engine and development prospect of natural gas engine and analyzes the characteristics of natural gas/diesel dual fuel engine research background；summarized the natural gas/diesel dual fuel engine research status，the natural gas/diesel dual fuel engine needs to continue to study，to the development and design of natural gas/diesel dual fuel engine to provide a certain reference value.

natural gas；diesel fuel；dual fuel engine

TK438.9

A

1003-6490（2016）08-0087-02

2016-08-10

國家自然科學基金資助項目（51176066）。

李玉蘭（1980—），女，安徽渦陽人，講師，主要從事微燃燒理論和電子技術研究工作。