柴油-LNG双燃料船用柴油机特性的试验研究*_杂志网

论文导读:：介绍了柴油-LNG双燃料电控喷射系统的组成、特点及工作原理，在对X6170ZC-19柴油机进行简单改装的基础上，通过推进特性试验证明：柴油-LNG双燃料柴油机的天然气消耗量计量准确、能精确控制燃料消耗量；综合替代率高；与燃用纯柴油相比，具有燃料消耗量更低、热负荷更低、排放指标更环保等优点。
论文关键词：柴油机，双燃料，混燃系统，特性试验，LNG
 

一、前言

能源匮乏和环境污染已成为世界各国所面临的两大难题，为此采取了诸多解决措施。在环境污染方面，主要采用电控喷射、三元催化转化、混合动力等先进技术，最大限度地降低发动机的排放；为解决能源短缺，主要采用压缩天然气（CNG）、液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）、甲醇、乙醇、二甲醚（DME）、氢气等清洁代用燃料。在众多代用燃料中，天然气具有资源丰富、分布广泛、成本低廉等优点，并且可以改善微粒和NOx等有害排放^[2]。柴油-天然气混燃系统就是通过对柴油机进行简单的改造和调试，将柴油机改造成既能使用纯柴油，又能使用柴油-天然气混燃的两用发动机。因此，LNG在柴油机上的成功应用对于解决能源匮乏和环境污染问题具有非常重要的意义。

二、双燃料电控喷射系统

（一）系统组成^[3]

柴油-LNG双燃料电控喷射系统是为了使LNG能够作为柴油机的主燃料而开发的一种燃料供给控制系统。该系统采用微电子控制技术，通过控制用于引燃的微量柴油和用于主燃的LNG，使柴油机转换成为柴油-LNG双燃料发动机。其系统组成如图1所示，整个系统由两大部分组成。一是柴油-LNG 供油部分，主要由高压氮气瓶、柴油罐、液化石油气罐、混合器等组成杂志网，负责向发动机高压油泵提供燃油。二是系统控制部分，主要由ECU及外围控制电路、显示电路、驱动电路、压力传感器、模拟数字转换器、数据采集电路等组成，实现对电磁阀导通时间的控制及完成混合比例的设定及显示。

（二）工作原理^[4]

柴油机加装柴油-LNG双燃料电控喷射系统后，通过接收传感器信号，ECU将严格限制柴油的供应量并协调同步控制喷射到进气道的天然气喷射量。

该系统通过控制柴油机原有燃油泵的输出限制柴油，所采用的方法是采用由ECU控制的带位移反馈的控油器闭环控制来调整发动机油泵，根据转速和负荷增加或减少来控制燃油的喷射量。天然气通过天然气喷射阀精确计量后喷射到发动机进气道内。天然气喷射量由ECU电控单元根据传感器接收到的信号通过控制喷射阀的有效开度来决定，以获得所需的转速和功率。为了提高天然气喷射量的控制精度，该系统采用了多个阀依次参与工作的方式，从而细化了阀的工作区间和对天然气量的控制精度。

由于该系统的柴油量控制是通过控油器控制柴油油泵来实现的，因此，当返回到纯柴油模式时，天然气气源切断，控油器恢复到初始状态，所以在纯柴油工作模式时，安装该系统的发动机工作模式与原机完全相同。

三、试验装置及主要仪器设备

（一）试验装置图

试验装置如图2所示。其中，柴油机试验台为湘仪动力测试仪器厂生产的SG630，液化天然气罐由张家港富瑞特种装备股份有限公司生产，低温液体汽化器由苏州新锐低温设备有限公司生产的CQ-1OO/1.6，测控系统为杭州中成EST内燃机测试系统EST-2002，柴油机为潍坊柴油机厂生产的X6170ZC-19。

（二）柴油机X6170ZC-19的主要参数如表一所示

表一 X6170ZC-19的主要参数

四、推进特性试验及结果分析

（一）推进特性试验

按推进特性的关系分别拟定了600r/min、700 r/min、800r/min、900 r/min、1000r/min、1100 r/min、1200r/min七个运转点满载状态下的扭矩值，并在恒转速恒扭矩条件下进行燃油消耗量、排气温度、排气烟度和综合替代率（综合替代率是指柴油机在实际工况下，以混燃状态运行时的替代率。综合替代率与发动机负荷、运行状态有关，发动机负荷越接近额定工况，综合替代率越高。）的测量。结果表明：在双燃料状态下，随着转速和负荷的不断增加，燃油消耗量逐渐降低、替代率从45.21%至84.88%逐渐递增，机油压力和温度基本不变杂志网，水温和排气温度略有下降，烟度值下降明显。

图3为柴油机在不同转速下运转时燃料消耗量的对比图，其中横坐标为发动机转速，纵坐标为燃料的当量消耗量，图标 “混燃天然气”表示燃用双燃料时天然气的当量消耗量，“混燃柴油”表示燃用双燃料时柴油的当量消耗量，“纯柴油”表示发动机燃用纯柴油的当量消耗量，“混燃”表示燃用双燃料时柴油和天然气的当量消耗量的总和。由图3可以看出，在所有转速下，燃用纯柴油时所消耗的量总是大于燃用双燃料，这表明燃用双燃料时经济性更好。

图4为柴油机在不同转速下运转，燃用柴油和混燃时的排气总管温度和排气烟度对比图，由图中可以看出，混燃时排气总管的温度略低于燃用纯柴油，表明燃用双燃料时柴油机的热负荷稍低一些，这有利于延长柴油机的使用寿命；而混燃时烟度值大大降低，这是因为LNG与柴油混合充分、均匀，燃烧较完全，因此燃用双燃料时的环保性能可大大提高^[5-6]。

图5为柴油机在不同转速下运转时燃用双燃料时的综合替代率曲线图，由图可以看出，随着柴油机转速的增大，替代率迅速上升，从45.21%上升至84.88%，在900r/min时，其替代率就达到70%以上，说明在船用柴油机常用工况点的替代率都较高。

（二）试验结果分析

燃用双燃料时柴油机的功率与燃用柴油时相当，因此，其动力性能可满足船用推进主机的需要杂志网，而经济性可大大提高，额定转速时燃料费用节约率高达27.6%。另外，由于使用双燃料时柴油机的热负荷降低，排气烟度大大降低，气缸内的积碳很少，可减少气缸与活塞之间的磨损，这有利于延长发动机的使用寿命，同时大大改善了柴油机的环保性能。其中经济效益分析如下：

从试验数据中选取800r/min、1000 r/min和1200r/min时所消耗的纯柴油和双燃料的总量进行计算，其中柴油价格取7360元/吨，LNG的价格取5000元/吨，通过计算可得出燃料费用节约率，如表二所示：

表二 经济效益分析表

5．结束语

柴油-LNG双燃料船用柴油机对原柴油机结构改动很小，改装简单、方便，工作稳定可靠，可以根据需要在纯柴油和柴油-LNG双燃料两种模式下自由转换。从特性试验结果可知：双燃料发动机的动力性不低于原机水平；燃料消耗量大幅度降低、经济性大大提高；热负荷降低、排放性能也得以优化；综合替代率最高可达84.88%。因此，柴油-LNG双燃料船用柴油机在注重节能减排的新世纪具有良好的推广应用前景。

参考文献
1．肖合林．LPG压燃发动机喷雾及燃烧特性研究．华中科技大学博士学位论文．2007年．
2．武涛．燃用天然气合成油发动机燃烧特性与可靠性研究．上海交通大学博士学位论文．2008年．
3．顾善愚，赵奎翰．汽油/液化石油气（LPG）两用燃料发动机的研究[J]．内燃机学报．2001，19（4）：323~326．
4．黄华．乙醇柴油混合燃料发动机电控EGR系统的开发研究．广东工业大学硕士学位论文．2007年．
5．朱义伦，何方正等．电控液化石油气发动机排放试验[J]．上海交通大学学报．2001，35（5）：746~749．
6．邓宝清，李理光．混合式液化石油气小型发动机排放性能的研究[J]．内燃机学报．2002，20（4）：287~291．