压缩天然气和柴油双燃料发动机的性能和废气排放特性

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1、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】YusafTFButtsworthD【马来西亚】MushtakTalibAliAl-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(NOX、CO和CO2)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

2、用双燃料系统，在发动机全负荷运行时，废气排放中NOX、CO和CO2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NOX、CO、CO2和未充分燃烧的碳氢化合物。NOX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

3、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(NOX)。NOX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，NO2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

4、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CO2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CO2的浓度不应超过25mg/L[3]。在马来西亚，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

5、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

6、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NOX、CO和CO2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NOX、CO、CO2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×

7、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NOX的排放。显然，双燃料发动机的排放全面优于柴油发动机，且NOX的排放量比柴油发动机平均低54％。图4全负荷运行时NOX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，双燃料发动机NOX排放量比柴油发动机高。这是由

8、于空气利用率较高且燃烧过程较快，引起峰值循环温度大大升高，因而产生较多的NOX[6)。柴油发动机随着转速的增加，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，可以通过增加天然气喷射量来减少双燃料发动机的NOX排放量。另一种方法是减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