柴油机改装为压缩天然气燃料后的技术性能、经济性能及排放研究

《Cleaner Energy Systems》：Research on the technical and economic performance and emissions of diesel engines when converted to compressed natural gas fuel

　　

降低柴油机的有害排放已成为各国交通运输领域的迫切需求。在此背景下，压缩天然气（Compressed Natural Gas, CNG）因其清洁燃烧特性和减排潜力，被认为是现有柴油机的有前景替代燃料。本研究聚焦于开发并评估一种柴油机改装为CNG运行的仿真模型，旨在全面比较其经济性、技术性和排放性能与原柴油机的差异。发动机模型采用AVL Boost软件建立，并通过实验数据进行标定和验证以确保结果的可靠性。仿真在广泛的发动机工况范围内进行，同时变化发动机转速和负荷，从而详细评估燃料类型对发动机性能特征的影响。结果表明，与柴油机相比，CNG燃料发动机的最大功率提高了7.69%，制动比油耗（Brake Specific Fuel Consumption, BSFC）降低了8.5%–10.12%。在排放方面，氮氧化物（NOx）显著降低了49.63%–95%，碳烟排放被完全消除。然而，在浓混合气工况下，一氧化碳（CO）排放增加了3.77–5.85倍，并伴有相当量的未燃碳氢化合物（HC）。因此，所得结果可为CNG改装柴油机在公交车、城市卡车、农用拖拉机或发电机组中的应用提供依据，以提高能源效率并满足严格的环境标准。本研究侧重于评估CNG燃料在现有柴油机中的适用性，而非新设计发动机，同时将研究范围扩展到广泛的发动机工况条件。此外，仿真模型采用实验数据进行标定，从而提高了所得结果的可靠性和实际适用性。

1. 研究背景

在内燃机（Internal Combustion Engine, ICE）领域，随着排放法规日益严格以及化石燃料资源枯竭压力的不断加大，开发和应用柴油机的替代燃料解决方案已成为主要研究焦点。生物柴油和醇类燃料作为潜在替代品受到广泛关注，但这些燃料仍存在显著局限：使用生物柴油或其混合燃料常导致NOx排放增加、因低热值导致油耗上升，以及燃料稳定性、抗氧化性和供油系统材料兼容性等 challenge（Srinidhi et al., 2019; Srinidhi et al., 2023）。为缓解上述缺陷，研究人员曾提出使用金属纳米添加剂来改善燃烧特性和降低排放，然而其效果强烈依赖于喷射正时、混合比例和工况条件的优化，且常需集成复杂的排气后处理系统，增加了系统成本和发动机复杂度（Srinidhi et al., 2019; Channapattana et al., 2023）。此外，现有替代燃料研究多集中于燃料掺混策略或柴油与替代燃料的双燃料运行模式，其中柴油仍作为引燃燃料，意味着柴油燃烧特性持续存在且颗粒物（Particulate Matter, PM）排放无法完全消除（Lounici et al., 2014; Jamrozik et al., 2019; Wang et al., 2016）。更有诸多研究仅在有限工况条件下评估发动机性能，如全负荷特性或选定的负荷-转速点，未能充分代表交通运输应用中的实际运行工况（Lee et al., 2020; Yuvenda et al., 2020）。

在此背景下，压缩天然气因其高辛烷值、清洁燃烧特性和完全消除PM排放的固有能力而成为一种极具前景的替代燃料（Aslam et al., 2006; Yontar & Do?u, 2018; Nithyanandan et al., 2016）。大量研究表明，CNG在内燃机中的应用可提高燃烧效率并显著降低NOx和PM等传统污染物（Meng et al., 2019; Yousefi et al., 2019; Karczewski & Wieczorek, 2021）。然而在柴油-CNG双燃料配置中，低负荷下的燃烧不稳定、性能恶化以及高CNG替代率时CO和HC排放增加等问题尚未完全解决（Chen et al., 2019; Yousefi et al., 2018; Papagiannakis et al., 2017）。因此，一个关键未决问题是：传统柴油机能否通过火花点火系统完全改装为CNG运行，同时在广泛的工况范围内保持高效率和环境友好的排放特性（Shen et al., 2021; Huang et al., 2019）。这一问题对于拥有大量商用柴油机车队的国家尤为相关，因为经济因素和技术基础设施限制使得全新更换发动机难以实现（Duan et al., 2019; Chen et al., 2017）。

本研究旨在评估将传统柴油机完全改装为以压缩天然气为主要燃料的火花点火运行模式的可行性。基于上述研究动机，研究人员采用AVL Boost建立发动机热力学模型，并根据原柴油机实验数据进行标定，以确保仿真模型的可靠性和准确性。基于验证后的模型，研究人员在广泛的转速和负荷范围内对柴油和CNG两种运行模式进行了全面比较。

2. 关键技术方法

本研究采用的主要关键技术方法包括：利用AVL Boost软件建立发动机热力学仿真模型；采用AVL MCC（Mixed Controlled Combustion，混合控制燃烧）模型模拟柴油机的燃烧过程，该模型考虑了预混燃烧（Premixed Combustion, PMC）和扩散控制燃烧（Mixing-Controlled Combustion, MCC）的影响；采用AVL Fractal分形燃烧模型模拟CNG火花点火发动机的燃烧过程，该模型适用于研究长混合时间（可视为近似均质混合气）发动机的燃烧过程，考虑了燃烧室形状、点火位置和时刻、进气气体组成、进气涡流运动及强度、火焰传播速率、火焰前锋厚度等参数的影响；采用Woschni 1978模型计算传热系数；采用Zeldovich机制模拟NOx形成；采用Onorati模型计算CO排放；采用Hiroyasu模型计算碳烟排放；采用AVL模型计算HC排放。模型输入参数来自原柴油机（直列四缸、自然吸气、直喷式，额定功率56 kW/2200 rpm，最大扭矩280 Nm/1400 rpm，压缩比16.7:1）的台架实验数据。将柴油机改装为CNG运行时，压缩比从16.7降低至约11以抑制爆震倾向，并在进气道加装喷射器、增加节气门调节进气，同时修改气缸盖、缸壁和缸盖燃烧室的截面积以适应压缩比变化。仿真中CNG以甲烷（CH₄）代替。模型通过全负荷外特性及怠速特性曲线上的功率、油耗和排放数据进行标定验证，仿真工况覆盖1000–2200 rpm转速范围（增量200 rpm）以及1400 rpm转速下的100%、75%、50%、25%和10%负荷条件。

3. 研究结果

3.1. 模型可靠性评估

研究人员通过比较仿真结果与柴油机实验数据之间的偏差来评估模型可靠性。在外特性工况下，功率和油耗特性与实验数据吻合良好：功率最大偏差为1000 rpm时的4.3%，油耗最大偏差为1400 rpm时的4.9%。排放特性方面，NOx排放最大偏差为1400 rpm时的4.78%，CO和碳烟排放的最大偏差均为1200 rpm时的4.73%和4.48%。所有误差均低于5%，表明所开发的仿真模型可靠，可用于后续研究。

3.2. 外特性工况下的经济、技术及排放特性比较

经济和技术特性：CNG燃料下发动机功率趋于更高，在2000 rpm时达到最大增幅7.69%；整个工况范围内平均功率比柴油高0.90%。CNG的比油耗在整个范围内降低超过8.5%，在1000 rpm时最大降幅达10.12%。然而，CNG的热效率比柴油低0.97%–1.36%，这归因于CNG运行时发动机采用较浓混合气且压缩比较低。

排放特性：NOx排放方面，CNG的平均降幅为50.70%，在2200 rpm时最大降幅达57.61%，这归因于CNG较低的火焰-ahead传播速度减缓了燃烧过程并增加了通过缸壁的热损失，导致峰值温度降低。CO排放方面，CNG平均为柴油的4.14倍，在1000 rpm时最大达到6.29倍，这是由于CNG高挥发性占据了部分进气容积导致气体燃料燃烧不完全。碳烟排放在CNG燃烧时被完全消除。HC排放在柴油机中可忽略，而CNG产生可观的HC排放，随转速增加从0.454降至0.376 g/kWh，且由于CNG以气态供给，由气缸壁吸附导致的HC排放被最小化。

3.3. 1400 rpm负荷特性下的经济、技术及排放性能比较

经济和技术特性：在所有负荷水平下，CNG发动机功率低于柴油，降幅约3%–5%，这反映了CNG较低的热值和较慢的燃烧速率。BSFC方面，CNG始终低于柴油，降幅为2.49%–9.1%，在高负荷时优势更明显，100%负荷时最大降幅达9.1%。热效率随负荷百分比逐渐增加，但CNG在各负荷水平下平均比柴油低2.52%。

排放特性：NOx排放在整个负荷范围内CNG始终显著低于柴油，降幅从49.63%到近95%不等，这归因于CNG较低的峰值火焰温度、较慢的燃烧速率和更均匀的混合气分布，同时CNO的稀燃特性和较低热损失使其NOx增加幅度始终较低。CO排放方面，两种燃料均随负荷增加而降低，但CNG在所有负荷水平下均高于柴油，为3.77–5.85倍，在75%负荷时达到峰值；不过CNG的CO排放从10%负荷时的55.75 g/kWh急剧降至100%负荷时的13.6 g/kWh，表明在更有利的燃烧条件下CO氧化效率显著改善。

3.4. 研究局限性与清洁可持续能源利用意义

本研究的局限性在于：主要依赖AVL Boost建立的一维热力学仿真模型，虽然通过原柴油机实验数据进行了标定，但缸内湍流流动结构、局部温度分布和详细燃烧行为等复杂过程在建模中被简化；仿真仅在有限的转速和负荷范围内的稳态工况下进行，而实际应用中发动机常处于瞬态工况。

尽管存在上述局限，研究结果揭示了将传统柴油机转换为CNG运行的可观潜力。与柴油中山的CNG具有更清洁的燃烧特性，这归因于其气ogue状态和更高的氢碳比，有助于减少燃烧相关污染物的形成。CNG使用还可改善能源利用效率，其制动比油耗在 investigated功率条件下比柴油降低约8.5%–10.12%，在负荷条件下最高达9.1%。这种在NOx大幅减排、消除碳烟排放和改善燃油效率方面的综合效益，使现有柴油机改装为CNG成为推动更可持续交通系统的有意义途径，尤其适用于重型车辆、城市公交、农用拖拉机和固定式发电装置等柴油机仍广泛应用的领域。

研究结论部分的核心要点为：本研究成功开发了使用AVL Boost软件的柴油机改装CNG运行仿真模型，并通过性能和负荷特性的仿真验证了其可靠性。该模型能够详细分析每循环燃料喷射量和节气门开度对负荷响应的影响，同时全面评估两种燃料在经济性、技术性和排放性能方面的差异。仿真结果表明，在外特性工况下，CNG相比柴油具有更高的功率、更低的比油耗以及显著更低的NOx和碳烟排放；然而CO排放增加并出现CNG特有的HC排放，而CNG运行时的热效率略低于柴油。CNG发动机的NOx排放在整个负荷范围内相比柴油大幅降低约49.63%至近95%，这反映了CNG的燃烧特性，即较低的峰值火焰温度和更均匀的油气混合气分布显著抑制了NOx生成。相反，CNG的CO排放为柴油的3.77–5.85倍，主要由于中低负荷下燃烧较慢和氧化不完全；但CO排放随负荷增加显著下降，表明燃烧条件得到明显改善。CO排放的增加和HC的存在表明在CNG改装柴油机时存在需要解决的技术挑战。因此，研究人员提出未来研究的技-approach方向：聚焦于压缩比优化和点火时刻调整，以改善油气混合、缩短燃烧持续期并降低CO和未燃碳氢化合物排放。本研究目前仅限于基于仿真的分析和通过实验数据标定的比较评估；下一阶段，研究人员计划将完全改装为CNG运行的柴油机在真车上进行实验研究，通过道路和台架测试全面评估发动机在实际工况下的性能和排放特性。