王雷，李海玉，王锐，曹永，陈广源

(1. 潍坊职业学院 汽车工程学院, 山东 潍坊 262737；2.潍坊职业学院 机电工程学院, 山东 潍坊 262737；3.盛瑞传动股份有限公司 工程技术研究院, 山东 潍坊 261021)

天然气是一种高效、清洁的能源，其存储量巨大、价格相对低廉，在发动机上燃用可以产生良好的经济和社会效益[1-2]。目前，天然气主要以压缩气瓶的存储方式应用于汽油车，通过使用一个单独的天然气燃料供给管路系统，直接实现在汽油发动机上的燃用，此种燃用方式虽然简单实用，但无法发挥天然气作为气体燃料在发动机上燃用的固有优势。因此，研究和探索天然气在发动机上的应用方式具有重要的工程实际意义[3-4]。

国内外学者针对柴油直喷引燃压缩天然气(compressed natural gas, CNG)发动机的性能开展了广泛而深入的研究。近年来，通过发动机台架试验对CNG/柴油双燃料的燃烧性能(主要是针对动力性、燃油经济性和排放性)进行了大量的试验研究[5-7]，结果表明,在保持原机动力性的同时，NOx和soot得到大幅降低。基于各类计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)软件对CNG/柴油双燃料发动机的燃烧性能(主要是针对影响燃烧的关键参数，如喷油正时、射流角度、喷射压力以及燃烧室形状尺寸)进行了大量的仿真研究[8-11]，结果表明，合理的关键参数边界能够促进柴油的引燃燃烧和降低有害气体的排放量。其中，针对柴油引燃喷油正时对CNG/柴油双燃料发动机燃烧与排放影响的研究[12-14]表明，在适当范围内推进最佳喷油正时，HC、CO和碳烟排放能得到有效改善。

虽然国内外学者对CNG/柴油双燃料发动机的性能进行了较全面的研究，但针对柴油机掺烧天然气最佳替代比燃烧特性的深入研究报道很少。我国山地面积广阔，交通运输依赖柴油能源，使用天然气替代部分柴油能源在柴油机上燃用，既能够节省宝贵的柴油资源，也可以实现天然气在发动机上应用的多元化。因此，本文以等热值方式使用天然气替代部分柴油在发动机上应用，研究柴油机动力性和经济性的变化规律，以期为CNG在柴油机上的燃用方式和燃用技术提供参考。

1 天然气理化特性概述

相比于传统的汽油和柴油化石能源，天然气的理化特性不尽相同。天然气的主要成分为甲烷，主要由碳和氢两种元素组成，分子式为CH4，标准状态下密度为0.717 4 kg/m3，该密度小于空气密度，燃烧时发出淡蓝色的火焰。天然气与柴油的理化特性对比见表1。由于天然气的能量密度低，常采用压缩存储的方式应用于柴油机，CNG体积大约为压缩前的1/600。

表1 天然气和柴油的主要理化特性指标

2 试验方法与试验设备

试验用燃油为0号柴油和CNG，在JL4JB1柴油机上分别进行掺烧不同替代比天然气量的发动机经济性和动力性的试验研究。天然气替代比定义为天然气热值与总热值的比值，总热值指柴油热值和天然气热值之和，即

(1)

式中：RN/D为天然气替代比；HNG和HD分别为天然气和柴油的热值，单位为MJ。

为了实现天然气在柴油机上掺烧，给发动机试验台架增设了一套天然气供给系统，主要包括CNG高压气瓶、调压器、热交换器、天然气计量仪和混合器等，其中混合器安装在进气总管上，确保所供给的天然气与空气形成均质混合气。天然气供给系统如图1所示。

图1 天然气供给系统结构框图

考虑到天然气以均质混合气形式供给柴油机燃用，因此天然气替代比不能太低，即混合气不能过稀。这是由于柴油机压缩比较高，在压缩过程中过稀的天然气与空气的混合物会被挤入面容比较大的狭缝，造成不完全燃烧或失火，导致柴油机动力性和经济性下降。同时天然气的空燃比大于柴油，过高的天然气替代比会使柴油发动机的过量空气系数下降，从而引起柴油机性能的降低。综合分析认为，设定天然气替代比为0.2～0.8，可以保证天然气掺烧试验研究的有效进行。

测试仪器设备主要有CW160型电涡流测功器、FC2210型天然气计量仪、FEV油耗测量仪、MT20U2开发型ECU、SWK03冷却水恒温系统和FEV TCM台架测控系统等。试验用柴油机型号为JL4JB1，燃烧室类型为直喷ω型，试验用柴油机为自然吸气、水冷、四冲程、直列、顶置气门形式的发动机，其主要参数见表2。

表2 试验用柴油机主要参数

3 试验过程与结果分析

3.1 不同替代比天然气供给量确定

柴油机运行于不同工况下时，每个循环的喷油量不尽相同，柴油机循环喷油量计算公式为

(2)

式中：mD为柴油机每循环柴油喷射量，单位为mg/str；BD为柴油机每小时油耗，单位为kg/h；n为柴油机转速，单位为r/min；i为气缸数。

在计算出柴油机循环燃油喷射量基础上，结合天然气替代比的定义式，可以确定不同替代比下柴油机每循环在各个工况需要的天然气供给量，即

(3)

式中：mNG为柴油机每循环天然气喷射量，单位为mg/str；hNG和hD分别为天然气和柴油低热值，单位为MJ/kg。结合公式(1)、(2)和(3)计算出柴油机运行于不同工况时，燃用不同替代比的天然气-柴油混合燃料每循环天然气和柴油的供给量，结果见表3。

综上所述，解剖锁定板联合喙锁缝线固定治疗锁骨远端骨折的临床疗效优于钩钢板，且并发症少，是一种较可靠而有效的手术方法。但本研究是回顾性分析而非前瞻性随机试验，不是一个大样本或多中心病例对照，同时也不能确定什么情况下需要辅助何种喙锁固定方式为最佳是本研究的不足和缺陷，也是未来需要进一步解决的问题。

表3 不同替代比下天然气和柴油的供给量

3.2 不同替代比下柴油机性能的变化

为研究柴油机燃用不同替代比的天然气-柴油混合燃料的动力性，分别在800、1 400、1 800、2 400、3 200、3 600 r/min的6种发动机转速下进行台架试验。试验过程中，始终保持天然气-柴油混合燃料的热值与柴油机原机各工况循环喷油量的热值相等。试验结果如图2所示，图中虚线为柴油机原机在该转速下的外特性扭矩水平。

从图2可以看出，柴油机燃用天然气-柴油混合燃料时，在一定的替代比下，试验转速范围内的扭矩均能超过柴油机原机外特性水平，体现在扭矩曲线部分位于虚线上方；同时，随着转速的升高，扭矩特性超过原机水平时的天然气替代比减小且低转速小替代比、高转速大替代比的燃用效率较差；扭矩上升最大值出现在1 800 r/min ，增幅为6.8%。

(a)n1=800 r/min (b)n2=1 400 r/min (c)n3=1 800 r/min

对上述柴油机燃用不同替代比天然气-柴油混合燃料在不同工况下扭矩性能变化规律的分析表明：

1)天然气以一定替代比代用部分柴油燃用时，能够提高缸内的最高燃烧温度，扩大做功冲程燃烧循环的温度阶梯，且柴油的燃烧完全程度获得改善，从而提高了热效率；因此，在同样热值燃料的供给条件下，天然气-柴油机混合燃料的扭矩会高于柴油机原机水平。

2)当柴油机低转速运行时，缸内气流运动相对较弱，且功率较低，缸内平均温度较低，此时较小的替代所形成的稀混合气在狭缝处不容易完全燃烧；反之，高转速时气流运动较强，功率高导致缸内平均温度升高，改善了天然气混合气的完全燃烧，这些因素的作用使转速升高时，天然气-柴油混合燃料的扭矩特性呈现出扭矩超过原机水平时替代比减小的规律。

3)由于柴油机高速、高负荷运行时，过量空气系数相对较小，且天然气的化学计量空燃比大于柴油，因此随着转速的继续升高，替代比的不断增大，天然气-柴油混合燃料的过量空气系数将进一步下降，会出现由于氧含量供应不充分而发生不完全燃烧现象，导致高转速、大替代比时燃用效率差，扭矩下降。

4)柴油机中等转速运行时，缸内气流运动合理，充气效率和热效率都较高，有利于柴油机-天然气混合燃料的充分燃烧，因此扭矩上升幅度最大。

3.3 柴油机燃用天然气-柴油的最佳替代比

从图2的试验数据中提取对应最大扭矩时的天然气-柴油混合燃料的替代比，并与柴油机原机外特性扭矩对比，结果如图3所示。从图3可以看出，通过选择天然气-柴油混合燃料燃用的最佳替代比，可以使柴油机的外特性扭矩在所有试验的转速范围内上升，这表明在柴油机发动机上掺烧天然气能够提升柴油机的动力性，使柴油机的强化程度加强，且最佳替代比呈现出低转速较高、高转速较低的变化规律。

图3 最佳替代比天然气-柴油的扭矩特性

图4给出了柴油机外特性运行时，燃用最佳替代比天然气-柴油混合燃料和柴油的经济性对比。从图4可以看出，由于在试验中保持各个工况供给燃料的总热值不变，动力性增强将改善发动机的经济性，所以使有效燃油消耗率呈现与图3中扭矩相反的变化规律。

图4 天然气-柴油和柴油的外特性经济性对比

4 结论

本文在发动机实验台上增设了一套天然气供给系统，对柴油机燃用天然气的最佳替代比特性进行了试验研究，全面分析了不同替代比下CNG/柴油复合喷射对运行于外特性工况柴油机扭矩性能的影响规律。主要结论如下：

1)天然气在柴油机上以进气管混合的方式掺烧，能够有效提升柴油机的外特性扭矩性能。

2)柴油机运行于不同的转速时，天然气的最佳燃用替代比不同，低转速时适合采用高的替代比，高转速时适合采用低的替代比。

3)在中等转速时，柴油机燃用天然气扭矩上升的幅度最大，相比于柴油原机扭矩最大值提高了6.8%。

4)天然气在柴油机上以合理的替代比掺烧，能够提升柴油机的动力性和经济性，增强柴油机强化程度。