（动力机械及工程专业论文）压缩着火天然气发动机燃烧过程的研究.pdf

中文摘要 随着石油资源的日益减少，寻找可替代能源已成为当务之急。天然气由于具 有价格低、低污染的优点而受到了人们的极大关注。发展天然气发动机是解决传 统能源危机的一个有效办法。 本文介绍了压缩着火天然气发动机的一个新的燃烧系统，这个燃烧系统具有 分隔式燃烧室。研究所用天然气实验样机是由$ 1 9 5 单缸柴油机改装而成，改装 工作包括燃烧室的改装设计，电控系统和供气系统的设计。燃烧室由位于活塞顶 的主燃室，位于气缸盖上的副燃室和连通主副燃烧室的通道组成。为了减少散热， 在活塞顶、缸盖喷涂了氧化镐涂层，同时在副燃室设计了空气缝隙。高温电热塞 置于副燃室内用于辅助点火。为了测试e g r 对天然气发动机的影响安装了e g r 装置。 研究了新的燃烧系统起动和工作过程。天然气供给方式，主副燃烧室通道直 径和进气温度对压缩着火天然气发动机起动，燃烧和排放的影响也作了研究。试 验结果显示：在进气加热和电热塞辅助加热的情况下，低压预混合供气较易于实 现压缩着火，适当增大主副燃烧室通道孔径也有助于压缩着火天然气发动机起 动。合适的e g r 率可以降低h c 和n 0 ；排放，同时可以稳定天然气发动机的燃 烧过程。 本文的研究成果为压缩着火天然气发动机开发提供了新的燃烧系统，为降低 天然气发动机排放，提高经济性提供了新途径。 关键词：天然气发动机压缩着火迸气温度废气再循环分隔燃烧室 a b s t r a c t w i t ht h ed e c r e a s i n go f p e t r o l e t u nr e s o u r c e , i tb e c a m e 觚u r g e n ta f f a i rt ol o o kf o r a l t e r n a t i v ef u e ln o w t h en a t u r a lg a sh a sa t t r a c t e dal o ta t t o n t i o nd u et oi t sa d v a n t a g e i nc o s ta n de m i s s i o n d e v e l o p i n gn a t u r a lg a se n g i n ei so n eo fe f f e c t i v em o a n st os o l v e t h et r a d i t i o n a le n e r g yc r i s i s t h i sp a p e rp r e s e n t san e w l yd e s i g n e dc o m p r e s s i o ni g n i t i o nd i v i d e dc h a m b e r c o m b u s t i o ns y s t e mo ft h en a t u r a lg a se n g i n e t h es t u d yh a sb e e nd o n eu s i n ga p r o t o t y p e t e s t e n g i n em o d i f i e d f r o mt h es 1 9 5 s i n g l ec y l i n d e re n g i n e t h e m o d i f i c a t i o ni n c l u d e st h ed e s i g n i n go fc h a m b e r s ，c o m p u t e r - c o n t r o l l e ds y s t e ma n d n a t u r a lg a ss u p p l ys y s t e m t h ec o m b u s t i o nc h a m b e rc o n s i s t so f t h em a i nc o m b u s t i o n c h a m b e ro nt h et o po ft h ep i s t o n , t h ea u x i l i a r yc o m b u s t i o nc h a m b e ri nt h ec y l i n d e r h e a da n dt h ep a s s a g eb e t w e e nt h em a i na n da u x i l i a r yc h a m b e r s t h eo x i d e - c o a t e d z i r c o n i u mo f t h ec h a m b e r sa tt h ep i s t o na n dc y l i n d e rh e a d , t h ed e s i g no f a i rg a po nt h e a u x i l i a r yc h a m b e ra a p p l i e dt ol o w e rh e a tr e j e c t i o n t h ee l e c t r i c a lc e r a m i cg l o w p l u gi si n s e r t e di nt h ea u x i l i a r yc h a m b e rt oa s s i s ti g n i t i o n t h ee g rs y s t e mh a sb e e n i n s t a l l e dt of i n dt h ee f f e c to f e g ro nn a t u r a lg a se n g i n e t h ec o m p r e s s i o ni g n i t i o na n dc o m b u s t i o no ft h en e w l yd e s i g n e dc o m b u s t i o n s y s t e mo f t h en a t u r a lg a se n g i n eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to f t h en a t u r a lg a s s u p p l ym e t h o d ，p a s s a g ed i a m e t e ra n dh e a t e dt e m p e r a t u r eo fi n t a k ea i ro nt h ei g n i t i o n , c o m b u s t i o na n de m i s s i o na r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tl o w p r e s s u r en a t u r a lg a s s u p p l yo r a le a s i l yr e a l i z et h ep r e m i x e dc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o no f t h en a u l r a lg a s e n g i n eo nc o n d i t i o no fh e a t i n gt h ei n t a k ea i ra n di n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h e e l e c t r i c a lg l o wp l u g m o d e r a t e l yi n c r e a s i n gt h ep a s s a g ed i a m e t e rb e t w e e nt h em a i n a n da u x i l i a r yc h a m b e r si sb e n e f i c i a lt ot h es m o o t hs t a r to f t h ee n g i n e e g rs y s t e mi s h e l p f u lf o rd e c r e a s i n gh ca n dn o x e m i s s i o na n ds t a b i l i z i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s s o f t h ee n g i n e i tc a r r i e so u tan e wc o m b u s t i o ns y s t e mo nn a t u r a lg a se n g i n e m e a n w h i l ean e w m e t h o dt or e d u c ee m i s s i o na n db o o s te c o n o m yo fn a t u r a lg a se n g i n e si sp r o p o s e di n t h i sp 印o r k e yw o r d s ：t h ec n ge n g i n e , c o r a p r e s si g n i t i o n , t h et e m p e r a t u r eo f i n t a k ea i r ，e g r s y s t e m , d i v i d e dc h a m b e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：舭叁签字日期：l 占年j , e l 力1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 簿互压 导师签名： 弘磐坦 签字日期：铆c 年 i , e l 勿日签字日期：哆多年2 月，口e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 今年石油产品价格居高不下，昂贵的价格已经极大地影响了国民经济的健 康发展，对能源的控制和竞争引起的战争和国际纠纷不断。同时，石油短缺的现 实压力及全球日益严重的环境污染问题也从客观上对节能和寻找替代石油的能 源提出了要求。世界能源短缺的问题并非今日始，上个世纪七十年代，世界就因 为石油危机而出现了经济衰退。经济发展对能源的依赖性越来越引起人们的重 视。根据数据显示，目前汽车消费第一大国美国的石油进口依存度已经达到 5 8 。而据国际能源社( i n t e r n a t l o n a le n e r g y a g e n c y ) 发布的数据， 世界对石油的消耗量增长远远超过预期。由于消耗量的增长超过预期，目前世界 经济合作发展组织( o e c d ) 国家的石油库存量已经下降到只够这些国家5 1 天 的消耗量水平，这比正常的库存量要低“1 。 世界能源的结构组成主要是石油；煤和水力。1 9 世纪以前由于人们对煤的认 识较早，同时开采条件较为简单，由此煤炭成为世界主要能源。2 0 世纪石油的 开发与发展以及内燃机的迅速广泛应用大大促进了世界经济的快速成长，石油在 世界经济和现代化过程中做出了巨大的贡献，并在能源结构中替代煤成为世界第 一能源。在我国，煤炭仍然是主要能源，这主要是地质形成的原因，但是随着我 国近年汽车业的发展，导致石油用量巨增，早已由石油出口国变成了石油进口国， 目前石油的进口量位于世界前列，因此在改变能源结构时，寻找和利用新的能源 成为当务之急。在开发石油的过程中，人类增加了对天然气的认识并发现了大量 的天然气资源，天然气探明资源量迅速增加。随着世界经济迅速发展，人口急剧 增加，能源消费不断增长，温室气体和各种有害物质排放激增，人类的生存环境 受到了极大挑战。在这种形势下，清洁的、热值高的天然气能源正日益受到重视， 发展天然气工业成为世界各国改善环境和维持经济可持续发展的最佳选择。天然 气是2 1 世纪最重要的能源，它将带给人类清洁的环境和高品质的生活。 由于天然气主要成分是甲烷，燃烧后生成二氧化碳和水，产生的温室气体只 有煤炭的1 2 ，石油的2 3 ，对环境造成的污染远远小于石油和煤炭。我们知 道，焦炉煤气的热值为1 5 8 9 1 7 1 4 m j m 3 ，而天然气的热值为3 3 4 4 4 1 8 m j m ， 可见天然气是一种高效清洁能源”“。1 9 9 7 年在日本通过的京都议定书，要 求发达国家2 0 0 8 - - 2 0 1 2 年温室气体排放比1 9 9 0 年降低5 2 2 “。，天然气比以 第一章绪论 往任何时候都受到重视。尽管中国作为发展中国家，排放的温室气体量没有受到 限制，但作为一个污染气体排放大国和负责任的国家，我国政府对机动车尾气的 排放标准也日趋严格，因此对于清洁能源一天然气的合理利用也越来越受到了各 有关部门的重视。 1 2 天然气的物化特性和现状 1 2 1 天然气的物化特性 天然气( n g ) 是由多种烃类物质和少量的其他成分组成的混合气体。天然气中 最主要成分是甲烷，天然气分为气田气和油田伴生气。随着产地的不同甲烷成分 所占体积分数在8 5 - 9 7 主2 间变化。各地的天然成分是不一样的，不同的天然气 成分在物化性能上存在着一定的差异。表1 是天然气与其他两种主要燃料物化性 能的比较。天然气在标准状态下为气体；压缩天然气( c n g ) 是将0 3 m p a 左右的 天然气在天然气加气站加压至2 0 m p a - 2 5 m p a 储存在站用气瓶中，然后通过加气设 备加入到车用气瓶中( 最高压为2 0 归a ) 供汽车发动机使用。 表1 天然气理化特性 参数燃料 天然气柴油汽油 分子式含c 1 一c 3 的t h c含c 1 2 - c 2 3 的t h c含c 5 c 1 2 的 ( c h 4 为主) t h c 沸点 1 6 11 6 0 - 3 6 03 0 1 9 0 c 质量百分比 7 58 78 5 5 h 质量百分比 2 51 2 61 4 5 理论空燃比 1 7 41 4 51 4 8 自燃温度 6 4 02 7 03 9 0 4 2 0 燃料低热值m j k g 1 4 54 34 3 5 混合气热值m d k g - 1 2 92 7 92 8 3 十六烷值 ( 3 - 3 ) f i f o f i f o 也就是先进先出的意思，采集卡一般都有f i f o 寄存器，用来缓存高速 采集的数据。要确定f i f o 参数，也就是f i f o 的大小，需要知道相关参数如采 样频率、系统的延迟和数据搬移至缓冲器的时间等。主要的思想在于搬进的速度 必须小于搬出的速度。设一个f i f o 被填满的时间为t ，f i f o 的大小为m ，采集 卡频率为c 则 f ：等( s ) 1 ) 采集算法 发动机的参数采集很大程度上是必须实时的。假如不能实时动作，则采集到 的压力将是另一个时刻的，这样得出的数据意义就不是很大了。为了得到实时采 集的效果，程序采用了双缓冲采样算法。 双缓冲分为循环缓冲和用户缓冲。循环缓冲又分成两个部分。采集的数据先 写入循环缓冲，当半满时，循环缓冲的前半部分写入到用户缓冲中。采集的数据 继续向循环缓冲的后半部分写入。当循环缓冲全写满时，循环缓冲的后半部分数 据再写入用户缓冲中。此时，采集的数据会继续写入循环缓冲的前半部分，如此 反复，每半满一次，循环缓冲的前或后半部分就会被写到用户缓冲中去，从而达 到连续高速采集的功能，使用双缓冲是为了解决连续采数的功能。在d o s 环境 第三章压缩着火天然气发动机实验装置和电控系统 下，一次d m a ( d m a 技术是一种代替微处理器完成存储器与外部设备或存储 器之间大数据量传输的方法，也称直接存储器存取方法) 或中断方式采集数据通 常不能超过6 4 k b ( 2 ”) ，在w i n d o w s 环境下，一次d m a 的数据量依赖于板卡 的p c i 控制芯片的寻址范围和系统物理内存的大小( 如使用a m c c 5 9 3 3 的话， 只能一次d m a 6 4 k b 数据) ，无法实现长时间连续采数功能。因此必须要靠双缓 冲来实现长时间连续采数功能。板卡提供f m 0 半满中断功能，利用这个功能， 可以来实现双缓冲连续采数功能。 2 ) 采集流程采集流程如图3 1 3 所示： 图3 - 1 3 采集程序流程图 第三章压缩着火天然气发动机实验装置和电控系统 3 5 本章小结 本章主要介绍压缩着火式天然气发动机的改装和设计，其中包括 1 ) 燃烧室的设计，通过设置副燃室实现分层燃烧的目的； 2 ) 发动机供气系统的设计，实现了高、低压分别供气； 3 ) 电控系统的开发，该系统可以实时、方便地进行数据采集、显示、合成喷气 信号，通过p c 机界面并可以实时灵活地改变控制参数。 3 l 第四章实验结果分析 第四章实验结果分析 前文介绍了发动机的燃烧系统、天然气供气系统和计算机控制系统的设计， 这样就将一台s 1 9 5 柴油发动机改装成了适合压缩着火的单缸天然气试验机。图 4 - 1 是压缩着火天然气发动机试验台架图。 图4 1 压缩着火天然气发动机试验台架图 在改装完成之后，对喷射阀和发动机起动性和性能特性进行了一系列的试 验，下边具体说明所进行的试验以及试验结果分析。 4 1 电控天然气阀的标定结果分析 在试验中，天然气的喷射量主要是通过喷气持续时间来控制的。但是喷射阀 的流量特性影响着喷气量的多少，所以有必要对喷射阀的流量特性进行标定，以 便获取不同工况的天然气流量。 第四章实验结果分析 流量一时间曲线 0 邕 u 匠甄 攀糕搿攀獬瓣蜀 蓄 2 7 。 ： ， 鼍 1 一一 1 v _ 爨 。 懿乙# 基菇。五。；矗纛；纛。；。；磊。k 。磊。；霪 5l o1 52 02 53 0 + 压力( m p a ) 0 4o 40 40 40 40 4 + 流量( k g h ) 0 4 o 60 9 51 2 5 1 5 52 1 时间( m s ) 图4 2 低压阀流量- 时间关系 根据标定结果拟合的低压喷射阀流量与喷射时间的函数为： y = 0 0 7 5 + 0 0 5 8 3 3 x( 4 - i ) y ：低压阀喷射流量( k g h ) x ：喷气时间( m s ) 图高压阀标定喷射压力5 m p a 流量一时间曲线 i i j l 一樯i k 、 鼬t p “孱爨疆婴弱 弓 9 最 陲攀芎警雾鬻奠一 出 露黪 ： 7 h ， 。 暑 。；，- 考5 e 鬟爹， “一。 。il 一 ： ” 嚣 3 ，。霪 1医 溅缀麓虢巍麓囊糍貔瓣虢蕊麓漉燃鬃赫簿馘瓣蕊浚渊 51 01 52 02 53 0 一压力( 妒a )5 55 55 65 65 7 5 7 + 流量( k h ) 3 1 5 7 7 4 8 8 9 29 5 时问( m s ) 由标定结果拟合的流量公式： y = i 5 5 + 0 3 7 6 奉x y ：高压阀喷射流量( k g h ) 4 2 喷射阀驱动器输出脉冲试验 ( 4 - 2 ) x ：喷气时间 喷射阀采用了典型的r l 电路( 图4 4 ) ，以电流驱动。 第四章实验结果分析 l i = = = 瓢 o y v y 、_ 蚺r 岫 z 越 l l l 图“喷射阀电路 图4 啊5 是驱动器信号关系图，其上半部分波形是驱动器输入信号，由定时卡 合成；下半部分波形是驱动器输出信号，是喷射阀真正的控制信号。可以看出驱 动器并不是一直保持高电平，而是在驱动器输入信号上升阶段，突变到1 2 v 的高 电平，打开喷射阀，随后突变到1 0 5 v 左右并一直保持到驱动器输入信号变为低 电平，在这一阶段维持喷射阀开启状态。另一方面在驱动器输入信号为低电平的 时候，驱动器输出信号一直保持着i o v 电压。这是由驱动器驱动芯片和喷射阀电 路本身特点决定的。也就是高电平开启喷射阀，稍低电平维持开启状态。 踟 驱动器输入信号 o v 1 2 v v 、 ， 驱动器输出信号 1 0 v 图4 5 驱动器信号关系图 4 3 计算机控制系统喷气上止点信号确定 压缩着火天然气发动机的起动性严格受着喷气时序的影响，喷气触发主要以 上止点为基准，具体是压缩上止点还是进气上止点主要由供气方式决定。但是有 一个原则就是低压喷射阀在进气上止点后喷气，高压喷射阀在压缩上止点前喷 气。 在试验过程中，上止点信号是不容易确定的。本文的上止点信号主要通过光 电编码器采样获得，在试验之前，先进行上止点信号的标定试验，具体方法如下， 把光电编码器( 图4 - 6 ) 安装在发动机凸轮轴上，盘动发动机飞轮至压缩上止点 位置，在飞轮和发动机上分别记下此时的位置，现在这两个位置应该是重合的， 根据光电编码器一转输出一个信号脉冲的特点，即z 信号，再盘动飞轮，在光电 编码器z 信号出现的同时，记下飞轮和发动机所记上止点位置的相对距离( 飞轮 齿牙为单位) ，调整光电编码器安装位置，重复前面的工作，一直到飞轮所记位 置和发动机所记位置相重合为止，或者以他们的相对距离为基准修正喷射阀的触 第四章实验结果分析 发时刻。 图4 _ 6 光电编码器信号关系图 4 4 对发动机着火阶段影响因素的分析 由于本发动机采用压缩着火方式，因此采用了进气加热和加装电热塞的辅助 措施，同时依据本燃烧室的特点设计了通道截面面积不同的镶块。根据热自燃理 论的原理，着火温度与可燃混合气的浓度( 压力) 、反应级数、活化能和散热条 件有关。很显然，着火温度不是一种物质属性，它是随给定的反应物的配比及其 物性和所处的环境而定的。因此着火温度是反应物在特定环境下能自燃的物理条 件的表征。 4 4 1 进气加热、电热塞温度和主副燃烧室通道孔径对着火的影响 混合气的温度直接影响化学反应速率，根据麦克斯韦的速度分布规律，温度 升高后，活化分子的数目急剧增多，因而活化分子的碰撞次数也急剧增大，对应 本实验如图4 _ 7 。 ，t。20。oj一、：、j二善,14mm l - 碰越扎纯f ：。 +。 习 。0 订焉i 订毒两而 图 7 进气温度、电热塞温度和通道孔径对起动性能影响 第四章实验结果分析 此时供应的天然气方式为进气管低压喷射阀喷射，且供给量相同，发动机的 起动性能随着进气温度升高而有改善，当主副燃烧室通道孔径为1 4 r a m 时，加热 空气达到1 0 0 ，可以不需要电热塞加热便能实现着火。或在室温时，仅依靠电 热塞的作用就能着火，但单独使用进气加热和单独使用电热塞的方法都不够可 靠，因此两种方法的同时使用效果较好。本实验的进气加热装置为发动机进气管 上游3 0 0 r m 处的空气加热箱。 图4 7 可以看出主副燃烧室通道孔径较大，则着火较为容易。主副燃烧室通 道孔径为1 4 m m 时，可实现常温起动；主副燃烧室通道孔径为l o m m 时，需要 电热塞加热，同时进气温度通常要达到6 0 以上才能起动；而当主副燃烧室通 道孔径为6 m m 时，电热塞加热，进气温度到达1 0 0 以上时，起动也不是很容 易做到。对于这个现象的分析认为，由于涡流室与主燃室的通道太小导致节流效 应，使得进入涡流室的混合气比较少，因此难以起动而孔径大些的涡流室的节流 效应小，进入涡流室的混合气就会多一些，因此启动性能就好些。进气温度的提 高，将使压缩终了的压力和温度升高，直接影响燃料着火燃烧的条件，因此能够改 善了发动机的启动状况。 4 4 2 隔热措施对着火阶段的影响 热自燃机理指出可燃混合气受热，使混合气达到一定的温度，由于进行反应 所释放的热量多于从容器壁向外散失的热量产生热量累积而使混合气温度上升， 这又促使混合气的反应速率增加，放出更多热，不断相互促进导致反应速率加快 而达到着火，这同时说明降低散热也是改善发动机着火性能的一个重要方面。 低散热发动机的研究开始于2 0 世纪7 0 年代中期，这一期间的研究工作几乎 全是针对柴油机开展的。9 0 年代后期，以日本为代表的汽车行业转向了对天然 气低散热发动机的研究。本试验也主要对以下几个部分进行了隔热处理，除了副 燃烧室的内表面喷涂了隔热陶瓷材料外，也将进、排气阀的触火面及活塞顶喷涂 了隔热陶瓷材料。隔热材料选用导热系数低、膨胀系数接近铸铁且有一定强度的 氧化锆。涂层厚度的选择是基于如下考虑：涂层越厚隔热效果越好，但是涂层过 厚则涂层的强度下降，可靠性降低。在总结前人经验的基础上选定涂层厚度为 o 务田4 m m 。 图4 _ 8 显示了隔热涂层对发动机起动性能的影响，有隔热涂层发动机可仅用 一种辅助手段起动；没有隔热涂层则需要进气温度较高，且同时还需要电热塞辅 助着火。 第四章实验结果分析 图4 - 8 隔热涂层对起动性能影响 总之，天然气发动机的压缩着火是可燃混合气由于热量累积达到某一临界温 度而发生的自燃现象，促使混合气达到这一温度的途径包括活塞压缩混合气作 功，外界对混合气的加热等，减少混合气对外界的散热客观上也有助于混合气尽 快达到着火温度。所以低散热天然气发动机可以在较低的进气温度下实现着火。 4 5 压缩着火天然气发动机工作过程的分析 4 5 1 影响发动机性能的几个因素 作者实验研究了天然气压缩点火工作过程的影响因素，包括进气温度，喷气 时刻和不同的主副燃烧室通道直径。 1 ) 进气温度 进气温度对发动机的性能影响很大。在预混合低压进气管供气状况下，给定 相同的天然气供气量，对于三个不同镶块，转速都随着进气温度的升高而升高。 如图4 - 9 。但通道孔径不同，转速的升高率和转速绝对值也不同。这是由于通道 孔径不同，使得主副燃烧室内的混合气的温度有了差异，通道孔径越小，这种差 异就越大，因此分层的效果越好，速度的升高率和速度的绝对值越高。 m 枷 棚 p嚣瘸罐禾掣 第四章实验结果分析 2 0 0埘m 2 4 2 o2 22 1 4 图4 _ 9 进气温度对发动机转速的影响 但同时观察到在增加燃料供给后，出现了不同的变化，首先，在较高的进气 温度下，能够施加的扭矩较小，加大扭矩会出现敲缸，想要增加扭矩，进气温度 必须降低；其次，在同一扭矩下，转速随温度提高到一定程度后还会出现下降， 继续升高温度会发生敲缸，如图4 - 1 0 所示，在1 9 5 时达到最大值，然后下降， 在2 0 7 c 时发生了敲缸。对此现象分析认为：由于压缩着火式天然气发动机的着 火时刻难以控制，燃料供给增多，混合气浓度增大，使得活化分子碰撞的机会增 多，会使着火时刻提前，进气温度升高有助于燃烧，但过高温度将使着火时刻过 于提前，发生敲缸。同时温度提高也会使吸入空气的质量减少，导致空燃比发生 变化，只有在合适的空燃比下，燃烧才能得到较好的组织。实验中缸内压力的变 化也体现了这一点，如图4 1 1 。 伪1 雨御t 5 5邶懈 埘勰2 避气4 城 图4 1 0 进气温度在喷入燃料量较多时对发动机转速的影响 3 8 枷 瑚 狮 蛳 蛳 御 僻 蛳 附 c蓉 栅 辩 鲫 瑚 狮 懈 懈 哪 哪 j 目# 第四章实验结果分析 图4 - 1 1 进气温度增长时缸内压力变化图 由图4 - 1 1 可见，当进气加热温度低于1 7 3 时缸内压力出现双峰，双峰的出 现说明燃烧室内混合气的温度较低，燃烧速率降低，使燃烧拖后。随着进气加热 温度的升高，加快了天然气均质压燃的低温化学反应速率，第二个压力波峰逐渐 靠近上止点，直到进气温度达到1 9 0 时两个压力波峰重合。随着进气加热温度 的增加，燃烧最高压力峰值进一步增大，当进气温度达到2 0 7 时，缸内压力 在上止点附近出现较快的压力上升速度和异常压力峰值，同时可以听到明显的敲 击声，由此判断此时出现燃烧敲缸。通过以上分析认为，过高的进气温度会造成 着火时刻提前，燃烧速度提高过快；过低的温度会造成较严重的后燃现象，二者 均会降低热效率、平均有效压力及恶化燃料消耗率。 2 ) 喷气时刻 在只有低压喷射阀工作时，燃料由于是在进气行程喷入，因此喷气时刻对发 动机性能影响并不大，只要求在进气行程结束后有足够燃料进入即可；而在复合 供气时，由于高压喷射阀主要是在压缩行程喷入天然气，且天然气燃烧速度较慢， 因此对喷气时刻比较敏感，尤其是在高压喷入的燃料量较大时。如果喷气时刻过 早，则出现燃料着火提前，容易发生敲缸，使承受负载能力下降；如果喷气时刻过 晚，则后燃现象严重，因此喷气时刻应在一个合理的范围内。实验显示高压喷气 时刻选择在上止点前1 2 0 * c a 左右时效果最好。 第四章实验结果分析 3 ) 不同通道直径的镶块对发动机负荷的影响 装有不同的镶块的发动机不仅在起动性能上有差异，能够提供的输出功率和 负荷也有较大差异。如图4 - 1 2 圈4 - 1 2 通道孔径不同的发动机能承受负荷差别 可以看出主副燃烧室之间的通道孔径小时，可以承载较大的负荷( 在相同的 转速下) ，这是因为在着火时，较小的通道孔径混合气被限制在涡流室内，在涡 流室内得到较充分的燃烧，因此从涡流室冲出的火焰能量大，易于点燃主燃烧时 内的稀混合气，有利于分层燃烧，因此燃烧状态更好，能够提供的扭矩也大。同 时通道孔径的大小还有控制涡流强度的作用，涡流强度要与燃烧要求相适应，太 强或太弱都会使性能下降。 4 5 2 天然气发动机的特性 综合考虑各种因素对天然气发动机性能影响后，选择了装有通道孔径为 l o r a m 镶块的发动机，对其进行了性能实验。 天然气发动机负荷特性实验是在复合供气进行 图4 1 3 为转速1 4 0 0 r m i n 的负荷特性，图4 - 1 4 为转速1 2 0 0 r m i n 的负荷特 性。从图4 一1 3 和图4 - 1 4 看出：不同的转速下，天然气发动机负荷特性为：当 过量空气系数减小时，平均有效压力在上升，燃料消耗率在下降，排气温度随着 升高。这是因为此过程是从小负荷逐渐加大的过程，燃料浓度增大，活化分子增 多，反应越来越活跃，所以平均有效压力增高，因为功率也增大，燃料的消耗率 降低。 4 0 第四章实验结果分析 ? k i j 。二 r r 一- _ 一r 一 5 0 0p 4 0 0 恻 赠 3 0 0r 2 0 0 地 1 51 82 12 42 73 03 3 过量空气系数 图4 - 1 3 通道直径1 0l n l n 燃烧室1 4 0 0 r m i n 负荷特性 ? 太一 、_ - 一。 5 2 恻 j , 0 0 确 3 0 0r 2 0 0 枯 2 1 61 8 2 12 ? - 73 03 3 过量空气系数 图4 - 1 4 通道直径1 0m m 燃烧室1 2 0 0 r m i n 负荷特性 4 5 3 天然气发动机排放的数据分析 天然气发动机燃烧过程产生h c 排放的机理同汽油机类似，气缸壁面的淬 冷、间隙效应都会造成燃烧温度过低，燃烧不完全产生大量h c 排放。由于实验 发动机是由柴油机改装而来，活塞环同气缸壁之间的缝隙较大，进入缝隙的未燃 天然气空气混合气较多，这会造成较高的h c 排放，同时过量空气系数、高压 喷气时刻对燃烧的速率、燃烧的完全程度对h c 排放影响也很大。 c o 是烃燃料燃烧的中间产物，它主要取决于燃烧的完全程度。过量空气系 数过小( 过浓) ，燃料与空气混合不完善，燃烧不完全，并且c 0 2 在高温时也会 产生离解反应生成c o ，使c o 排放高：随着过量空气系数的增大，燃烧温度降 低，会使c 0 2 的离解反应速率变慢，且燃烧充分，降低c o 排放；然而在过量空 4 1 定量r龃 较缸霹 o 0 o o o o 私鲫敲曲硇 = 。t j ) - 哥氍r i d 量_ ，r 坦 秘缸霸 蛳 啪 狮 一c羔- * 糕r 第四章实验结果分析 气系数过大( 过稀) 时，虽然氧气充足，但是由于燃烧温度过低会造成c o 和 0 2 生成c 0 2 的反应缓慢，导致c o 排放增高，此时c o 和h c 的排放规律类似。 高温、富氧以及高温持续的时间是n o x 排放生成的有利条件，在过量空气 系数较大时( 九2 ) 关键是燃烧温度和高温持续的时问。稀燃可以大幅度降低 n o x 排放，过量空气系数越大( 越稀) ，n o x 排放越低。 ，3141510 空气过髓系数 图4 _ 1 5 空气过量系数对排放的影响 1 ) 排放与空气过量系数的关系 从图4 - 1 5 可以看出，当空气过量系数较大，稀薄燃烧时，排放中的h c 、 n o x ，c o 都是比较低的，随着过量空气系数减小，排放都在增加，n o x 排放在 1 3 3 左右达到最大，然后会有略微下降的趋势，这是因为在空气过量系数在1 3 3 左右，氧气充足，高温和高温持续时间较长。c o 排放在1 1 5 左右有急剧增长， h c 缓慢增长。有关研究表明，天然气发动机在空气过量系数为1 3 一1 4 5 时达到 最经济燃烧的效果“”，本实验结果与这一看法相符。n o 。排放在1 3 3 左右达到 最大，当空气过量系数减少时，n o x 排放也减少，浓的混合气使燃烧温度降低， 且燃烧不完全。 2 ) 喷气定时对排放的影响 天然气发动机在复合供气时，其高压喷气时刻对发动机的排放有如下影响。 由图4 - 1 6 可以看出中低负荷时，高压喷气时刻越早，c o 和未燃h c 的排放越少， n o x 排放差异不大，这是由于喷气定时越早，天然气与空气混合充分，越有利于 天然气的氧化，因此燃烧完全程度越高，c o 和未燃h c 排放就越少；n o x 排放 ”侣”帖叩蛳啪啪枷瑚蛳啪 啪脚珈姗喜|渤瑚御m 矗羞彘口瞬oo创扯乳簦锨知(i擘dd一糕隶娶堆xoz 第四章实验结果分析 也不高，是由于此时是稀燃，但它的趋势是随着喷气时刻提前而逐渐增大，这是 由于喷气时刻越靠前，高温持续时间越长，导致n o 。排放增加。 基 当 蕞 彘 馨 盎 6 1 1 o1 1 3 01 棚f 1 t o1 1 1 孵l g ：o 赢f k 喷时捌i 上止点甜度数) * c a 图4 - 1 6 高压喷气时刻对捧放的影响( 中低负荷) 3 ) 发动机负荷对排放的影响 当发动机负荷增加时，c o 、未燃h c 和n o i 排放都相应增加，如图4 - 1 7 。 在1 2 0 0r m i n 时，需要注意的是在达到原机负荷6 0 0 0 - 7 0 左右时，n o x 排放增 加比较明显，这是由于此时的燃烧温度增高较大所致。 言2 8 垦；器 芏；哿 蠡1 8 0 0 蠢 尊 zt0 糍 驴0 5 占服机仃l 甜自分比 图4 1 7 负荷增加对排放的影响 器量曼m器蹬播詈詈 一ea号。曩*鬟掣丧虹鞋嚣oo 第四章实验结果分析 4 5 4 结论 通过对压缩着火天然气发动机的大量实验后认为： 1 ) 影响天然气发动机性能的因素有进气温度，高压喷气定时、主副燃烧室通道 孔径尺寸。进气温度升高，有助于改善燃烧，但由于敲缸的原因，需对进气温度 限制，扭矩越高，较低的温度下即会出现敲缸。高压喷气时刻提前有助于提高输 出功率，但过于靠前容易发生敲缸。主副燃烧室通道孔径小的发动机可提高输出 功率。 2 ) 过量空气系数影响发动机的经济性。在本实验中，较大的过量空气系数，天 然气消耗率增大。 3 ) 空气过量系数，负荷，高压喷气定时对排放影响比较大。在本实验中，稀燃 时c o 、n o k 和未燃h c 都比较低，随着过量空气系数减小，排放逐渐增大，但 n o 。在1 3 3 后会有略微下降：负荷增加会增加排放，而且原机负荷5 0 左右， n o 。增加明显。 4 8e g r 的效果分析 e g r 是降低发动机n o i 排放的有效措施，在天然气发动机中并具有加热进气 的作用，本文对e g r 效果进行了实验研究。 4 8 1e g r 率的测量方法 通常用e g r 率表示e g r 的控制量。 e g r 率= ( e g r 气体流量( 吸入空气流量+ e g r 气体流量) ) 1 0 0 。 e g r 率的测量方法有多种，如果能测量出e g r 气体流量、吸入空气流量， 可以利用上式直接计算出e g r 率，也可以根据其中的气体成分c 0 z 的量来确定 e g r ：宣型堂墨生幽寞彗塑型鲞墨垒i 堂鱼至1 0 0 9 5 有e g r 时捧气中：o 含量 即以进排气中c 也的体积百分比来定义e g r 率，我们知道在空气中c o ：的百分比 很小，认为是0 ，所以可以简化为e g r 率= ! 箬堕生1 0 0 ( 4 - 3 ) 鸭吗 由于c 吼的百分比可以由气体分析仪直接测出，本实验采用这个方法。 4 6 2e g r 对发动机燃烧特性的影响 通过实验我们发现有e g r 的条件下，发动机敲缸倾向小，进气温度更稳定， n o x 排放有比较明显下降，排气温度也有所下降。现在通过分析示功图，以研究 第四章实验结果分析 如上现象。 下面选择了对于有无e g r 都能够比较正常工作的情况下的一个工况为研究对 象。该工况是：高压喷气时刻为上止点前1 3 0 。c a ，1 1 0 0 1 ：m i n ，6 5 负荷，e g r 率 分别为0 、1 5 、2 3 。 图4 _ 1 8 不同e g r 下的示功图 从图4 - 1 8 的示功图可以发现： 与没有e g r 的压缩线相比，加入e g r 后，压缩线明显下移，e g r 率越大，下 移量越大； 最高爆发压力随着e g r 率的增大而下降； 以上这些现象是由于加入e g r 之后，产生了如下效果： 1 ) 进气中的c 吼浓度升高，使得缸内气体的比热值提高，使缸内气体的压缩压 力和压缩温度降低，进而使滞燃期变长； 2 ) 进气中的氧浓度降低，这降低了燃烧反应速率，加上比热的提高，燃烧反应 温度降低，也进一步降低了放热率最高爆发压力。 3 ) 压力升高速度决定了发动机的运转平稳性，如果压力升高速度太大，则发动 机工作粗暴，运动零件受到很大的冲击负荷，发动机寿命就要减少。e g r 有利于 使发动机运转平稳，噪声降低。 4 6 。3e g r 对发动机性能的影响作用 1 ) 对敲缸温度的影响 天然气发动机在高负荷时对进气温度的要求苛刻，发生敲缸的进气温度越来 越低。能够承受高负荷的进气温度变化范围在i o c 以内。进气温度过低会造成 第四章实验结果分析 失火和停机，过高又容易敲缸。e g r 使这个温度范围扩大，如图4 1 9 所示，合 适的e g r 率( 1 5 左右) 使发生敲缸的进气温度提高，此时可以抑制敲缸，同时 失火时进气温度相差不大，因此提高了发动机稳定运行的可靠性。当e g r 率过高 ( 2 5 以上) 时，会使转速发生较大的波动。 扣鬻| n t n 图4 - 1 9 在不同负荷下e g r 对发动机运行温度范围的影响 2 ) 对排气温度的影响 由于引入进气管的废气可大大增加新鲜混合气中的已燃气比例。已燃气比例 的增大，一方面减少了可燃气的发热量，另一方面由于废气中含有的水蒸气和二 氧化碳等三原子分子气体的比热大，因此可以有效地降低气缸的内最高燃烧温 度，使n o x 排放和排气温度降低。 4 6 。4e g r 对发动机排放性能的影响 在1 1 0 0 r r a i n ，e g r 率为5 时，对发动机的排放影响不大。当e g r 率达到1 5 时，从图4 2 0 可以看出，c 0 的排放一直略高于无e g r 时，这是因为e g r 气体的加入 不但带进了包括c 0 在内的废气，还减少了氧气含量，这不利于c 0 进一步氧化为 c 0 2 ；h c 排放要比无e g r 时少，尤其在高负荷时是这样，但是有一个先降后升 的过程，如图4 - 2 1 ，在低负荷时，h c 排放与无e g r 时相差不大，然后随负荷增大， h c 排放下降比较明显，在5 0 n 5 左右是转折点，此后又开始上升。h c 排放机理比 较复杂，目前认为是在比较高的负荷下，e g r 的气体为4 0 0 一5 0 0 高温，且从进 气管进入，与低压喷射阀喷入的气体混合良好，提高了混合气温度；n o x 排放低 于无e g r 时，如图4 2 2 所示，低负荷时，由于原来n o x 排放就不高，相差不大； 中高负荷时，n o x 排放明显降低，这是由于1 ) 这一措施可以提高混合气的热容 量，废气中含有的水蒸气和二氧化碳等三原子分子气体，比热大，可以有效地降 低气缸内最高燃烧温度，抑制n o 。排放；2 ) 降低了混合气中的o 融度，废气的稀 释作用可以使氧气的相对浓度下降，从而降低n o x 排放；3 ) 由于废气中含有大 量的c 0 2 和n 。等接近惰性的气体，当这些废气部分回流到进气管时起了稀释新鲜 进气的作用使燃烧反应率减缓。 p萋r埘 第四章实验结果分析 l j ： 1 d x 墓 乜 要 8 o j 喜 v 差 * 40弱 7 0 占取机负营酉分比 图4 - 2 0 不同负荷下e g r 对c o 排放影响 椰 7 0 占取帆负衙内分比 图4 - 2 1 不同负荷下e g r 对h c 排放影响 重 毫 聋1 弱 杂 鬟，d o 垂 40柏7 0 由鲰机负荷n 分比 图4 - 2 2 不同负荷下e g r 对n o x 捧放影响 尹， 一 、，。，。，。、。，l 第四章实验结果分析 4 6 5 结论 分析了e g r 对天然气发动机性能的影响规律。得