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1、中固T 程热物理学会燃烧学第卜一届年会编号：0 5 4 0 1 l 0 N 6 发动机理论空燃比与稀燃对比研究8 李国岫张欣姚宝峰张艳北京交通夫学机械与I n 了控制T 程学院，1 0 0 0 4 4联系电话：1 3 9 1 0 2 9 3 9 7 2E m a i l ：g x l i c d n t er n j t u e d u c n摘要：以天然气作为燃料町以仃效地缓解车用动力机械对石油类燃料的依赖，并且在C N G 发动机中采用稀燃技术可以进一步提高燃油经济性，l 司时更好的发挥气体燃料低排放的优势。本文对采用进气道内电挣多点顺序喷射燃料供给方式的增士C N G 发动机枉典型工况下
2、燃烧理论守燃比混台气与稀混台气燃烧的性能进彳- 】：，对比研究。在大负荷【揽下，C N G 发动机燃烧稀混合气比较燃烧理论空燃比混台气有一定的功率下降；但也：排放及热负荷比较中，前者要圳硅优于后者；文中间时给 r 在以l ：两种条件下，点火提前角及负荷对C N G 发动机功率、排放及排气温度的影响的分析结果。关键字：C N G 发动机稀燃理论空燃比燃烧引言随着城市汽车保有量的不断增加，汽车有害排放物造成的大气污染对城市环境造成了严重的破坏，汽车尾气排放已经成为当今城市大气最主要的污染源。有调责显示北京市人气中大约4 8 6 4 的C O 、1 0 2 2 的N O 。和6 0 7 4 以上的H
3、 C 来自I - “ 汽车尾气的排放“。为限制汽车有害排放物，我国将相虑地实施越来越严格的排放法规。与此同时，我国汽车保有量的迅速增长也带来了石油的大量消耗，严重影响了我国的能源安全。继而，对代用燃料的研究就成为遏制由于动力机械的应用带来的我国空气污染及能源安全日益恶化的趋势的必然选择。天然气是一种复杂的H C 混合物，其主要成分是甲烷( C H 4 ) ，体积分数为8 0 9 5 ，C H 4 的辛烷值为1 3 0 ，具有高的抗爆性能，发动机燃用天然气可采用较大的压缩比并可以得到良好的排放性。近几年来在天然气资源获得较 为便利的地区，压缩天然气C N G ( 压缩天然气) 发动机技术的研究与
4、应用尤其被人们所重视。 在C N G 发动机中采用稀薄燃烧技术不但能够提高在一定区域L 况内的燃料经济性，而且能够进一步发挥气体燃料低排放的优势。国外的研究人员对天然发动机的稀燃技术进行了较为丰富的研究。荷兰的J a c o b K l i m s t r a 等人的研究指出，由于N O x 的排放与发动机功率之间的矛盾，稀燃天然气发动机的平均有效压力尽量不要超过1 2 M P a ；由丁N O ，排放的限制，发动机的有效效率要限制在4 0 以内；康明斯公司1 9 9 5 年开发的B 5 9 1 5 9 G 天然气发动机采用进气道内单点喷射组织稀混台气的1 ：作方式，并采用增压及进气中冷技术，
5、极大的降低了发动机的排放口J ；西南研究院的J o h nTK u b e s h 等人研究了环境湿度对稀燃天然气发动机稀限和排放的影响p 1 等等。目前，国内针对C N G发动机稀薄燃烧的研究还很少。本文通过对W T 6 1 5 型增压电喷C N G 发动机在稀燃及理论空燃比条件r 对比试验研究，得出了C N G 发动机作在这两种燃烧方式r 的动力性、热负荷及排放性的对比分析结果。同时，研究得出了点火提前角及负荷对C N G 发动机动力性、热负荷及排放团家白然科学桀金项目资助( N o5 0 4 0 6 0 0 3 )5 1 5性的影响分析结果。1增压电喷c N G 发动机的技术特点 本试验
6、使j _ j 的C N G 发动机是以潍坊柴 油机厂生产的W D 6 1 5 增压柴油机基础上开 发的增乐单燃料电控多点顺序喷射C N G 发动机，发动机的技术参数如表1 所示。为了 适廊使 _ | j 压缩天然气及采删稀薄燃烧方式 的需要，试验中使川的增压L 巳喷C N G 发动 机有一F 儿方面特点。 ( 1 ) 增压中冷进气系统。为了弥补由 r 使删气体燃料造成的充气效率降低以及 采埘稀燃方式带来的发动机动力性能的F 降，增压电喷C N G 发动机在进气系统中增 加了涡轮增压器，以提高进气攮继而加大燃 料供给昔。系统在增压器屙安装了增压空气 中间冷却系统( 中冷器) ，通过对增压后的 窀
7、气进行冷却，降低了进气温度，从而既降 低了燃烧初始温度义提高了充气效率。表1 发动机技术参数发动帆型寸W 丁6 】5类型水冷直列p q 冲程十缸套气缸直径1 2 6 r a m活寒行程1 3 0 m m额定功率1 8 0 k W最大扭矩9 0 0N m ( 1 4 0 0 r r a i n )额定转速2 2 0 0 r f f l最商守转转速2 3 0 0 m守载最低稳定转速8 0 0 r i m进气门开上止点前2 。进气门闭下止点后2 6 。排气门开下止点前4 9 。排气门闭 二止点后5 。单燃料C N G 发动机的燃烧过程为均质燃烧，进入气缸的混台气的空燃比必须在可燃范嗣( 着火界限)
8、内；混合气过浓或过稀，电火花放电之后都雉以形成火焰中心及火焰传播。冈此，为了更灵活的控制混合气的空燃比，确保混合气浓度在着火界限内，在发动机的改裟过程中，在进气总管上安装了节气门，使发动机负荷调节方式由原柴油机的质调+ 1 I 方式改变为鼙调节。( 2 ) 电控多点顺序燃料喷射系统。为了有效地的消除燃料供给过程中各缸的相互干扰精确的控制空燃比，扩展稀燃极限，增压电喷C N G 发动机采用多点顺序喷射天然气的方式，并由E C U 严格控制天然气喷射量和喷射始点与进排气门及活塞运动的相位关系，实现对每一个气缸定时定量供气，并根据发动机转速和负荷大小准确地控制空燃比。( 3 ) 高能点火系统。由于试
9、验用C N G 发动机采用稀燃方式，并且天然气本身就存在点火能嚣高，燃烧速度慢等特点，为提高发动机的点火性能，增压电喷C N G 发动机采蹦了高能直接顺序点火控制系统，取消了分电器和断电器触点，每个火花塞需由一个独立的点火线圈供电，保证了足够的点火能量及良好的点火可靠性。2C N G 发动机试验台架与试验方案 2 1 试验台架 实验中发动机主H 矩由洛厣J 南峰机械厂生产的C W 2 6 0 型电涡流测功机测量，发动机转速信号通过上海内燃机研究所生产的D S 2 1 0 型转速计获得，扭矩和转速通过发动机 试验控制台同步记录；过量空气系数由排气装置中的氧传感器获得；C O 、H C 、N O
10、x 、 C 0 2 及0 2 的排放量通过奥地利A V L 公司生产的D I G A S 4 0 0 0 L 型废气分析仪自动记录； 排气温度由上海内燃机研究所生产的D T - A 型排气温度传感器获得；空燃比及点火参数 通过自行设计的标定系统控制E C U 进行在线修改。试验H | 大然气采川北京市j i 景山加气站的天然气，其低热值为4 1 4 8 8 M J m ，主要成分的体积含鼙：C H 4 为8 7 9 7 ，C 2 H 6 为6 4 1 ，C 3 H 8 为2 6 7 ，C 4 H l o 为1 1 8 t 此5 1 6外还含有其他少苗烃类及微量杂质。22 试验方案由于稀燃减少了
11、燃料供给昔，不可避免的产生一定的功率损失，闪此试验研究在部分转速永I 部分负荷1 况F 进行。( 1 ) 负荷特性对比试验。保持转速为n = 1 4 0 0 r m i n ，分别取节气门开度= 1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 、4 5 、5 0 ，在每一节气门开度下，调整点火提前角0 = 1 8 A( 或者直接查表) 通过调整喷射脉宽使 ( 过量空气系数) 分别达到稀薄燃烧( = 1 5 )和理论空燃比( = 1 0 ) ，在试验达到稳定后，记录相应的燃料消耗量、转矩和各项排 放值( H C 、C O 、N O x ) 以及排气温度( 排气涡轮前温度) ，进行动力性
12、、热负荷和排放性对比。( 2 ) 点火调整特性对比试验。保持转速n = 1 4 0 0 r m i n ，节气门开度为3 0 时，调整点火提前角( 0 = 1 4 ，1 6 ，1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 “ C A ) ，分别记录稀薄燃烧( = 1 5 ) 和理论 空燃比( = 1 0 ) 燃烧时的燃料消耗量、扭矩和各项排放值( H C 、C O 、N O x ) 以及排气温度( 涡前温度) 。进行不同的点火提前角对动力性和排放性影响的性能对比。 3 试验结果及分析3 1动力性试验结果对比分析与采用理论空燃比燃烧相比，发动机采用稀燃方式时混合气得过量空气系数更大，敢原子分子数量更多，
13、工质性质更接近理想气体，因此燃烧热效率就更高些；同时在富氧条什下燃烧，燃烧得完善度会有较大提高，这都使得稀燃较理论空燃比燃烧方式由更好得动力性。但是由于采用稀燃方式时供油量只有理论空燃比燃烧方式时得1 3 ，必然 在动力性上有所损失。图1 ( a ) 中显示了C N G 发动机在转速1 4 0 0 r m i n 时转矩随节气门开度变化的曲线。可以看出随着节气门开度的加大，稀燃方式与理论空燃比燃烧方式的转矩输出差距有增大得趋势，当= 岢气门开度为5 0 时，C N G 发动机采用稀燃方式时输出的转矩比采用理论空燃比燃烧方式时下降了1 8 。需要指出的是，在实际应用中，C N G 发动机工作在理
14、论空燃比方式下时由于受热负荷与爆燃的限制不可能采用较高的增压比，因此在中低负荷时C N G 发动机采用稀燃方式不会与采用理论空燃比燃烧方式有明显的功率下降。E Z ： 掣 髀节气门开度百知比点：o 攫前角( a )( b )幽I稀燃1 I 理论窄燃比条件下的转矩变化趋势对比一般来说，当点火推迟时，缸内燃气受挤压的时间增K ，缸内的燃烧最高爆发压力5 1 7与最高燃烧温度都将上升，同时也会增加发动机的扭矩输出。由图1 ( b ) 可以看出C N G发动机在转速1 4 0 0 r r a i n 、节气门开度3 0 的工况下，采用稀燃方式时，发动机的转矩输出随点火提前角增加而加大，但采用理论空燃比
15、燃烧方式时影响就不很明显。另外可 以看出稀燃的M B T 点火定时比理论空燃比燃烧方式的耍提前些。 3 2 热负荷试验结果对比分析图2 ( a ) 示出的是C N G 发动机在转速1 4 0 0 r m i n 时不同节气门百分比下对应的排气温度，可以看出，在同等条件下，理论空燃比工作的C 曲G 发动机与稀燃工作的C N G发动机相比，排气温度平均高出5 0 “ C ，：稀燃工作的C N G 发动机排气温度与柴油机相近。由于排气温度是发动机热负荷的标度，排气温度越高，发动机的热负荷就越高。因此，稀燃工作的C N G 发动机，其可靠性和耐久性比理论空燃比工作的C N G 发动机要高。图2 ( b
16、 ) 示出的是发动机在转速1 4 0 0 r m i n 、节气们开度3 0 2 况下，点火提前角对排气温度的影响。从图中可以看出，随着点火提前角的推迟，在稀燃与理论空燃比两种条件下排气温度会相应有所升高，并且在稀燃条件下排气温度的上升更加明显，这说明在稀燃条件下，混合气的燃烧速度更慢，后燃现象更加严重。节气n 开度百分比( a )点火提前舞( b )图2 稀燃与理论空燃比条件下的排气温度变化趋势对比3 ，3 排放试验结果对比分析由图3 可以看出，在转速为1 4 0 0 r m i n 并且发动机处于中低负荷工况时，C N G 发动机采用稀燃与采用理论空燃比燃烧相比，C O 及N O x 的排放量都有了明显的下降。在节气门5 0 的工况下，由于富氧带来的氧化作用的提高，使得稀燃时C O 排放下降了8 2；由于最高燃烧温度的降低，使得N O x 排放量下降了4 4 。但相反，较稀的混合气增大了燃烧不完
