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1、成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2007 年学术年会论文集 稀燃天然气发动机燃烧及排放特性的研究 稀燃天然气发动机燃烧及排放特性的研究 何邦全，马志超，毛立伟，张悦 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，300072 摘 要：摘 要：在转速为2000r/min、节气门开度为100%时，进行了天然气发动机试验，研究了点火提前角对稀燃天然气发动机燃烧及排放的影响。试验结果表明，随点火提前角的变大，着火时刻逐渐提前，主燃期变长。点火提前角从25A BTDC变化到45A BTDC时，存在最佳点火提前角，使得此时的循环波动（COV）最小，燃烧最稳定。而且随混合气变稀，最大IM
2、EP点所对应的点火提前角逐渐变大。点火提前角对THC排放影响较小，CO随点火提前角的变大而增加。喷气时刻对THC和CO的排放有影响，晚的喷气时刻使THC和CO排放降低。NOx随点火提前角变大而增加。 关键词：关键词：点火提前角、天然气、发动机、燃烧、排放 随着世界经济的快速发展，石油资源的消耗量不断加大。汽车是石油资源的消费大户， 它会排出大量的有害物和温室气体CO2， 污染大气环境质量， 并在一定程度上改变气候环境。 因此， 提高汽车发动机的热效率， 减少其有害排放物已成为今后相当长的时间内汽车发动机 界所要解决的难题。寻找替代燃料，减少石油消耗是降低汽车对石油的依存度、改善发动机 的燃烧与
3、排放、满足日益严格汽车排放法规的一个有效手段。 天然气是发动机的一种替代燃料。其突出优点是辛烷值大（研究法辛烷值为130左右）， 燃料中的碳氢原子比较小。这为增加天然气发动机的压缩比，提高热效率，降低CO2排放提 供了条件。 与使用理论空燃比混合气的天然气发动机相比， 稀燃天然气发动机的最高缸内燃 烧温度较低， 抗爆燃能力更强1, 因此， 稀薄燃烧天然气发动机的热效率高， 有害排放物低2。 在相同的热效率和空燃比下，稀燃天然气发动机比柴油机排出的CO2要少3，4，与相同功率的汽油机相比，天然气发动机的CO2排放要少20%4。此外，稀燃天然气发动机在大负荷时 的NOx排放较低5。但与理论空燃比混
4、合气相比，天然气稀薄燃烧速度较慢，燃烧持续期变 长，从而使热损失增加，热效率下降6，循环波动变大7。天然气是气体燃料，利用进气道 喷射方法形成稀燃混合气时，喷气时刻就会影响缸内混合气的分布均匀性及燃烧与排放特 性， 本研究的目的就是探索稀燃条件下喷气时刻和点火提前角对天然气发动机燃烧与排放特 性的影响。 1. 试验装置及方法 试验是在一台由 4 缸汽油机改装而成的天然气发动机上进行的。 为了克服国产天然气喷 油器喷气量不一致对各缸混合气浓度均匀性造成的不利影响， 试验时只有第一缸燃用天然气 燃料，其余各缸仍燃用汽油，并对燃用天然气一缸的供油系统和点火系统进行了改造。为了 研究稀燃天然气发动机的
5、燃烧过程，采集了第一缸的气缸压力。 试验时，先将发动机预热至冷却水温为 801C、机油温度为 801C，然后将发动机调 到转速为 2000r/min、节气门开度为 100%的位置进行试验研究。试验过程中，通过调节喷气 脉宽来调节混合气的浓度， 并用安装在排气管中的 ETAS 宽域氧传感器来监测实际的过量空 气系数。天然气发动机的排气成分是由安装在排气管中的 Horiba MEXA-7100DEGR 排放分 析仪测得的。通过调节点火提前角和喷气时刻，连续采集 100 循环的气缸压力，即可研究稀 燃条件下天然气发动机的燃烧与排放特性。 成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2
6、007 年学术年会论文集 2. 实验结果及分析 2.1 点火提前角对稀燃天然气发动机着火时刻的影响 着火时刻是指燃烧了10%燃料所对应的 曲轴转角。 图1为着火时刻随点火提前角而变 化的曲线。图中lambda=1.1-inj30表示混合气 的过量空气系数为1.1，天然气燃料的喷射时 刻在进气上止点后30CA ATDC， 其它符号意 思类似。可见，在相同lambda和喷气时刻时， 点火时刻越早，着火时刻提前。尽管点火早 时缸内的混合气温度较低，有使着火延迟期 变化的趋势，但这仍不能抵消点火提前的作 用，因此着火时刻随点火提前角的变大而提 前。还可以看到，在相同的lambda和相同的 点火提前角下
7、，喷气时刻对着火时刻也一定 的影响。在lambda=1.1时，喷气时刻对着火 时刻的影响很小，而在混合气变得更稀时，喷气时刻对着火时刻的影响加大。在相同的节气 门开度下，混合气越稀，喷气持续期就要缩短，尽管在火花点火前天然气在缸内与空气混合 的时间较长， 但缸内的混合气仍是不均匀的， 使得在使用较稀混合气和早的喷气时刻在火花 塞周围形成更容易点燃的混合气，着火时刻变早。此外，在相同点火提前角时，随lambda 的变大，着火逐渐向后推迟，这是因为稀燃混合气更不容易点着。 2530354045-15-10-50510点火提前角 / 0CA BTDC着火时刻 / 0CA ATDClambda=1.1
8、-inj30lambda=1.1-inj60lambda=1.2-inj30lambda=1.2-inj60lambda=1.3-inj30lambda=1.3-inj60图 1 着火时刻的变化趋势 2.2 点火提前角对稀燃天然气发动机主燃期的影响 主燃期是指燃烧掉10%到90%燃料 所对应的曲轴转角。 图2给出了主燃期随 点火提前角的变化曲线。在相同lambda 条件下，随点火提前角的增大，主燃期 逐渐变短。主要是因为，随点火提前角 的增大，活塞离压缩上止点较远，缸内 的燃烧过程主要发生在混合气温度和压 力逐渐升高的条件下，而且火焰传播距 离较短，使得火焰传播速度加快，燃烧 主要上止点前后完
9、成，因此，主燃期随 点火提前角的增大而减小。而在点火较 晚时，着火时刻推迟，甚至在上止点后 才着火，这就使得主要燃烧发生在燃烧 空间越来越大的条件下，此时燃烧放热 速度变慢， 燃烧持续期加长。 随着混合气变稀， 燃烧速度减慢， 因此在相同的点火提前角下， 主燃期变长。就喷气时刻而言，由于它会影响喷气结束到点火时刻之间的时间间隔，影响缸 内的混合气分布，所以也会影响燃烧持续期。从试验结果看，较早的喷气时刻有利于缩短燃 烧持续期，这对改善天然气发动机的能量利用率是有益的。 图 2 主燃期的变化趋势 2530354045253035点火提前角 / 0CA BTDC主燃期 / 0CAlambda=1.
10、1-inj30lambda=1.1-inj60lambda=1.2-inj30lambda=1.2-inj60lambda=1.3-inj30lambda=1.3-inj602.3 点火提前角对稀燃天然气发动机平均指示压力（IMEP）的影响 图3为稀燃条件下IMEP随点火提前角变化的曲线。当点火提前角较小时，着火较晚，甚 至发生在上止点后（图1），此时燃料燃烧所释放的热量在更大的空间，燃烧过程的等容度 下降，导致燃料的能量利用率下降，IMEP也随之降低。而在点火提前角较大时，着火在上成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2007 年学术年会论文集 止点以前较早的时刻就开始
11、了，此时活塞处于压缩上行阶段，导致压缩负功增加， IMEP 下降。因此，存在一个最佳的点火提前角，使得IMEP最大。可以看出，在较稀的混合气工 况下，最佳点火提前角较早，这是因为混合气越稀，燃烧放热的速度越慢，用较早的点火时 刻角才能减少能量的损失。 还可以看到，在相同点火提前角下， 随lambda的变大，IMEP逐渐变小。这是因 为混合气变稀时， 参与燃烧的燃料量减少 导致总放热量下降，IMEP降低。另外，喷 气时刻对IMEP的影响是通过着火时刻和 主燃期的间接作用表现出来的。着火时刻 适中且燃烧持续期较短的工况， IMEP要大 一些， 但喷气时刻对稀燃发动机IMEP的影 响不大。 ，253
12、03540450.70.80.9lambda=1.1-inj30lambda=1.1-inj60lambda=1.2-inj30lambda=1.2-inj60lambda=1.3-inj30lambda=1.3-inj60IMEP / MPa点火提前角 / 0CA BTDC2.4 点火提前角对稀燃天然气发动机循环 波动（COV）的影响 图4为稀燃条件下天然气发动机循环 波动随点火提前角而变化的曲线。 当点火提前角较大时， 缸内混合气的温度和压力都比较低， 不利于形成稳定的燃烧过程，因此循环波动 比较大。当点火提前角较小时，着火时刻推 迟，着火时刻甚至发生在压缩上止点后，此 时活塞已经开始下行
13、，缸内的温度和压力也 随之下降，这也不利于形成稳定的燃烧，循 环波动也比较大。每一工况下均存在最佳点 火提前角，使得循环波动最小。还可以看到， 在相同的喷气时刻下，COV也与过量空气系 数有关。但在点火时刻较迟时，混合气稀的 工况COV大，主要原因是着火时刻较迟。但 在点火时刻较早时，COV受混合气浓度的影 响较小，此时由于稀混合气的着火时刻稍有 推迟，在更适合的缸内温度和压力下工作， 因此，COV反而使循环波动比较浓混合气工况下的还低。 图 3 IMEP 的变化趋势 2.5 点火提前角对稀燃天然气发动机THC 和CO排放的影响 图5为稀燃天然气发动机THC排放随点 火提前角而变化的曲线。由于
14、天然气是气体 燃料，在缸内形成缝隙效应的能力不如液体 燃料强，所以THC排放在不同点火提前角下 的变化不大，但在点火提前角较早时的THC 略高，这可能与着火时刻较早，在缸内形成 较高的气缸压力，使得缝隙中的未燃燃料增 加有关。在相同的点火提前角和相同的喷气 时刻时，随lambda的变大，THC排放量逐渐 升高。随混合气变稀，缸内燃烧温度下降， 不利于混合气的完全燃烧，THC排放量增图 4 循环波动的变化趋势 253035404524681012CO点火提前角 / 0CA BTDC V, %lambda1.1-inj30lambda1.1-inj60lambda1.2-inj30lambda1.
15、2-inj60lambda1.3-inj30lambda1.3-inj60253035404513001400150016001700点火提前角 / 0CA BTDCTHC / ppmlambda=1.1-inj30lambda=1.1-inj60lambda=1.2-inj30lambda=1.2-inj60lambda=1.3-inj30lambda=1.3-inj60图 5 THC 的变化趋势 成都，2007 年 8 月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会 2007 年学术年会论文集 加。还可以看出，喷气时刻对天然气发动机的THC排放也有影响。晚的喷气时刻使喷气结束 和点火时刻之间的时间间隔
16、更短，空气与燃料混合的时间缩短，使较多的燃料聚集在气缸， 减少了火焰碰壁而淬熄的可能性，因此THC排放较少。 图 6 为稀燃天然气发动机 CO 排放随点火提前角而变化的曲线。随点火提前角变大， CO 的排放量逐渐增加。 随点火提前角的变 大， 着火时刻提前 （图 1） ， 主燃期变短 （图 2） ，在膨胀阶段，缸内温度下降较多，阻 止了 CO 在缸内的继续氧化， 使得 CO 排放 增加。在相同点火提前角下，随 lambda 的 变大，CO 排放量增加。主要是因为随混合 气变稀，缸内混合气的燃烧速度下降，缸 内燃烧温度下降，对完全燃烧不利，CO 排 放增加。此外，喷气时刻越晚，CO 排放量 越小。晚的喷气时刻，使燃料在缸内分布 时间缩短，混合气分布不均匀，使得燃料 更加集中在气缸的中心区域，这会提高混 合气的燃烧完全程度，减少 CO 排放量。 25303540450.0360.0390.0420.
