《二冲程内燃机天然气混合器的开发》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二冲程内燃机天然气混合器的开发（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、二冲程内燃机天然气混合器的开发声明。略概述CNG作为汽油的代用燃料被广泛接受。更重重要的是，当二冲程发动机在全世界广泛应用时，CNG能有效的降低高废气排放。发动机使用CNG要安装密封箱。双燃料系统能在没有太多修改的情况下，切换到另一个系统。它也被应用在四冲程发动机上。这个箱子需要在两冲程的应用中进行修订。在发动机和箱子之间的连接件叫做燃气混合器。它用它的文丘里形状来混合燃气和空气。各种发动机转速下，喉部压力差对为混合器提供燃料抽吸。喉口的优化很重要，因为小喉口会在高速时引起性能下降，大喉口会降低燃料抽吸。更小的喉口尺寸产生更高的流速和更低的压力。低压把燃料抽吸进入混合器。混合器是为二冲程发动机
2、空气流动设计的。计算机辅助设计（CAD）和计算机流体动力学（CFD）软件作为设计工具被使用。设计对进出口角度、喉口圆周处孔数和孔径和喉口尺寸进行设计。设计模型的生产依据从CFD分析得到的混合器尺寸。混合器验证说明了CFD的正确性。试验仪器用来做验证。设备由薄片式流量单元（LFE）、烟度计、数字流体压力计和气体流量计组成。它被用来验证流动模式，混合器的压力降和混合器的空燃比。第一章简介汽车工业的流行趋势一直在改变，特别是在代用燃料的使用方面。关于产生最少排放物的最佳代用燃料的研究已经点燃了许多相关研究人员。Maxwell(1995)声明关于代用燃料的许多研究已经实施，研究人员正在关注天然气、液化
3、石油气、甲醇、乙醇、和氢气。所有的燃料在价格、可用性、环境影响、整车应用、安全和客户接受方面有各自的优势和劣势。当今的燃料价格膨胀和燃油危机，大大的推动许多国家采取措施来降低石油的使用，寻求其他代用燃料。在发展中国家，寻找代用燃料的工作已经开始，并且成为了一个流行。由于天然气储存量是石油的三倍，malaysia大学把关注的重点移向天然气。Nalaysia国家石油公司petronas，已经为天然气车用立项，在这里车用天然气项目特许设施可以在petronas公司安装在kuala lumpur和johor bahru两地交通密集地的服务站中使用。政府对天然气车用项目的支持体现在降低25%车辆道路税，
4、同时在klang valley要求新的出租车使用压缩天然气，通过发动机转化系统。在汽车应用方面，天然气基于其储存方式可以有三种使用形式。最流行的方式是压缩天然气，就是天然气的压缩形式。其他较少使用的获得天然气的方法是液化天然气和absorption天然气。压缩天然气是汽油和柴油很好的代用燃料。用户很容易接受这种形式的代用燃料，由于它的低价格和达到更清洁的发动机排放。CNG排放更清洁的主要原因是由于其基本组成的90%是甲烷，也就是最简单形式的碳氢化合物。尽管这样，当今CNG的应用和石油燃料相比依然在某些方面缺乏竞争性，例如，CNG正常充满发动机产生的功率比汽油少。主要原因是CNG供油系统产生很大
5、的容积效率损失。这是由于在与空气混合气抽进发动机之前必须通过混合器。这使燃烧室中燃油减少，降低容积效率。目前汽油发动机依靠燃油混合设备转换成发动机。.问题陈述目前，在市场上没有专用的混合器，特别是二冲程发动机混合器。所有的转换箱只适用于四冲程发动机。应该为二冲程发动机设计一个合适的混合气。转换选择增压的两冲程发动机。直接使用传统四冲程发动机的混合器是不可行的，因为对于一个小的二冲程发动机的空气需求，它们的尺寸太大。混合器的设计必须考虑到整个发动机工况，为了提供发动机工作性能的全部参数。现存的四冲程发动机混合器通常没有正确的提炼和优化，使空气和燃料混合好。另外，目前的混合器设计也存在问题，因为它
6、设计的简单，只是提供经验值，缺乏遍及发动机转速范围的有效空气流动性能。因此，直接转换无法完成。.目标研究的目标如下：）使用CFD，根据发动机空气需求，为二冲程发动机设计文丘里炉型CNG混合器。2）制造一个优化的CNG混合器原型，并在流量台架试验测试。1.3范围研究的范围如下：1）CNG混合器的初级设计，2）使用CFD工具优化CNG混合器3）制造CNG混合器模型4）测试核实CNG混合器设计1.4研究方法研究中使用的通用研究方法在流程图中指出，如图1.1图1.1 方法过程第二章作品回顾2.1二冲程发动机由于简单的二冲程发动机驱动的车辆的泛滥，许多亚洲城市空气污染加剧。在亚洲，估计有70-100百万
7、二冲程发动机驱动的摩托车，三轮车和机动三轮车,仅以这些为例。在二冲程发动机中，每个循环有一个做功冲程，而四冲程发动机要每两个循环一个做功冲程。因此可以说，二冲程发动机比四冲程发动机产生的功多（bryan，2002）。产生的功率越高，允许二冲程发动机更高的功率重量比和简单的设计。有单缸和多缸二冲程发动机设计，带有机械增压机甚至涡轮增压机。二冲程发动机的基本运转和第一个二冲程发动机没有太大的区别。图2.1描述代涡轮增压系统的二冲程发动机运转情况在图2.1中可以看出，二冲程发动机的进气是在扫气过程的基础上进行的。当进气口打开时进行扫气，压缩空气和燃油进入，取代残余废气。有许多形式的扫气过程应用在二冲
8、程发动机上，在它们之中有横流扫气，回流扫气，或者直流扫气（ferguson，2001）。22CNG作为燃料的二冲程发动机CNG是汽油的一种代用燃料，被全世界广泛接受。随着当今燃油价格膨胀和石油危机的继续，大力推动了许多国家采取措施来降低石油使用，寻求代用燃料。2.2.1CNG作为代用燃料定义，代用燃料是一种从非原油中获得的燃料。原油是石油的基本原料。当今从非原油中的得到的可用带有原料类型有：天然气、液化石油、甲醇、乙醇、氢气和其他（maxwell，1995）。在空气中燃烧燃料的到的能量的多少取决于燃料的类型。在表2.1中看出，一些代用燃料放热值很低。从它们的能量密度判断，乙醇和甲醇必须燃烧更多
9、才能和汽油产生星等的热量。其他的燃料，例如NG、LPG和天然气，和汽油相比也，能量密度也是较低。因此，和汽油相比，它们每公斤会提供更多的能量。汽车在任何一种这些燃料下行驶都会更有效率，由于它们和同等质量的汽油相比产生更多的能量。在这里，发动机设计对发动机提供效率来充分利用从这些燃料中得到的更高能量密度起重要作用。由于燃料的高能量容量和大的可用性，NG被全世界选择用来研究。表2.2说明了全世界NG的分布和可用性。从1993年开始，NG已经被用在超过1百万车辆上，由于消费者受到NG的巨大的利益，这个数量正在增长。它已经被用于家庭和工业部门（加热，热能产品，机械工业）。在生态考虑方面，NG已经被标记
10、为清洁燃料（poulton，1994）。1986年，马来西亚国家燃油燃气公司petronas已经引入NGV项目。从1998到现在，有将近4000辆被叫做enviro 2000的出租车在luala lumpur运行。期望到2004年，马来西亚汽车制造商proton能为马来西亚市场生产大约40000辆NGV（taib iskandar mohamad，2003）。表2.1 代用燃料与汽油和柴油的能量含量对比（Maxwell，1995）表2.2已探明的NG储存量，1991（poulton，1994）马来西亚的NGV工厂的成长和发展很慢，由于缺少加油站和燃气转换箱的OEM的不可用。相反，政府很支持，因
11、为政府免除转换箱的关税和消费税。双燃料车收税金降低25%，单元煤气车的50%税用来鼓励工业。马来西亚目前实行欧2排放法规，并且持续到2010年（jitendra，shah，2001）。NVG汽车的排放在CO2、HC和NOx方面低于欧2限制。另外，NGV汽车每次加满燃料最高行驶170km，使它的性能和汽油车一样。更重要的是，NGV汽车能大大的降低石油价格，由于它比汽油更加便宜（yusoff ali，2003）。不同国家间的CNG构成也不同。CNG的主要成分是甲烷。甲烷占CNG的90%。除了甲烷之外，混合物包括少部分的其他气体，例如乙烷，丙烷、丁烷、戊烷和己烷。它也包括氮气，氦气，二氧化碳和硫化氢
12、。根据马来西亚燃气公司（2003）马来西亚拥有全世界第12大的NG储存量。表2.3中展示了马来西亚NG的平均组成，表2.4中展示了甲烷的性质。表2.3 马来西亚NG平均组成（马来西亚燃气公司，2003）表2.4 methane气体性质（马来西亚燃气公司，2003）2.2.2 CNG燃烧特性燃料能量只能通过燃烧获得。任何的燃料燃烧完全将产生简单的产物。燃料在空气中完全燃烧，这种条件叫做化学计量比环境。当化学计量比空气燃料混合物燃烧，将会产生能量、水蒸气和CO2，然而其他组成物例如氮气和惰性气体将会残余。理论上，燃料完全燃烧不会有很多废气，例如CO、多余燃料长生的HC和和周围空气产生的NO。预先知
13、道燃料在空气中燃烧的化学反应能计算理论空燃比。空燃比的定义是，混合气中空气质量比燃油质量。知道CNG包含90%甲烷（CH4），因此给出CNG化学反应是：CH4+2O2CO2+2H2O (2.1)化学反应方程式说明，1摩尔甲烷和2摩尔O2完全燃烧将会产生能量和1摩尔CO2和2摩尔水。空气是很多气体的组成，其中20.95%是O2，剩下的是N2和其他气体。由于1摩尔空气的质量是28.96g，因此1摩尔氧气储存在138.23g空气中（奔驰，1992）。另外，在方程式2.1中给出1摩尔CNG或者甲烷的质量是（1X12.04+4X1.008）或者16.042g。 知道了每摩尔空气和CNG的质量,理论空然比
14、也就找到,描述如下: (2.2)根据yeah(2002),在正常发动机运转温度下怠速,发动机一直需要相当浓的混和气,这时空然比经常在11:1到13:1范围内.好的混和器能够满足这些需求。空然比变的太小，发动机在9.77：1时不易燃烧。在富油条件下，发动机用更少的空气燃烧燃料，导致HC排放上升，或者在更坏的情况，将会使发动机熄火。2.2.3 CNG燃料二冲程发动机的排放降低发生在二冲程发动机上的主要问题是，它们有高水平的HC、CO和PM排放。表2.5展示了目前二冲程发动机的排放。表2.5中清晰表明，在二冲程发动机中使用CNG能大大地降低排放，和传统汽油机相比。表2.5 典型二冲程发动机排放（br
15、yan，2002）排放物的对比一般都基于国家排放法规的标准。在排放方面所有的车辆应该执行这些法规。表2.6中展示了美国和印度二冲程发动机排放物的指导线。使用CNG的二冲程发动机总体排放物比二冲程发动机排放法规标准低。在法规要求更严格的加利福尼亚，只在HC排放方面有一点点高。加利福尼亚排放标准被认为是全世界最严格的排放法规。表2.6 目前应用在小排量发动机上的排放标准（bryan，2002）*马来西亚执行欧2标准的排放标准2.2.4 关于CNG应用的其他问题除了比汽油机更低的排放外，CNG燃料在其他方面也有优势和劣势。车用CNG燃料的优势包括（rosli，2002）：a120到130范围的高辛烷值，比汽油的93到99辛烷值更高。高辛烷值确保CNG燃料能在高压缩比下运行而不出现敲缸现象引起的发动机损坏。b比汽油更高的可燃性使它适合使用稀燃技术c更安全，由于它更轻、扩散很快，所以它点燃很快，但是只在燃油与空气体积比在5-15%时。d因为它是清洁燃料，它降低了车辆维修费用， 是汽油的一半，更换里程15000-30000km，火花塞更换里程最大120000km。e大量的储备：估计65-70年的NG供应。除了从化石燃料中得到之外，NG也能从农业废料、人类垃圾和塑料袋中获得。f与汽油相等的每升，NG更便宜，在欧洲比汽油便宜14-17%，比柴油便宜12-
