進(jìn)氣道噴射天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同燃燒方式下的排放特性

陳威昌　王帥兵　唐建鵬

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州　450045）

進(jìn)氣道噴射天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不同燃燒方式下的排放特性

陳威昌王帥兵唐建鵬

（華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450045）

以一臺(tái)加裝一套天然氣供給系統(tǒng)的DFMA15發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)比燃用單一汽油和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，研究部分負(fù)荷下過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對(duì)NOx和THC的影響。結(jié)果表明：在同一節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下，用天然氣作燃料時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能比汽油作為燃料時(shí)有明顯下降，并隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的增加，其動(dòng)力下降指數(shù)越來(lái)越小，從28%下降至12.5%；在其他影響參數(shù)不變的情況下，混合氣過(guò)濃或者過(guò)稀都會(huì)對(duì)NOx和THC的排放產(chǎn)生明顯影響。隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，NOx呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在λ=1.1處達(dá)到最大，THC呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在1.2處達(dá)到最?。浑S著點(diǎn)火提前角的增大，NOx呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而THC呈現(xiàn)減小趨勢(shì)并且超過(guò)25°CA后基本不受影響。

動(dòng)力性能；過(guò)量空氣系數(shù)；點(diǎn)火提前角；NOx；THC

隨著能源危機(jī)日益加劇和排放法規(guī)日趨嚴(yán)格，尋找清潔代用燃料成為內(nèi)燃機(jī)研究的重要課題。在眾多清潔代用燃料中，天然氣因其儲(chǔ)量大，具有良好的排放性和經(jīng)濟(jì)性成為最具有潛力的發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料［1-2］。并且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用氣體燃料如天然氣將是最為現(xiàn)實(shí)且技術(shù)相當(dāng)成熟的方案之一［3］。從目前看來(lái)，國(guó)內(nèi)大部分天然氣汽車(chē)是由原來(lái)的汽油車(chē)或柴油車(chē)改裝的天然氣-汽油雙燃料或天然氣-柴油雙燃料汽車(chē)［4］。截至2014年底，我國(guó)天然氣汽車(chē)保有量已達(dá)到459.5萬(wàn)輛，居世界第一。因此，對(duì)雙燃料汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)研究仍具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下提供最佳燃空比和點(diǎn)火提前角，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放性。

本文基于電控多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)HC和NOx進(jìn)行了研究，分析了不同燃燒方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響，其目的在于為天然氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)滿足國(guó)V排放法規(guī)提供依據(jù)。

1　試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為DFMA15，在保留原汽油機(jī)所有裝置和功能的基礎(chǔ)上增加了一套燃?xì)夤┙o裝置，油、氣控制和轉(zhuǎn)換裝置。DFMA15發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)中用到的主要設(shè)備如表2所列。

表1　DFMA15發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2　主要試驗(yàn)設(shè)備

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選擇1 500r/min和2 000r/min兩種轉(zhuǎn)速，首先通過(guò)改變節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和測(cè)功機(jī)扭矩的大小控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)分別以汽油和天然氣為燃料時(shí)的動(dòng)力性能。其次控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度分別為50%和75%，保持點(diǎn)火提前角不變，通過(guò)調(diào)整天然氣的噴射買(mǎi)寬的大小得到不同的過(guò)量空氣系數(shù)λ，λ的變化范圍為1.0～1.5，步長(zhǎng)為0.1。保持過(guò)量空氣系數(shù)不變，改變點(diǎn)火提前角θ，在10° CA～40°CA范圍內(nèi)變化。觀察各工況下THC、NOx和排氣溫度Tr的變化并記錄數(shù)據(jù)。待每個(gè)工況點(diǎn)穩(wěn)定后測(cè)量45s，前15s為儀器準(zhǔn)備階段，儀器對(duì)后30s判存最大值、最小值，并計(jì)算平均值。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1燃用汽油和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能對(duì)比

圖1給出了DFMA15發(fā)動(dòng)機(jī)使用單一汽油和天然氣兩種燃料，在不同節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下的動(dòng)力性能對(duì)比曲線。從圖1可以看出，在同一節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下，燃用天然氣時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩有所下降，但隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的增加，動(dòng)力下降率越來(lái)越小，從28%下降到12.5%，在節(jié)氣門(mén)開(kāi)度為55%時(shí)動(dòng)力下降率最小。這是由于天然氣是氣體燃料，在進(jìn)氣道與空氣混合后，在可燃混合氣中的體積分?jǐn)?shù)大于汽油的體積分?jǐn)?shù)，使充氣效率降低；隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的增加，空氣的節(jié)流損失越來(lái)越小，進(jìn)入進(jìn)氣道的空氣越來(lái)越多，天然氣的體積分?jǐn)?shù)變小，使充氣效率增加；天然氣的著火溫度比汽油高，并且燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣缺绕吐?，在同一空燃比的條件下，天然氣混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺绕突旌蠚獾膫鞑ニ俣鹊?2%左右。

圖1　不同節(jié)氣開(kāi)度下動(dòng)力性能比較

圖2　過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx的影響

2.2過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx和THC的影響

圖2是NOx排放量隨λ增加而變化的曲線。由圖2可以看出，隨著λ的增大，NOx呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在λ=1.1時(shí)，NOx達(dá)到最大值；當(dāng)λ在1.2以后，NOx以斜率接近-1的直線下降；當(dāng)λ達(dá)到1.55時(shí)，NOx排放值接近于0。NOx呈現(xiàn)這種變化規(guī)律的原因是：當(dāng)λ=1.0時(shí)，缸內(nèi)混合氣較濃，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤够旌蠚庠诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)完成燃燒，放熱率大，缸內(nèi)已燃?xì)怏w的溫度達(dá)到最高值，但此時(shí)混合氣中的氧含量較低且燃燒時(shí)間較短，抑制了NOx的生成；當(dāng)在1.05～1.1之間變化時(shí)，缸內(nèi)混合氣濃度和火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤煊兴档?，主燃期變長(zhǎng)，溫度也有所下降，但氧含量增加引起的NOx增加的效果遠(yuǎn)大于由于溫度降低引起的NOx下降的效果，當(dāng)λ達(dá)到1.1時(shí)，NOx的排放量達(dá)到峰值；隨著λ的繼續(xù)增大，缸內(nèi)混合氣的濃度越來(lái)越希，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍絹?lái)越慢，滯燃期和主燃期逐漸變長(zhǎng)，在燃燒期內(nèi)做功和傳熱損失增加，缸內(nèi)溫度和壓力越來(lái)越低，此時(shí)由于溫度下降引起的NOx下降的效果遠(yuǎn)大于氧含量增加引起的NOx增加的效果，從而NOx的生成量越來(lái)越低；當(dāng)λ在1.4以后，混合氣越來(lái)越接近著火稀限，出現(xiàn)失火現(xiàn)象，此時(shí)缸內(nèi)溫度很低，NOx的生成量很少。

圖3　過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)THC的影響

圖3是THC排放量隨λ增加而變化的曲線。從圖3可以看出，與NOx的變化趨勢(shì)相反，THC隨λ的增大呈現(xiàn)的趨勢(shì)是先減小后增大。原因是當(dāng)λ較小時(shí)，混合氣過(guò)濃，此時(shí)氧不足，燃燒不完全，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的HC。當(dāng)λ較大時(shí)，可燃混合氣較稀，缸內(nèi)燃燒溫度較低，不利于HC的氧化。另外，缸內(nèi)混合氣越稀越接近失火極限，造成缸內(nèi)火焰的不完全傳播，致使在火焰無(wú)法到達(dá)的位置產(chǎn)生了大量未燃HC。

圖4　點(diǎn)火提前角對(duì)NOx的影響

2.3點(diǎn)火提前角對(duì)NOx和THC的影響

圖4是NOx排放量隨θ增加而變化的曲線。隨著θ的增加，NOx排放量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而且低轉(zhuǎn)速時(shí)NOx排放量明顯高于高轉(zhuǎn)速時(shí)NOx排放量。原因是，在一定范圍內(nèi)，隨著點(diǎn)火提前角的增大，混合氣燃燒的時(shí)間更長(zhǎng)，且更多的燃料在上止點(diǎn)前燃燒，使得缸內(nèi)最高燃燒壓力升高，同時(shí)也導(dǎo)致最高燃燒溫度升高，使得NOx的排放增加。θ一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，最高燃燒溫度有所降低，從而使得NOx排放量減少。

圖5　點(diǎn)火提前角對(duì)THC的影響

圖5是THC隨θ增加而變化的曲線。由圖5可以看出，隨點(diǎn)火提前角的增大，THC呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并且大于25時(shí)，點(diǎn)火提前角對(duì)THC的排放量影響較小。主要原因是，當(dāng)點(diǎn)火提前角較大時(shí)，著火發(fā)生在上止點(diǎn)前相對(duì)較早時(shí)刻，而且主燃期也短，使缸內(nèi)產(chǎn)生了較高的燃燒壓力和溫度，有利于THC的氧化，從而使THC減小。

3　結(jié)論

①在同一節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下，發(fā)動(dòng)機(jī)用天然氣作燃料時(shí)，其動(dòng)力性能比汽油作為燃料時(shí)有明顯下降，并隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的增加，其動(dòng)力下降指數(shù)越來(lái)越小，最終為10%～15%。

②混合氣過(guò)濃或者過(guò)稀都會(huì)對(duì)NOx和THC的排放產(chǎn)生明顯影響。NOx排放量隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.1時(shí)達(dá)到最大值；THC隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在1.2左右達(dá)到最小值。

③隨著點(diǎn)火提前角的增大，NOx呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，而THC呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。但隨著點(diǎn)火提前角的繼續(xù)增大，對(duì)THC的排放量影響較小。

［1］Liu Y，Yeom J，Chung S.A study of spray development and combustion propagation processes of spark-ig-nited direct in?jection（SIDI）compressed natural gas（CNG）［J］.Mathematical and Compiter Modelling，2013（1-2）：228-224.

［2］胡春明，侯圣智，趙文鋒，等.低壓缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的影響因素［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010（5）：446-451.

［3］蔣德明，黃佐華.內(nèi)燃機(jī)替代燃料燃燒學(xué)［M］.1版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

［4］李樹(shù)生.高性能大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

Emission Characteristics of Natural Gas Engine under Different Combustion Modes

Chen WeichangWang ShuaibingTang Jianpeng
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Taking the engine DFMA15 installed a natural gas supply system as the study object，compared the en?gine's dynamic performance of single fueled with gasoline and natural gas，and the effects of excess air ratio and igni?tion advance angle on NOxand THC under partial load were studied.The results showed that，in the same section of valve opening，when the engine uses natural gas as fuel，its dynamic performance was significantly lower than that of gasoline as fuel，and with the increase of the section of valve opening，the power down index was getting smaller and smaller，from 28%down to 12.5%；Too thick or thin mixture would have a significant impact on the emissions of NOxand THC，in the case of other parameters unchanged，with the increase of excess air ratio，NOxfirst increased and then decreased，and reached the maximum atλ=1.1，but THC presented the trend of first decreasing and then increas?ing，reaching the minimum at 1.2.With the ignition advance angle increased，NOxshowed an increasing trend，while THC showed a decreasing trend and were basically not affected when more than 25°CA.

dynamic performance；excess air ratio；ignition advance angle；NOx；THC

TK431

A

1003-5168（2016）08-0065-03

2016-07-15

陳威昌（1988-），男，碩士，研究方向：清潔能源車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及優(yōu)化。