孫慧慧 王天友 張海巖

天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室

隨著氣體燃料開采量加大，其遠距離輸送、凈化脫水及儲運技術(shù)的提高，以及內(nèi)燃機排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，使氣體燃料發(fā)動機技術(shù)得以迅猛發(fā)展[1－2]。由于天然氣具有熱值高、辛烷值高、污染低等優(yōu)點，目前很多國家和地區(qū)都在發(fā)展天然氣汽車方面展開了重點研究，并且取得了一定的成果。在我國，天然氣儲量十分豐富，價格相對較低，有利于發(fā)展天然氣發(fā)動機汽車[3]。車用發(fā)動機以中小負荷工況為主，燃油消耗率較高，經(jīng)濟性差。而天然氣混合氣允許的過量空氣系數(shù)變化范圍為0.6～1.8，采用稀薄燃燒技術(shù)可以降低發(fā)動機熱負荷，提高天然氣發(fā)動機效率，同時降低污染物排放[4－7]。目前，國內(nèi)外開發(fā)的天然氣發(fā)動機大多采用理論空燃比與部分工況稀薄燃燒相結(jié)合的燃燒方式。

在稀薄燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上，提高壓縮比可以深入發(fā)掘稀薄燃燒天然氣發(fā)動機的潛能，進一步改善天然氣發(fā)動機的熱效率[8]。目前國內(nèi)外已發(fā)表的成果中，皆是將稀薄燃燒與提高壓縮比獨立研究[3－14]，而缺少兩者結(jié)合起來對天然氣發(fā)動機性能影響的報道。為此，在一臺進氣道噴射天然氣發(fā)動機上，在不同過量空氣系數(shù)和壓縮比條件下對發(fā)動機進行燃燒及排放特性試驗研究，為進一步優(yōu)化設(shè)計天然氣發(fā)動機提供了理論支持和試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗裝置

1.1 試驗樣機及測試設(shè)備

試驗用發(fā)動機為L4－DOHC型發(fā)動機，缸徑×沖程為73mm×80mm，連桿長度為129.5mm，總排量為1.339L，壓縮比為10、12。

1.2 試驗工況

針對車用發(fā)動機普遍運行于中小負荷下、經(jīng)濟性差的特點，分別在2 000r／min和2 800r／min轉(zhuǎn)速下，選取平均有效壓力0.2MPa和0.5MPa為發(fā)動機運行工況，進行了壓縮比10和12以及過量空氣系數(shù)1.0、1.1、1.2、1.3、1.4的對比試驗。在同一工況下保持噴氣時刻一致，各工況下均選取最佳點火提前角進行試驗。各試驗點缸壓數(shù)據(jù)連續(xù)采集50個循環(huán)，取平均值用于計算各燃燒特性參數(shù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 燃燒特性

圖1 最高燃燒壓力隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖

圖2 最大壓力升高率隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖

圖1、2為缸內(nèi)最高燃燒壓力與最大壓力升高率隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖。由圖1、2可知，隨著過量空氣系數(shù)的增加，缸內(nèi)最高燃燒壓力與最大壓力升高率略有升高，而在過量空氣系數(shù)達到1.4時出現(xiàn)下降。其原因是適當(dāng)提高過量空氣系數(shù)有利于天然氣的充分燃燒；當(dāng)過量空氣系數(shù)進一步提高時，由于天然氣占去一部分進氣體積，充量系數(shù)受到限制，導(dǎo)致進入缸內(nèi)參與燃燒的燃氣量減少，最高燃燒壓力與最大壓力升高率隨之降低。

如圖1、2所示，增加壓縮比可提高缸內(nèi)最高燃燒壓力。壓縮比的增加提高了缸內(nèi)燃燒速率，使壓縮終點壓力和溫度增加，缸內(nèi)壓力峰值和最大壓力升高率提高。

圖3為缸內(nèi)最高燃燒溫度隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖。從圖3可以看出，缸內(nèi)最高燃燒溫度隨過量空氣系數(shù)先升高后降低。由于略稀薄的混合氣更有利于天然氣燃料的充分燃燒，故最高燃燒溫度升高。同時，隨著壓縮比的增加，一方面點火時刻混合氣溫度升高，另一方面混合氣湍流速率增加，提高了缸內(nèi)混合氣的燃燒速度，導(dǎo)致缸內(nèi)最高燃燒溫度提高。

圖3 缸內(nèi)最高燃燒溫度隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖

圖4為氣耗率隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖。氣耗率隨過量空氣系數(shù)的增加先降低后升高，這與最高燃燒溫度隨過量空氣系數(shù)變化規(guī)律相反?？梢?，適當(dāng)?shù)南”∪紵欣谶_到更低的氣耗率。壓縮比的增加可以進一步降低發(fā)動機的氣耗率。

圖5為平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖。循環(huán)變動系數(shù)先降低后升高，最低值出現(xiàn)在過量空氣系數(shù)為1.1～1.2的工況。當(dāng)過量空氣系數(shù)達到1.4時，循環(huán)變動系數(shù)開始大幅升高，燃燒趨于不穩(wěn)定?？梢?，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)對天然氣發(fā)動機采用稀薄燃燒是可行的，循環(huán)變動系數(shù)滿足發(fā)動機正常工作要求。隨著壓縮比的升高，缸內(nèi)氣流運動加劇，燃燒速率加快，導(dǎo)致循環(huán)變動系數(shù)略有升高，但最高值不超過8%。

圖4 氣耗率隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖

圖5 平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖

2.2 排放特性

圖6為CO排放量隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖。隨著混合氣逐漸變稀，混合氣中O2濃度提高，CO排放量大幅降低。另外，CO排放量隨著壓縮比的增加而降低，這是因為壓縮比的增加使燃燒過程中的溫度提高，后氧化能力提高，使得CO生成量降低。

圖6 CO排放量隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖

圖7為HC排放量隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖。隨著過量空氣系數(shù)的增加，HC排放量先發(fā)生小幅降低，后略微升高，總體變化不大。過量空氣系數(shù)增加，混合氣燃燒變得充分，HC排放略有下降；隨著過量空氣系數(shù)進一步增加，燃燒趨于不充分，故HC排放量有所回升。隨著壓縮比的升高，缸內(nèi)壓力提高，狹隙效應(yīng)加劇，且膨脹比提高，導(dǎo)致膨脹后期燃氣溫度下降，減緩了HC的后氧化率，故HC排放增加。

圖8為NOx排放量隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖。隨過量空氣系數(shù)變化，NOx排放量呈先升高后降低趨勢。在普遍富氧稀薄燃燒的環(huán)境下，由于缸內(nèi)燃燒溫度的升高，當(dāng)過量空氣系數(shù)在1.1～1.2時，NOx排放量增加。壓縮比對NOx排放量影響無明顯變化。

圖7 HC排放量隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖

圖8 NOx排放量隨過量空氣系數(shù)與壓縮比的變化圖

綜上所述，適當(dāng)稀薄燃燒并提高壓縮比可以使天然氣發(fā)動機缸內(nèi)燃燒更充分，有利于改善發(fā)動機的經(jīng)濟性。當(dāng)壓縮比為12、過量空氣系數(shù)為1.1～1.2時，發(fā)動機氣耗率最低，CO排放量較低，HC排放量與NOx排放量均有所增加；當(dāng)過量空氣系數(shù)超過1.3時，發(fā)動機燃燒開始變得不穩(wěn)定，氣耗率有所升高。因此，綜合考慮天然氣發(fā)動機的經(jīng)濟性與排放要求，提高壓縮比并組織適當(dāng)稀薄燃燒是較為合理的選擇。

3 結(jié)論

1）隨著過量空氣系數(shù)的提高，最高燃燒壓力、最大壓力升高率以及缸內(nèi)最高燃燒溫度均呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢。

2）隨著過量空氣系數(shù)的提高，氣耗率先降低后升高，在過量空氣系數(shù)為1.1～1.2時達到最低。

3）平均指示壓力的循環(huán)變動系數(shù)隨著過量空氣系數(shù)的提高先降低后升高，但最高值不超過8%。

4）隨著壓縮比的提高，發(fā)動機熱負荷增加，氣耗率降低，平均指示壓力的循環(huán)變動系數(shù)略有升高。

5）隨著過量空氣系數(shù)的增加，CO排放量大幅降低，HC排放量略有降低繼而升高，但整體變化不大，NOx排放量先升高后降低。隨壓縮比的提高，CO排放量降低，HC排放量升高，NOx排放量受壓縮比影響規(guī)律不明顯。

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