稀燃天然气发动机燃烧及排放特性的研究

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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：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25℃ABTDC变化到45℃ABTDC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IMEP

2、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：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

3、对石油的依存度、改善发动机的燃烧与排放、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[1][2]烧温度较低，抗爆燃能力更强,因此，稀薄燃烧天然气发动机的热效率高，有害排放物低。[3，4]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，与相同功率[4]的汽油机相比，天然气发动机

4、的CO2排放要少20%。此外，稀燃天然气发动机在大负荷时[5]的NOx排放较低。但与理论空燃比混合气相比，天然气稀薄燃烧速度较慢，燃烧持续期变[6][7]长，从而使热损失增加，热效率下降，循环波动变大。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

5、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80±1°C、机油温度为80±1°C，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HoribaMEXA-7100DEGR排放分析仪测

6、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2007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10曲轴转角。图1为着火时刻随点火提前角而变lambda=1.1-inj30lambda=1.1-inj60化的曲线。图中lambda=1.1-inj30表示混合气lambda=1.2-inj305lambda=1.2-inj60的过量空气系数

7、为1.1，天然气燃料的喷射时lambda=1.3-inj30lambda=1.3-inj60刻在进气上止点后30ºCAATDC，其它符号意0CAATDC0思类似。可见，在相同lambda和喷气时刻时，-5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-10着火时刻/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-152530354045前。还可以看到，在相同的lambda和相同的0点火提前角/CABTDC点火提前角下，喷气时刻对着火时刻也一定图1着火时刻的变化趋势的影响

8、。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