天然气发动机燃烧方式分析

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1、万方数据第5期(总第171期)2007年10月车用发动机VEHlCl。EENGINENo．5(SerialNo．171)Oct．2007天然气发动机燃烧方式分析王宇，马凡华，刘海垒(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084)摘要：根据混合气形成和着戈方式将天然气发动机的照烧模式分成琦质．鼍夸气点溉、非均质混兮气点璐、均质混合气压燃和非均质混合气压燃／引燃4种。分析了逮4种燃烧模式针对发动机性能和排放方面的特点，计论了目前存在的问题。认为目前置有实用价值的模式为柴油引燃天热气非均质扩散燃烧，因为

2、其燕蛀丰高于火花点戈发动机．与传统睾油机相当，而有害排放物排放却较柴油机明显降低，井且相对于HCCI曼易实现。关键词：天然气发动机’燃烧过程l均质混合气-火花点燃；压燃中国分类号：TK421．2文献标志码：B文章编号：1001—2222(2007)05—0018-04天然气因其储量大，燃烧清洁，有害排放物低，使用经济性好而放普遍认为是较有前途的车用替代燃料。天然气的氢碳原子比是所有矿物质燃料中最高的，燃用天然气时释放单位能量的COz排放量比汽油少30％以上，非常有利于降低汽车温室气体的排放[1]。北京、上海

3、都已确定将达到欧Ⅲ排放法规的压缩天然气(CNG)汽车作为今后公交车的主要车型。以CNG作为汽车燃料是今后的重要发展方向。CNG在发动机中的燃烧有多种方式，这些方式各有优缺点，适用于不同的情况。本研究根据CNG发动机的混合气形成和着火方式，把CNG的燃烧分成了均质火花点燃、非均质火花点燃、均质压燃／引燃、非均质压燃／引燃等4种方式，并分析了各种方式的特点以及一些亟待解决的问题。另外，对混合气的进气道喷射或缸内直喷也进行了分析。1均质混合气点燃均质混合气点燃是目前CNG发动机广泛采用的一种燃烧方式，它通过火花塞

4、高压点火点燃混合气，在点火时CNG与空气已经均匀混合，比较容易实现和进行控制。相对于压燃发动机。其着火比较可靠，但由于是单点着火火焰传播过程缓慢，燃烧等容度相对较低从而导致热效率不高。为了满足日益严格的排放法规，均质火花点火CNG发动机主要采用两种工作方式：一是理论空燃比加三效催化器，二是稀薄燃烧”]。从排放特性来看，前者更具优势，因为现在的三效催化器转化效率很高；而当采用稀薄燃烧时，虽然燃烧更完全，但由于不能采用三效催化器，其有害物排放要高一些。Corbo等人在1台6缸增压CNG发动机上用ECE--R49

5、测试方法对两种工作方式的有害排放物进行了对比，结果见表1[3]，由表可知，在不装氧化催化器的前提下，稀燃时总碳氢排放已不能满足欧Ⅱ标准，而理论空燃比燃烧方式的排放则满足欧Ⅱ要求。衰l满足两种工作方式排放对比总碳善排放率／CO排故事／NOL排放卓／参数g·(kW·h)一1稀薄燃烧5．13．34，7理论空燃比+0．3O．1三教催化器敢Ⅱ排放限制1．1407．0若从经济性来考虑，则稀燃优势比较明显。因为过量的空气可以提高燃烧终了混合气的绝热指数，有利于提高膨胀功；并且空气充足也使得燃烧效率提高；稀燃还可以降低缸内

6、的热负荷，允许采用更高的压缩比来提高热效率“”。另外，在可靠性和耐久性方面，稀燃方式要优于理论空燃比燃烧方式，因为稀燃时发动机的排温要比理论空燃比燃烧方式低150℃～200℃，发动机的热负荷较小。均质混合气的形成既可以通过进气道喷气实驻疆日期：2005-09—26{傣回日期：2007—10-09基盒璃目：国家863计划节能与新能源汽车重大谭题(2006AAIIAIB7)作者筒介：王宇(1985一)．男，安徽省六安县人．硬士，主要研究方向为代用燃辩发动机燃烧排放分析tE-mail：wang-yu06@mail

7、s．ming—huLedu．舶．万方数据2007年10月王字，等：天然气发动机燃烧方式分析现，也可以通过在进气过程中缸内低压直接喷射来实现。缸内直喷可增加CNG发动机的充气效率。-一i马·丢·瓮·rk(-一吼)。式中，囊为残余废气系数，吼为进气中CNG所占质量分数。可见最后一项的存在会使发动机充气效率下降“]。充气效率的提高使得为达到相同动力性所需的气缸tl}量减小，对发动机的经济性大有好处”]。这正是CNG缸内直喷在均质混合气点燃这种燃烧模式下最重要的优势。2。非均质混合气点燃为了获得更好的燃油经济性，需

8、要进一步加强CNG的稀燃能力。虽然在均质混合气点燃方式中通过采用高能点火系统，提高压缩比，改进燃烧室等方法可一定程度拓宽稀燃极限“⋯，但效果有限。而利用混合气非均质分层燃烧，则可较大范围地拓展稀燃极限。分层燃烧通过在火花塞附近形成容易着火的较浓混合气，使火核形成和发展更加容易和迅速，而远离火花塞的混合气浓度逐渐变稀也可实现稳定的燃烧。这样混合气的稀燃能力得到很大提高；另外浓混合气都在气缸的中心位置，传热损失也得以