高壓縮比稀薄燃燒天然氣發動機的燃燒與排放特性

孫慧慧 王天友 張海巖

天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室

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的提高，以及內燃機排放標準的日益嚴格，使氣體燃料發動機技術得以迅猛發展[1－2]。由于天然氣具有熱值高、辛烷值高、污染低等優點，目前很多國家和地區都在發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，有利于發展天然氣發動機汽車[3]。車用發動機以中小負荷工況為主，燃油消耗率較高，經濟性差。而天然氣混合氣允許的過量空氣系數變化范圍為0.6～1.8，采用稀薄燃燒技術可以降低發動機熱負荷，提高天然氣發動機效率，同時降低污染物排放[4－7]。目前，國內外開發的天然氣發動機大多采用理論空燃比與部分工況稀薄燃燒相結合的燃燒方式。

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

1 試驗裝置

1.1 試驗樣機及測試設備

試驗用發動機為L4－DOHC型發動機，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

針對車用發動機普遍運行于中小負荷下、經濟性差的特點，分別在2 000r／min和2 800r／min轉速下，選取平均有效壓力0.2MPa和0.5MPa為發動機運行工況，進行了壓縮比10和12以及過量空氣系數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。各試驗點缸壓數據連續采集50個循環，取平均值用于計算各燃燒特性參數。

2 試驗結果及分析

2.1 燃燒特性

圖1 最高燃燒壓力隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖

圖2 最大壓力升高率隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖

圖1、2為缸內最高燃燒壓力與最大壓力升高率隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖。由圖1、2可知，隨著過量空氣系數的增加，缸內最高燃燒壓力與最大壓力升高率略有升高，而在過量空氣系數達到1.4時出現下降。其原因是適當提高過量空氣系數有利于天然氣的充分燃燒；當過量空氣系數進一步提高時，由于天然氣占去一部分進氣體積，充量系數受到限制，導致進入缸內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最高燃燒壓力。壓縮比的增加提高了缸內燃燒速率，使壓縮終點壓力和溫度增加，缸內壓力峰值和最大壓力升高率提高。

圖3為缸內最高燃燒溫度隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖。從圖3可以看出，缸內最高燃燒溫度隨過量空氣系數先升高后降低。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，提高了缸內混合氣的燃燒速度，導致缸內最高燃燒溫度提高。

圖3 缸內最高燃燒溫度隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖

圖4為氣耗率隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖。氣耗率隨過量空氣系數的增加先降低后升高，這與最高燃燒溫度隨過量空氣系數變化規律相反。可見，適當的稀薄燃燒有利于達到更低的氣耗率。壓縮比的增加可以進一步降低發動機的氣耗率。

圖5為平均指示壓力循環變動系數隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖。循環變動系數先降低后升高，最低值出現在過量空氣系數為1.1～1.2的工況。當過量空氣系數達到1.4時，循環變動系數開始大幅升高，燃燒趨于不穩定。可見，在適當的范圍內對天然氣發動機采用稀薄燃燒是可行的，循環變動系數滿足發動機正常工作要求。隨著壓縮比的升高，缸內氣流運動加劇，燃燒速率加快，導致循環變動系數略有升高，但最高值不超過8%。

圖4 氣耗率隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖

圖5 平均指示壓力循環變動系數隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖

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與壓縮比的變化圖

圖7為HC排放量隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖。隨著過量空氣系數的增加，HC排放量先發生小幅降低，后略微升高，總體變化不大。過量空氣系數增加，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，缸內壓力提高，狹隙效應加劇，且膨脹比提高，導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與壓縮比的變化圖。隨過量空氣系數變化，NOx排放量呈先升高后降低趨勢。在普遍富氧稀薄燃燒的環境下，由于缸內燃燒溫度的升高，當過量空氣系數在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與壓縮比的變化圖

圖8 NOx排放量隨過量空氣系數與壓縮比的變化圖

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

3 結論

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

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

3）平均指示壓力的循環變動系數隨著過量空氣系數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，發動機熱負荷增加，氣耗率降低，平均指示壓力的循環變動系數略有升高。

5）隨著過量空氣系數的增加，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律不明顯。

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