進氣道噴射天然氣發(fā)動機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，河南鄭州　450045）

進氣道噴射天然氣發(fā)動機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，河南鄭州450045）

以一臺加裝一套天然氣供給系統(tǒng)的DFMA15發(fā)動機為研究對象，對比燃用單一汽油和天然氣發(fā)動機動力性能，研究部分負荷下過量空氣系數(shù)和點火提前角對NOx和THC的影響。結(jié)果表明：在同一節(jié)氣門開度下，用天然氣作燃料時，發(fā)動機動力性能比汽油作為燃料時有明顯下降，并隨著節(jié)氣門開度的增加，其動力下降指數(shù)越來越小，從28%下降至12.5%；在其他影響參數(shù)不變的情況下，混合氣過濃或者過稀都會對NOx和THC的排放產(chǎn)生明顯影響。隨著過量空氣系數(shù)的增大，NOx呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在λ=1.1處達到最大，THC呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在1.2處達到最小；隨著點火提前角的增大，NOx呈現(xiàn)增大趨勢，而THC呈現(xiàn)減小趨勢并且超過25°CA后基本不受影響。

動力性能；過量空氣系數(shù)；點火提前角；NOx；THC

隨著能源危機日益加劇和排放法規(guī)日趨嚴格，尋找清潔代用燃料成為內(nèi)燃機研究的重要課題。在眾多清潔代用燃料中，天然氣因其儲量大，具有良好的排放性和經(jīng)濟性成為最具有潛力的發(fā)動機代用燃料［1-2］。并且在今后相當長的時間內(nèi)，汽車發(fā)動機燃用氣體燃料如天然氣將是最為現(xiàn)實且技術(shù)相當成熟的方案之一［3］。從目前看來，國內(nèi)大部分天然氣汽車是由原來的汽油車或柴油車改裝的天然氣-汽油雙燃料或天然氣-柴油雙燃料汽車［4］。截至2014年底，我國天然氣汽車保有量已達到459.5萬輛，居世界第一。因此，對雙燃料汽車的發(fā)動機研究仍具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。

在不改變發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，通過優(yōu)化發(fā)動機的各項運轉(zhuǎn)參數(shù)，為發(fā)動機不同工況下提供最佳燃空比和點火提前角，可以使發(fā)動機具有更好的經(jīng)濟性、動力性和排放性。

本文基于電控多點噴射發(fā)動機對HC和NOx進行了研究，分析了不同燃燒方式對發(fā)動機排放性能的影響，其目的在于為天然氣/汽油雙燃料發(fā)動機滿足國V排放法規(guī)提供依據(jù)。

1　試驗設備及方案

1.1試驗設備

試驗發(fā)動機型號為DFMA15，在保留原汽油機所有裝置和功能的基礎上增加了一套燃氣供給裝置，油、氣控制和轉(zhuǎn)換裝置。DFMA15發(fā)動機的主要性能參數(shù)如表1所示，試驗中用到的主要設備如表2所列。

表1　DFMA15發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)

表2　主要試驗設備

1.2試驗方案

試驗選擇1 500r/min和2 000r/min兩種轉(zhuǎn)速，首先通過改變節(jié)氣門開度和測功機扭矩的大小控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并對比發(fā)動機分別以汽油和天然氣為燃料時的動力性能。其次控制節(jié)氣門開度分別為50%和75%，保持點火提前角不變，通過調(diào)整天然氣的噴射買寬的大小得到不同的過量空氣系數(shù)λ，λ的變化范圍為1.0～1.5，步長為0.1。保持過量空氣系數(shù)不變，改變點火提前角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)。待每個工況點穩(wěn)定后測量45s，前15s為儀器準備階段，儀器對后30s判存最大值、最小值，并計算平均值。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1燃用汽油和天然氣發(fā)動機動力性能對比

圖1給出了DFMA15發(fā)動機使用單一汽油和天然氣兩種燃料，在不同節(jié)氣門開度下的動力性能對比曲線。從圖1可以看出，在同一節(jié)氣門開度下，燃用天然氣時發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩有所下降，但隨著節(jié)氣門開度的增加，動力下降率越來越小，從28%下降到12.5%，在節(jié)氣門開度為55%時動力下降率最小。這是由于天然氣是氣體燃料，在進氣道與空氣混合后，在可燃混合氣中的體積分數(shù)大于汽油的體積分數(shù)，使充氣效率降低；隨著節(jié)氣門開度的增加，空氣的節(jié)流損失越來越小，進入進氣道的空氣越來越多，天然氣的體積分數(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谕豢杖急鹊臈l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)氣開度下動力性能比較

圖2　過量空氣系數(shù)對NOx的影響

2.2過量空氣系數(shù)對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。在λ=1.1時，NOx達到最大值；當λ在1.2以后，NOx以斜率接近-1的直線下降；當λ達到1.55時，NOx排放值接近于0。NOx呈現(xiàn)這種變化規(guī)律的原因是：當λ=1.0時，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間內(nèi)完成燃燒，放熱率大，缸內(nèi)已燃氣體的溫度達到最高值，但此時混合氣中的氧含量較低且燃燒時間較短，抑制了NOx的生成；當在1.05～1.1之間變化時，缸內(nèi)混合氣濃度和火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤煊兴档停魅计谧冮L，溫度也有所下降，但氧含量增加引起的NOx增加的效果遠大于由于溫度降低引起的NOx下降的效果，當λ達到1.1時，NOx的排放量達到峰值；隨著λ的繼續(xù)增大，缸內(nèi)混合氣的濃度越來越希，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍絹碓铰瑴计诤椭魅计谥饾u變長，在燃燒期內(nèi)做功和傳熱損失增加，缸內(nèi)溫度和壓力越來越低，此時由于溫度下降引起的NOx下降的效果遠大于氧含量增加引起的NOx增加的效果，從而NOx的生成量越來越低；當λ在1.4以后，混合氣越來越接近著火稀限，出現(xiàn)失火現(xiàn)象，此時缸內(nèi)溫度很低，NOx的生成量很少。

圖3　過量空氣系數(shù)對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的變化趨勢相反，THC隨λ的增大呈現(xiàn)的趨勢是先減小后增大。原因是當λ較小時，混合氣過濃，此時氧不足，燃燒不完全，導致產(chǎn)生大量的HC。當λ較大時，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，致使在火焰無法到達的位置產(chǎn)生了大量未燃HC。

圖4　點火提前角對NOx的影響

2.3點火提前角對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，而且低轉(zhuǎn)速時NOx排放量明顯高于高轉(zhuǎn)速時NOx排放量。原因是，在一定范圍內(nèi)，隨著點火提前角的增大，混合氣燃燒的時間更長，且更多的燃料在上止點前燃燒，使得缸內(nèi)最高燃燒壓力升高，同時也導致最高燃燒溫度升高，使得NOx的排放增加。θ一定時，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　點火提前角對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，隨點火提前角的增大，THC呈現(xiàn)減小的趨勢，并且大于25時，點火提前角對THC的排放量影響較小。主要原因是，當點火提前角較大時，著火發(fā)生在上止點前相對較早時刻，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)氣門開度下，發(fā)動機用天然氣作燃料時，其動力性能比汽油作為燃料時有明顯下降，并隨著節(jié)氣門開度的增加，其動力下降指數(shù)越來越小，最終為10%～15%。

②混合氣過濃或者過稀都會對NOx和THC的排放產(chǎn)生明顯影響。NOx排放量隨著過量空氣系數(shù)的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當過量空氣系數(shù)為1.1時達到最大值；THC隨著過量空氣系數(shù)的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在1.2左右達到最小值。

③隨著點火提前角的增大，NOx呈現(xiàn)升高趨勢，而THC呈現(xiàn)降低趨勢。但隨著點火提前角的繼續(xù)增大，對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)動機燃燒特性的影響因素［J］.燃燒科學與技術(shù)，2010（5）：446-451.

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

［4］李樹生.高性能大功率天然氣發(fā)動機燃燒系統(tǒng)開發(fā)與研究［D］.濟南：山東大學，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：清潔能源車用發(fā)動機燃燒及優(yōu)化。