某天然氣發(fā)動機活塞燃燒室對比研究

吳宇波（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

某天然氣發(fā)動機活塞燃燒室對比研究

吳宇波
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

針對某型天然氣發(fā)動機的活塞燃燒室型式展開論述，通過比較縮口型、直口碗型、敞口型三種型式的燃燒室內混合氣體的湍動能，分析了各型式燃燒室的優(yōu)劣。鑒于縮口型燃燒室存在不足，本文通過發(fā)動機臺架試驗，分析了直口碗型燃燒室和敞口型燃燒室對發(fā)動機性能的影響。最后，得出了直口碗型燃燒室適合用于天然氣發(fā)動機的這一結論。

天然氣發(fā)動機活塞燃燒室性能

1 引言

21世紀是能源的世紀，在以煤、石油、天然氣為三大支柱的世界能源體系中，天然氣以清潔、高效、儲存量大、排放佳、使用經濟性好等諸多優(yōu)點贏得了全社會的認可。作為汽車燃料，天然氣與汽油相比，汽車尾氣排放CO減少約75%，HC減少約60%，CO2減少25%；而與柴油相比，汽車尾氣排放CO減少約50%，HC和NOx減少達到80%，幾乎沒有SO2和顆粒排放物。在環(huán)境保護越來越引起全社會高度重視的今天，越來越多的汽車選用了天然氣作為發(fā)動機燃料。隨著天然氣發(fā)動機技術的不斷發(fā)展，越來越多的學者和工程技術人員對天然氣發(fā)動機的開發(fā)與應用開展了各種各樣的研究和試驗。

燃料在發(fā)動機氣缸內燃燒，推動活塞做功，從而發(fā)動機對外輸出功率。因此，活塞燃燒室的形狀在一定程度上影響著燃料在氣缸內的燃燒，對發(fā)動機的動力性、燃料經濟性和排放性能均有較大的影響。本文針對某型天然氣發(fā)動機的活塞燃燒室形狀，通過比較分析和對比試驗，開展燃燒室對比研究。

2 天然氣發(fā)動機燃燒特性分析

2.1 天然氣與柴油理化性能比較

本文涉及的某型天然氣發(fā)動機，是基于柴油機基礎進行的開發(fā)、設計。常溫下，天然氣為氣態(tài)，而柴油為液態(tài)。對于大多數天然氣發(fā)動機，天然氣以氣態(tài)形式與空氣混合后，混合燃氣通過進氣道進入氣缸內；而對于柴油機，柴油需要先由高壓油泵加壓后，通過噴油嘴的噴孔噴出，減壓、霧化后進入氣缸內與空氣混合，霧化程度往往決定了柴油與空氣的混合程度。因此，柴油機的進氣道的渦流比較大，空氣進入氣缸后氣流旋轉流動程度較高，以利于空氣與柴油能夠更好地混合；而天然氣發(fā)動機可采用渦流比小（相對柴油機的進氣道）的進氣道，流動阻力小，混合燃氣進入氣缸前壓力損失小。表1為天然氣與柴油的性能對比。

表1 天然氣與柴油的性能對比表

從表1可知，天然氣的著火溫度為640℃，而柴油的著火溫度僅為270℃，天然氣需要的點火能量高，天然氣發(fā)動機往往采用火花塞點火或者通過柴油引燃天然氣，但是，火核處的氣流流速若過快，反而不能得到穩(wěn)定的火核，容易導致發(fā)動機點火失敗。

天然氣的燃料低熱值比柴油高，但天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s低于柴油，使得天然氣發(fā)動機的熱負荷比柴油機高，天然氣發(fā)動機需要的散熱能力強于柴油機。天然氣發(fā)動機的活塞往往設計有冷卻油腔，通過發(fā)動機機油強制冷卻活塞燃燒室，降低活塞熱負荷，提高活塞使用壽命。

2.2 天然氣活塞壓縮比

對于汽油機而言，汽油對汽油機發(fā)生爆燃的抵抗能力叫做汽油的抗爆性，通常用辛烷值來表示。辛烷值越高，抗爆性越好[3]。天然氣也采用辛烷值來評價其抗爆指標。天然氣抗爆指標辛烷值較高，為120～130，但是當活塞壓縮比超過14時，發(fā)動機極容易發(fā)生爆震，致使發(fā)動機工作粗暴、不穩(wěn)定、磨損加劇和可靠性降低，嚴重時甚至會造成活塞熔頂、機體敲壞，并且較高的壓縮比還會增加氣缸內的最高壓力和溫度，對降低NOx排放不利[4]。提高活塞壓縮比，可以有效提升發(fā)動機的指示功率，減少燃料消耗，提高發(fā)動機的燃料經濟性。確定天然氣發(fā)動機的活塞壓縮比時，需要綜合考慮發(fā)動機效率、天然氣組份、失火余量等因素，并避免天然氣在發(fā)動機氣缸內發(fā)生爆震。國內外研究經驗表明，天然氣發(fā)動機的壓縮比通常在10.5～12之間[5]。天然氣發(fā)動機活塞的壓縮比比柴油機小，燃燒室容積大于同排量的柴油機活塞燃燒室。

2.3 天然氣發(fā)動機活塞燃燒室湍動能比較

與柴油機相比，天然氣發(fā)動機火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷笕純A向嚴重，發(fā)動機排氣溫度高，天然氣發(fā)動機的熱效率也低于柴油機。在設計天然氣發(fā)動機活塞燃燒室時，需要考慮如何有效地組織燃料燃燒，提高燃燒速度，減少后燃，從而改善天然氣發(fā)動機的燃料經濟性。燃燒速度一般與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸烧龋鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣韧Q于氣缸內混合燃氣的湍流運動狀態(tài)。

實際上，氣缸內混合燃氣的湍流運動非常復雜，進氣過程、排氣過程、活塞運動速度、進氣溫度和排氣溫度以及燃燒室形狀，都會對混合燃氣的湍流運動產生影響。綜合分析可以認為,不管缸內湍流是如何產生的,燃燒室形狀對缸內湍流的影響是明顯的,它決定了各種量在缸內的輸運及其空間分布,它對火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵焚|、缸壁的傳熱及污染物的形成等都具有直接的影響[6]。在工程應用中，用湍動能來表征氣缸內湍流運動狀態(tài)，湍動能高則火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⑷紵俣瓤欤膭幽艿蛣t火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷⑷紵俣嚷?/p>

通常，天然氣發(fā)動機的活塞燃燒室型式分為縮口型、直口碗型和敞口型，如圖1所示。江冰、武昭暉等學者，通過FIRE軟件，利用標準k-ε模型模擬計算了這三種燃燒室內混合燃氣的湍流運動狀態(tài)。模擬計算的結果顯示,縮口型燃燒室內混合燃氣形成的氣流渦團持續(xù)期長，局部湍流得到加強，湍動能高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤瑲飧變葔毫蜏囟壬呖欤紵晟疲欢谛腿紵覂葰饬鳒u團持續(xù)時間短，湍動能較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷紵掷m(xù)時間長，氣缸內壓力和溫度上升慢，動力性較差[7]；在相同的發(fā)動機轉速下，與縮口型燃燒室相比，敞口型燃燒室有更多的未燃燒徹底的混合燃氣進入排氣歧管后繼續(xù)燃燒，導致排溫升高、熱負荷增加、燃料經濟性下降；直口碗型燃燒室則居中。

圖1 燃燒室示意圖

3 活塞燃燒室設計

3.1 發(fā)動機主要技術參數

為了避免活塞壓縮比變化帶來的試驗結果差異，本文在開展活塞燃燒室對比研究過程中，不同活塞的燃燒室容積保持不變、發(fā)動機活塞壓縮比保持不變。某型天然氣發(fā)動機主要技術參數如表2所示。

表2 發(fā)動機主要技術參數

3.2 燃燒室設計

由于天然氣發(fā)動機的燃燒熱負荷高，為了能夠更好地將活塞吸收的熱量傳導出去，活塞材料往往選用導熱性能優(yōu)良的鑄造鋁合金，并且在活塞燃燒室周邊設計了冷卻油腔，利用發(fā)動機潤滑油帶走一部分活塞熱量，強化活塞冷卻，以提高活塞使用壽命，如圖2所示。

對于鑄造鋁合金材料，縮口型燃燒室既要有足夠的容積、又要有足夠的強度，活塞在設計、制造過程中，存在較大的困難；而采用鑄鋼材料，雖然能夠確保活塞強度，也容易設計，但從目前天然氣發(fā)動機活塞發(fā)展現狀來看，鑄鋼材料活塞的制造工藝還不是很成熟，價格較貴、很少使用，圖3為縮口型鑄鋼材料的天然氣發(fā)動機活塞示意圖。現階段，天然氣發(fā)動機活塞材料使用最廣泛的還是鑄造鋁合金，燃燒室則采用敞口型或者直口碗型。

圖2 天然氣發(fā)動機活塞冷卻油腔示意圖

圖3 天然氣發(fā)動機活塞縮口型燃燒室示意圖

某型天然氣發(fā)動機原燃燒室為敞口型，見圖4。基于燃燒室容積不變，新設計燃燒室采用直口碗型，如圖5所示。

圖4 原敞口型燃燒室

圖5 新設計直口碗型燃燒室

4 試驗研究

4.1 外特性和萬有特性試驗

針對兩種不同型式燃燒室的活塞，通過發(fā)動機外特性和萬有特性對比試驗，開展燃燒室對發(fā)動機性能影響的試驗研究工作。發(fā)動機控制系統為Woodward控制系統，精確控制發(fā)動機轉速、燃空比、進氣歧管的混合燃氣壓力、燃料噴射和點火時刻，并利用Bosch公司生產的寬域氧傳感器實現發(fā)動機燃料閉環(huán)控制，對發(fā)動機燃空比進行實時檢測和反饋，試驗裝置如圖6所示。

在進行外特性和萬有特性試驗過程中，考慮到不同型式的活塞燃燒室，可能會對發(fā)動機的點火提前角產生影響，因此更換活塞后，需要重新標定發(fā)動機的點火提前角，以尋找新活塞的最佳點火時刻。原活塞試驗時，采用發(fā)動機正常生產時的標定文件，點火提前角如圖7所示；新活塞最終的點火提前角如圖8所示。外特性曲線如圖9所示，萬有特性曲線如圖10、圖11所示。

圖6 試驗裝置示意圖

為了突出對比試驗結果，發(fā)動機的進氣歧管壓力標定未做更改而保持不變。通過發(fā)動機外特性和萬有特性試驗可以看出：

（1）原活塞的發(fā)動機額定功率為222 kW、最大扭矩為1 139N·m，而新活塞的發(fā)動機額定功率為226 kW、最大扭矩為1 177N·m。新活塞的發(fā)動機功率、扭矩均優(yōu)于原活塞的發(fā)動機。

圖7 原活塞點火提前角

圖8 新活塞點火提前角

圖9 外特性曲線對比

圖10 氣耗率萬有特性曲線

圖11 排氣溫度萬有特性曲線

（2）將原活塞更換為新活塞后，發(fā)動機最低氣耗率由188.8 g/kW·h降低為187.9 g/kW·h，但是從萬有特性曲線圖（圖10）可知，采用新活塞后，發(fā)動機在幾乎所有的工況條件下，氣耗率均優(yōu)于原發(fā)動機，新活塞的發(fā)動機燃料消耗低、經濟性優(yōu)勢明顯。從圖11可知，新活塞的發(fā)動機排氣溫度總體降低，熱負荷降低。在1 200 r/min～1 800 r/min轉速之間，采用新活塞發(fā)動機的爆發(fā)壓力有所增加。

（3）通過試驗，新設計的直口碗型燃燒室優(yōu)于原敞口型燃燒室。

4.2 爆震檢測

為了評估新活塞是否能夠替代原活塞，利用AVL燃燒分析儀，分別在發(fā)動機最大扭矩工況和額定工況下，對新活塞的燃燒情況進行了分析，檢測活塞是否會存在爆震的傾向。爆發(fā)壓力曲線和敲缸峰值曲線分別如圖12、圖13所示。

對于天然氣發(fā)動機，當最大爆發(fā)壓力超過12 MPa時，則認為發(fā)動機會存在爆震的風險；而在敲缸曲線圖中，每300個循環(huán)，敲缸峰值超過300 kPa的次數不允許達到5次，否則認為發(fā)動機存在爆震的風險。

圖12 爆發(fā)壓力曲線

圖13 敲缸曲線

檢測顯示，無論是額定工況還是最大扭矩工況，新活塞的發(fā)動機最大爆發(fā)壓力均不超過10MPa，且每300循環(huán)內，敲缸峰值沒有發(fā)生超過300 kPa。新活塞沒有爆震跡象和風險，能夠安全使用。

5 結論

通過上述分析和試驗對比，可以得到如下結論：

（1）直口碗型燃燒室的湍動能優(yōu)于敞口型，采用直口碗型燃燒室的天然氣發(fā)動機，其燃料經濟性明顯優(yōu)于使用敞口型燃燒室的天然氣發(fā)動機。

（2）直口碗型燃燒室的天然氣發(fā)動機的排氣溫度和熱負荷，總體低于使用敞口型燃燒室的天然氣發(fā)動機。

（3）縮口型燃燒室在設計、制造、使用性能方面面臨較大的困難和風險，價格較貴。對于天然氣發(fā)動機的活塞而言，宜選用直口碗型燃燒室。

（4）針對所研究的某型天然氣發(fā)動機，新設計的直口碗型燃燒室，能夠替代原敞口型燃燒室，且各項性能優(yōu)于原燃燒室。

受試驗臺架和時間的限制，本文未對直口碗型和敞口型燃燒室的排放情況開展相應的研究工作，也未針對縮口型燃燒室活塞開展相關試驗研究。在后續(xù)試驗條件允許的情況下，應針對縮口型燃燒室以及不同燃燒室在排放方面的差異，開展進一步的試驗研究工作。

[1]萇轉，周斌，邵曉杰等.不同類型的天然氣發(fā)動機燃燒和排放特點[C].2007年汽車學術年會論文集，2007.

[2]周冬.柴油機改裝天然氣發(fā)動機的意義及技術措施[J].山東內燃機，2005（1）.

[3]劉永長.內燃機原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[4]馮國勝，賈素梅.基于柴油機的電控天然氣發(fā)動機設計[J].車用發(fā)動機，2007（3）.

[5]張曉東，劉興華，張幽彤.柴油機改為火花點火式天然氣發(fā)動機技術研究[J].內燃機，2002（6）.

[6]司鵬鹍，張惠明，楊志勇等.燃燒室結構對稀燃天然氣發(fā)動機性能的影響[J].農業(yè)機械學報，2009（4）.

[7]江冰，武昭暉，何云堂.CNG發(fā)動機燃燒室形狀對氣流運動和燃燒特性的影響[J].農業(yè)機械學報，2015（1）.

The Comparison and Research ofPiston Combustion Chamber for NaturalGas Engine

Wu Yubo
（ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.Shanghai200438,China）

As an important element for nature gas eng ine,mixer a large extent affects the use performance of natural gas engine,and mixer core as design key.This paper researches to optimize the mixer core foraheavy-duty naturalgasengine,by simulating themixingeffectofnaturalgasand air,engine test,and comparing the differencesbetween the originalmixer core and three new solutions.At last,the best choice comesout,afterestimating theadvantagesand disadvantagesofeachmixer core comprehensive.

naturalgas engine,m ixer core,simulation,performance test

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.006

來稿日期：2016-05-26

吳宇波（1982-），男，工程師，主要研究方向為天然氣發(fā)動機的開發(fā)與應用。