大功率天然气发动机双燃烧室系统设计说明书毕业论文.doc

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）11绪论内燃机在其发展的一百多年中,为人类文明的发展起到了巨大的推动作用。由于它热效率高，适应性好，功率范围宽广，已被广泛应用于工业、农业、交通运输业和国防建设等行业。随着现代科学技术的不断发展，计算机、自动控制、精密测量等新技术不断被应用到内燃机上，推动着内燃机技术的不断提高。内燃机在以后的相当长时期内将继续在人类文明发展中扮演重要角色。但是，内燃机在给人类带来方便、快捷、舒适的同时，它也给人类带来了一系列尖锐的、不可回避的问题，主要有两个方面：环境污染和能源问题。当前，全球污染己日趋严重。2003年9月，世界自然保护基金组织公布了2003年全球环境指数。报告显示，从1970年到2003年，全球环境指数下降了30%左右。在大气污染中，汽车尾气排放所造成的污染占大气污染的60%-70%。当今，举世瞩目的“温室效应”、“光化学烟雾事件”等都与汽车排放的污染物有关。由此可见，汽车尾气排放对环境污染的严重性。在能源方面，从能源储备来看，我国是石油资源贫乏的国家。石油资源短缺的情况十分严重，产量的增长远远落后于经济的增长。从1993年起，我国己经成为净石油进口国，每年进口石油增长超过1000万吨。据专家预测，随着我国私人轿车拥有量的迅速上升，到2012年，我国的石油缺口将达3亿吨1。石油短缺己经成为制约我国经济快速、健康、稳定发展的瓶颈。随着可持续发展观念的形成，寻求社会、经济、人口与资源、环境的相互促进与协调发展已成为世界性潮流。针对内燃机所带来的问题，世界各国政府和科学家都在积极探索和研究解决的途径。为了降低内燃机的燃油消耗，排气污染物，内燃机的工作者一直致力于内燃机新技术的研究，电控技术、分层燃烧、稀薄燃烧、多气门技术、可变气门升程、可变气门定时、排气再循环、增压及增压中冷、排气后处理等技术不断被应用到内燃机上2。在进行内燃机新技术研究的同时，积极开发清洁代用燃料也是解决由内燃机带来的能源短缺和环境污染问题的重要途径之一。据1997年在美国召开的代用燃料研讨会的资料分析，在石油代用燃料的探索中存在着多样化的趋势。但据欧美专家分析，在诸多的内燃机清洁代用燃料中，诸如氢（Hydrogen）、甲醇（Methanol）、乙醇（Ethanol）、天然气（包括压缩天然气CNG和液化天然气LNG）液化石油气（LPG）等等，最具潜力的是天然气。大量的试验与测试表明，燃烧天然气与燃烧油料相比较，内燃机尾气中的CO,NOx和颗粒排放有显著的改善，且天然气兼具资源鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计2丰富、分布广泛、价格低廉等多方面的综合优点。同时，天然气发动机可以方便地在汽油机和柴油机上进行改造，对原机变动小，改造成本低，适合于大力推广。目前世界上己有50多个国家发展天燃气发动机（主要用于汽车），并且发展趋势还在进一步加快。对我国来说，目前资料显示，我国拥有相当丰富的天然气资源，预计可开采资源量总计为11.55万亿m3，为世界144万亿m3的5%，后备资源潜力非常大，但天然气的利用率却很低，为调整我国的能源结构.充分利用丰富的天然气资源，国家己将天然气工业作为发展潜力巨大的战略产业予以优先发展。预计今后15-20年内，我国可形成4个年产100-200亿m3以上，两个年产量50亿m3以上的大型天然气生产区，其中车用燃料是天然气需求的一个重要方面。近年来，天然气资源的开发和发动机燃用天然气的技术研究作为新的研究领域正在迅速发展。燃用天然气的发动机通过良好的控制可以比同等的汽油机和柴油机具有更低的排放，有利于解决日益严重的大气污染问题；同时天然气是一种廉价的燃料，而且分布广泛，具有良好的资源配置优势，以天然气作为代用燃料将减少国家对进口石油的依赖程度。因此天然气是传统发动机燃料的理想替代品。1.1天然气的物理化学特性天然气是一种常用的工业和民用燃料，是继煤和石油之后的第三大能源。了解天然气物化特性与传统燃料物化特性的差别是使用好天然气的前提和基础。天然气产于单纯的天然气田或者石油产区，是一种优质的气体燃料。在石油产区的天然气中含有石油蒸汽等较多的重碳氢化合物，被称为伴生气或石油气。单纯的天然气田产的天然气被称为干天然气，其主要成分是甲烷（CH4），其次是乙烷等饱和碳氢化合物，不含石油蒸汽，各种碳氢化合物在天然气中的含量一般超过90%。除了碳氢化合物以外，天然气中还含有N2，O2，CO2，H2S等。表1-1中列出了天然气和柴油及其它代用燃料的物理、化学特性3。从表中各种燃料物化特性的比较，我们可以分析得出，天然气作为发动机的代用燃料，主要具有以下特点：1、天然气的主要成分甲烷中，只含有C-H键，不含C-C键。这样的结构，有利于天然气在燃烧的过程中，减少碳烟和微粒排放，进而降低天然气发动机的可见烟度排放。2、抗爆性能好。天然气的辛烷值可以高达130左右，这样就使得天然气发动机可以采用比较高的压缩比，以提高发动机的动力性和经济性。3、天然气的着火温度比柴油高，火焰传播速度慢，因此需要比较高的点火能量。天辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3然气的相对分子质量小，比柴油的理论空燃比大，所以虽然其质量低热值比柴油高，但其理论混合气热值却比柴油低，这就要求增加天然气发动机的循环供气量，以达到燃烧柴油状态下的动力性。表1-1柴油与其他待用燃料物化特性Tab.1-1TheCharacteristicbetweenDieseloilandOtherSubstituteFuel特性柴油天然气丙烷甲醇分子式CxHyCH4C3H8CH3-OH分子量190-22016.0444.1132.04沸点（）180-360-161.5-4265液态密度（g/cm3）0.840.4240.5010.79低热值（MJ/Kg）42.550.0546.3619.5着火极限（%）0.6-6.55-152.1-9.46-36.5着火温度（）250537470450十六烷值40-55-5理论空燃比14.617.2515.666.5汽化潜热（KJ/Kg）2505103701110辛烷值50130111.5-4、天然气与空气混合后的工作混合气具有很宽的发火界限，其过量空气系数范围为0.6-1.84，允许在大范围内改变混合比，提供不同成分的混合气，这样就使稀薄燃烧技术在天然气发动机上的实现变得更为容易。5、实用性能好。以天然气为燃料的发动机，冷起动性能好，运转平稳。由于天然气中不含柴油燃料中的胶质，故燃烧时就不会产生积碳。同时，天然气中硫的含量和其它机械杂质含量远低于柴油，所以对气缸套、活塞、活塞环和气门等零部件的危害较小。天然气发动机的寿命较长，维修费用大大降低。6、有害排放物降低。天然气和空气同为气相，易实现均匀混合，燃烧相对比较完全，CO和微粒的排放大幅度降低。发动机采用柴油-天然气双燃料工作时，烟度可以降低到柴油机的10%左右，几乎呈无烟状态工作。天然气的主要成分甲烷是碳氢原子比最小的烃类化合物，以产生相同的热量计算，天然气燃烧产生的CO2也比柴油降低15%以上5。未燃烧的甲烷等成分性质稳定，在大气中不会形成有害的光化学烟雾6。7、携带性差。天然气的沸点很低（-162），液化困难，如果作为汽车发动机燃料的话，不利于车辆携带，行驶里程较短7。同时，不同地域出产的天然气成分也有比较大的差别。一般来说，CH4含量在95%以上的天然气称为优质天然气，作为发动机的气体燃料是比较理想的。鹿猛：大功率天然气发动机双燃烧室系统设计41.2天然气在发动机上的应用在内燃机问世之初，天然气就己经被成功的作为内燃机的燃料使用了。压缩天然气（CNG）作为发动机燃料始用于30年代的意大利，但是受到当时天然气存储技术的限制未能得到广泛应用。直到本世纪70年代，随着材料科学技术和制造工艺的进步，使天然气在发动机上的使用成为可能。另一方面，在严格排放法规的要求和激烈的商业竞争作用下，以电子控制技术为核心的车用发动机技术己日益成熟，促进了天然气发动机的技术进步。各种天然气发动机的燃料存储和供给系统、专用电子控制系统、排放控制和废气净化系统不断涌现，对各种不同的发动机总体结构方案和控制策略的研究，使天然气发动机的动力性、经济性、排放性等各项性能不断提高，与车辆的匹配也更加优化，天然气作为优质燃料的潜力也充分发挥出来8。汽车燃用天然气日益受到各国重视。根据天然气的不同应用形式，天然气发动机可以有不同的分类方式。按天然气储存状态不同，天然气发动机可分为压缩天然气发动机（CNG）和液化天然气发动机（LNG）。这两种天然气发动机本身结构及工作情况基本一样，区别主要在于燃料的储存状态和储存容器不同。CNG发动机是将天然气压缩20MPa，储存在高压气瓶中，储存能力较低，气瓶自重也比较大；LNG发动机是将天然气低温冷却至-162储存在低压低温绝热容器中，容器自重较轻，储存能力也较高，但生产LNG的投资费用较高，能耗也较大，经济效益比CNG差。另外LNG对容器的绝热保温要求较高，因此LNG发动机在世界各国基本上还处于试验阶段，尚未商品化。目前，CNG发动机仍是国内外发展的主要方向9。按点火方式的不同，天然气发动机可以分为两种，即火花塞点火的天然气发动机和柴油引燃的天然气发动机10。天然气着火温度比较高，发动机在压缩过程中，气缸内的温度达不到其自燃点，因此必须借助于电火花点火或者柴油引燃。柴油引燃的天然气发动机是以天然气作为主燃料，以少量柴油来引燃；而柴油-天然气双燃料发动机是在原柴油机基础上改装的既可以燃用天然气（以少量柴油引燃）又可以用柴油作为单一燃料的一种发动机（以下简称双燃料发动机）。1.3天然气发动机研究现状1.3.1火花塞点火的天然气发动机目前，火花塞点火的天然气发动机主要有两种类型，即天然气-汽油发动机和单燃料天然气发动机。而单燃料天然气发动机又有两种类型：由汽油机改装的天然气发动机和由柴油机改装的天然气发动机。