（动力机械及工程专业论文）火花点火天然气发动机燃烧与排放特性研究.pdf

中文摘要 随着石油资源的逐渐贫乏和人们对环境问题认识的日益突出，如何实现发动 机的节能与降低其有害排放物是维持人类可持续发展的关键。稀燃天然气发动机 具有经济性好、排放低的优点，是满足未来严格排放法规和燃油经济性的手段之 一，因此开展稀燃天然气发动机燃烧与排放特性方面的研究是有意义的。 本文介绍了天然气发动机的控制系统和数据采集系统。借助于数据采集系 统、燃烧分析系统和排放分析仪，试验研究了节气门开度、点火提前角、过量空 气系数等对天然气发动机的燃烧与排放特性影响。研究表明： 在相同工况下，过量空气系数增加时，燃烧持续期逐渐变长，平均指示压力 逐渐变小。随过量空气系数增加，n o x 排放先增大后减小，当过量空气系数为 1 1 时达到最大值，t h c 随过量空气系数的增加先减小后增大。但c o 的排放随 过量空气系数的变大而减少。 随节气门开度的加大，着火逐渐提前，燃烧持续期变短，i m e p 逐渐增加， 但节气门开度大于5 0 后增加趋势变缓。n o x 的生成量随负荷的增加而增加， 但t h c 、c o 逐渐减少。喷气时刻对燃烧的影响与转速和节气门开度有关。节气 门全开时，喷气时刻对i m e p 影响很小。随节气门开度的减小，喷气时刻对i m e p 的影响增加，而且低转速时，最佳喷气时刻较迟；高转速时，最佳喷气时刻较早。 关键词：火花点火、天然气、发动机、混合气、燃烧、排放 a b s t r a c t w i t ht h ed i m i n i s h i n go ff o s s i lf u e lr e s e r v e sa n dg r o w i n gc o n c e r nw i t he n v i r o n m e n t p o l l u t i o n ，h o wt oi m p r o v ee n g i n ef u e le c o n o m ya n dr e d u c ei t se m i s s i o n sb e c o m e st h e p r e c o n d i t i o no fh u m a ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t l e a nb u r nn a t u r a lg a se n g i n ei s f e a t u r e db yg o o df u e le c o n o m ya n dl o w e re x h a u s te m i s s i o n sa n di so n ee f f e c t i v ew a y t om e e ts t r i c te n g i n ee m i s s i o nr e g u l a t i o n s t h e r e f o r e ，i ti sw o r t h i n gi n v e s t i g a t i n gt h e c o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lg a se n g i n e su n d e rl e a nb u r n c o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r , an a t u r a lg a se n g i n e ，w h i c hw a sr e t r o f i r e df r o mat o y o t a8 a g a s o l i n e e n g i n e ，w a se s t a b l i s h e d b a s e do na ne l e c t r o n i c a lc o n t r o lu n i t ，ad a t aa c q u i s i t i o n s y s t e ma n de x h a u s te m i s s i o na n a l y z e r , t h ee f f e c to ft h r o t t l ep o s i t i o n s ，s p a r kt i m i n g ， l a m b d ao nc o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sw a s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nl a m b d ai n c r e a s e s ，c o m b u s t i o nd u r a t i o nl e n g t h e n sa n d i m e pr e d u c e su n d e rt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s w i t hi n c r e a s e dl a m b d a ，n o x e m i s s i o n si n c r e a s e f i r s t l y a n dt h e nd e c r e a s e n o x e m i s s i o n sr e a c hp e a ka t l a m b d a = 1 1 t o t a lh y d r o c a r b o n ( t h c ) e m i s s i o n sh a v et h eo p p o s i t et r e n da sn o x e m i s s i o n s b u te n g i n e o u tc oe m i s s i o n sr e d u c ew i 也i n c r e a s e dl a m b d a w i t h i n c r e a s e dt h r o t t l eo p e np o s i t i o n ，i g n i t i o nt i m i n go c c u r se a r l y , c o m b u s t i o nd u r a t i o n d e c r e a s e sa n di m e pi n c r e a s e s ，b u ti m e pi n c r e a s e sl i t t l eo v e r5 0 t h r o t t l eo p e n p o s i t i o n i nt h em e a n t i m e ，n o xe m i s s i o n si n c r e a s e ，b u tt h ca n dc oe m i s s i o n s g r a d u a l l yd e c r e a s e a tw i d eo p e nt h r o t t l e ，f u e li n j e c t i o nt i m i n g sh a v el i t t l ee f f e c to n i m e ew i t ht h ed e c r e a s eo ft h r o t t l eo p e np o s i t i o n ，t h ee f f e c to fi n j e c t i o nt i m i n g s i n c r e a s e m o r e o v e r , t h eo p t i m u mi n j e c t i o nt i m i n gf o rm a x i m u mi m e pi sl a t ew h e n e n g i n es p e e di sl o w e ra n do c c u r se a r l yw h e ne n g i n es p e e di n c r e a s e s k e y w o r d s ：s p a r ki g n i t i o n ，n a t u r a lg a s ，e n g i n e ，m i x t u r e ，c o m b u s t i o n ，e m i s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢聚忽签字日期：上7 年，多月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗蠢堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：墨幺鳘疋乏 导师签名： 签字日期：山口7 年多月乃日 签字目期： l i 黾氓 岬年么月f d 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着世界经济迅速发展，人口急剧增加，能源消费不断增长，温室气体和各 种有害物质排放的激增，人类的生存环境受到了极大的挑战。因此，2 1 世纪人 类面临的主要问题是能源短缺和生态环境保护。 在西方工业发达国家的大中城市大气污染中，大约5 4 的一氧化碳( c o ) 、 2 8 的碳氢化合物( h c ) 和4 1 的氮氧化物( n o x ) 均来自汽车尾气。在美国， 大气中7 7 3 的c o ，5 5 3 的h c 和5 0 9 的n o x ，来自汽车排放。尤其是在城 市，人口密集，缺少绿地，加上汽车排气口一般离地面6 0 7 0 e r a ，低空排放的汽 车尾气恰好处在人的呼吸带上，其中的各种有害物质经呼吸系统进入人体内，对 人体健康造成较大危害【3 1 1 。 我国的大气污染问题也显得日益突出。据统计，北京等大城市中心地带低空 区域的大气污染主要来自汽车排放【9 】。国际权威机构的报告也显示，目前世界上 空气污染最严重的十个城市中有七个在中国。 在这种形势下，合理地利用矿物资源、开发“清洁燃料”将是人类实现可持 续发展的重要保证。在今后相当长的时间内，汽车发动机燃用气体燃料( 如天然 气、液化石油气) 将是最为现实而且技术相对成熟的方案之一。发展天然气工业 成为世界各国改善环境和维持经济可持续发展的最佳选择。 据地质学家们预测，全球天然气可开采储量约为1 3 1 7 亿吨石油当量，与石 油储量基本相当。随着勘探、开发和储运技术的进步，过去2 0 年内，探明储量 平均每年增长4 9 ，天然气产量平均每年增长3 1 5 【_ 7 1 。有关专家预测，未来 1 0 年内，全世界天然气消费年平均增长率将保持3 9 ，发展速度超过石油、煤 炭或其他任何一种能源，特别是亚洲发展中国家的增长速度会更快。在全球能源 结构中，天然气消费占一次能源消费量的比例将从现在的2 3 8 上升至3 5 。目 前世界天然气年产量已达2 3 2 亿立方米，在能源结构中的比例已增加到2 4 ， 接近煤炭的比例。天然气在发电、工业、民用燃料和化工原料等领域的使用已占 相当高的比例，对促进社会进步，经济发展和人们生活质量的提高正在发挥着越 来越重要的作用【6 】。 近年来，我国汽车工业进入高速发展时期，汽车保有量逐年增加，车用汽、 鼐一章绍论 柴油消耗呈快速增长趋势，雨油供需矛盾也越来越太( 见袭h 1 ) 。从国家能源安 全考虑，我国必须摆脱对石油单一能源的依赖因此，适度调整我国的能源消费 结构以天熟气作为汽车的代用燃料不失为一个合理的选择”l 。 气体燃料主要是天然气( 包括液化石油气) ，是世界上继煤和石油之后的第三 大能源。近年来，天然气资源的探明增长很快。发动机使用天然气和液化石油气 作为燃料，不仅可节约石油资源降低燃料费用而且作为一种“清洁燃料”， 可大大降低城市污染。据预测在未来1 0 年或2 0 年内将超过石油，天然气将成 为2 l 世纪的主导能源，而且在满足世界能源需求和排放法规等方面将发挥越来 越重要的作用。 袭1 1 我国石油的需求与产量对比( 亿吨) 年份 2 0 0 02 0 0 52 0 1 0 需求 2 2836 生产 l617 81 8 9 缺口08l0 21 7 1 我国天然气资源储存量 为3 8 万亿立方米可开采资 源量为1 3 万亿立方米n 图 1 1 给出了我国1 9 8 5 年以来天 然气的年产量嗍。圈l _ 2 给出 了我国和世界的石油和天然 气预期开采年限的比较图表 1 9 。从中我们可以看出，自九 十年代以来我国天然气年产 量迅速增加。从石油可开采年 限来看，我国石油可开采年限 少于世界石油资源，但我国的 天然气可开采年限太于世界 天然气资源，丰言的天然气资 源将为我国天然气发动机的 发展提供可靠的贽潭保证。 口4 雷l 一11 9 8 5 年以来我囝天然气的年产量“ 图i - 2 石油和天然气的预期可开来年限 *h日、l*rk 第一章绪论 1 2 天然气发动机 1 2 1 天然气发动机的特点 天然气是指自然生成，在一定压力下蕴藏于地下的混合气体。其主要成分为 甲烷及少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烃类气体，并可能含有氮、硫化氢及水 蒸气等非烃类气体及少量氦、氩等惰性气体。在石油工业，天然气通常是油田开 采过程中的伴生气。 天然气作为汽车发动机燃料最早始于二十世纪三十年代意大利，但由于其携 带及加气不方便没有被广泛推广使用。二十世纪七十年代前，天然气汽车的发展 都十分缓慢，只是在某些特定地区、特定用途车辆上小规模使用。七十年代以来， 尤其是中东石油危机爆发以后，人们逐步认识到使用天然气代替传统石油产品作 为汽车燃料具有经济、清洁等突出优点后，加快了天然气汽车研究发展和技术进 步的步伐【9 】o 天然气作为汽车发动机燃料，具有以下特点： ( 1 ) 可以替代十分短缺的汽、柴油，充分利用天然气资源。 近几年我国每年汽、柴油缺口越来越大，而石油产量增加幅度变小，产需之 间矛盾日益严重。随着国民经济的发展，汽、柴油的缺口将不断加大。我国天然 气资源相当丰富，天然气工业将有较大发展，用天然气代替汽、柴油是有着良好 发展前景的。 ( 2 ) 天然气发动机的有害排放物少。 天然气的主要成分是甲烷( c h 4 ) ，燃烧后生成二氧化碳和水，产生的温室 气体只有煤炭的1 2 ，石油的2 3 ，对环境造成的污染远远小于石油和煤炭【9 】。燃 用石油系燃料的汽车排出的废气是当今大气环境污染的重要来源。这种移动污染 源对城市空气的污染在西方国家占污染源总量的6 0 7 0 。随着汽车数量的增加， 这种污染危害将更加严重。由于天然气是碳氢原子比最小的烃类化合物，以产生 相同热量计算，甲烷燃烧产生的c 0 2 也可比汽、柴油降低1 5 以上。这对减小 “温室”气体的排放也是大有好处的【1 4 】【3 1 】。 ( 3 ) 安全性能高。 天然气燃点在5 3 7 c 以上，不易形成可燃混合气，所以车用天然气不易产生 火灾事故。天然气气瓶经专门设计和加工，强度高，不易破坏，不易泄露。即使 有管路泄漏现象发生，由于天然气比空气轻，易消散【3 2 】。 ( 4 ) 可改善发动机的效率。 天然气的辛烷值( r o n ) 约为1 3 0 ，而高级汽油的辛烷值在9 6 左右，所以天 第一章绪论 然气有较好的抗爆性，不需要添加抗爆剂等。当天然气用作发动机燃料时，发动 机的合理压缩比为1 2 ，因此可以获得较高的发动机热效率。通过适当地增加点 火提前角，可以提高发动机动力性和经济性。 ( 5 ) 天然气的可燃混合气着火界限宽。 可燃混合气浓度的体积比范围为5 1 5 ，过量空气系数变化范围为0 6 1 8 ， 因此，天然气发动机可采用稀薄燃烧技术。但天然气比汽油着火温度高，火焰传 播速度慢。一般需要用柴油引燃或高能火化点火系统。 ( 6 ) 理论空燃比条件下，天然气发动机的进排气门的热负荷过高。 液体燃料进入气缸有一个气化吸热的过程，特别是汽油机，其进气门和排气 门因液体燃料的气化吸热过程而降温。天然气发动机的气门无此过程。所以，如 果天然气发动机的混合气过浓，势必加重过后燃烧，造成进气门温度和排气门的 温度增加【1 3 】。 ( 7 ) 天然气发动机的容积效率低。 天然气是一种气体燃料，若采用进气管或进气道方式供气，则会减少进入气 缸的空气量，发动机的容积效率会降低1 0 左右，导致内燃机的功率和动力性有 一定程度的下降。 ( 8 ) 天然气组分因产地的不同而异，由此影响燃料的空燃比和辛烷值等参数， 从而影响发动机的动力性、经济性和排放。而且天然气的润滑性能相比汽、柴油 较差，发动机机件磨损严重。此外，天然气比汽、柴油的燃烧速度低，所以使用 理论空然比天然气发动机有较高的缸内温度和排气温度，热损失增加，导致发动 机零部件热负荷过高，使发动机的耐久性变差。 1 2 2 天然气发动机的分类 天然气的燃料供给与控制系统大致经历了混合器机械控制式、混合器机电控 制式、电控单点喷射式、电控多点喷射式等阶段。采用不同的燃料供给与控制系 统，发动机的性能差别很明显，尤其是排放性能明显不同。 按着火方式的不同天然气发动机主要有两种：一是利用柴油引燃天然气均质 混合气的双燃料发动机，二是火花点火的均质混合气天然气发动机。 柴油引燃天然气发动机又叫双燃料( d u a l f u e l ) 发动机。双燃料发动机以少 量的柴油1 0 1 5 或更低作为引燃油量，点燃大部分燃料做功，例如柴油c n g ， 柴油l p g 双燃料发动机。双燃料发动机一方面要控制柴油的喷射量( 保持原高 压喷油系统) ，另一方面还要控制气体燃料的供给，达到合适的油气混合比例， 系统复杂技术难度较大，许多问题仍在研究之中。 对于火花点火的均质混合气天然气发动机来说，由于天然气中的h 含量高， 第一章绪论 燃烧产物中水蒸汽较多，为保证火花塞可靠点燃混合气，一般火花塞间隙较大 ( o 9 m m 左右) ，另外，天然气的着火温度比汽油高，所以点火系统必须采用高 能点火系统。由于天然气发动机缸内燃烧温度比较高，为防止火花塞过热，设计 时选择冷型火花塞。但是在理论空燃比下，天然气发动机的n o x 排放比汽油机 要高，也是由于天然气发动机的缸内温度比较高造成的，所以一般国内外都采用 火花点火天然气发动机来实现稀薄燃烧，来降低缸内温度，从而实现低n o x 的 排放。 按天然气的贮存状态，可将天然气发动机分为常压天然气( n g ) 发动机、 压缩天然气( c n g ) 发动机、液化天然气( l n g ) 发动机与吸附天然气( a n g ) 发动机。常压天然气发动机目前仅用于天然气开采区和石油炼油厂。c n g 发动 机一般是将天然气压缩至2 0 m p a 左右贮存在高压气瓶中，然后供给发动机使用。 液化天然气是在深冷状态( 一1 6 2 ) 下将天然气液化后贮存在绝热的储气瓶中。 这种存储天然气方式的能力高，气瓶的自重较小，但生产l n g 投资费用及能耗 高，经济效益比c n g 差。吸附天然气汽车所携带的天然气燃料采用活性炭等吸 附剂吸附存贮。利用活性炭颗粒结构中的微孔，大量吸附天然气。吸附天然气仍 处于研究开发阶段，若天然气吸附技术实用化，则可大大降低贮运成本，提高天 然气汽车的燃料携带能力，增加天然气汽车的续驶里程。因此，压缩天然气是目 前天然气发动机的主要应用方向。 按供气系统的控制方式分，有机械控制式混合器供气系统、电子控制式混合 器供气系统、电控天然气喷射系统。第一种是在内然机进气系统中增加一套混合 器式天然气供气系统。第二种是在第一代机械控制式混合器基础上，加装电控系 统，进行闭环控制，并采用三元催化后处理器降低排放。电控天然气喷射系统分 为单点电控喷射系统和多点电控喷射系统，其中多点电控喷射系统又有同时喷 射、分组喷射和顺序喷射系统。单点喷射系统可保证形成较均匀的混合气，避免 各缸间充量不均匀对内燃机的性能及排放造成影响。多点顺序喷气方式可实现对 每一个缸的定时定量供气，可以减轻和消除由于气门重叠角存在造成的天然气直 接逸出，形成h c 排放和燃料浪费。而且多点顺序喷气方式易于实现定时定量供 气和层状进气，更准确地控制混合气的空燃比大小，进一步提高内燃机的经济性、 改善排放特性。 1 3 天然气发动机的研究现状 国外对车用柴油机改燃天然气的研究较早，据有关资料报道，改造成电火花 点火式天然气发动机的机型有较多已投放市场。例如依维柯8 2 2 0 及8 4 6 0 t c 型 第一章绪论 【19 1 、康明斯b 5 9 1 9 5 g 及c 8 3 g 型2 0 】、日本的4 b e i 型、卡特彼勒3 3 0 6 型及 福特3 8 0 型、沃尔沃t h g l 0 3 低排放c n g 稀燃发动机1 2 3 】及戴姆勒一克莱斯勒公 司研制了m 9 0 6 l a g 天然气发动机【2 4 】等，其中许多涡轮增压机型的改造也很成 功。 日本日产公司研制的n i s s a n a dv a n 小型超低污染天然气汽车将原汽油机压 缩比从9 5 提高到1 2 8 ，使发动机动力性和转矩有较大提高。低速时其排放为： n o x 为0 0 2 9 k m ，c o 为0 15 9 k i n ，t h c 为0 0 7 9 k r n ，远低于限定值( 日本汽油机 排放限值n o x 为0 4 8g k m ，c o 为2 7 0g k i n ，t h c 为0 3 9 9 k m ) 1 1 8 】 k r i s h n a ns r 等人在柴油引燃天然气发动机上，研究了柴油的引燃量为 3 3 9 m i n 时，喷射时刻对全负荷时发动机n o x 和h c 排放的影响，如图1 3 所示。 n o x 的排放量在上止点前3 5 - 4 0 a 时，达到最大值，喷射时刻为上止点前6 0 a 时，n o x 的排放量迅速下降。还指出，对于柴油引燃的天然气发动机，理 想的柴油喷射量是总能量的2 - 3 。而且引燃柴油的喷射时刻对循环变动也有影 响，喷射早于上止点前6 0 a 或者晚于上止点前1 5 a 都可以使循环变动变大， 如图l - 4 为循环变动随引燃柴油喷射时刻的变化【2 7 1 。 图1 - 3n o x 的变化【2 7 1 笛鹭巧柏为芍砑俘伯 时叫咖0 咖l 由妒嘲m c 图1 - 4 循环波动的变化【2 7 】 a s l a mm u 等人在一台由1 5 l 、4 缸汽油机改装的天然气发动机上进行了实 验，研究表明，在节气门全开( w o t ) 的条件下，天然气发动机的平均有效压 力( b m e p ) e l 原汽油机下降了大约1 6 ，但平均有效油耗( b s f c ) 降低了1 7 。1 8 ， 发出单位功率所消耗的能量比汽油少了1 6 5 m j 。在理论空燃比下，天然气发动 机比汽油机的效率提高了2 9 。c o 排放量减少了8 0 ，c 0 2 减少2 0 ，h c 减 ol2i巴岳iv=l，o 咐 咐 恤 谢 嘴 嘴 暇 啦 哪 哺 哺 第一章绪论 少了5 0 。在过量空气系数为1 2 时，n o x 排放量却比汽油增加了3 3 ，主要 是由于此时缸内温度比汽油机高，而且富剥2 2 】。 在理论空燃比下，通过使用废气再循环( e g r ) 和三效催化器，天然气发动 机可以使n o x 减少9 9 9 ，h c 排放量减少9 0 9 7 1 2 6 l 。可以满足未来严格的排 放法规( 2 5 1 。 s h i g as 等人进行了缸内直接喷射天然气发动机研究，对于缸内直喷天然气 发动机，稀薄燃烧的极限取决于燃料的喷气和点火时刻。在最佳喷气和点火时刻 的条件下，缸内直喷天然气发动机可以实现极其稀薄的分层燃烧。喷孔的数量、 喷嘴的位置及喷嘴与火花塞的安排对燃烧和排放的影响不大【2 引。 在国外，天然气发动机经历了双燃料到单燃料的发展，目前天然气单燃料发 动机已成为主流，并且多采用高能点火和多点顺序喷射技术。国内天然气发动机 的研究现状与国外差距正在逐步缩减。如2 0 0 6 年1 0 月天津珀金斯正式下线“天 然气欧发动机”。同年1 2 月广西玉柴批量生产了j 5 7 0 0 系列火花点火式天然气 发动机，j 5 7 0 0 系列天然气发动机全部燃料为天然气。 稀薄燃烧发动机空燃比大，燃烧循环更接近定容循环，因此其热效率较高， 燃油经济性好。由于稀燃混合气燃烧温度低，燃烧产物的离解损失减小，有助于 燃料的完全燃烧，低温燃烧也会降低气缸壁面的传热损失，对提高热效率有利。 稀薄燃烧发动机一般不受到高负荷时的爆燃极限的限制，可以采用较高压缩比， 这也有利于热效率的提高。采用稀薄混合气燃烧，可减小泵吸损失，使得火花点 火发动机在部分负荷时经济性得到改善。随着空燃比的增加，由于采用稀的混合 气使燃烧温度降低，n o x 的排放明显减少，同时燃烧产物中的氧成分有利于h c 和c o 的氧化，因此，h c 和c o 的排放也减小【1 2 】。 由于稀燃发动机的这些优点，使得稀薄燃烧技术成为内燃机界的热门研究领 域之一。 天然气发动机稀薄燃烧的范围取决于燃烧室的几何形状( 压缩比) 、点火时 刻、点火能量和缸内的湍流强度。为了扩大发动机的稀燃极限，提高稀燃混合气 的燃烧放热速率，改善燃烧稳定性，人们提出了各种解决方案。 1 采用结构紧凑的燃烧室，增大压缩比，加快火焰传播速度。 燃烧室形状对稀燃发动机燃烧稳定性有很大影响。为提高燃烧稳定性，需提 高燃烧速度和点火可靠性。在缸内组织较强的空气运动以增大缸内湍流强度，并 把火花塞置于燃烧室中央，可使燃烧速度加快，火焰传播距离缩短。压缩比升高， 残余废气系数减小，火焰传播速度加快，但压缩比增大受到火花点火发动机爆燃 的限制。 2 采用一定强度的空气运动。 第一章绪论 缸内湍流可使缸内火焰传播速度加快，使已燃气体卷吸率升高，湍流可通过 进气、压缩、膨胀行程等过程产生。日本l n o u et 等人应用新设计的燃烧压力传感 器，通过检测第一缸燃烧压力并依曲轴转角信号精确校正各缸的供油量，配合装 有涡流控制阀( s w i r l c o n t r o l v a l v e ) 和螺旋气道的双进气道系统，扩大了稀薄 燃烧的范围，燃油经济性提高1 0 ，n o x 排放降低3 0 嘣l l 】。 3 高能点火、宽火花塞间隙或多火花塞和火焰引燃。 高能点火和宽火花塞间隙的火花塞有利于火核形成，着火延迟期短，循环变 动小、稀薄燃烧极限大，加快燃烧进行，有利于稀薄燃烧能力的提高。 4 分层燃烧系统。 使火花塞附近形成易于着火的浓混合气，以便有利于点火，其余区域由浓逐 渐变稀。s h i g as 等人进行的缸内直接喷射天然气发动机研究表明，在最佳喷气和 点火时刻的条件下，缸内直喷天然气发动机可以实现极其稀薄的分层燃烧【2 8 1 。 5 h c n g 技术。 加氢天然气( h c n g ) 能改善稀燃天然气发动机的燃烧稳定性，进一步扩展 发动机的稀燃极限，降低h c 和c o 排放；同时通过推迟点火时刻，可以降低n o x 排放：h 2 的加入使得燃料h c 比例升高，降低c 0 2 的排放量；虽然h 2 的体积能量 密度比天然气小，但是在稀燃时，h 2 的加入能明显提高混合气的体积能量密度， 改善稀燃极限时的扭矩特性和热效率。 m a r i eb 等人研究发现，加氢天然气作为火花点火式发动机的燃料，对于提 高热效率有很大的影响，尤其是扩大了稀薄燃烧的范围，使发动机在 l a m b d a = 1 1 - 2 0 的范围内都可以稳定工作，而且c o 、c 0 2 、h c 的排放量减少， 更重要的是l a m b d a 的增加，n o x 的排放明显减岁2 引。 但是稀燃天然气发动机仍然面临着一些挑战： 1 循环波动大。 由于混合气变稀，燃料的低温化学反应时间增加，混合气前锋面形成火焰的 时间和燃烧持续期均增加，加上天然气的燃烧速度慢，导致放热速度下降，使燃 烧恶化，甚至出现失火，循环波动增加，发动机运转稳定性下降。这不但会降低 发动机的效率，又会使h c 排放增加。当空燃比超过天然气的稀薄燃烧范围值后， 失火频率提高，发动机的燃烧与排放急剧恶化。 2 t h c 排放高。 天然气发动机的h c 排放物主要是甲烷，而且甲烷是最难氧化的碳氢化合物 【l 】。稀薄燃烧天然气发动机相比汽、柴油机，在大部分工况下的排气温度都低于 7 5 0 k 【4 1 1 ，低的排气温度增加了甲烷的氧化难度，使t h c 的后期氧化率降低。 3 n o x 排放控制难。 第一章绪论 稀燃天然气发动机的n o x 排放控制困难。传统的三效催化器不能高效地发 挥作用，需采用稀燃n o x 还原剂。 1 4 本文选题意义和内容 节约能源与降低有害排放物一直是内燃机研究中的两大主题。为了满足不断 严格的汽车排放法规和节约石油能源，人们一直在节能和改善排放方面做着大量 的研究工作。除从车用发动机结构和控制方面下手尽可能减少内燃机有害排放物 外，采用天然气作为代用燃料也是一种有效的措施。 天然气发动机的稀薄燃烧技术能在提高热效率的同时，降低n o x 、c o 等排 放，被认为是满足未来严格的排放法规和燃油经济性要求的一种有效途径。本文 以天然气发动机稀薄燃烧为主要研究对象，通过各控制参数对稀薄燃烧天然气发 动机性能和排放的影响，揭示稀薄燃烧天然气发动机的规律。 主要研究内容是： 1 点火提前角对天然气发动机燃烧性能和排放的影响。 2 过量空气系数对天然气发动机燃烧性能和排放的影响。 3 节气门开度对天然气发动机燃烧性能和排放的影响。 第二童天摭气麓动机试验，r 台 2 1 天然气发动机 第二章天然气发动机试验平台 天然气发动机是在丰田8 a 汽油机的基础上设计改装而成的。丰田8 a f e 发 动机是4 缸1 6 气门电喷式汽油机，它的主要技术参数见表2 - 表2 - 1 丰日8 a f e 发动机的主要技术参数 气缸型式立式、四冲程、水冷、直列汽缸数4 缸 气门型式每缸4 气门、双顶置凸轮轴缸径x 行程( 毫米) 7 87 6 9 燃料供给闭环多点电控燃油喷射捧量( l ) 13 4 2 汽缸工作顺序 1 - 3 4 - 2 压缩比 9 3 天然气发动机是在原汽油机的基础上 通过重新设计供气系统和点火系统改装而 成的。为了克服喷油器喷气量不一致造成 的各缸喷气不均匀，试验时只在第一缸燃 用天然气燃料，其余三缸仍燃用汽油。数 据采集的是第一缸的气缸压力。改装后的 天然气发动机的整体试验台架如图2 - 1 。整 个实验台架主要分为三部分：天然气供气 系统、点火系统和电子控制系统。 2 2 天然气发动机供气系统 隧鬻搠 繁隧 圈2 - 1 天然气发动机实验台架 天然气的供给方式在很大程度上影响天然气发动机的动力性、经济性、捧放 和安全可靠性。天然气发动机的供气形式有两大类：缸外供气方式和缸内供气方 式。前者主要包括进气道混合罂预混合供气和缸外进气歧管处喷射供气；后者主 要包括缸内高压喷射供气和低压喷射供气。其中缸内低压喷射是在压缩行程前期 喷射天然气，这种喷射方式主要用在压缩比较低的点燃式气体燃料发动机上；缸 内高压喷射将气体燃料先压缩到规定压力( 1 5 - 2 0 m p a ) 气体喷射阀在接近压 缩行程终点时直接将气体燃料喷 缸内的热空气中，这种喷射方式主要用在压缩 第：一：章天然气发动机试验平台 比较高的气体燃料发动机上。 2 2 1 天然气发动机供气系统的总体布置 天然气发动机供气系统的总体布置示意图如图2 2 所示。天然气从高压储气 瓶内经手动阀门和总控阀流出，并经过过滤器滤去气体燃料中的杂质，然后，天 然气流经单向阀，再流经天然气流量测量计，经一级和二级减压阀将天然气压力 减至喷射阀所要求的喷气压力后送入天然气气轨。根据发动机的转速和负荷大 小，通过电控单元控制喷气阀的喷气时刻和脉宽，将天然气喷入进气道内，与空 气一道被吸入气缸内，实现天然气发动机的供气。 天 然 气 气 瓶 图2 - 2 天然气发动机供气系 天然气喷射量的大小是由喷射脉宽的长短来控制的。由于天然气的压力对其 密度的影响较大，喷气阀背压大小的波动就会影响相同脉宽时的喷射量，因此， 天然气在进入喷气阀之前首先要通过一个气轨来稳定压力。气轨容积过小，则喷 气阀工作时气轨内的压力波动就比较大；气轨容积过大，则会造成安装不方便。 为此，参考柴油机共轨管容积的确定方法来确定天然气气轨的容积。一般柴油机 高压共轨管中压力波动率控制在3 5 以内，并以此设定最小共轨管容积【l 引。因 此，根据汽油机最大功率时的耗油量折算成天然气的消耗量，然后折算出每个喷 气阀每次喷射的体积，以该体积的2 8 倍作为气轨的容积，即每次喷射造成的压 力波动小于3 5 【4 4 1 。 1 储气瓶 为了在有限的容积内存储更多的气体，天然气瓶的储气压力一般为2 0 m p a 。 储气瓶的选型主要考虑安全性，在此前提下，质量应尽量小。目前，大多采用高 第二章天然气发动机试验、f 台 强度的钢材来做气瓶。为了减轻自身质晕，也有用合金钢或用玻璃刚与金属配合 制成的气瓶及复合材料气瓶等。 2 减压阀 减压阀的作用是使天然气在进入电磁喷射阀之前将压力降低到所要求的喷 射压力，它是气体燃料供给系统中关键的部件。为了保证减压阀的可靠工作，应 该满足以下基本要求： ( 1 ) 将高压储气瓶中的天然气压力降低至所要求的供气压力，且不受气瓶 内压力和耗气量的影响。 ( 2 ) 在发动机停机时，能将天然气自动关闭。 ( 3 ) 压力可调，可根据需要调节出口压力。 ( 4 ) 确保安全无泄露。 ( 5 ) 由于高压气通过减压阀时的节流减压作用，使出口温度降低，尤其在 发动机高速大负荷情况下较严重，甚至会出现减压阀霜冻的现象，天然气中的水 分会结冰堵塞减压阀通道，因此，还要求减压阀上有加热通道。本系统采用的是 北京兰天达公司生产的天然气减压阀，用发动机的冷却水来加热天然气减压阀， 防止减压阀出现霜冻现象，保证天然气减压阀的正常工作。 3 喷气阀 天然气喷气阀是天然气供给系统最为关键的部件，它的选择要保证发动机在 怠速及小负荷时e c u 对微小喷射量的控制精度和大负荷时的最大供气量。此外， 喷气阀要具有良好的一致性、可靠性以及动态响应特性，这是e c u 对喷气量和 喷气时刻进行精确控制的前提和保证。本试验中选用了贵州红林机械厂生产的喷 气阀。该阀为二通常闭式球阀电磁驱动结构，具有分配、计量、定时功能、喷射 量采用脉宽调制控制方式，工作频率1 0 0 h z ，喷射流量控制具有好的线性度，动 作准确，耐用可靠，重复性好，抗污染能力强。该阀为高速响应喷射阀，利用其 快速响应性、稳定性及重复性，精确控制燃气喷射量。 2 3 天然气发动机的点火系统 1 高能点火模块 稀燃天然气发动机需要更高的点火能量。为此，本实验选用了b o s c h 高能 点火模块。该点火模块已集成点火驱动模块，无需在e m s ( e n g i n em a n a g e m e n t s y s t e m ) 中设计点火驱动模块，只需点火控制系统输入5 v 的点火触发方波信号， 即可实现点火功能。由于该点火模块集成了点火驱动模块，当点火控制系统输入 5 v 方波点火信号后，点火模块内部的驱动模块控制点火线圈的充电和放电时刻。 第一：章天然气发动机试验平台 5 v 方波信号的高电平触发点火模块充电，充电电流的大小由点火线圈内部驱动 模块控制，信号的下降沿触发火花塞放电时刻。该模块的内部驱动电路有自我保 护功能，即使充电脉宽较大，点火线圈的初级线圈也不会因过充而损坏。 该模块采用分组点火方式，即l 、4 缸同时点火，2 、3 缸同时点火。由于1 缸在压缩上止点附近时，4 缸处于排气上止点附近，此时1 缸点火，而4 缸此时 的点火为冗余点火，2 缸和3 缸同理。这样整个发动机还是按循环次序( 1 342 ) 点火，只不过每次点火有两缸的火花塞同时放电。 2 火花塞 火花塞将点火线圈形成的脉冲高压电引入燃烧室，在电极间产生电火花，引 燃混合气。火花塞的重要性能是热特性，它是保持火花塞自洁温度和承受热负荷 能力的标志。火花塞可以分为热型、冷型、中型。考虑所设计的天然气发动机的 结构及天然气燃料的燃烧特性，选择中型或偏冷型的火花塞【l 6 1 。 火花塞电极间隙大，不仅有利于在电极间有更多的混合气接触而迅速点燃， 而且能提高点火能量，从而提高发动机的性能和扩大天然气发动机的稀薄燃烧的 范围，但它受点火电压和点火能量的制约。天然气发动机在低温下起动困难，甚 至不如汽油机，一个重要原因是气体燃料的物理化学性质，因为天然气的分子结 构中，含有较多的氢( c h 4 与汽油相比) ，燃烧时产生较多的水蒸气，会在发动机 中产生火花塞电极分路，破坏电火花形成。因此燃用天然气时，火花塞电极的最 佳间隙应该比汽油机的火花塞间隙稍宽一些。本研究采用了天然气发动机专用的 火花塞。 2 4 天然气发动机的控制系统 电控系统的基本功能是根据发动机的工作状态实现天然气的多点顺序喷射 及点火，并能调整各缸喷射阀的喷射时刻和喷射持续期，以及各缸点火线圈的充 电持续期和点火时刻。 图2 3 为天然气发动机电控系统的结构图。天然气发动机电控系统包括两个 部分，即电控单元( 下位机，e c u ) 和p c 机监控系统( 上位机) 。天然气发动 机电控单元包括电子控制喷射系统和高能点火系统。电控喷射系统能根据发动机 的转速和负荷控制天然气的喷射脉宽和喷射时刻。高能点火系统能实现点火能量 和点火时刻的控制。p c 机监控系统是发动机试验参数的调试平台，可将控制参 数发送到e c u ，实现人机数据交换。电控单元是联系p c 机监控系统和发动机的 纽带，而监控系统是电控单元在线显示和参数设置的平台。 筇：章天然气发动机试验平台 图2 - 3 天然气发动机电控系统 2 4 1 天然气发动机电控系统的硬件 电控系统是基于i n f i n e o n x c l 6 4 c s 评估板完成的。图2 - 4 为天然气发动机电 控系统的硬件系统框图。 信 信 图2 _ 4 天然气发动机电控系统硬件系统简图 天然气发动机电控单元由输入信号处理模块、微控制器模块、输出信号处理 模块、电源模块和通讯模块几部分构成。输入信号处理模块主要是对发动机的传 感器信号，包括同步信号以及角标信号，处理转换成e c u 能识别的参量，从而 获取发动机的运转状态。输出信号模块是将e c u 给出的控制信号，通过功率放 大电路放大后，来驱动喷气阀和点火线圈。微控制器模块是以i n f e n i o n x c l 6 4 单 片机为核心的最小用户系统。通讯模块主要是与p c 机通讯的接1 2 1 电路，以实现 上位机和下位机之间的数据通讯。 第? 章天然气发动机试验平台 i n f e n i o n 微控制器型号为s a f x c l 6 4 c s 一8 f 2 0 f ，它是i n f i n e o n l6 位c m o s 单片机家族中经改进后的新一代的代表，在目前的1 6 位控制器中性能表现优越。 它具有接近d s p 的运算处理能力、先进的中断系统、高性能的片上r o m f l a s h 内存、强大的片上集成外设子系统。同时，x c l 6 6 族单片机把片内外围模块与 c p u 核明显分开。这种结构使大量操作可以并行执行。每个外围模块独立地对 数据进行处理，并通过公共总线交换信息。外围模块是通过专用寄存器写入相应 的数据进行控制的。这些内置的外围模块，或是用作c p u 与外部设备的接口， 或是提供在片的功能，这些功能在其他类似的单片机中是需要外加的。 c p u 和外围模块内部的动作节拍是以c p u 时钟为基准的。c p u 时钟信号 由石英晶体产生的片内震荡信号或外部时钟信号生成。 这些优越性使其成为汽车控制领域的理想选择。 2 4 2 天然气发动机控制系统平台 要实现天然气发动机的多点顺序喷射，必须要能正确地判断发动机凸轮轴和 曲轴位置，为此本系统利用增量型旋转编码器和光电开关来判别发动机曲轴的相 对位置。 增量型旋转编码器安装在曲轴前端。它每0 5 0 c a 发出一个脉冲信号。光电 开关安装在凸轮轴前端，发动机每工作一个循环，光电开关就发出一个同步信号。 在安装光电开关时，将其同步信号上升沿调至一缸的进气上止点。根据这个时序 关系，由软件进行计数和气缸工作顺序的判断，并将相应的控制信号输出到相应 的驱动电路，这样就能按照各缸的工作顺序在适当的时刻喷气和点火。 角标信号输入到单片机的计数器。同步信号作为触发信号输入的单片机，当 单片机的端口监测到同步信号的上升沿时，表示发动机一缸到达压缩上止点，计 数器清零，并开始计数。当计数器记录到7 2 0 时表示一缸到达压缩上止点，然后 按照1 3 - 4 2 的发火顺序就可以确定各缸的位置，并实现各缸喷气和点火时刻的 准确控制。当单片机再次检测到上升沿时，表示一个工作循环结束，计数器停止 并清零，然后开始重新计数，进入下一个工作循环的计数，从而实现四缸发动机 的多点顺序喷射和定时点火控制。 p c 机监控系统是进行电控单元开发和调试工作的重要部分，也是进行电控 发动机试验参数研究的人机交换界面。通过发动机监控系统，可以在线跟踪电控 单元的工作状态，实时对电控单元的控制参数进行干预和修正。 第章天然气发动机试驺p 台 图2 - 5 天然气发动机p c 机监控系统 p c 机监控系统是集事件控制、数据实时显示和存储、数据处理等功能于一 体的人机交换界面。监控系统的功能是：首先能实时显示发动机工作过程中的主 要参数及工作状态，同时能根据发动机的工况在线修改电控单元的控制参数。其 次它可以按照需要记录运行数据，输出并进行打印数据等。最后，为安全性考 虑监控系统还能发出迅速停车命令。当发动机工作异常时，可以迅速切断天然 气的供气和点火。 发动机控制系统采用上位机和下位机的模式，上位机通过串口和电控单元 e c