（动力机械及工程专业论文）火花点火复合供气天然气发动机燃烧过程的研究.pdf

中文摘要 随着石油资源的日益减少，寻找可替代能源己成为当务之急。天然气具有资 源丰富、低污染的优点，因而受到了人们的极大关注。发展天然气发动机是解决 传统能源危机的一个有效办法。 本文介绍了天然气工业以及天然气发动机的发展状况，并指出天然气发动机 在我国的巨大潜力。 本文设计了具有分隔式燃烧室( 涡流室) 的火花点火天然气发动机。所用天 然气试验样机是由s 1 9 5 单缸柴油机改装而成，改装工作包括燃烧室的改装设计， 电控系统和供气系统的设计。燃烧室由位于活塞项的主燃室，位于气缸盖上的副 燃室和连通主副燃烧室的通道组成。 设计了电控系统，分别控制天然气的喷射过程与火花塞的点火过程。针对天 然气喷射系统，在进气管处设置低压喷射阀，天然气在进气系统中与空气混合后 被吸入主燃烧室内，形成稀混合气；副室内设置高压喷射阀以此在副燃烧室内形 成浓度较高的混合气，副燃烧室的混合气被点燃后喷射进入主燃烧室，二次点燃 主燃烧室内的稀混合气，以此来形成分层燃烧。试验证明，该系统能够实现稳定 点火；主燃烧室的形状对h c 有很大的影响；通道直径对n o x 的生成有很大的影 响；高压低压气的比例同时影响h c 和n o x 。 关键词：火花点火分层燃烧天然气发动机复合供气 a b s t r a c t w i t ht h ed e c r e a s i n go fp e t r o l e u mr e s o u r c e ，i tb e c a m ea nu r g e n ta f f a i rt ol o o kf o r a l t e r n a t i v ef u e ln o w t h en a t u r a lg a sh a sa t t r a c t e dal o ta t t e n t i o nd u e t oi t sa d v a n t a g e i nc o s ta n de m i s s i o n d e v e l o p i n gn a t u r a lg a se n g i n ei so n eo fe f f e c t i v em e a n s t os o l v e t h et r a d i t i o n a le n e r g yc r i s i s t h ed e v e l o p m e n to fn a t u r a lg a sa n dn a t u r a lg a se n g i n ea r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s n a t u r a lg a se n g i n eh a sag o o df u t u r ei nc h i n a t h i sp a p e rp r e s e n t san e w l yd e s i g n e ds p a r ki g n i t i o nd i v i d e dc h a m b e r c o m b u s t i o n s y s t e mo ft h en a t u r a lg a se n g i n e t h es t u d yh a sb e e nd o n eu s i n ga p r o t o t y p et e s t e n g i n em o d i f i e df r o mt h es 19 5s i n g l ec y l i n d e re n g i n e t h em o d i f i c a t i o ni n c l u d e st h e d e s i g n i n go fc h a m b e r s ，s c mc o n t r o ls y s t e ma n dn a t u r a lg a ss u p p l ys y s t e m t h e c 0 岫t i o nc h 铷曲e rc o n s i s t so ft h em a i nc o m b u s t i o nc h a m b e ro nt h et o po ft h e p i s t o n ，t h ea u x i l i a r yc o m b u s t i o nc h a m b e ri n t h ec y l i n d e rh e a da n dt h ep a s s a g e b e t w e e nt h em a i na n da u x i l i a r yc h a m b e r s a ne l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d ，w h i c hc o u l dc h a n g et h ec n g i n j e c t o r t i m i n ga n dt h ei g n i t i o nt i m i n ga ta n y t i m e t h ec n gi n j e c t e db yl o wp r e s s u r ei n j e c t o r t h a tl o c a t e do nt h ec h a r g ea i rp i p em i xw i t ha i r , a n dt h e ng e ti n t om a i nc o m b u s t i o n c h 龇t h a tf o r ml e a nm i x t u r e h i g hp r e s s u r ei n j e e t o ri n j e e tc n g f o r mt h i c k m i x t u r ei nt h ea u x i l i a r yc o m b u s t i o nc h a m b e r t h ei g n i t e dt h i c km i x t u r ei na u x i l i a r y c o m b u s t i o nc h a m b e ri g n i t et h el e a nm i x t u r eb ys p r e a d i n gt o n l a l nc o m b u s i o n c h a m b e r s ot h a tf o r ms t r a t i f i e db u r n i ti sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mc a nr e a l i z ei g n i t i o n s t a b l y ，t h es h a p eo fm a i nc o m b u s t i o nc h a m b e r e f f e c th c ，p a s s a g ed i a m e t e re f f e c tn o x , t h er a t i oo fh i g hp r e s s u r eg a sa n d l o wp r e s s u r eg a se f f e c tb o t hh c a n dn o x k e yw o r d s ：s p a r ki g n i t i o n ，s t r a t i f i e db u r n ，c n ge n g i n e ，c o m p o u n ds u p p l y 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，也不包含为获得苤盗苤茎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。 学位论文作者签名：萍畚强、签字日期：矿7 年月，如 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞苤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) 学位论文作者签名朱占，叛 签字日期妒7 年乡月t 苗 一名： 饮戈瞻 蝴期：之呷年多月矿日 第一章绍论 第一章绪论 随着能源的减少和环境的日益恶化，目前国内外研究人员在内燃机代用燃料 方面的研究已取得了很大的进展。目前，应用较多的内燃机代用燃料主要有天然 气、液化石油气、甲醇和乙醇等。其中以天然气应用的最多，最具广阔前景。天 然气汽车( n g v ) 可分为液化天然气汽车( l n g v ) 、压缩天然气汽车( c n g v ) 和吸附天 然气汽车( a n g v ) 。 1 1 引言 世界石油资源危机和生态环境保护是2 1 世纪人类面临的主要问题。在石油 资源日益减少的今天，合理地利用资源并开发“清洁燃料”将是人类面临的首要 问题，采用电能、太阳能以及氢能等新能源作为内燃机燃料在未来将会成为可能， 但是在今后较长的一段时间内，气体燃料( 如天然气、液化石油气) 是最为现实和 技术上比较成熟的石油代用能源【1 】。 天然气等气体燃料是世界上继煤和石油之后的第三大能源。目前天然气资源 的探明量增长很快，据预测将在1 0 2 0 年内超过石油。天然气将成为2 1 世纪的 主导能源，并在满足世界能源需求方面发挥越来越重要的作用【2 1 。在大中城市， 推广使用天然气和液化石油气汽车，不仅可以节约石油资源，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。因此汽车燃用天然气和液化石 油气受到世界各国重视。美国3 2 个州已经制订了汽车代用燃料计划，其中3 1 个 州将天然气列为首选代用燃料1 2 1 。据统计到2 0 0 1 年底共有4 0 多个国家，总计使 用燃气汽车约5 0 0 万辆，其中天然气汽车保有量约1 0 0 万辆，液化石油气汽车约 4 0 0 万辆【3 】o 天然气作为清洁、廉价的能源，正受到世界各国的极大重视。一般说来，天 然气发动机的热效率比柴油机低的多。但近年来，由于燃烧系统的研究取得了很 大的进展，使得天然气发动机的热效率得到很大地提高。天然气发动机的有害气 体排放量比柴油机和汽油机都低，尤其是在油田或输气管线附近，可以就地采用， 其经济效益更加显著。因此采用天然气发动机是最近2 0 年内节约能源、净化空 气的最合理的方法。有关人士认为发展天然气汽车是解决能源和环境保护问题的 战略性措施。 第一章绪论 1 2 天然气的物化特性和发展现状 1 2 1 世界天然气工业发展现状 工业国家从2 0 世纪初就开始进行天然气利用的研究，n _ 7 _ - 十世纪三、四十 年代已达相当水平。近2 0 年来，天然气探明储量以每年约5 的速度增长，产量 的增长速度也达到年均3 3 5 。目前世界天然气年产量已达2 3 2 万亿立方米， 在能源结构中的比例己增加到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中的使用已占有相当高的比重。天然气的广泛使用对促 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。 目前，北美、欧洲、独联体等地区跨国家、跨城市主要管网已经相当完善， 将天然气资源地、管线、市场消费联为一体，成为天然气消费的主要地区，其居 民生活所用的燃料中，天然气所占的比重高达3 0 - 5 0 。纵观这些国家天然气 工业的发展历史，其市场发展经历了三个阶段：第一阶段是国内市场阶段，即 2 0 世纪6 0 年代之前，政府对天然气市场全面控制；第二阶段是区域市场阶段， 即6 0 - - 7 0 年代，生产国向消费国出口：第三阶段，全球市场阶段，形成洲际天 然气管道，采用l n g ，实现跨地区运输。然而，在经济欠发达，且远离天然气 资源产地的国家和地区，天然气管网建设进展缓慢，严重地制约了天然气市场的 发展。 全世界天然气储采比很高( 7 0 - 1 ) ，而且天然气探明储量正在快速增长。石 油和煤炭消费领域里有7 0 以上都可以用天然气取代，特别是人类环境意识不断 增强，清洁燃料的使用正在越来越受到重视。在全球范围内天然气取代石油的步 伐加快，尤其是在东北亚、南亚、东南亚和南美地区，随着天然气输送管网的建 设，天然气在二十一世纪初期将经历更快的发展。据国际权威机构预测，2 0 1 0 年前后，天然气在全球能源结构中的份额将超过煤炭，2 0 2 0 年前后，将超过石 油，成为能源组成中的第一能源。天然气的快速发展和重要地位，预计将保持相 当长的时期，特别是亚洲发展中国家的增长速度会更快。未来十年内，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 【4 】 o 1 ) 世界天然气资源丰富，但分布不均衡。 世界天然气资源分布与石油分布有密切的相关性，世界6 8 石油储量集中于 中东各国，前苏联、北美、中南美和非洲分别占6 8 ，亚太地区仅占4 4 ，与 之类似，天然气储量8 0 集中于俄罗斯、中东和中亚地区，其中，中东和俄罗斯 东欧部分的天然气储量分别占3 9 。 第一章绪论 2 ) 世界天然气消费日益普及。 由于资源分布的不均衡性和世界经济发展的地区性差异，各个国家和地区天 然气消费水平存在明显的不同。世界天然气消费市场大体可划分为北美洲、欧洲、 前苏联和亚洲四个区域。发达国家是天然气的主要消费者，世界经合组织国家 ( o e c d ) 天然气年消费量达到1 2 7 万亿立方米，占世界总消费量的5 5 ，近 1 0 年来其消费量仍以3 的速度增长。前苏联地区由于天然气资源极为丰富，总 计年消费量达到o 5 万亿立方米，而发展中国家受资源条件和经济发展水平的限 制，年消费量总和仅为0 5 万亿立方米。亚太地区由于远离资源产地，传统上以 煤炭、石油为主要能源，天然气总消费量仅为o 2 7 万亿立方米，其中近一半为 进口的液化天然气。 北美洲的天然气年消费量为o 7 2 万亿立方米，占全世界的2 9 5 ，其中美国 是最主要的天然气消费市场，年需求量为0 6 4 万亿立方米，天然气占其所需一 次能源的2 4 。今后几年，由于美国发电需求增长强劲以及大量兴建燃气电厂， 天然气消费将急剧增加，到2 0 1 0 、年，天然气发电将占美国新增发电能力的 8 0 9 0 左右，根据美国能源信息署的长期预测，2 0 1 0 年美国的天然气消费量 可能达到0 8 4 万亿立方米【4 】。 前苏联地区天然气消费占一次能源需求总量的5 0 以上，随着俄罗斯等国家 的经济复苏，住宅和商业用气进一步增加，天然气消费将大大提高。因此有关专 家预测，到2 0 1 0 年前苏联的天然气消费将增加到0 6 5 万亿立方米年，其中俄罗 斯的消费量将达到0 4 2 万亿立方米年。 2 0 0 0 年欧洲( 除东欧以外) 天然气用量为0 4 9 万亿立方米，占一次能源需 求的2 3 左右，在西欧和中欧地区，由于气候转暖，住宅和商业用气较少，天然 气发电的用气需求不断增长，一定程度上弥补了居民用气的萎缩。西欧的天然气 消费在能源消费中所占比例较高，但分布也不均衡，如在荷兰，天然气占一次能 源消费量的4 1 ，英国占3 7 ，意大利占3 3 ，天然气的市场占有率已经达到 很高的水平，其他一些国家却相对低些，天然气在一次能源消费中的比例不足 1 5 ，但是法国、西班牙、希腊、土耳其、瑞典等国家已经拥有相当数量的天然气 基础设施。欧洲的许多国家天然气消费增长潜力巨大，特别是在欧洲南部国家， 天然气消费正稳步扩大。根据预测，到2 0 1 0 年欧洲的天然气需求将会达到o 6 5 到0 6 8 万亿立方米1 4 j 。 二十世纪8 0 年代以来亚太地区经济快速发展，能源消耗迅速增长，同时对 环境问题更加重视，天然气需求呈快速增加的趋势，2 0 0 0 年亚洲天然气用量达 到0 2 9 万亿立方米，约占一次能源需求量的1 1 ，其中印度尼西亚3 1 、泰国 2 5 和印度8 。近年来，日本、韩国和中国台湾正在逐步取消对天然气消费的 第一章绪论 管制，促进了天然气需求的增长，其中电力部门的天然气消费增长最为明显。中 国、印度和孟加拉国等国天然气需求也在不断增加。到2 0 1 0 年亚太地区的天然 气需求将会达到o 4 5 万亿立方米。 3 ) 技术进步扩展了天然气资源利用的新途径。 由于跨洲、跨地区的天然气输送管线很少，覆盖范围有限，限制了世界天然 气贸易的开展，年贸易量仅为o 5 5 万亿立方米，其中0 1 1 万亿立方米为液化天 然气。目前世界其他地区天然气输送网络也正在建设，天然气市场日益完善，这 将大大促进世界天然气消费。例如，拉丁美洲的天然气输送网络已经建成，生产 区与消费区已经实现连通。中东地区拥有大量的天然气资源，有关国家正在研究 建立一个区域性的输送网络，这将进一步推动这一地区天然气的开发与消费。非 洲地区天然气消费也正在增加，传统的消费部门特别是电力部门对天然气的需求 不断增长。 目前，天然气从产地到市场之间的运输方法有两种：一是用通过输气管道将 天然气送往用户，运送距离通常在1 6 5 0 3 3 0 0 公里范围之间；另一种方法是将天 然气在1 6 0 的低温下使其变成液态，成为液化天然气，即l n g ，然后，用船 将l n g 运往使用地区，在使用地区建设接收终端，再将l n g 重新还原为气态， 通过管道将天然气送往发电厂和其他用户，这种方法使天然气实现了跨洲运输。 液化天然气技术从六十年代开始商业化，至今已有三、四十多年的历史，液 化天然气一直是当今世界能源供应中成长速度最快的品种。预期今后十年内 l n g 的年增长速度仍可达7 ，大致为全球天然气生产增速的两倍，为原油增长 速度的3 倍，到2 0 1 0 年，全球l n g 市场规模可能为当前规模的两倍。目前，全 球天然气产品中有2 0 通过国际贸易的形式销售，其中7 5 依靠管道输送，其 余2 5 以l n g 形式用船舶进行运输。可见，技术进步拓展了天然气消费市场， 推动了天然气消费的增加。 天然气和天然气产品开发应用的新技术、新方法和新手段仍在不断增加。用 天然气生产高热值的高级别燃料柴油，使用时污染小，产品拥有极广阔市场。用 天然气生产甲醇，而甲醇可用作内燃机和涡轮机燃料，也可用于燃料电池。用天 然气生产的二甲醚( d m e ) 是一种燃烧清洁的燃料( 不排放硫、颗粒物或者重 金属) ，适合代替汽油和柴油，用于天然气涡轮机发电。提高陆上和海洋伴生气 价值的其他方案也正在研究之中，其中，输送一种水合油浆的天然气水合物 ( n g h ) 技术是目前各发达国家研究的热门话题。 1 2 2 我国天然气工业的发展现状 我国天然气利用已有相当悠久的历史，但天然气工业起步较晚，1 9 5 3 年天然 第一章绪论 气消费量仅占全国能源消费总量的0 0 2 ，此后相当长时间内发展极为缓慢。改 革开放以来，我国天然气开发和利用有了很大发展，尤其在东北、西北、四川和 沿海地区。1 9 9 6 年产量首次突破2 0 0 亿立方米大关，开始进入产量快速增长期。 “九五”期间天然气产量年均增幅达到1 0 ，2 0 0 1 年天然气产量达到3 0 3 亿立 方米，是1 9 9 5 年的1 6 倍。以四j l i 为例，2 0 0 0 年天然气总资源量达7 4 万亿立 方米，生产天然气1 0 0 亿立方米，消费量为9 0 亿立方米，占次性能源消耗的 1 4 ，高于日本、法国的天然气消费水平。全省6 0 工业产值与天然气有关， 7 0 企业使用天然气，天然气在四川g d p 增长中占重要地位。近年来，北京、 天津、重庆、成都等大中城市先后把天然气作为清洁燃料用于工业和居民生活， 并已开始使用天然气汽车，这也在一定程度上遏制了城市大气环境的恶化。 目前，我国已建成天然气输送管道约2 万多公里，其中主要有：陕北北京、 天津；陕北西安；陕北一银川；鄯善一乌鲁木齐；四川盆地；南海崖城一香港、海 南；东海平湖上海；渤海锦州一锦西；渤西塘沽，西气东输工程也于2 0 0 4 年1 2 月3 0 日投入运营【4 】，我国天然气管网已具有一定规模，为天然气工业的快速发 展奠定了一定的基础。 总的来说，我国天然气的开发利用尚处于初级阶段，与世界发达国家或地区 相比还有较大差距，目前我国天然气年消费量不足4 0 0 亿立方米，仅占能源消费 结构的3 ，西气东输工程每年将增加1 2 0 亿立方米天然气供应【4 】，但仍远低于 2 4 的世界平均水平和8 8 的亚洲平均水平。 我国是世界能源消费大国，但我国能源结构矛盾十分突出。在我国的能源消 耗结构中，煤炭比重过大( 7 0 ) 。煤炭提供大量能源的同时，也带来了严重的 污染。我国二氧化硫总排放量已超过美国，二氧化碳的排放量也位居世界第二。 根据有关国际公约，今后我国减排温室气体的压力日益加大，尽快改善我国的能 源结构，减少污染物的排放，是我国能源结构调整的重要方向。中国将重点开发 利用天然气和水力资源等清洁能源，实行“西气东输”和“西电东送”，将有效 地控制温室气体排放，逐步优化能源结构，从而达到逐步改善环境，保护生态， 实现中长期可持续发展的目标。 加快天然气的开发利用，不仅是实现能源供应多元化的需要，也是适应世界 能源发展趋势，实现可持续发展的需要。随着我国现代化的逐步实现，天然气这 个巨大的市场也将逐步启动。有专业人士预计今后1 0 - 2 0 年间将是我国天然气开 发利用呈现跨跃式发展的时期，天然气的利用和天然气工程的建设等各方面都将 会有较大的增长和发展。 在未来2 0 年中国的经济发展仍然将保持快速增长，国内生产总值( g d p ) 年均增长率仍然可达7 0 8 o ，能源消费弹性系数为o 4 0 0 5 0 ，煤炭消费弹性 第一章绪论 系数约为0 3 ，石油约为0 5 ，天然气为1 4 1 5 ，次电力为0 5 0 6 。在未来2 0 年，中国能源消费构成中，天然气的消费增长速度最快，预计平均每年增长速度 可达9 1 0 ，水电等一次能源增长率为3 7 - 4 ，石油的消费增长率为4 5 ， 煤炭的消费增长速度仍然高于发达国家的平均水平而低于发展中国家的平均水 平，相当于全球平均增长速度，约为1 6 【5 】。由于工业结构调整力度进一步加大 和国家对环保要求的提高，使天然气在整个能源消费结构中所占比例明显提高。 天然气资源丰富且潜力巨大，全国第二轮油气资源评价结果表明，全国天然 气地质资源总量为3 8 万亿立方米，其中陆上资源量为3 0 万亿立方米，海域资源 量为8 万亿立方米，预计天然气可采资源量约1 0 5 万亿立方米。到目前为止， 累计探明天然气地质储量2 3 万亿立方米，探明可采储量1 4 8 万亿立方米，可采 资源探明程度仅为1 4 ，最近十年来，我国天然气探明储量平均每年以1 2 亿立 方米的速度增长，至1 9 9 9 年底，己达2 2 万亿立方米。但我国天然气探明率仍 然很低，大大低于美国( 7 6 ) 、前苏联( 6 9 ) 、伊朗( 6 1 ) 、沙特( 4 2 ) 、 加拿大( 3 7 ) 等国。我国天然气勘探仍处于初期阶段，天然气工业发展潜力很 大。经过近年来的勘探和评价，综合各方面提供的资料数据，估计天然气总资源 量可能达到5 3 万亿立方米，可采资源量有8 8 3 万亿立方米。 我国基本形成了以四川、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、莺琼、东海六大盆地 为主的气层气资源区和渤海湾、松辽、准噶尔三大盆地气层气与溶解气共存资源 区的格局，我国天然气工业具备快速发展的资源基础。 此外，我国周边国家俄罗斯、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、哈萨克斯坦天然 气资源丰富，占世界天然气总资源量的3 2 7 ，剩余可采储量5 4 51 万亿立方米， 这些国家每年尚有4 0 0 - 6 0 0 亿立方米产能的天然气需寻找新市场。我国已与上 述各国进行了多年的有关向我国输送天然气的可行性研究工作。 我国天然气资源丰富，且与世界上的重要产气区相毗邻，天然气自给和进口 的条件得天独厚，天然气管网也具有了一定的规模，因此我国完全具备快速发展 天然气工业的物质条件。 1 2 3 天然气的物化特性 压缩天然气( c n g ) 是以甲烷为主要成份的可燃气体，是一种世界公认的清洁 燃料。天然气在标准状态下为气体；c n g 是将0 3 mp a 左右的天然气在天然气 加气站加压至2 0 m p a 2 5 m p a 储存在站用气瓶中，然后通过加气设备加入到车用 气瓶中( 最高压力为2 0 m p a ) 供汽车发动机使用。 天然气的特点是比重比空气小、易于扩散；辛烷值高、抗爆性能好；着火温度 高，火焰传播速度慢，易形成可燃混合性气体，爆炸极限为空气中所含天然气的 第一章绍论 体积在5 左右的范围内。表1 1 是天然气与汽油、柴油燃料物化性能的比较。 表1 1 天然气物化特性 参数燃料 天然气柴油汽油 分子式含c l c 3 的t h c含c 1 2 - c 2 3 的t h c含c 5 c 1 2 的t h c ( c l - h 为主) 沸点 】6 11 6 0 一3 6 03 0 一1 9 0 c 质量百分比7 58 78 5 5 h 质量百分比 2 51 2 61 4 5 理论空燃比k g k g 1 7 4 1 4 51 4 8 自燃温度 5 3 72 7 03 9 0 - 4 2 0 燃料低热值m j 缇g 1 4 5 4 34 3 5 混合气热伽k 9 1 2 92 7 92 8 3 十六烷值 1 04 5 5 5o 1 0 辛烷值1 2 0 1 3 09 2 表1 2 内燃机替代气体燃料物化特性 渫 天然气氢气沼气煤气 燃料性质 理论空燃比 1 7 43 4 35 8 l2 4 6 k g k g 质量低热值 5 0 0 51 2 03 0 3 31 0 1 l m j k g 理论混合气热 3 3 93 1 93 2 33 7 3 值m j m 3 辛烷值( r o 娜 1 3 0 3 5 1 2 0 - 1 3 0 着火温度6 3 25 8 56 4 5 - 8 5 03 3 0 3 5 0 火焰传播速度 3 382 9 l 3 1 02 54 3 c a r s 着火界限 5 - - 15 4 2 一一7 4 枞1 2 5 - 7 4 2 9 8 5 2 7 火焰温度1 9 1 82 1 9 7 表1 2 为天然气与氢气、沼气及煤气在物理化学特性方面的比较。与其他替 代燃料相比较，天然气具有以下特征f 2 1 ： 1 ) 可燃界限宽，容易实现稀薄燃烧： 第一章绪论 2 ) 火焰传播速度低， 排放低； 3 ) 天然气脱硫彻底， 4 ) 天然气辛烷值高， 率和功率。 n o x 排放少；天然气主要成分c h 4 含碳少，c 0 2 及p m 硫化物污染少； 抗爆性能好，允许采用更高的压缩比，有利于提高效 天然气作为内燃机燃料，与汽油有相似的燃烧过程。具有以下优点和缺点： 1 ) 排气排污少：天然气在常温下为气态，以气态进入内燃机，燃料与空气 混合均匀，燃烧比较完全。可大幅降低c o 和h c 的排放，彻底改善微 粒排放污染。 2 ) 使用压缩天然气比汽油安全。汽油具有良好的挥发性，随着气温升高， 挥发性加强，燃点在4 3 0 以内，着火界限为1 3 7 6 。压缩天然气 ( c n g ) 燃点为53 7 c 以上，着火界限为5 1 5 ，易燃性比汽油差。所以 汽车用天然气不易产生火灾事故，比汽油更安全。 3 ) 使用性能好。以天然气为燃料的发动机，冷起动性能好。运转平稳，气 体不含杂质，因而在燃烧中不会产生积碳；同样其硫的含量和机械杂质均 远低于汽、柴油。 4 ) 抗爆性能好，天然气辛烷值约1 3 0 ，具有很高的抗爆性。燃气用天然气 的专用发动用机一般采用的合理压缩比为1 0 - 1 1 ，允许压缩比范置扩展到 1 5 。 5 ) 天然气的携带性差，压缩天然气均存储在高压气瓶内，这些气瓶导致汽 车自重加大，空间减小，同时限制了汽车的续驶里程。 6 ) 由于燃料本身是气态，当采用气缸预混合方式时，就会占用气缸内的空 间，减少了发动机吸入的空气量。 1 3 天然气发动机 1 3 1 天然气发动机的发展概况 世界上最早使用的内燃机是气体燃料发动机，18 6 0 年法国人l e n i o r 研制成功 第一台实用的二冲程、无压缩、火花点火的气体燃料发动机，它的外形和结构与 蒸汽机相似，采用煤气作为燃料，混合气不经过压缩，热效率只有4 18 7 6 年 n i k o l a u s a u g u s to t t o 的四冲程天然气机完成了台架试验，诞生了第一台四冲程天 然气发动机，该天然气机采用等容燃烧方式，热效率达到1 2 1 4 。在发动机使 用的气体燃料中，由于天然气储量丰富、稳定，使得天然气发动机快速发展并由 第一章绪论 此促进了天然气汽车工业的发展。据有关统计资料，截止到2 0 0 0 年底，全世界 已有c n g ( 压缩天然气) 汽车1 3 0 万辆左右，美国、意大利、德国、俄罗斯、阿 根廷等国发展较快。其中，意大利是最早将天然气汽车商业化的国家，现在已有 3 2 万辆天然气汽车，主要作为私人上下班的交通工具。意大利现有加气站3 2 0 个，一次加气行驶里程可达6 0 0 公里。该国正计划在今后5 年里让天然气汽车和 加气站的数目翻两番。德国是近年天然气汽车发展最快的国家，德国现有c n g 汽车1 万辆，预测到2 0 1 0 年达到4 0 万辆，在德国不仅轿车、客车、卡车使用天 然气，连警车、赛车也有采用天然气的。美国现有9 万辆c n g 汽车，1 千多辆l n g 汽车；公共汽车中c n g 汽车有6 3 0 0 辆，机场客货车大量改用c n g 汽车。预计今 后5 年内将有5 0 的出租车和乘客运送车也将改为单燃料c n g 汽车。我国天然 气资源丰富，估计储量为3 7 万亿m 3 ，居世界第三。我国油少气多的状况使得 天然气成为最具发展前途的内燃机代用燃料之一。近期我国车用c n g 发动机的发 展已形成一定规模。据统计，2 0 0 2 年我国北京、天津、上海、重庆等1 2 个清洁 汽车应用试点示范城市( 地区) 车用燃气发动机保有量为1 5 3 万台，加气站4 8 6 座。而到2 0 0 3 年1 0 月，我国1 6 个重点推广应用燃气汽车的城市中车用燃气发 动机的保有量已达1 9 万台，建成加气站5 6 0 多座【5 】o 作为环保发动机的代表机 型之一，以天然气为燃料的发动机正快速地驶入中国人的生活。在看到我国天然 气发动机工业快速发展的同时，也应清醒认识到国内天然气发动机的开发现状与 国际先进国家相比在整机和零部件开发方面仍有较大差距，有必要通过消化吸收 和自主研发相结合的手段来提高我国天然气发动机的整体水平。 1 3 2 天然气发动机的分类 ( 1 ) 天然气的着火温度比较高，按照着火方式来分，可以分为两种：点燃式 天然气发动机和压燃式天然气发动机。 ( 2 ) 按天然气的贮存状态的不同，又可分为压缩天然气( c n g ) 发动机及液 化天然气( l n g ) 发动机。发动机本身的结构及工作情况基本相同，区别主要在 于燃料储存的状态及储存容器的不同。前者将压缩至2 0 m p a 左右的天然气贮存 在高压气瓶中，储存能力较小，气瓶自重较大：而后者必须将冷冻至一1 6 2 的 l n g 储存在低温绝热容器中，容器自重较轻，存储能力较大。但生产l n g 投资 费用和能耗较高，经济效益比c n g 差。另外，储存l n g 对容器的绝熟保温能 力要求高，因此l n g 汽车在世界各国均处于试验阶段，尚未商品化。目前，压 缩天然气汽车仍是国内外发展的主要方向。 。 第一章绪论 ( 3 ) 按供气方式可分为缸外预混合供气天然气发动机和缸内直接喷气天然 气发动机，前者是进气道混合器预混合供气，后者是气体燃料以一定压力直接喷 入到气缸中。 ( 4 ) 按燃料的使用方法可分为单一燃料发动机、两用燃料发动机和双燃料发 动机。单一燃料发动机是针对某种气体燃料的特性而专门设计的发动机，它可以 最大限度地发挥气体燃料的优势，多用于气源供应充足的固定场所，如油田电站 和气源供应稳定的城市公交车辆。 两用燃料发动机能同时兼用液体与气体两种燃料，对气体燃料供气系统尚未 形成网络的地区较为合适。两用燃料发动机可以方便地通过对现有点燃式发动机 改造来实现，例如：汽油l p g ，汽油c n g 。 双燃料发动机能同时使用液体与气体燃料。例如：柴油c n g 。柴油c n g 双 燃料发动机是以喷入少量柴油作为“引燃燃料”，引燃燃烧室内的天然气，天然气 为主要燃料，需要时还能切换到以1 0 0 柴油燃料工作的发动机。 1 3 3 火花点火式天然气发动机 火花点火式发动机通过火花塞跳火点燃气缸内可燃混合气，两用燃料发动机 也属于这一类。 1 天然气汽油发动机 目前改装的火花点火式天然气发动机大多采用已定型的汽油机，保留原机供 油系统，经改装增加一套压缩天然气的供给装置。采用任何一种燃料无论是天然 气还是汽油，发动机都能正常工作。为兼顾使用汽油时的性能，对发动机的燃烧 室、压缩比、进排气道等均未改变，因此使用天然气时，发动机的性能并非最佳。 2 由汽油机改装的火花点火式单一燃料天然气发动机 在汽油机的基础上开发出的天然气单一燃料发动机排放性能得到明显的改 善，不过对原机的改动比较大，需要较大地提高压缩比，改制成本略高。 3 由柴油机改装的火花点火式单一天然气发动机 将柴油机改装为火花点火式天然气发动机，首先要降低压缩比根据国外经 验，燃用天然气的专用非增压发动机合理的压缩比为1 1 左右，允许的最高压缩 比可达12 5 。燃烧室的设计应有利于组织燃烧过程。若天然气采用混合器预混合 供气方式，则扫气过程是用混合气进行，使天然气消耗量增大且增加h c 排放， 故气门重叠角应适当减小。若采用天然气喷射阀定时喷射方式，可达到更优良的 性能，其中电控喷射阀又可以分为进气道喷射和缸内直接喷射。为了提高热效率， 减少后燃及爆燃的可能性，对于缸径较大的天然气发动机，除了采用高能点火系 统外，有时还采用双火花塞点火，以减少火焰传播距离，缩短燃烧持续期。 第一章绪论 1 4 本课题研究的内容和意义 在珍惜地球资源，保护生态环境的二十一世纪中，树立环保意识，发展清洁 汽车己成为不可阻挡的潮流，我国在“十五”期间已经完成了清洁汽车行动计划， 在“十一五”期间正在开展以节约能源、优化能源结构和保护大气环境的“8 6 3 ” 计划，其中包括大力开展天然气发动机的改装技术，进一步提高天然气发动机的 动力性、经济性、排放和可靠性等指标，论文的选题是在上述背景下产生的。稀 薄燃烧能够降低排气温度，提高燃料经济性，降低有害气体的排放。但是由于空 燃比大，混合气浓度较低。因此顺利实现稀薄燃烧的关键在于提高点火的可靠性 和火焰传播速度。分隔室式( 涡流室) 燃烧室能够实现二级点火，在副燃烧室内 的部分气体被点燃后高温高压气体经喷孔以高温火焰射流的形式高速喷入主燃 烧室，迅速点燃主燃烧室内的稀混合气，同时在主燃烧室内形成强烈的紊流，从 而大幅度提高燃烧速度。 本项目研究设计的电控复合供气系统可以控制主、副燃烧室内的混合气浓度 从而实现分层燃烧，分层的程度可以通过控制高低阀的喷气时刻和比例来控制。 主要研究内容如下： ( 1 ) 确定复合供气式火花点火天然气发动机总体改装方案。 ( 2 ) 确定复合供气式火花点火天然气发动机供气系统方案，以a t m e l 8 9 s 5 2 单片微机为核心，研制一套天然气发动机电控高能点火单元。 ( 3 ) 在发动机试验台架上进行电控系统标定匹配试验，以及发动机的负荷特 性、排放特性。研究不同的主燃烧室形状和不同大小的通道直径对发动 机性能的影响。 第章天然气发功机试验装置 第二章天然气发动机试验装置 天然气发动机试验装置的设计工作主要包括天然气发动机燃烧室的设计制 造，天然气发动机高低压供气系统的设计制造，供气系统的电控喷射系统的研制， 发动机点火系统的设计工作。 2 1 天然气发动机的改装设计 为了实现缸内直喷的天然气火花点火，开发了新的燃烧系统。该燃烧系统采 用了分隔式燃烧室和天然气复合供气系统。分隔式燃烧室的副室采用涡流室型 式，偏置于气缸一侧；主燃烧室的活塞顶部凹坑靠近涡流室一侧。主、副燃烧室 之间采用圆柱形连接通道。天然气复合供气系统由高压和低压两个回路组成，高 压气路将气源压力2 0 m p a 减压到i o - 1 5 m p a 可调的高压气经过单向阀将天然气输 送到安装于原机电热塞位置的天然气高压喷射阀处；低压气路将气源压力2 0 m p a 减压到0 4 m p a 送到安装于进气管处的低压喷射阀处。高、低压喷射阀的喷气定 时和喷气持续时间由基于p c 的系统对它们进行控制。火花塞安装于气缸盖副燃 烧室位置，点火提前角由单片机控制系统对它进行控制。该燃烧系统的涡流室型 燃烧室和复合供气系统如图2 1 所示。试验发动机的原型机为单缸1 9 5 柴油机， 缸径：9 5 m m ，行程：1 0 5 m m ；压缩比为2 0 ，经改制后压缩比为1 0 ，缸径和行程 与原型机相同。 2 0 m f - o c 魂 图2 1 火花着火天然气发动机新型燃烧系统 第一章天然气发动机矾驶裂置 在发动机进气行程中，进气管处低压喷射阀喷出的天然气与空气掘台的稀棍 台气进入发动机气缸。在压缩终点前，气缸盖上的高压喷射阀将天然气喷a 副室， 在副室内形成易于着火的较浓混合气；在高温、高压条件下副室内混合气着火燃 烧，使副室中的气体压力和温度迅速升高，副室中形成的火焰和己燃气体经过主、 副摩之间的通道进入主燃烧室，点燃主燃烧室中的稀混合气继续燃烧、膨胀推 动活塞下行做功。这一燃烧过程的馄合气形成利用了浓度分层原理，即以副室的 几何形状和高压喷射阀的安装位置控制了浓混台气区域，并为这一区域提供易于 着火的条件；而在主燃烧室中则分布着火温度较高的稀混合气。这一设计思路在 于既要满足天然气着火的要求，叉可避免发生敲缸现象，剧时稀薄燃烧可以降低 n o ；的排放，提高燃料经济性。 为了实现着火，我们在参考其它相关研究的前提下对原有燃烧室进行了改 进，目的是研究不同燃烧室形状及分隔室的容积比对天然气火花点火的影响程 度，为此对燃烧室相关部件进行设计和加工，包括活塞凹坑的设计加工、涡流燃 烧室镶块的设计加工、缸盖的设计和加工，及缸垫的设计。 2 i 1 活塞的设计 根据所需要设计的压缩比，计算出发动机活塞上的主燃烧室的容积应该为 4 6 m ，为了研究主副燃烧室对混合气分层、点火和燃烧的影响，作者分别设计了 三种活塞。如图2 - 2 ，1 型2 型3 型活塞的燃烧室的深度依次变小，直径依次变 大火焰从副室内冲出后所需要传播的距离也就依次发生变化。 2 i ，2 镶块的设计 图2 - 2 三种主燃烧室的形状 主副燃烧室之间的镶块对整个燃烧过程起决定性的作用，镶块的通道直径可 以影响副室内的涡流、紊流强度和气流进入的速度。通道直径增加使得流动阻力 减小一进入副燃烧室内的空气量增加涡流强度增强促使燃料快速扩散，使得 荒 岛然气发动 几试驺鳗霞 两阶段着火的特征减弱，燃烧趋向单阶段燃烧，导致燃烧最高压力增加；减小通 道直径后，浓度分层效果更加明显，使得副燃烧室混台气更浓主燃烧室混合一l 更稀主副燃烧室的混合气状态不利于n o x 的生成。作者分别设计了垣道直径 为8 r a m ，j 4 m m 的镶块来分析，选择最佳的通道直径。镶块的形状可以决定副燃 烧室的形状，如图2 - 3 分别为平面型和球型两种镶块，当使用平面型的镶块的时 候副燃烧室为吊钟型，当使用球型镶块的时候副燃烧室为球型。两种不同的副燃 烧室对整个燃烧过程有很丈的区别。球型的燃烧室涡流强燃烧速度快，吊钟型燃 烧室相对体积较大能够容纳的混合气较多。 e 囵 图2 - 3 两种不同形状的键块 2 1 3 喷气阀与火花塞的安装 作者设计了两种配合方案第一种方案高压喷气阀安装在原机柴油的喷嘴 处，火花塞安装在原机的电热塞处。如图2 - 4 。因为天然气本身有很严重的潜热 效应，当天然气直接喷射到燃烧室中，会导致燃烧室温度急剧下降，随着发动机 负荷的增加，所需要的燃料增多，这种现象会越发的明显，所以作者设计了一个 高压喷气阀的接头，天然气从高压喷气阀喷出后先喷到接头里，接头外部与机体 和燃烧室相连，所以能保持很高的温度，天然气可以通过这个接头起到预热的作 用，而削弱潜热效应，试验证明效果明显。第二种方案火花塞安装在原机的柴油 喷嘴处，高压喷气阀安装在原机的电热塞处，如图2 - 5 。为了削弱气化潜热的问 题，作者也为高压喷气阀设计了接头，此接头既能起到削弱潜热的作用，在结构 上也对高压喷气阀起固定的作用。 前天然气拉动机汰啦姨爿 图2 4 第种安装方案 “i 一月 洋篙澜 骤k 赫键 图2 - 5 第二种安装方案 2 2 天然气发动机供气系统的设计 为实现天然气缸内浓度分层火花点火的设计思想。天然气的供气系统设计和 燃烧室的结构设计是本项研究的技术关键，从天然气的供气方式考虑应能够依靠 供气位置、供气定时实现燃烧室内的浓度分层，为此设计了天然气复合式供气系 统，系统组成见图2 6 。国内对天然气高压供气系统的开发还处于初期阶段，特 别是高压压力的稳定和调节在此之前还投有满意的措施，针对这一问题进行了开 发，包括高压供气系统的调压阀选型和改型设计及加工( 因国内尚未有适用的高 压调压阎) 、高压喷射阀、安装座的设计和加工及低压喷射阀及阀座的设计加工。 进行了整套系统的组装及气密性试验。它们都直接影响着发动机的动力性经济 性和排放性能。 茆颦大然气发动机试啦装覆 在l 陶中减压过程主要足机械牲制，喷气】l 程则是计算机拧制，整个系统各 个部件特征如下： 截止阀：快速截断天然气的供给，北京兰天然公刨设计。