（动力机械及工程专业论文）低散热压缩着火天然气发动机燃烧过程的试验研究.pdf

摘要 推广使用天然气发动机有利于降低内燃机的排气污染，实现能源多元化确保 国家能源安全。为改善现有点燃式天然气发动机存在的热效率低、功率密度低的 缺点，研究开发新型燃烧系统是天然气发动机面临的科学问题。本文在总结和分 析国内外天然气压缩着火燃烧过程研究结果的基础上，提出了一种分隔室式天然 气燃烧系统，研究开发了具有低散热结构的压缩着火天然气发动机。提出利用缸 内混合气浓度分层和温度分层，有效地缓解了中高负荷时预混合压燃存在的敲缸 现象，并研究了电热塞温度、进气加热温度、隔热效果、高压供气定时及高低压 供气比例对燃烧过程的影响。本文介绍了作者进行的如下研究工作： 研究设计了电控天然气复合供气系统。该系统在进气管处设置低压喷射阀， 副室内设置高压喷射阀，在电控单元的控制下可以实现单独低压供气和高、低压 复合供气两种供气方式，控制时钟频率为0 5 c a ，因此该供气系统具有控制精度 高、工作方式灵活的特点。 设计开发了低散热分隔室式燃烧系统并研究了天然气压缩着火起动性能。试 验结果表明，增加通道直径、提高辅助加热温度有利于实现着火起动。低压供气 方式的起动性能优于复合供气方式。 针对预混合压缩着火燃烧过程出现的失火和敲缸，研究了在分隔室式燃烧系 统中利用缸内温度分层对失火和敲缸的影响。试验结果表明，提高电热塞温度和 进气加热温度有助于避免失火现象的发生。采用大尺寸通道和活塞项不隔热的措 旅有助于扩大燃烧室内温度分层，对提高副室着火性能，降低主室燃烧速度有利。 在通道直径d = 1 4 嘶活塞顶不隔热的条件下，转速1 0 0 0 r m i n 时最大输出功率可扩 展到原机功率的4 2 。 在分隔室式燃烧系统中，利用天然气复合供气方式研究了主副燃烧室混合气 浓度分层对天然气压缩着火燃烧过程和发动机功率输出的影响。试验结果表明， 适当减小通道直径、增加高压供气比例及减小高压供气提前角均有利于提高缸内 混合气分层效果，实现主副燃烧室的两阶段着火燃烧，推迟了主室内着火时刻， 降低燃烧速度，有效地克服了中高负荷时的燃烧敲缸在通道直径d = 8 m m 转速 1 2 0 0 r m i n 时达到原机功率的8 3 ，转速1 4 0 0 r m i n 时达到原机功率的7 3 5 ，同时n o x 排放较直喷压燃式有所降低。 关键词：天然气发动机，压缩着火，电热塞，燃烧与排放 a b s t r a c t u t i l i z a t i o no f t h en a t u r a lg a se n g i n ei sb e n e f i c i a li nr e d u c i n ge x h a u s te m i s s i o n ， d i v e r s i f y i n ge n e r g ys o u t c ea n dk e e p i n gn a t i o n a le n e r g ys e c u r i t y t o m p r o v et h e r m a l e f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t yf r o mt h es p a r ki g n i t i o ne n g i n e , d e v e l o p i n g & n e w c o m b u s t i o ns y s t e i ni sas c i e n t i f i ci s s u ew h i c ht i e si nf r o n to f t h er e s e a r c h e r s b a s e do n t h er e s e a r c hr e s u l t sp u b l i s h e dd o m e s t i ca n da b r o 札ac o m p r e s s i o ni g n i t i o ns y s t e m w i t ht h ed i v i d e dc h a m b 盯w h i c hi sc o m p o s e do fl o wh e a t 喇o c = t i o nc o m p o n e n t si s i n t r o d u c e d t h en a t u r a l g a se n g i n ei nt h i st h e s i s k n o c ki sm l i e v mb yt h e s t r a t i f i c a t i o no ft h em i x t u r ec o n c e n t r a t i o na n d & c n n a lc o n d i t i o no nt h ep r c m i x e d c h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o ne n g i n e s t h ep a r a m e t e r st h a ta f f e c tt h ec o m b u s t i o ns u c h a sg l o wp l u gt c m p o r a t n s e , c h a r g ea i rt c m p c r a t u v e ，h e a ti n s u l a t i o n ，h i g hp r e s s u r e i n j e c t i o nt i m i n ga n dh i 班p r e s s u r ei n j c c t i o n 删oh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h em a i n c o n t r i b u f i o i l so f t h i st h e s i sa r es u m m a d z e da nf o l l o w s ： ，a ne l e c t r i c - c o n t r o l l e dc o m p o u r l ds u p p l ys y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fal o w p r e s s u r e 嘲c c t o rl o c a t e d t h ec h a r g ea i rp i p ea n dah i 曲p r e s s u r ei i l j e c t o rl o c a t e di n t h ed i v i d e da u x i l i a r yc h a m b e ri sd e s i g n e d l o w 咿s u r es u p p l ya l o n eo rc o m p o u n d s u p p l yi n v o l v e dh i g l ip r e s s u r ea n dl o wp r 龆g l 玎ei n j e c t i o no a nb ea c t u a l i z e db yt i m d c c t r i c - c o n 自r o l l c du n i t t h ed o c kf r e q u e n c yf o rc o n t r o li so 5 c a t h ec o n t r o l s y s t e mi sp r e c i s ea n df l e x i b l e t h ed i v i d e dc h a m b e rc o m b u s t i o ns y s t e mc o n s i s t i n go fl o wh e a t 蛔e c t i o n c o m p o n g n t sh a sb e e nd e v e l o p e da n dt h es t a r t i n g - u pp r o c e s sh a sb e e ni n v e s t i g a t o d e x p e r i m e n t a l l yo nt h ec o m p r e s s i o ni g n i t i o nn a t u r a lg a se n g i n e t h er c s x f l t ss h o wt h a t ： e 衄i n gt h ed i a m e t e ro ft h ep a s s a g eb 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 a n d i n c r e a s i n gt h ea u x i l i a r yh e a t i n gp o w e ra b e n e f i c i a lt o t h ee n g i n es t a r l i n g - u p ； s t a r t i n g - u pw i t hl o wp f e s s i mi l i j c c t i o n i sb e t t e rt h a nt h e0 1 1 ；w i t hh i g hp r 略m 刎e c t i o n i no r d e rt oi m d e r s t a n dt h em i s f i r ea n dk n o c ki nt h ep r o m b 【e dc h s f g ec o m p r e s s i o n i g n i t i o np r o c e s s , t h es 台- a t i f i c a t i o nw i t ht h e r m a lc o n d i t i o ni nt h em a i na n da u x i l i a r y c h a m b e r sh a sb e e ni 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 t ：i n c r e a s i n gt h eh e a t i n gp o w e r o ft h eo o wp l u ga n dt h ec h a r g ea i ra l eh e l p f u li no v e r c o m i n gm i s f i r e ；e n l a r g l n g p a s s a g es i z ea n dn o - c o a l i n gp i s t o na r cc o n d u c i v et os t r a t i f y i n gt h et h e r m a lc o n d i t i o n b e t w e e nm a i na n da u x i f i m yc h a m b e ra n dr c d u c i n gt h ec o m b u s t i o nv d o c i t yi nt h e m a i nc h a m b e r w i t hp a s s a g ed i a m e t e ra t1 4 r a ma n dn o r m a lp i s t o n , t h em a x i m u m p o w e r a t1 0 0 0 r p mi s4 2 o f t h eo r i g 【n a le n g i n e 硼e f f e c to ft h es t r a t i f i c a t i o no ft h em i x t u r ec o n c e n t r a t i o n0 1 1t h ec o m b u s t i o n p r o c e s sh a sb e e ns t u d i e do nt h ec o m p r e s s i o ni g n i t i o nn a t u r a lg a se n g i n e t h e r e s u l t s s h o w st h a t ：r e d u c i n gp a s s a g es i z em o d e r a t e l y , e n l a r g i n gh i g hp r e s s u r ei n j e c t i o nr a t i o a n dr e t a r d i n gh i g hp r e s s u r ei n j e c t i o nt i m i n ga l ea d v a n t a g e o u si np r o m o t i n gt h e s t r a t i f i c a t i o no ft h em i x t u r ec o n c e n t r a t i o na n dt h e r m a lc o n t r i b u t i o n , r e a l i z i n gt h e t w o - s t a g ec o m b u s t i o n s oi g n i t i o nt i m i n gi sd e l a y e da n dt h ec o m b u s t i o nv e l o c i t yi s s l o w e dd o w ni nt h em a i nc h a m b e r w h i c hr e l i e v e st h ek n o c k w i t hp a s s a g ed i a m e t e ra l 8 m m , t h em a x i n l u l np o w e ri s8 3 o ft h eo r i g i n a le n g i n ea t1 2 0 0 r p ma n d7 3 o ft h e o r i g i n a le n g i n ea t1 4 0 0 r p mr e s p e c t i v e l y , m e a n w h i l en o x e m i s s i o nh a sb e e nr e d u c e d c o m p a r e dt ot h ed i r e c ti n j e c t i o nn a t l 2 9 a lg a se n g i n e k e yw o r d s ：n a t u r a lg a se n g i n e ；c o m p r e s s i o ni g n i t i o n ；g l o wp l u g ；c o m b u s t i o na n d e m i s s i o n ；l o wh e a tr e j e c t 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，也不包含为获得盘鲞盘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。 学位论文作者签名：1 诙溶物 签字日期：7 6年p 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞蠢茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生盘堂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：依l 奄袖 签字日期：矽；年。月f 。日 导师躲弘多垤 签字日期谢年 月7 矿日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 从1 8 7 6 年第一台煤气机，1 8 8 6 年第一台汽油机和1 8 9 7 年第一台柴油 机诞生的1 0 0 多年来，内燃机经历着从发明、发展到走向辉煌的过程，目 前广泛用于工业、农业、交通、电力、国防等各个领域，极大地推动着人 类社会物质文明的向前发展。然而随着全球内燃机保有量的激增，内燃机 的大量使用也给人类社会带来一些尖锐不可回避的问题：一方面，内燃机 的有害排放物给人类的生存环境造成严重伤害。如图卜1 所示，为全球二 氧化碳排放总量构成图，研究资料显示：在大气中2 1 7 的h c ，3 8 5 的 c o ，8 7 6 的n o x ，2 1 7 的c o d ，6 2 的s 0 2 以及3 2 的p m 来自内燃机。而 在城市中，8 7 的h c ，6 1 的c o 和5 5 的n o x 来自汽车发动机。汽车发动 机排放污染物产生光化烟雾、破坏臭氧层等问题，已经成为城市大气污染 的元凶。 图1 - 1c 0 2 排放总量构成 另一方面，内燃机主要燃料是短期不可再生的石油，内燃机的大量应 用增加了人类社会遭遇能源危机的风险。能源问题的最突出表现仍然是石 油短缺，近年来石油价格一直呈上涨趋势，特别是自2 0 0 4 年以来，石油 价格一路从每桶3 0 美元上涨到最高每桶6 5 美元。持续的高油价对世界经 济的不利影响是显而易见的，特别是依靠石油进口的发展中国家如巴西、 印度、中国受到的打击更大。 据有关资料表明，我国石油地质资源量9 4 0 亿吨，而可采资源量为1 4 1 第一章绪论 亿吨左右，仅占世界4 5 左右。我国近三年石油产量均超过1 6 亿吨，石 油储采比1 5 左右，远低于世界水平。表1 - 1 对我国未来1 5 年进行的预测 表明，随着车辆保有量持续攀升等原因，石油供需矛盾加剧，估计到2 0 1 5 年石油需求3 2 亿吨，缺口将达1 6 亿吨，占总需求量的5 0 以上。国际 上通常认为进口量超过3 0 以上将危及国家能源安全问题，由此应当清醒 地认识到我国能源危机的存在。 可见，供需紧张的石油资源和日益恶化的环境质量严重影响着人类的 生存和人类社会的各项生产活动。内燃机行业的出路在于开发可替代的燃 料和清洁燃烧技术，走环保节能的可持续发展道路。 表1 1 我国2 0 0 4 2 0 2 0 年汽车及非公路用车辆保有量预测 年份 2 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 l o2 0 1 52 0 2 0 汽车保有量( 万辆)2 8 3 03 3 2 53 8 4 4 0 04 9 8 55 5 5 06 1 2 59 l 1 1 8 3 5 摩托车保有量( 万辆)7 1 5 0 7 5 蚰7 9 7 08 3 7 08 7 5 09 1 5 09 5 4 01 1 3 0 01 2 8 0 0 农用车保有量( 万辆) 2 3 6 02 5 2 0 2 6 5 0 2 7 5 52 8 2 52 52 科52 9 姗 石油产量( 亿t ) i 71 7 21 8 i1 92 进口石油量( 亿t ) 仉90 9 1 1 51 42 进口依赖度 3 6 7 3 8 9 4 1 “5 0 汽油、柴油消耗量( 万t ) +1 0 3 1 6 1 5 s 9 92 0 3 1 02 3 0 4 5 1 2 天然气燃烧特性 内燃机用替代燃料主要包括氢气、天然气、液化石油气、沼气、煤气 等，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。 表1 - 2 内燃机替代气体燃料性质比较 、缨料种类 燃霸勤k 天然气氢气沼气煤气 理论空燃比k g k g 1 7 2 53 4 35 8 l 2 舶 质量低热值 5 0 0 5 1 2 03 0 - - 3 31o 1 i m 唔 理论混和气熟值 m j m ， 3 3 93 1 93 2 ，3 7 3 辛烷值( r o n ) 1 3 03 51 2 “1 3 0 着火温度6 3 25 8 56 4 5 - - 8 5 0 3 3 0 一3 5 0 火焰传播速度 3 3 82 9 l 0 1 0瑙4 3 c m s 着火界限 5 一1 5 4 2 7 4 2 1 2 5 7 4 2 9 8 5 2 7 火焰温度1 9 1 82 1 9 7 2 第一章绪论 与其他替代燃料相比较，天然气具有以下特征幢1 ： 可燃界限宽，容易实现稀薄燃烧； 火焰传播速度低，n o x 排放少；天然气主要成分c h 4 含碳少，c 0 2 及 蹦排放低； 天然气脱硫彻底，硫化物污染少； 天然气辛烷值高，抗爆性能好，允许采用更高的压缩比，有利于提 高效率和功率。 1 3 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，1 8 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，燃烧混合气不经过压缩， 热效率只有4 。1 8 7 6 年n i k o l a u sa 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 。所以自内燃机首次燃用气体燃料距今已有1 3 0 多年，其间经历了两次大的发展。一是第二次世界大战期间，由于战争对 石油资源的过渡消耗使石油燃料供不应求，气体燃料及其发动机得到迅速 发展；二是1 9 7 3 年中东战争和石油危机以后油价猛涨，与此同时工业及 城市污染日益严重，各主要工业国家纷纷制定愈来愈严格的排放法规，而 气体燃料却称得上是清洁燃料，其燃烧后产生的c o 、s o x 远比汽油少，且 没有燃用柴油时的碳烟，因此气体燃料发动机重新受到各国重视并获得发 展。1 。发动机使用的气体燃料中，天然气由于储量丰富，稳定，使得天然 气发动机快速发展并由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 8 4 7 万亿m 3 ，居世界第三。我国油少 第一章绪论 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“1 。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仍然以改装 为主，技术水平还处于国外初级阶段，有必要通过消化吸收和自主研发相 结合提高我国天然气发动机的整体水平。 1 4 天然气发动机种类及研究现状 目前天然气发动机的分类尚无统一认识，一般按照燃料使用方法、燃 烧方式、天然气供气方式等进行分类。 1 4 1 按照燃料使用方法分类 可分为两用燃料、双燃料、单一燃料发动机。 两用燃料方式是指发动机具有两套相互独立的燃料供给系统，一套供 给天然气或液化石油气，另一套供给天然气或液化石油气以外的燃料( 一 般为汽油) ，两套系统可分别但不可同时向缸内供给燃料，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 。为了能够满 足两种燃料单独工作，发动机无 法达到最佳的工作状态。 双燃料方式是指在一个工 作循环内同时使用两种燃料。目 前普遍采用柴油引燃天然气双 燃料方式。柴油引燃双燃料方式 的工作性能与柴油引燃油量或 柴油替代率密切相关，按照引燃 柴油的控制分为以下几类： 1 ) 机械式供油系统 利用原机的直列喷油泵，引 燃油量可以固定在最低空载转 j 燃油箱2 燃油泵3 ，高位燃油箱4 输油泵，燃油 滤器6 主喷油泵7 点火油泵8 - 高压油管9 喷油 器l o 冷却油管1 1 点火油高压油管 图1 2 双燃料发动机机械式供油系统简图 4 第一章绪论 速对应油量陋1 或者采用与天然气流量控制阀联动控制，使柴油与天然气供 给成比例。这种改装方案的优势在于利用原机的供油设备，对原机的改动 小、结构简单，但是由于引燃油量不能按照喷油泵的供油规律变化实现优 化控制，因此控制精度低且直列泵采用小油量供油时雾化变差、各缸均匀 性变差，因此引燃油量一般较大。设置专用的小型高压油泵或称点火油泵 可以有效克服以上的缺陷“1 ，如图卜2 所示。 燃油从油箱l 经燃油泵2 泵入高位油箱3 ，由此流入输油泵4 ，并以 一定的压力通过燃油滤清器5 后供入主喷油泵6 和点火油泵7 。从主喷油 泵连接管流出的用于冷却的燃油经喷油器后回到高位油箱。喷油器两个进 油口内部均设有单向阀，防止由主喷油泵和点火油泵供入喷油器的高压燃 油倒流。发动机停机时，采用气动机构或电液机构控制点火油泵的齿条， 使其停油。双燃料运行状态下，气体燃料的导入量决定了发动机的功率大 小，而工作于纯柴油运行方式时，发动机的功率大小由主喷油泵的喷油量 决定。问题在于机械式供油系统控制自由度低，很难实现油、气的优化控 制。在原燃油供给系统基础上加装点火油泵，增加了整套系统的复杂性 2 ) 电控式供油系统 较早采用的电控燃油喷射大多采用电控油泵齿条的方法，为了适应微 量引燃的需要，目前可采用的 技术包括： ( 1 ) 共轨式燃料喷射 如图1 - 3 ，供油泵泵出的 高压燃油直接进入蓄压共轨腔 蓄压储存，到达喷油时刻，e c u 发出指令电磁阀打开，压力油 推动小尺寸喷油器针阀抬起， 实现引燃喷射。共轨系统能够 基本保持共轨腔内的压力稳 定，受发动机转速影响小，保 证了小油量雾化和燃烧良好。 ( 2 ) r a m 调制式燃料喷射 如图卜4 ，r a m 调制喷射系 统利用右侧初级模块在共轨中 产生4 - 5 m p a 的恒定初始压力 送到左侧的次级模块，当次级 图1 - 3 双燃料发动机共轨式燃料系统简图 图1 4 双燃料发动机柴油r a m 调制喷射系统 第一章绪论 模块中的电磁阀打开时，燃料在流入储油器的过程中不断加速，达到足够 流速后关闭电磁阀，迫使流体产生冲击。这样，利用系统水冲击效应在每 个喷油器的入口就能产生一个比它高1 0 。1 5 倍且与喷射持续期相适应的高 压波，电磁阀对高压波直接电控，能使喷油规律及其初始状态满足发动机 需要。 ( 3 ) 油气共用喷射器喷射”1 如图i - 5 所示，柴油、天 然气两种燃料的喷射共用一个 喷射器，喷射器的喷射时刻和 喷射持续时间采用电磁阀和液 压系统相结合的方法进行控 制。在压缩行程接近终点时， 喷射器喷入微量引燃柴油作为 点火燃料，点燃随后高压喷入 的天然气，通常天然气喷射压 力控制在1 2m p a 1 6m p a ，喷射 数量随负荷而变化；引燃柴茹 图1 - 5 油气共用喷嘴式双燃料发动机原理图 量采用限制柱塞行程的方法在任何时候都是固定的。如底特律柴油机公司 的d c 6 v 一9 2 t a 增压双燃料发动机采用柴油天然气电子泵唼嘴技术，在保持 扭矩、功率和燃料消耗方面与原柴油机基本相同的情况下，n o x 排放减 少了4 5 ，c 0 2 排放减少了2 5 ，颗粒物质( p m ) 显著下降。 ，柴油引燃双燃料发动机的特点： 保持原柴油机的压缩比，热效率可达到柴油机的水平； 由于引燃柴油具有很高的点火能量，而且点火点多，因此可以实现 y 2 的稀燃。燃烧速率快，散热损失小，故柴油微引燃双燃料发动机燃油经济 性和排放特性较好坤1 ； 低速低负荷时由于缸内混合气浓度较低，出现不同程度的不完全燃烧现 象影响发动机的热效率和h c 、c o 排放。 单一燃料方式是指只采用天然气作为发动机的替代燃料，此种方式可 以最大限度地发挥天然气作为替代石油燃料和降低排放方面的优势。单一 燃料天然气发动机可以采用火花点燃方式及压燃方式工作，只是由于天然 气物理化学特性的原因，目前多数采用类似汽油机的火花点火方式，由于 受到低负荷时节气门节流的影响及高负荷时爆震的限制，火花点火式发动 机的热效率和功率输出不理想。因此有必要开发新型燃烧方式和完善燃烧 6 第一章绪论 过程控制策略，其中采用压缩点火扩散燃烧或预混合充气均质压燃 ( p r e m i x e dc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o np c c i 或h o m o g e n e o u sc h a r g e c o m p r e s s i o ni g n i t i o nh c c i ) 技术在提高发动机动力性、经济性及改善 排放方面具有优势，已成为国内外的研究热点 g - | o ) o 1 4 2 按照天然气供气方式分类 天然气发动机燃料供给方式可分为缸外供气、缸内喷射供气及复合供 气三种方式。 1 ) 缸外供气方式是经混合器或喷射器将天然气引入进气管或进气道，完成 与空气混合后进入气缸。此种方式对发动机的改装少，应用最普遍。按照 天然气供气特点可划分为以下三种类型： ( 1 ) 机械式控制混合器供气：燃气和空气按固定的比例通过机械式控制混 合器进入气缸。具有代表性的是美国i m p c o 公司生产的膜片式混合器，该 混合器的特点是空燃比在发动机各种工况下都能保持相对稳定，适合于气 体成分相对不变的气源，如天然气、液化气等。其次，混合器结构简单， 价格较低，便于对现有的化油器式汽油机进行改造。其缺点是不适合用于 成分经常变化和甲烷含量比较低的气体，如煤层气和石油炼化尾气由于 无法进行闭环控制，难于精确地控制空燃比，因而难于达到较高的排放控 制水平，不能充分发挥天然气改善排放性能的潜力。 ( 2 ) 闭环电控混合器供气系统：采用电控单点喷射( s i ) ，并结合氧传感器 进行闭环控制以较精确地控制空燃比，从而使发动机具有较好的经济性和 排放性。但是由于单点喷射器与废气氧传感器之间有较长的距离，因而系 统对空燃比的变化响应较迟钝，难于依靠氧传感器的信号在设定的空燃比 附近实现快速振荡控制，尤其是在加速和减速时不能迅速响应空燃比的变 化，从而使混合气在较长的时间过稀或过浓，使这些工况下的排放性能较 差，影响了整体排放指标。 ( 3 ) 电控多点顺序喷射系统 ( m p i ) 1 ”：目前多采用各缸进气 歧管多点喷气技术。该技术主要 应用于小缸径发动机，如图6 所示 本田天然气汽车的电控多点气体 喷射系统( p g m f i ) “”。 m p i 特点： 理论上各缸混合气浓度均匀： 可以实现不同循环的过量空气 图i - 6 天然气电控多点喷射系统结构图 第一章绪论 系数控制； 在部分负荷时可采用停缸法改善燃料经济性和排放特性； 发动机加速、减速性好。 m p i 的缺陷是对气体成分和质量要求比较严格，通常进入电磁阀的气 体必须保持0 8m p a 的压力，而且电磁阀的制造工艺复杂。 通过以上分析可见，缸外供气方式避免了对原发动机缸盖改动，易于 实现改型设计。但缸外供气也存在如下问题：由于天然气缸外供气势必降 低进气空气的充气效率从而影响发动机的功率和效率；只能形成天然气空 气预混合气，发动机容易受到爆震敲缸的限制；天然气与空气混合气容易 出现不正常的浓度分层，引起排气温度升高、h c 排放较高。 2 ) 缸内喷射供气方式是现代天然气发动机关键技术之一，根据喷射压力 分为高压供气和低压供气两种类型。缸内低压供气一般选择在进气行程过 程中或压缩行程早期，缸内压力较低时，通过喷射阀向缸内供气，多用于 压缩比较低的点燃式发动机。缸内高压供气采用压缩行程中后期将天然气 直接喷入气缸完成油气混合，多用于压缩比高的发动机。缸内供气方式的 优势在于实现了燃料供给的质的调节，避免了缸外供气方式时天然气对进 气充量的影响，尤为重要的是突破了缸外供气方式时的预混合燃烧模式， 为实现类似柴油机的扩散燃烧创造了条件。与缸外预混合供气发动机相 比，缸内喷射天然气发动机对燃料质量的变化反应不敏感。此种方式在点 燃式及压燃式天然气发动机上都已经有所应用“”1 。实现天然气缸内喷射 供气的技术难点在于供气系统的硬件设计，特别是天然气高压喷射阀、高 压稳压装置及天然气加压装置。美国西南研究院j o h nt k u b e s h 等人将 原天然气燃料计量系统改造成天然气高压喷射阀，如图1 - 7 所示。 图1 - 7 天然气高压喷射阀结构图 在改装的分隔室式发动机上采用该喷射阀实现了天然气缸内喷射火 8 第一章绪论 花点火燃烧过程。与原开式燃烧室发动机相比，燃料消耗率下降1 7 。 类似的天然气高压喷射装置如日本n i s s a nj s o 一8 7 1 电磁喷射阀，美 国b m k 公司的h s v 3 0 2 0 s 5 电磁喷射阀“等在相关的试验研究中被采用。如 西安交通大学黄佐华“”1 老师利用高压喷射装置研究了天然气缸内供气 参数、火花塞位置对发动机燃烧及排放的影响。图卜8 为典型的缸内直接 喷气控制系统示意图。 缸内喷气技术的主要特点 是：对气体燃料无节流影响， 供气特性稳定；完全实现质 调节：大幅度降低或消除燃 料供气对空气充量的影响： 易于实现稀薄燃烧和对燃烧过 程的控制，便于优化发动机的 工作性能；消除由于气阀重 叠角存在造成的气体燃料直接 逸出，便于增压机型的应用。 图i - 8 缸内直喷天然气发动机原理图 此外缸内气体喷射仍具有缸外进气阀处喷射的所有优点，因此它必将成为 未来的首选供气方式。但缸内喷气技术也存在一些需要克服的缺点，例如 喷射装置结构复杂、控制要求高、工作面密封性能较差、动态晌应不够及 时、成本高难于在中小型机上应用等，有待于进一步完善有关技术措施。 3 ) 复合供气方式：同时采用缸外预混合供气和缸内高压喷射供气两种方 式，在燃烧室内形成混合气浓 度分层，有利于促进点火、防 止出现燃烧敲缸现象。美国再 生能源试验室o ”通过在进气道 安装的低压供气设备和预燃室 内设置的高压喷射器，开发出 火花点火预燃室式燃烧系统， 见图卜9 。 图：i 9 所示翟孽篓兰空鼍 图i - 9 预燃室式燃烧系统原理图 结构示意图，开发的预燃室式 燃烧系统在中低负荷时只依靠预燃室内的高压喷射供气，燃烧过程的组织 类似于预燃室式柴油机；在中高负荷时采用进气道低压供气，使主燃烧室 内形成稀薄均质天然气空气混合气，并向预燃室内喷射纯天然气，从而实 9 第一章绪论 现预燃室内部的理论当量比环境。便于预燃室内混合气首先着火。通过实 现混合气浓度分层，有效地缓解了大负荷时的燃烧敲缸现象。此外，通过 比较采用一只高压喷射器的直喷式燃烧系统和采用高低压喷射器的复合 喷射预燃室式燃烧系统发现，用于预燃室式燃烧系统的高压喷射器正常工 作时间远大于前者，说明分隔室式燃烧系统有利于改善高压喷射器的工作 环境，提高工作可靠性，这一现象的发现也为本文的相关设计提供了宝贵 的借鉴。 复合供气系统的应用一方面可以像分蹋室式柴油机那样减弱对喷射 系统特别是高压喷射器的要求，有助于改善高压喷射装置的工作可靠性， 另一方面利用进气管的低压燃料喷射，减弱了大负荷工作时对高压喷射器 的小尺寸、大流量的要求，有效地降低了高压喷射装置的设计难度。 1 4 3 按照燃烧方式分类 天然气发动机按照燃烧方式分类可分为火花点火燃烧方式和压缩点 火燃烧方式两种。 1 ) 火花点火燃烧方式的特点与应用 火花点火燃烧方式可通过现有的汽油机和柴油机改装而成。 ( i ) 由汽油机改装的天然气发动机：目前国外利用汽油机改装的单一燃料 天然气发动机技术成熟，排放性能较好。如日本n i s s a na d v a n 小型超低 污染的天然气汽车发动机将原机压缩比从9 5 提高到1 2 8 ，使发动机性能 有较大提高。低速时排放结果n o x 为0 0 2 9 k m ，c o 为0 1 5 9 k m ，t h c 为 0 0 7 9 k m ，远低于限定值”。国内对c a 6 1 0 2 n - 2 型汽油机改装，压缩比由 原机6 7 5 提高到8 8 ，最大功率和最大扭矩达到原机的9 5 和9 4 让”。 ( 2 ) 由柴油机改装的火花点火天然气发动机：利用柴油机改装的火花点火 式天然气发动机，在国内外均已投放市场。如依维柯8 2 2 0 及8 4 6 0 t c 型、 康明斯b 5 9 - 1 9 5 6 型、日本的4 b e1 型、卡特彼勒3 3 0 6 型、福特3 8 0 型 和上海柴油机有限公司的6 1 1 4 型等，其中许多涡轮增压机型的改造也很 成功。 为进一步降低火花点火天然气发动机的排放，常用的方法是采用燃料 闭环控制、e g r 和排气后处理。采用当量比燃烧方式，由于燃烧温度高， 高负荷运转时n o x 排放较高，通常加装三元催化转换器；采用稀燃方式时， 燃烧温度低，低负荷运转容易造成燃烧不充分，通过加装专用氧化催化转 换器可以降低h c 、c o 排放”堋。 通常经过改装的火花点火式天然气发动机与原机相比，动力性能会有 所下降，其原因主要有以下几点： 1 0 第一苹绪论 天然气密度低，在缸内占有的体积较大，影响了空气的充气效率； 由于混合器喉口处节流等原因使充气效率降低； 天然气的理论混合气热值与汽油或柴油的理论混合气热值相比有稍许 降低； 天然气的火焰传播速度较慢，使燃烧速度下降且传热损失增加，导致热 效率下降； 天然气燃烧前后气体分子摩尔数改变较小。 汽油机改装的天然气发动机的功率恢复主要是采用增压中冷技术，另 外还可采用电控燃料喷射系统及电控点火系统，以提高改装后发动机的效 率和动力性。而由柴油机改装的火花点火式天然气发动机的功率恢复主要 是通过合理选择压缩比，优化燃烧室结构，优化控制天然气与空气的混合 及燃烧过程，优化点火控制并提高点火能量以及采用增压中冷技术等措旌 来实现。虽然以上措施在一定程度上可以改善发动机的功率输出，但是预 混合火花点火燃烧方式由于受到燃烧敲缸的限制，压缩比通常小于1 3 ，此 点无疑成为限制发动机进一步提高效率和功率输出的障碍。而采用压缩点 火方式恰恰是解决此技术障碍的有效手段。 2 ) 压缩点火方式的特点 天然气自燃温度高，常规条件下不易实现压缩点火，但由于压缩点火 方式在提高发动机功率密度、改善燃烧热效率方面的潜在优势，已经成为 欧、美、日本等国研究的重点。此项技术的突破性进展势必将极大的推动 天然气发动机的应用和发展。下文将重点介绍天然气压缩点火燃烧过程的 研究进展。 1 5 压燃式天然气发动机的研究现状与未来展望 天然气发动机采用压缩点火与火花点火方式相比较，前者可以采用更 高的压缩比，因此可以获得更高的热效率和功率密度。目前实现天然气压 缩点火燃烧有两种方式即预混合充气压缩点火燃烧方式及分层充气压缩 点火燃烧方式。 1 5 1 预混合充气压缩点火燃烧过程的特点及研究现状 预混合充气压缩点火或称为均质充气压缩点火( p c c i h c c i ) 是活 塞式发动机的种新概念燃烧，采用h c c i 燃烧方式的天然气发动机在混 合气着火之前，在燃烧室内已经形成了稀的、均质混合气，当压缩行程的 缸内温度超过燃料自燃温度时，引发缸内混合气的总体反应和燃烧。均质 第一章绪论 一l l - - - 混合气压缩点火发动机融合了火花点火和压缩着火两者的工作特点，即采 用了前者的均质混合气的形成方式以及后者的压缩着火方式，并取消了节 气门，负荷采用燃料质的调节方式控制。1 9 7 9 年o n i s h i ”首先在一台单 缸风冷火花点火两冲程机( 缸径奉行程：8 0 * 7 4 ) 上实现了活化热氛围燃烧 ( a c t i v et h e r m o a t m o s p g e r ec o m b u s t i o n ，a t a c ) ，与改装前的汽油机相 比，低负荷工况下在1 0 0 0 4 0 0 0 r m i n 的转速范围内，a t a c 燃烧方式避免 了常规汽油机的失火及循环波动大的缺陷，因此燃油消耗率下降，排放指 标特别是h c 排放有较大的改善。此后1 9 8 3 年瑞典l u n d 理工学院p a u l 蜡n a j t 1 在一台w a u k e s h ac f r 单缸四冲程机实现了均质充气压缩点火， 考察了压缩比、混合气浓度、发动机转速及e g r 率等对h c c i 燃烧过程的 影响，并指出由于天然气辛烷值高，爆震倾向小非常适合采用此种燃烧方 式。日本k y o t o 大学t a k u j ii s h i y a m a 等人“7 1 进行的h c c i 发动机试验研 究表明，h c c i 燃烧方式适合柴油、汽油、天然气等多种液体和气体燃料， 其中天然气由于抗爆性能好( 辛烷值商达1 3 0 ) ，可以采用较高的压缩比以 实现压缩着火燃烧过程“”州。 美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室汹1 、m i c h i g a n 大学、c a l i f o r n i a 大学口“、c a t e r p i l l a r 公司、日本k e i o 大学和o s a k a 公司及瑞