天然气直喷发动机当量比与稀薄燃烧对比研究.pdf

第4 0 卷第3 期 2 0 1 1 年6 月 小型内燃机与摩托车 S M A L LI N T E R N A LC O M B U S T I O NE N G I N EA N DM O T O R C Y C L E V 0 1 4 0N o 3 J u n 2 0 1 1 天然气直喷发动机当量比与稀薄燃烧对比研究 邹博文1 李开国1 1 国家燃气汽车工程技术研究中心重庆 李静波1罗福强2 4 0 0 0 3 92 江苏大学汽车与交通工程学院 摘要 针对一台自然吸气四缸天然气缸内直喷发动机 建立了发动机仿真模型 通过台架试验数据 对模型进行了验证 开展了均质当量比燃烧和稀薄燃烧两种方案的整机动力性 热负荷和经济性对 比研究 结果表明 稀薄燃烧时动力性下降明显 当量比燃烧时热负荷较高 空燃比稍大于当量比时 经济性最好 关键词 天然气直喷发动机当量比燃烧稀薄燃烧 中图分类号 T K 4 3 2文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 0 6 3 0 2 0 1 1 0 3 0 0 2 7 0 3 C o m p a r a t iv eR e s e a r c ho fS t o ic h io m e t r icC o m b u s t io na n d L e a n B u r nf o rD ir e c t I n j e c t io nN a t u r a lG a sE n g in e Z o uB o w e n l L i K a ig u 0 1 L iJ in g b 0 1 L u oF u q ia n 9 2 1 一C h in aN a t io n a lN G VE n g in e e r in gR e s e a r c hC e n t e r C h o n g q in g 4 0 0 0 3 9 C h in a 2 一S c h o o lo fA u t o m o b ileE n g in e e r in g J ia n g S uU n iv e r s it y A b s t r a c t B a s e do na4 c y lin d e rn a t u r a llya s p ir a t e dd ir e c t in j e c t io nn a t u r a lg a se n g in e t h en u m e r ic a ls im u la t io nm o d e lw a sb u iltu p a n dt h em o d e lw a sv a lid a t e db yt h ed a t af r o me n g in et e s tb e n d h T h ec h a r a c t e r is t ic s o fe n g in ep o w e r t h e r m a llo a da n de e o n o m yw e r ec o m p a r e db e t w e e ns t o ic h io m e t r icc o m b u s t io na n dle a nb u r n T h er e s u lt ss h o wt h a tt h ee n g in ep o w e ra tle a nb u r nw a sm u c hW O I S ec o m p a r e dw it hs t o ic h io m e t r icc o m b u s t io n a n dh e a tlo a da ts t o ic h io m e t r icr a t ioc o m b u s t io nw a sh ig h e r W h e na irf u e lr a t iow a salit t leb ig g e rt h a ns t o i c h io m e t r icr a t io t h ee n g in ef u e le c o n o m yw a st h eb e s t K e y w o r d s N Gd ir e c tin j e c t io ne n g in e S t o ic h io m e t r icc o m b u s t io n L e a n b u r n 引言 为应对能源和环境问题 各国均大力发展替代燃 料和电动汽车 天然气主要成分是甲烷 作为车用能 源具有辛烷值高 低碳排放等优点 为进一步提升天 然气发动机性能 国内外学者和工程技术人员开展了 大量深入细致的研究 其中 稀薄燃烧和缸内直喷技 术成为研发的前沿和热点 采用稀薄燃烧 可增加混合气中双原子分子的比 例 增大混合气的等熵指数 提高循环热效率 从而提 升发动机的经济性 同时也可进一步发挥天然气低排 放特别是低碳排放的优势 缸内直喷技术可大幅减小 或消除气体燃料所引起的发动机容积效率损失 并强 化对燃烧过程的控制 从而进一步优化整机性能 在传统天然气发动机当量比燃烧和稀薄燃烧对比 基金项目 科技部国际合作项目 2 0 0 7 D F A 8 0 9 6 0 国家 8 6 3 计划 项目 2 0 0 8 A A llA l3 5 作者简介 邹博文 1 9 7 8 一 男 工学博士 高级工程师 目前从事车用燃气发动机燃烧及控制技术研究 小型内燃机与摩托车 第4 0 卷 研究方面 国外P a s q u a t eC o r b o1 等人将一台重型柴油 机改装为点燃式天然气发动机 对稀薄燃烧和当量比 燃烧进行了对比研究 国内窭慧莉 李莉 等人在 进气道多点顺序喷射C N G 发动机E 开展了不同燃烧 方案的对比研究 本研究基于自主开发的国内首款天然气缸内直喷 多缸发动机 采用A V L B o o s t 软件建立了整机模型 采用当量比燃烧的实测数据对模型进行了验证 并通 过改变模型中的空燃比 对在均质当量比和稀薄燃烧 条件下整机的动力性 热负荷及经济性进行了研究 为 天然气缸内直喷发动机稀薄燃烧技术的开发奠定了一 定的理论基础 l 天然气直喷发动机仿真模型的建立 建模对象为一台自主开发的四缸直列 自然吸气 火花点火 1 6 气门天然气缸内直喷发动机 排量20 1 压缩比1 2 根据设汁参数 建立了发动机仿真模型 如图l所示 构建模型共用了7 4 个元素 其中c l c 4 为四个气缸 S B I S B 2 为系统边界 1 1 7 为进气 总管及歧管管道 1 8 3 1 为排气总管及歧管管道 P L I P 1 2 为进气容器 J 一J 6 为节点 R I R 1 0 为约束 M P I M P l4 为检测点 I l H 为喷嘴 剧1天然气直喷发动机计算模型 该模型中选用的传热模型采用了W o s c h n il9 7 8 燃烧模型是V ib e 基于均质当量比燃烧方案 将引算 结果与实验结果进行对比 以验证所建立模型是否正 确 如表1 表l发动机实测值与模拟值的对比 转速 r i 0 0 02 0 m4 0 0 05 0 6 0 0 0 功章 宴测值 k W 模拟值 扭矩 实 j 9 值 Nm 模拟值 从对比情况可以看出 所建立的模型正确 可以作 为天然气直喷发动机的仿真计算模型 2 计算结果及分析 本研究针对转速为3 2 0 0 r m in 点火提前角 为3 2 C A 进气温度5 0 进气压力0 3 9 M P a 相对 压力 空燃比分别为1 72 当量比 1 9 2 l 2 4 2 6 3 稀薄燃烧 的五个特征点开展了仿真计算 记录了 最高爆发压力 指示功率 缸内燃烧气体温度和指示 燃气消耗率 进行r 动力性 热负荷和经济性能的对 比研究 2l对动力性的影响 理论上 采用稀薄燃烧方式时 由于过量空气系数 与均质当量比相比更大 混合气等熵指数较高 热效率 会更高一些 同时 富氧条件下燃烧将更加充分 这都 使得稀薄燃烧比均质当量比燃烧方式有更好的动力 性 但由于稀燃时燃料供应量少很多 且燃烧稳定性 较差 必然会造成动力性能的损失 如同2 和图3 所示 2 4 2 0 1 6 耋 1 2 隶 n 8 盘 4 0 空燃止 图2 最高爆发压力随卒燃比的变化曲线 从图2 图3 可以看出 最高爆发压力 指示功 率均随空燃比的增大而碱小 当空燃比提高到1 9 时 过量空气系数约l1 燃料母较当量比时减少 了约lo 摄高爆发压力仅下降37 指示功率仅 下降2o 这是由于此时燃烧完会和等熵指数的增 大部分弥补了燃料量减少所引起的动力性下降 当 6 6 5 S 4 4 三fr目 瑾尊一聋 第3 期邹博文等 天然气直喷发动机当量比与稀薄燃烧对比研究 空燃比为2 l时 过量空气系数约1 2 最高爆发压 力则下降了1 1 3 而指示功率则下降了8 7 这 说明此时燃料量对动力性的影响加大 当空燃比增 大到2 6 3 时 过量空气系数约1 5 最高爆发压力 下降了2 3 4 而指示功率则下降了2 1 3 其燃料 量较空燃比2 4 时 过量空气系数约1 4 仅相差约 7 但动力性下降的程度更为明显 此时缸内已开 始出现燃烧不稳定 每 旃 蜃 长 瓣 2 4 2 0 一 1 6 量 丑 1 2 众 s 鐾 4 卜 0 7 空燃比 图3 指示功率随空燃比的变化曲线 2 2 对热负荷的影响 图4 显示了不同空燃比下缸内平均温度的变化 情况 卫 魁 赠 彝 斗 畏 耳 图4 缸内平均温度曲线 从图上可以看出 天然气缸内直喷发动机在同等 条件下 均质当量比工作方式与稀薄燃烧相比 缸内平 均温度高出2 5 0 K 并且随着混合气稀薄程度的增大 最高燃烧温度出现的时刻向后推迟 这说明在稀燃条 件下 混合气的燃烧速度慢 后燃现象将更加严重 平 均温度越高 发动机所承受的热负荷就越大 因此 稀 燃工作时整机可靠性及排气阀的寿命要比均质当量比 条件工作的发动机高 发动机的热负荷与发动机的结构 部件材料 运转 条件都有关系 根据资料显示 一般天然气发动机的 最高平均燃气温度不应超过2 2 0 0 K 根据这一限值 空 燃比分别为1 7 2 1 9 的两个特征点均超过了这一限 值 热负荷问题较严重 2 3 对经济性的影响 图5 显示了指示燃气消耗率随空燃比变化的 情况 图5 指示燃气消耗率随空燃比的变化曲线 从图5 可知 在空燃比为1 9 即混合气稍偏稀时 指示燃气消耗率最小 因为此时燃烧充分度和循环等 熵指数实现了最佳平衡 3 结论 通过对自然吸气式天然气缸内直喷发动机在当量 比燃烧和稀薄燃烧时的仿真分析 得到以下结论 1 天然气直喷发动机采用稀燃方式与采用均质 当量比方式相比 最高爆发压力和指示功率均有不同 程度的下降 过度稀薄燃烧会造成发动机动力性明显 下降 甚至燃烧不稳定 2 稀燃方式与均质当量比燃烧相比 最高燃烧温 度降低2 5 0 K 左右 且最高燃烧温度出现的时刻向后 推迟 后燃现象严重 3 在空燃比为1 9 即过量空气系数为1 1 时 天 然气直喷发动机的指示燃气消耗率最小 经济性最好 参考文献 1 P C o r b o e ta 1 C o m p a r is o nB e t w e e nL e a n B u ma n d S t o ih io m e t r icT e c h n o lo