高压缩比天然气发动机性能研究.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn#高压缩比天然气发动机性能研究1,21,21,2**肖乃松，陈征，刘敬平（1.汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙，410082；52.湖南大学机械与运载工程学院能源与动力工程系，湖南长沙，410082）摘要：本文对天然气发动机的压缩比和点火正时进行了试验研究，结果表明:随着压缩比的增加，燃烧速率加快，气缸燃烧压力和温度升高，热效率明显提高，但NOx排放量也随之增多；随着点火时刻的提前,天然气发动机的燃气消耗率先降低再升高，存在一个最佳气耗区，但NOx排放随点火时刻提前而持续升高。压缩比为14.5的天然气发动机，通过调节点火提前角，在保持与10.6压缩比同样的NOx排放量条件10下，气耗率可以降低7.81%。可见，通过提高压缩比和合理的点火正时可以实现更好的发动机经济性与排放的平衡。关键词：天然气发动机；压缩比；点火提前角；燃气消耗率；NOx排放中图分类号：TK421.2Astudyonperformanceofnaturalgasenginewithhigh15compressionratio1,21,21,2XIAOnaisong,CHENzheng,LIUJingping(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha,410082,China;2.CollegeofMechanicalandVehicleEngineering,HunanUniversity,Changsha,410082,China)20Abstract:Compressionratioandignitiontimingwereexperimentallyinvestigatedonanaturegasengine.Resultsshowthatwiththeincreaseofcompressionratio,thecombustionrateisfastened,thein-cylindercombustiontemperatureandpressureincrease,andthethermalefficiencyisimprovedsignificantly,buttheNOxemissionsareincreased.Withincreasedignitionadvanceangle,thebrakespecificfuelconsumption(BSFC)ofthenaturegasengineisgraduallyreducedtoaminimumvalueand25thenbeginstorise,whichshowsanoptimalBSFC,buttheNOxemissionsincrease.TheCR14.5enginekeepsthesameNOxemissionswiththeCR10.6enginebyadjustedtheignitionadvanceangle,butitsBSFCcanbereducedby7.81%.Therefore,abetterbalancecanbeachievedbetweenenginefueleconomyandemissionsthroughimprovingcompressionratioandsuitableignitiontiming.Keywords:naturegasengine;compressionratio;ignitionadvanceangle;BSFC;NOxemissions300引言众所周知，石油储备正急剧减少，能源危机和遍布全球的环境污染使得低排放和高效率的内燃机成为主要的研究热点。天然气作为替代石油的绿色燃料之一，具有资源丰富，成本[1-2]低，排放清洁等优点，市场前景较为广阔。35然而，当前市场上大部分天然气发动机都是通过传统发动机改装而来，针对其燃烧系统[3-4]设计较少，导致了其与相同排量的柴油机相比，热效率较低，燃料经济性不高。一些研基金项目：国家自然科学基金（51006032）作者简介：肖乃松（1993年-），男，硕士，高效低排放发动机燃烧和代用燃料燃烧通信联系人：陈征（1978年-），男，博导，高效低排放发动机燃烧和代用燃料燃烧.E-mail:chen.zheng@126.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[5-7]究者通过研究压缩比对天然气发动机性能影响发现，提高压缩比可以提高发动机热效率，降低温室气体CO2的排放量。但大多数研究者对压缩比的研究多集中在压缩比为10~12，对更高压缩比天然气发动机性能研究较少。然而，压缩比的升高也会导致NOx排放量的增加[7-8]40。由于点火提前角强烈影响火花点火发动机的NOx排放，减小点火提前角可以使得燃烧[9]温度降低，抑制NOx的生成。因此，本文将结合两者的特点，来探讨实现高压缩比天然气发动机经济性与原始排放间平衡的方法。1试验装置及研究方法1.1试验装置45试验用发动机是一台增压中冷、火花点火、稀燃天然气发动机，其基本参数见表1，试验装置示意图如图1所示。表1天然气发动机基本参数名称参数值发动机类型直列6缸，水冷，四冲程排量（L）9.7压缩比10.6,14.5进气方式增压中冷进气歧管压力（kPa）156,151供气方式进气道喷射点火方式火花点火50图1天然气发动机实验台架示意图本试验主要设备包括控制和测量分析两大类，其中标定系统主要用来控制点火提前角等燃烧控制参数，燃烧分析仪可用于缸压的采集并进行燃烧参数的计算分析。1.2试验方法本研究开展了高压缩比试验和点火提前角试验。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn55首先，恒定转速在1800r/min，平均有效压力（BMEP）为2、4、6、8和10bar负荷下先后进行了压缩比为10.6与14.5（简称为CR10.6和CR14.5）天然气发动机试验；在相同负荷工况下不同压缩比的点火时刻均相同。其次，恒定转速在1800r/min，BMEP=10bar的负荷下，对CR14.5的天然气发动机进行了点火时刻优化试验。602试验结果分析CR14.5与CR10.6天然气发动机缸压与放热率的变化历程如图2和图3所示。如两图所示，压缩比增加后，压缩压力乃至最高爆发压力均升高，最高爆发压力出现的时刻前移；同时，开始放热时刻前移，燃烧放热速率加快。这是因为压缩比增加后，一方面压缩终了时刻缸内的温度与压力均升高，更容易形成稳[10]65定的火核；另一方面，混合气湍流速率增加，火焰传播速度加快，使更多的燃料在速燃期内充分燃烧，更集中在上止点附近放热，导致开始放热时刻前移，燃烧持续期缩短。122001800rpm_10bar101800rpm_10bar160CR14.5-1CR10.6CR14.5)CR10.6CAoMpa8(120680缸内压力/4放热速率/J·40200-200204060-30-15015304560曲轴转角/oCAo曲轴转角/CA图2CR14.5与CR10.6缸内压力对比图3CR14.5与CR10.6放热率对比图4为压缩比和负荷对CA5、CA90的影响，本文中的CA5与CA90指的是5%和90%70燃料已燃时刻对应的曲轴转角，一般把CA5作为燃烧始点，CA5与CA90之间的曲轴转角定义为燃烧持续期。如图4所示，随着压缩比和负荷的增加，天然气发动机放热始点前移且燃烧持续期缩短。由图2、3可知，增大压缩比后，开始放热时刻前移，燃烧放热速率加快，导致燃烧持续期变短；此外，随着负荷的增大，节气门开度增大，有更多的新鲜空气进入气缸，使得缸内可75燃混合气密度增大，更容易形成稳定的火焰核心，加快了火焰传播速度，从而使得开始放热时刻前移且缩短了燃烧持续期。50403020CR10.6_CA5CR10.6_CA90曲轴转角/°CA10CR14.5_CA5CR14.5_CA900-10246810BMEP/bar图4压缩比和负荷对CA5、CA90的影响-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图5是压缩比和负荷对缸内最高爆发压力的影响。由图可见，随着压缩比与负荷的增加，80天然气发动机最高爆发压力均有所升高。这是因为压缩比增加后，压缩过程的压力升高，燃烧过程缸内最高爆发压力也会随之升高；此外，随着负荷的增大，缸内可燃混合气量增加，燃烧压力相应升高；另由图4可知，高负荷工况下，燃烧速度加快，更多的燃料在上止点附近燃烧，燃烧压力升高。1091800RPMCR14.58CR10.6765最高爆发压力/MPa432246810BMEP/bar85图5压缩比和负荷对最高爆发压力的影响图6是压缩比和负荷对缸内气体最高平均温度的影响。如图所示，随着压缩比和负荷的增加，天然气发动机最高气体平均温度均有所升高。这是因为随着压缩比的增加，压缩终了温度升高，着火时刻提前且燃烧持续期缩短，更多的燃料在速燃期内燃烧，燃烧温度相应升高；而随着负荷的增大，可燃混合气量增多，气体燃烧温度也相应升高；同时缸内残余废气90系数降低，而更少的废气具有更低的水和二氧化碳比热容，也有利于气体燃烧温度的升高。22001800RPMCR14.62100CR10.62000最高气体平均温度/K19001800246810BMEP/bar图6压缩比和负荷对最高气体平均温度的影响图7为1800r/min转速下，压缩比和负荷对天然气发动机燃气消耗率(BSFC)的影响。由图可知，当压缩比和负荷增加时，天然气发动机的BSFC有明显的降低。95由奥托循环热效率公式：11（1）1可知，压缩比增加，发动机的热效率升高。压缩比增加后，一方面缸内压力温度升高，缸内气体湍流速率增加，燃烧速度加快（如图4所示）；另一方面膨胀比也相应的增加，排气温度更低，废气所携带的能量减少，传热和排气损失减小。这些因素综合导致发动机热效100率升高，BSFC降低。此外，随着负荷的逐步增大，节气门开度增大，提高了进气密度，缸内残余废气量减少，节流损失减少，因此燃气消耗率逐渐降低。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn400-1·h3601800RPM-1CR14.5320CR10.6280燃气消耗率/g·kW240200246810BMEP/bar图7压缩比和负荷对燃气消耗率的影响图8是压缩比和负荷对NOx排放量的影响。由图可见，随着压缩比和负荷的增加，NOx105排放有明显地升高。天然气发动机的NOx排放中主要成分是NO，NO的产生机理是高温、富氧和一定的高[10]温反应时间，且其浓度随着温度的提高而呈指数函数急剧增加。随着压缩比的增加，燃烧温度显著升高，这可能是NOx排放升高的主要原因。此外，随着负荷的增大，节气门开度增大，混合气量变多而空燃比保持不变，这会导致燃烧温度升高，NOx排放也随之升高。201800RPMCR14.5CR10.6-116·h-1128NOx排放量/g·kW40246810110BMEP/bar图8压缩比和负荷对NOx排放量的影响通过上面的研究可以发现，通过提高天然气发动机的压缩比，能获得更高的热效率和燃气经济性，但同时也会导致NOx排放量增加。为了兼顾更低的缸内排放要求以减轻后处理系统的减排压力，需要在增大压缩比的同时采取措施来使天然气发动机能同时实现经济性与115排放的良好平衡。图9是转速为1800r/min、BMEP=10bar工况下CR14.5天然气发动机的BSFC和NOx比排放随点火时刻的变化。可以发现随着点火时刻提前，天然气发动机的BSFC先逐渐降低达到一个最低值之后再逐渐增加，而NOx排放随着点火时刻提前而持续升高。这是因为天然气燃烧速度较慢，特别是在稀燃情况下，燃烧持续期变长。在较晚的点火120时刻下，燃烧推迟，导致部分燃料难以充分燃烧，其能量随废气排出；同时，较多的燃料在膨胀期间才参与燃烧，导致其做功能力下降，气耗率增加。但是当点火提时刻过早时，燃烧较早，导致部分燃料在压缩行程中放热，发动机的压缩负功增加，气耗率也相应增加。随着点火时刻前移，开始放热时刻相应提前，燃烧放出的热量会进一步加快燃烧速度，使得更多的燃料在速燃期内燃烧，提高了气体燃烧温度从而使NOx排放增加。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2252201800rpm_10bar-1CR14.5·hCR10.6-1215210205燃油消耗率/g·kW20019540-130·h-12010NOx比排放量/g·kW0121620242832364044o点火提前角/CA125图9点火提前角对BSFC和NOx的影响此外，图9中也显示了在转速为1800r/min、BMEP=10bar工况下，CR10.6的天然气发动机在点火时刻30°CABTDC时对应的气耗率和NOx排放分别为213.52g/kW·h和13.411g/kW·h。与之相比，压缩比为14.5的天然气发动机通过调整点火提前角，在保持同130样的NOx排放量条件下，气耗率可以降低到196.85g/kW·h，降低幅度为7.81%。可见，通过提高压缩比和合理的点火正时可以实现更好的经济性与排放间的平衡。3结论本文通过对天然气发动机的压缩比和点火正时进行了实验研究，得到以下主要结论：135（1）随着压缩比的提高，燃烧速率加快，最高爆发压力与燃烧温度升高，热效率明显提高，但NOx排放量也随之增多。（2）随着点火时刻的提前，天然气发动机的BSFC先逐渐降低后再慢慢升高，存在一个最佳气耗区，但NOx排放随点火提前而不断升高。（3）通过调整点火提前角，在保持同样的NOx排放量条件下，压缩比为14.5的天然140气发动机，相比10.6压缩比，气耗率可以降低7.81%。[参考文献](References)[1]ParkC,KimC,ChoiY,WonS,MoriyoshiY.Researchanddevelopmentofnatural-gasfueledenginesinIran[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2013,26(10):805-821.[2]李兴虎.汽车环境保护技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.145[3]傅忠诚，艾效逸，王天飞等，天然气燃烧与节能环保新技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.[4]王帅兵，秦豪杰，邵方阁.国内天然气汽车的发展现状及趋势[J].汽车实用技术，2016（10）：1-3.[5]LimG,LeeS,ParkC,ChoiY,KimC.Effectsofcompressionratioonperformanceandemission-6- 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