焦运景;张惠明;司鹏鸥;杨志勇;张自立;程辉
【摘 要】通过对一台6102型稀燃点燃式天然气发动机在不同混合气浓度和不同点火提前角下的燃烧特性进行试验,深入分析了点火提前角和混合气浓度对天然气发动机燃烧特性的影响.结果表明,当进气压力和转速一定时,随着混合气变稀,NO_x排放降低,但输出转矩有减小趋势,耗气率升高且燃烧稳定性变差;适当增大点火提前角,可以使输出转矩增大,耗气率降低,提高燃烧稳定性,但NO_x排放会有所增加.因而需综合考虑动力性、经济性和排放来选择最佳的混合气浓度和点火提前角.出了在满足动力性、经济性和排放的特定工况点的适宜浓度和点火提前角范围,为进一步标定全工况下的MAP图也提供了参考依据.
【期刊名称】《燃烧科学与技术》
【年(卷),期】2009(015)006
【总页数】5页(P541-545)
【关键词】火花点火;天然气发动机;燃烧特性
【作 者】焦运景;张惠明;司鹏鸥;杨志勇;张自立;程辉
【作者单位】天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072;东风南充汽车有限公司,南充,637000;东风南充汽车有限公司,南充,637000;东风南充汽车有限公司,南充,637000
【正文语种】中 文
【中图分类】TK4
天然气具有资源丰富、价格便宜和排放污染低的突出优点，因而倍受人们青睐.世界各大汽车公司也将天然气汽车作为一种优先发展的代用燃料汽车.奔驰公司1987年开始生产城市公交车用CNG发动机[1]；到1999年,丰田公司已有4种类型的天然气汽车投入市场[2].目前，我国许多大中城市把发展天然气公交客车作为治理城市大气污染的重要举措之一，这对于充分利用我国丰富的燃气资源，减少国家对燃油的依赖，保护城市环境，满足日益严格的排放法规，具有非常重要的意义.因此，研究、开发天然气发动机具有广阔的市场前景.
开发中重型车用单一燃料天然气发动机的方法之一就是将柴油机改装为火花点火天然气发动机；为了降低排放、满足越来越严格的排放法规，天然气发动机的燃烧策略主要采用带尾气氧化催化器的稀薄燃烧方式和带三元催化器的当量空燃比燃烧方式.稀燃方式燃烧温度低，发动机热负荷低，且氧化催化器的价格较低，可以大幅度降低NOx排放，达到国Ⅳ的排放标准.笔者研究了改变点火提前角和混合气浓度对天然气发动机燃烧特性的影响，出其适宜的点火提前角和过量空气系数，使其在满足动力性经济性的前提下，达到国Ⅳ排放标准.
1 试验装置与试验方法
1.1 试验装置
试验用天然气发动机以一台6102柴油机为原型机改制而成，该天然气发动机的参数如表1所示.图 1为该发动机的试验系统示意图，该试验系统中，采用瑞士奇石乐公司的缸压传感器，奥地利DEWETRON公司的燃烧分析仪，美国罗斯蒙特公司的CNG流量计，日本HORIBA公司的过量空气系数仪，成都倍诚公司的BCA5000型排气分析仪，遂昌动力设备厂生产的CW440型电涡流测功机.
1.2 试验方法
混合气浓度和点火提前角对最高爆发压力、燃气温度、热效率和废气有害成分的形成都有很大的影响[3].天然气的可燃混合气着火界限宽[4],因而即使在最大转矩工况下,也是可以实现稀燃的,在满足转矩需要的情况下,降低NOx排放,以适应更严格的排放法规.因而本研究针对不同负荷，在转速为1 600 r/min时，分别通过改变混合气浓度和点火提前角，对稀燃天然气发动机的燃烧过程进行了探索性的试验研究.旨在得出其稀燃特性，出稀燃限界.
表1 试验发动机参数参 数指 标发动机类型火花点火式缸径/mm102连杆长度/mm184活塞行程/mm115压缩比10.5∶1标定功率/kW132标定功率转速/(r·min-1)2 800最大转矩/(N·m)560最大转矩转速/(r·min-1)1 600
1—涡轮增压器; 2—排气分析仪; 3—过量空气系数仪; 4—排气总管; 5—中冷器; 6—进气总管; 7—燃烧分析仪; 8—电子节气门; 9—混合器; 10—燃气计量阀; 11—减压阀; 12—燃气流量计; 13—截止阀; 14—CNG气瓶; 15—火花塞; 16—测功机; 17—点火模块
图1 发动机的试验系统示意
2 试验结果分析
2.1 燃烧特性分析
2.1.1 混合气浓度对缸内燃烧压力及火焰发展期和快速燃烧期的影响
图2为不同过量空气系数下的燃烧压力曲线，其中点火提前角为30° CA BTDC, 进气压力为0.175 MPa,转速为1 600 r/min.图中表明，随着过量空气系数的增大，燃烧压力峰值降低.通常将火花点火发动机的燃烧过程可分为火焰发展期和快速燃烧期.火焰发展期指从火花跳火到累计放热率达到10%的曲轴转角；快速燃烧期指从累计放热率10%到90%的时间或曲轴转角.
图3为过量空气系数对火焰发展期和快速燃烧期的影响曲线，其中点火提前角为30° CA BTDC, 进气压力为0.175 MPa,转速为1 600 r/min.图中表明，随着过量空气系数的增大，火焰发展期和快速燃烧期均有所增长.φ=1.35时，火焰发展期经历了30.5°CA，快速燃烧期经历了25.5° CA；φ=1.54时，火焰发展期经历了35.5° CA，快速燃烧期经历了42° CA.这主要是由于在一定的转速和进气压力下，随着过量空气系数增大，缸内混合气变稀，使得相同
转速相同进气压力下缸内参与燃烧的燃气量减小，火焰传播速度降低，燃烧速度变慢，燃烧持续期增长，使得缸内压力峰值降低.
图2 不同过量空气系数下的燃烧压力
图3 过量空气系数对火焰发展期和快速燃烧期的影响
2.1.2 点火提前角对燃烧压力的影响
图4为不同点火提前角下的压力曲线，其中转速为1 600 r/min,进气压力为0.175 MPa,过量空气系数为1.41.图4表明，相同转速相同进气压力下，当混合气浓度一定时，推迟点火提前角θig，则燃烧过程显著延迟，压力峰值减小且出现时刻后移.过多减小点火提前角还易造成后燃现象，排温升高(图8)，从而使有效热效率减小(图6)，燃料消耗率增大(图10)，动力性、经济性变差；因而适当增大点火提前角，可以弥补由于天然气燃料火焰传播速度慢所导致热效率下降的趋势，从而改善发动机缸内的燃烧过程.
图4 不同点火提前角下的燃烧压力
2.1.3 燃烧稳定性分析
燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征.以平均指示压力变动系数(Cpmi)[5]来表征燃烧循环变动,计算式为
(1)
式中:σpmi为平均指示压力的标准偏差;为平均指示压力的平均值.一般认为，平均指示压力的变动系数值不应超过10%.
图5为缸内平均指示压力变动系数随过量空气系数的变化情况，其中转速为1 600 r/min,进气压力为0.175 MPa,图中表明，随着过量空气系数的增大，燃烧稳定性变差，θig=35° CA BTDC时，当过量空气系数为1.56时，平均指示压力变动系数值甚至超过10%.随着点火提前角的增大，指示压力变动系数值减小，燃烧稳定性好.随着混合气变稀，过量空气系数增大，平均指示压力变动系数值呈上升趋势，但变化并不是线性的.θig=20° CA BTDC时，φ<1.40时，循环波动率上升幅度小，当φ>1.40时，循环波动率开始大幅度上升；当θig=25° CA BTDC时，φ<1.45时，随着过最空气系数φ增大，循环波动率为平稳上升，当φ>1.45时，循环波动率开始大幅上升；θig=30° CA BTDC时，φ <1.52时，循环波动率为平稳上升，当φ>1.52时，循环波动率率开始大幅上升；θig =35° CA BTDC时，φ<1.54时，循
环波动率为平稳上升，当φ>1.54时，循环波动率开始大幅上升时.由此可知，随点火提前角增大，则稀燃范围变宽，发动机适应稀燃能力越强，随着点火迟后，燃烧稳定性变差，稀薄燃烧时，更容易出现较大的循环波动率.这主要是由天然气本身的燃烧特性决定.推迟点火提前角，易造成后燃严重，排气温度升高，并使得燃烧的稳定性变差.
图5 平均指示压力变动系数
2.1.4 热效率汽车改装天然气
指示热效率是评价缸内燃烧情况优劣的一个因素.图6为不同凸轮轴、不同转速下的指示热效率
ηi=3.6×103Pi/(BHu)
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