進氣道噴射天然氣發動機不同燃燒方式下的排放特性

陳威昌　王帥兵　唐建鵬

（華北水利水電大學，河南鄭州　450045）

進氣道噴射天然氣發動機不同燃燒方式下的排放特性

陳威昌王帥兵唐建鵬

（華北水利水電大學，河南鄭州450045）

以一臺加裝一套天然氣供給系統的DFMA15發動機為研究對象，對比燃用單一汽油和天然氣發動機動力性能，研究部分負荷下過量空氣系數和點火提前角對NOx和THC的影響。結果表明：在同一節氣門開度下，用天然氣作燃料時，發動機動力性能比汽油作為燃料時有明顯下降，并隨著節氣門開度的增加，其動力下降指數越來越小，從28%下降至12.5%；在其他影響參數不變的情況下，混合氣過濃或者過稀都會對NOx和THC的排放產生明顯影響。隨著過量空氣系數的增大，NOx呈現先增大后減小的趨勢，在λ=1.1處達到最大，THC呈現先減小后增大的趨勢，在1.2處達到最??；隨著點火提前角的增大，NOx呈現增大趨勢，而THC呈現減小趨勢并且超過25°CA后基本不受影響。

動力性能；過量空氣系數；點火提前角；NOx；THC

隨著能源危機日益加劇和排放法規日趨嚴格，尋找清潔代用燃料成為內燃機研究的重要課題。在眾多清潔代用燃料中，天然氣因其儲量大，具有良好的排放性和經濟性成為最具有潛力的發動機代用燃料［1-2］。并且在今后相當長的時間內，汽車發動機燃用氣體燃料如天然氣將是最為現實且技術相當成熟的方案之一［3］。從目前看來，國內大部分天然氣汽車是由原來的汽油車或柴油車改裝的天然氣-汽油雙燃料或天然氣-柴油雙燃料汽車［4］。截至2014年底，我國天然氣汽車保有量已達到459.5萬輛，居世界第一。因此，對雙燃料汽車的發動機研究仍具有重要的現實意義和應用價值。

在不改變發動機結構參數的情況下，通過優化發動機的各項運轉參數，為發動機不同工況下提供最佳燃空比和點火提前角，可以使發動機具有更好的經濟性、動力性和排放性。

本文基于電控多點噴射發動機對HC和NOx進行了研究，分析了不同燃燒方式對發動機排放性能的影響，其目的在于為天然氣/汽油雙燃料發動機滿足國V排放法規提供依據。

1　試驗設備及方案

1.1試驗設備

試驗發動機型號為DFMA15，在保留原汽油機所有裝置和功能的基礎上增加了一套燃氣供給裝置，油、氣控制和轉換裝置。DFMA15發動機的主要性能參數如表1所示，試驗中用到的主要設備如表2所列。

表1　DFMA15發動機的主要技術參數

表2　主要試驗設備

1.2試驗方案

試驗選擇1 500r/min和2 000r/min兩種轉速，首先通過改變節氣門開度和測功機扭矩的大小控制發動機轉速，并對比發動機分別以汽油和天然氣為燃料時的動力性能。其次控制節氣門開度分別為50%和75%，保持點火提前角不變，通過調整天然氣的噴射買寬的大小得到不同的過量空氣系數λ，λ的變化范圍為1.0～1.5，步長為0.1。保持過量空氣系數不變，改變點火提前角θ，在10° CA～40°CA范圍內變化。觀察各工況下THC、NOx和排氣溫度Tr的變化并記錄數據。待每個工況點穩定后測量45s，前15s為儀器準備階段，儀器對后30s判存最大值、最小值，并計算平均值。

2　試驗結果及分析

2.1燃用汽油和天然氣發動機動力性能對比

圖1給出了DFMA15發動機使用單一汽油和天然氣兩種燃料，在不同節氣門開度下的動力性能對比曲線。從圖1可以看出，在同一節氣門開度下，燃用天然氣時發動機的轉矩有所下降，但隨著節氣門開度的增加，動力下降率越來越小，從28%下降到12.5%，在節氣門開度為55%時動力下降率最小。這是由于天然氣是氣體燃料，在進氣道與空氣混合后，在可燃混合氣中的體積分數大于汽油的體積分數，使充氣效率降低；隨著節氣門開度的增加，空氣的節流損失越來越小，進入進氣道的空氣越來越多，天然氣的體積分數變小，使充氣效率增加；天然氣的著火溫度比汽油高，并且燃燒火焰傳播速度比汽油慢，在同一空燃比的條件下，天然氣混合氣的火焰傳播速度比汽油混合氣的傳播速度低12%左右。

圖1　不同節氣開度下動力性能比較

圖2　過量空氣系數對NOx的影響

2.2過量空氣系數對NOx和THC的影響

圖2是NOx排放量隨λ增加而變化的曲線。由圖2可以看出，隨著λ的增大，NOx呈現先增大后減小的趨勢。在λ=1.1時，NOx達到最大值；當λ在1.2以后，NOx以斜率接近-1的直線下降；當λ達到1.55時，NOx排放值接近于0。NOx呈現這種變化規律的原因是：當λ=1.0時，缸內混合氣較濃，火焰傳播速度快，使混合氣在很短的時間內完成燃燒，放熱率大，缸內已燃氣體的溫度達到最高值，但此時混合氣中的氧含量較低且燃燒時間較短，抑制了NOx的生成；當在1.05～1.1之間變化時，缸內混合氣濃度和火焰傳播速度快有所降低，主燃期變長，溫度也有所下降，但氧含量增加引起的NOx增加的效果遠大于由于溫度降低引起的NOx下降的效果，當λ達到1.1時，NOx的排放量達到峰值；隨著λ的繼續增大，缸內混合氣的濃度越來越希，火焰傳播速度越來越慢，滯燃期和主燃期逐漸變長，在燃燒期內做功和傳熱損失增加，缸內溫度和壓力越來越低，此時由于溫度下降引起的NOx下降的效果遠大于氧含量增加引起的NOx增加的效果，從而NOx的生成量越來越低；當λ在1.4以后，混合氣越來越接近著火稀限，出現失火現象，此時缸內溫度很低，NOx的生成量很少。

圖3　過量空氣系數對THC的影響

圖3是THC排放量隨λ增加而變化的曲線。從圖3可以看出，與NOx的變化趨勢相反，THC隨λ的增大呈現的趨勢是先減小后增大。原因是當λ較小時，混合氣過濃，此時氧不足，燃燒不完全，導致產生大量的HC。當λ較大時，可燃混合氣較稀，缸內燃燒溫度較低，不利于HC的氧化。另外，缸內混合氣越稀越接近失火極限，造成缸內火焰的不完全傳播，致使在火焰無法到達的位置產生了大量未燃HC。

圖4　點火提前角對NOx的影響

2.3點火提前角對NOx和THC的影響

圖4是NOx排放量隨θ增加而變化的曲線。隨著θ的增加，NOx排放量呈現增大趨勢，而且低轉速時NOx排放量明顯高于高轉速時NOx排放量。原因是，在一定范圍內，隨著點火提前角的增大，混合氣燃燒的時間更長，且更多的燃料在上止點前燃燒，使得缸內最高燃燒壓力升高，同時也導致最高燃燒溫度升高，使得NOx的排放增加。θ一定時，隨著轉速的升高，最高燃燒溫度有所降低，從而使得NOx排放量減少。

圖5　點火提前角對THC的影響

圖5是THC隨θ增加而變化的曲線。由圖5可以看出，隨點火提前角的增大，THC呈現減小的趨勢，并且大于25時，點火提前角對THC的排放量影響較小。主要原因是，當點火提前角較大時，著火發生在上止點前相對較早時刻，而且主燃期也短，使缸內產生了較高的燃燒壓力和溫度，有利于THC的氧化，從而使THC減小。

3　結論

①在同一節氣門開度下，發動機用天然氣作燃料時，其動力性能比汽油作為燃料時有明顯下降，并隨著節氣門開度的增加，其動力下降指數越來越小，最終為10%～15%。

②混合氣過濃或者過稀都會對NOx和THC的排放產生明顯影響。NOx排放量隨著過量空氣系數的增加，呈現先增大后減小的趨勢，當過量空氣系數為1.1時達到最大值；THC隨著過量空氣系數的增大呈現先減小后增大的趨勢，在1.2左右達到最小值。

③隨著點火提前角的增大，NOx呈現升高趨勢，而THC呈現降低趨勢。但隨著點火提前角的繼續增大，對THC的排放量影響較小。

［1］Liu Y，Yeom J，Chung S.A study of spray development and combustion propagation processes of spark-ig-nited direct in?jection（SIDI）compressed natural gas（CNG）［J］.Mathematical and Compiter Modelling，2013（1-2）：228-224.

［2］胡春明，侯圣智，趙文鋒，等.低壓缸內直噴CNG發動機燃燒特性的影響因素［J］.燃燒科學與技術，2010（5）：446-451.

［3］蔣德明，黃佐華.內燃機替代燃料燃燒學［M］.1版.西安：西安交通大學出版社，2007.

［4］李樹生.高性能大功率天然氣發動機燃燒系統開發與研究［D］.濟南：山東大學，2013.

Emission Characteristics of Natural Gas Engine under Different Combustion Modes

Chen WeichangWang ShuaibingTang Jianpeng
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Taking the engine DFMA15 installed a natural gas supply system as the study object，compared the en?gine's dynamic performance of single fueled with gasoline and natural gas，and the effects of excess air ratio and igni?tion advance angle on NOxand THC under partial load were studied.The results showed that，in the same section of valve opening，when the engine uses natural gas as fuel，its dynamic performance was significantly lower than that of gasoline as fuel，and with the increase of the section of valve opening，the power down index was getting smaller and smaller，from 28%down to 12.5%；Too thick or thin mixture would have a significant impact on the emissions of NOxand THC，in the case of other parameters unchanged，with the increase of excess air ratio，NOxfirst increased and then decreased，and reached the maximum atλ=1.1，but THC presented the trend of first decreasing and then increas?ing，reaching the minimum at 1.2.With the ignition advance angle increased，NOxshowed an increasing trend，while THC showed a decreasing trend and were basically not affected when more than 25°CA.

dynamic performance；excess air ratio；ignition advance angle；NOx；THC

TK431

A

1003-5168（2016）08-0065-03

2016-07-15

陳威昌（1988-），男，碩士，研究方向：清潔能源車用發動機燃燒及優化。