高压缩比稀薄燃烧天然气发动机的燃烧与排放特性

孙慧慧 王天友 张海岩

天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室

随着气体燃料开采量加大，其远距离输送、净化脱水及储运技术的提高，以及内燃机排放标准的日益严格，使气体燃料发动机技术得以迅猛发展[1－2]。由于天然气具有热值高、辛烷值高、污染低等优点，目前很多国家和地区都在发展天然气汽车方面展开了重点研究，并且取得了一定的成果。在我国，天然气储量十分丰富，价格相对较低，有利于发展天然气发动机汽车[3]。车用发动机以中小负荷工况为主，燃油消耗率较高，经济性差。而天然气混合气允许的过量空气系数变化范围为0.6～1.8，采用稀薄燃烧技术可以降低发动机热负荷，提高天然气发动机效率，同时降低污染物排放[4－7]。目前，国内外开发的天然气发动机大多采用理论空燃比与部分工况稀薄燃烧相结合的燃烧方式。

在稀薄燃烧技术的基础上，提高压缩比可以深入发掘稀薄燃烧天然气发动机的潜能，进一步改善天然气发动机的热效率[8]。目前国内外已发表的成果中，皆是将稀薄燃烧与提高压缩比独立研究[3－14]，而缺少两者结合起来对天然气发动机性能影响的报道。为此，在一台进气道喷射天然气发动机上，在不同过量空气系数和压缩比条件下对发动机进行燃烧及排放特性试验研究，为进一步优化设计天然气发动机提供了理论支持和试验数据。

1 试验装置

1.1 试验样机及测试设备

试验用发动机为L4－DOHC型发动机，缸径×冲程为73mm×80mm，连杆长度为129.5mm，总排量为1.339L，压缩比为10、12。

1.2 试验工况

针对车用发动机普遍运行于中小负荷下、经济性差的特点，分别在2 000r／min和2 800r／min转速下，选取平均有效压力0.2MPa和0.5MPa为发动机运行工况，进行了压缩比10和12以及过量空气系数1.0、1.1、1.2、1.3、1.4的对比试验。在同一工况下保持喷气时刻一致，各工况下均选取最佳点火提前角进行试验。各试验点缸压数据连续采集50个循环，取平均值用于计算各燃烧特性参数。

2 试验结果及分析

2.1 燃烧特性

图1 最高燃烧压力随过量空气系数与压缩比的变化图

图2 最大压力升高率随过量空气系数与压缩比的变化图

图1、2为缸内最高燃烧压力与最大压力升高率随过量空气系数与压缩比的变化图。由图1、2可知，随着过量空气系数的增加，缸内最高燃烧压力与最大压力升高率略有升高，而在过量空气系数达到1.4时出现下降。其原因是适当提高过量空气系数有利于天然气的充分燃烧；当过量空气系数进一步提高时，由于天然气占去一部分进气体积，充量系数受到限制，导致进入缸内参与燃烧的燃气量减少，最高燃烧压力与最大压力升高率随之降低。

如图1、2所示，增加压缩比可提高缸内最高燃烧压力。压缩比的增加提高了缸内燃烧速率，使压缩终点压力和温度增加，缸内压力峰值和最大压力升高率提高。

图3为缸内最高燃烧温度随过量空气系数与压缩比的变化图。从图3可以看出，缸内最高燃烧温度随过量空气系数先升高后降低。由于略稀薄的混合气更有利于天然气燃料的充分燃烧，故最高燃烧温度升高。同时，随着压缩比的增加，一方面点火时刻混合气温度升高，另一方面混合气湍流速率增加，提高了缸内混合气的燃烧速度，导致缸内最高燃烧温度提高。

图3 缸内最高燃烧温度随过量空气系数与压缩比的变化图

图4为气耗率随过量空气系数与压缩比的变化图。气耗率随过量空气系数的增加先降低后升高，这与最高燃烧温度随过量空气系数变化规律相反。可见，适当的稀薄燃烧有利于达到更低的气耗率。压缩比的增加可以进一步降低发动机的气耗率。

图5为平均指示压力循环变动系数随过量空气系数与压缩比的变化图。循环变动系数先降低后升高，最低值出现在过量空气系数为1.1～1.2的工况。当过量空气系数达到1.4时，循环变动系数开始大幅升高，燃烧趋于不稳定。可见，在适当的范围内对天然气发动机采用稀薄燃烧是可行的，循环变动系数满足发动机正常工作要求。随着压缩比的升高，缸内气流运动加剧，燃烧速率加快，导致循环变动系数略有升高，但最高值不超过8%。

图4 气耗率随过量空气系数与压缩比的变化图

图5 平均指示压力循环变动系数随过量空气系数与压缩比的变化图

2.2 排放特性

图6为CO排放量随过量空气系数与压缩比的变化图。随着混合气逐渐变稀，混合气中O2浓度提高，CO排放量大幅降低。另外，CO排放量随着压缩比的增加而降低，这是因为压缩比的增加使燃烧过程中的温度提高，后氧化能力提高，使得CO生成量降低。

图6 CO排放量随过量空气系数与压缩比的变化图

图7为HC排放量随过量空气系数与压缩比的变化图。随着过量空气系数的增加，HC排放量先发生小幅降低，后略微升高，总体变化不大。过量空气系数增加，混合气燃烧变得充分，HC排放略有下降；随着过量空气系数进一步增加，燃烧趋于不充分，故HC排放量有所回升。随着压缩比的升高，缸内压力提高，狭隙效应加剧，且膨胀比提高，导致膨胀后期燃气温度下降，减缓了HC的后氧化率，故HC排放增加。

图8为NOx排放量随过量空气系数与压缩比的变化图。随过量空气系数变化，NOx排放量呈先升高后降低趋势。在普遍富氧稀薄燃烧的环境下，由于缸内燃烧温度的升高，当过量空气系数在1.1～1.2时，NOx排放量增加。压缩比对NOx排放量影响无明显变化。

图7 HC排放量随过量空气系数与压缩比的变化图

图8 NOx排放量随过量空气系数与压缩比的变化图

综上所述，适当稀薄燃烧并提高压缩比可以使天然气发动机缸内燃烧更充分，有利于改善发动机的经济性。当压缩比为12、过量空气系数为1.1～1.2时，发动机气耗率最低，CO排放量较低，HC排放量与NOx排放量均有所增加；当过量空气系数超过1.3时，发动机燃烧开始变得不稳定，气耗率有所升高。因此，综合考虑天然气发动机的经济性与排放要求，提高压缩比并组织适当稀薄燃烧是较为合理的选择。

3 结论

1）随着过量空气系数的提高，最高燃烧压力、最大压力升高率以及缸内最高燃烧温度均呈现先升高后下降的变化趋势。

2）随着过量空气系数的提高，气耗率先降低后升高，在过量空气系数为1.1～1.2时达到最低。

3）平均指示压力的循环变动系数随着过量空气系数的提高先降低后升高，但最高值不超过8%。

4）随着压缩比的提高，发动机热负荷增加，气耗率降低，平均指示压力的循环变动系数略有升高。

5）随着过量空气系数的增加，CO排放量大幅降低，HC排放量略有降低继而升高，但整体变化不大，NOx排放量先升高后降低。随压缩比的提高，CO排放量降低，HC排放量升高，NOx排放量受压缩比影响规律不明显。

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