进气道喷射天然气发动机不同燃烧方式下的排放特性

陈威昌　王帅兵　唐建鹏

（华北水利水电大学，河南郑州　450045）

进气道喷射天然气发动机不同燃烧方式下的排放特性

陈威昌王帅兵唐建鹏

（华北水利水电大学，河南郑州450045）

以一台加装一套天然气供给系统的DFMA15发动机为研究对象，对比燃用单一汽油和天然气发动机动力性能，研究部分负荷下过量空气系数和点火提前角对NOx和THC的影响。结果表明：在同一节气门开度下，用天然气作燃料时，发动机动力性能比汽油作为燃料时有明显下降，并随着节气门开度的增加，其动力下降指数越来越小，从28%下降至12.5%；在其他影响参数不变的情况下，混合气过浓或者过稀都会对NOx和THC的排放产生明显影响。随着过量空气系数的增大，NOx呈现先增大后减小的趋势，在λ=1.1处达到最大，THC呈现先减小后增大的趋势，在1.2处达到最小；随着点火提前角的增大，NOx呈现增大趋势，而THC呈现减小趋势并且超过25°CA后基本不受影响。

动力性能；过量空气系数；点火提前角；NOx；THC

随着能源危机日益加剧和排放法规日趋严格，寻找清洁代用燃料成为内燃机研究的重要课题。在众多清洁代用燃料中，天然气因其储量大，具有良好的排放性和经济性成为最具有潜力的发动机代用燃料［1-2］。并且在今后相当长的时间内，汽车发动机燃用气体燃料如天然气将是最为现实且技术相当成熟的方案之一［3］。从目前看来，国内大部分天然气汽车是由原来的汽油车或柴油车改装的天然气-汽油双燃料或天然气-柴油双燃料汽车［4］。截至2014年底，我国天然气汽车保有量已达到459.5万辆，居世界第一。因此，对双燃料汽车的发动机研究仍具有重要的现实意义和应用价值。

在不改变发动机结构参数的情况下，通过优化发动机的各项运转参数，为发动机不同工况下提供最佳燃空比和点火提前角，可以使发动机具有更好的经济性、动力性和排放性。

本文基于电控多点喷射发动机对HC和NOx进行了研究，分析了不同燃烧方式对发动机排放性能的影响，其目的在于为天然气/汽油双燃料发动机满足国V排放法规提供依据。

1　试验设备及方案

1.1试验设备

试验发动机型号为DFMA15，在保留原汽油机所有装置和功能的基础上增加了一套燃气供给装置，油、气控制和转换装置。DFMA15发动机的主要性能参数如表1所示，试验中用到的主要设备如表2所列。

表1　DFMA15发动机的主要技术参数

表2　主要试验设备

1.2试验方案

试验选择1 500r/min和2 000r/min两种转速，首先通过改变节气门开度和测功机扭矩的大小控制发动机转速，并对比发动机分别以汽油和天然气为燃料时的动力性能。其次控制节气门开度分别为50%和75%，保持点火提前角不变，通过调整天然气的喷射买宽的大小得到不同的过量空气系数λ，λ的变化范围为1.0～1.5，步长为0.1。保持过量空气系数不变，改变点火提前角θ，在10° CA～40°CA范围内变化。观察各工况下THC、NOx和排气温度Tr的变化并记录数据。待每个工况点稳定后测量45s，前15s为仪器准备阶段，仪器对后30s判存最大值、最小值，并计算平均值。

2　试验结果及分析

2.1燃用汽油和天然气发动机动力性能对比

图1给出了DFMA15发动机使用单一汽油和天然气两种燃料，在不同节气门开度下的动力性能对比曲线。从图1可以看出，在同一节气门开度下，燃用天然气时发动机的转矩有所下降，但随着节气门开度的增加，动力下降率越来越小，从28%下降到12.5%，在节气门开度为55%时动力下降率最小。这是由于天然气是气体燃料，在进气道与空气混合后，在可燃混合气中的体积分数大于汽油的体积分数，使充气效率降低；随着节气门开度的增加，空气的节流损失越来越小，进入进气道的空气越来越多，天然气的体积分数变小，使充气效率增加；天然气的着火温度比汽油高，并且燃烧火焰传播速度比汽油慢，在同一空燃比的条件下，天然气混合气的火焰传播速度比汽油混合气的传播速度低12%左右。

图1　不同节气开度下动力性能比较

图2　过量空气系数对NOx的影响

2.2过量空气系数对NOx和THC的影响

图2是NOx排放量随λ增加而变化的曲线。由图2可以看出，随着λ的增大，NOx呈现先增大后减小的趋势。在λ=1.1时，NOx达到最大值；当λ在1.2以后，NOx以斜率接近-1的直线下降；当λ达到1.55时，NOx排放值接近于0。NOx呈现这种变化规律的原因是：当λ=1.0时，缸内混合气较浓，火焰传播速度快，使混合气在很短的时间内完成燃烧，放热率大，缸内已燃气体的温度达到最高值，但此时混合气中的氧含量较低且燃烧时间较短，抑制了NOx的生成；当在1.05～1.1之间变化时，缸内混合气浓度和火焰传播速度快有所降低，主燃期变长，温度也有所下降，但氧含量增加引起的NOx增加的效果远大于由于温度降低引起的NOx下降的效果，当λ达到1.1时，NOx的排放量达到峰值；随着λ的继续增大，缸内混合气的浓度越来越希，火焰传播速度越来越慢，滞燃期和主燃期逐渐变长，在燃烧期内做功和传热损失增加，缸内温度和压力越来越低，此时由于温度下降引起的NOx下降的效果远大于氧含量增加引起的NOx增加的效果，从而NOx的生成量越来越低；当λ在1.4以后，混合气越来越接近着火稀限，出现失火现象，此时缸内温度很低，NOx的生成量很少。

图3　过量空气系数对THC的影响

图3是THC排放量随λ增加而变化的曲线。从图3可以看出，与NOx的变化趋势相反，THC随λ的增大呈现的趋势是先减小后增大。原因是当λ较小时，混合气过浓，此时氧不足，燃烧不完全，导致产生大量的HC。当λ较大时，可燃混合气较稀，缸内燃烧温度较低，不利于HC的氧化。另外，缸内混合气越稀越接近失火极限，造成缸内火焰的不完全传播，致使在火焰无法到达的位置产生了大量未燃HC。

图4　点火提前角对NOx的影响

2.3点火提前角对NOx和THC的影响

图4是NOx排放量随θ增加而变化的曲线。随着θ的增加，NOx排放量呈现增大趋势，而且低转速时NOx排放量明显高于高转速时NOx排放量。原因是，在一定范围内，随着点火提前角的增大，混合气燃烧的时间更长，且更多的燃料在上止点前燃烧，使得缸内最高燃烧压力升高，同时也导致最高燃烧温度升高，使得NOx的排放增加。θ一定时，随着转速的升高，最高燃烧温度有所降低，从而使得NOx排放量减少。

图5　点火提前角对THC的影响

图5是THC随θ增加而变化的曲线。由图5可以看出，随点火提前角的增大，THC呈现减小的趋势，并且大于25时，点火提前角对THC的排放量影响较小。主要原因是，当点火提前角较大时，着火发生在上止点前相对较早时刻，而且主燃期也短，使缸内产生了较高的燃烧压力和温度，有利于THC的氧化，从而使THC减小。

3　结论

①在同一节气门开度下，发动机用天然气作燃料时，其动力性能比汽油作为燃料时有明显下降，并随着节气门开度的增加，其动力下降指数越来越小，最终为10%～15%。

②混合气过浓或者过稀都会对NOx和THC的排放产生明显影响。NOx排放量随着过量空气系数的增加，呈现先增大后减小的趋势，当过量空气系数为1.1时达到最大值；THC随着过量空气系数的增大呈现先减小后增大的趋势，在1.2左右达到最小值。

③随着点火提前角的增大，NOx呈现升高趋势，而THC呈现降低趋势。但随着点火提前角的继续增大，对THC的排放量影响较小。

［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，赵文锋，等.低压缸内直喷CNG发动机燃烧特性的影响因素［J］.燃烧科学与技术，2010（5）：446-451.

［3］蒋德明，黄佐华.内燃机替代燃料燃烧学［M］.1版.西安：西安交通大学出版社，2007.

［4］李树生.高性能大功率天然气发动机燃烧系统开发与研究［D］.济南：山东大学，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

陈威昌（1988-），男，硕士，研究方向：清洁能源车用发动机燃烧及优化。