稀释气体对点燃式天然气发动机性能的影响

储利民，何卓遥，朱磊

(1.上海柴油机股份有限公司，上海 200432；2.上海交通大学内燃机研究所，上海 200240)

随着当今世界石油能源和环境危机问题愈演愈烈，寻求可持续清洁能源迫在眉睫。天然气因其储量大、燃烧清洁而受到青睐，并已经作为动力能源广泛地应用于内燃机领域。天然气既可应用于压燃式发动机(双燃料)，也可以应用于点燃式发动机，目前，天然气发动机主要是以点燃式发动机的形式出现。点燃式天然气发动机具有与传统柴油机或汽油机几乎相当的动力性能，且裸机排放性能显著优于前两者。然而，天然气因其均质富氧的燃烧特性使得其具有较高的缸内燃烧温度和较多的NOx排放。

在内燃机领域，EGR策略是控制NOx排放的有效措施。这主要源于EGR中含有大量高比热容的气体，如CO2，H2O等，这些气体具有降低缸内燃烧温度的作用，从而抑制NOx的生成。在柴油机中，稀释气体EGR被认为具有稀释作用(降低进气氧浓度)、热作用(改变进气比热容)和化学作用(参与化学反应)3种作用[1-4]，其中化学作用主要体现在CO2和H2O高温下分解后参与燃烧化学反应。柴油机以变质调节模式工作，而点燃式发动机以变量调节模式工作，以上所提及的3种效应在这两种发动机中发挥的作用有所不同。N.Ladommatos等[2]指出，同稀释作用和热作用相比，化学作用较为微弱。因此，本研究将针对EGR气体在点燃式天然气发动机中的稀释作用和热作用展开研究。

1 试验台架和试验方法

本试验以SC5DT 天然气发动机为基础进行研究，发动机主要技术参数见表1。

表1 SC5DT发动机主要参数

测功机采用CW260B-1800/7500电涡流测功机，采用Panther控制系统控制发动机测功机的运转。采用Woodward OH2CNG电控单元对发动机的运转进行控制。采用CAI-HCLD测量NOx排放，采用CAI-HFID测量HC排放，采用CAI-602P对进气O2浓度和排气CO进行测量。缸压传感器采用Kistler 6118BFD35Q03A41火花塞传感器一体式装置。缸压数据采集处理系统使用D2T Osiris发动机燃烧分析仪。整个发动机台架布置见图1。

图1 发动机台架布置示意

本研究中，稀释气体的稀释程度用稀释气体在总进气中的占比Rdil表征(见式(1))。为此，采用稀释后进气道中的O2浓度(fO2dil)进行计算(见式(2))。其中，fO2inAir为空气中的氧浓度。因此，试验中对中冷后的O2浓度进行了测量。缸压传感器安装在发动机的第2缸。排气温度和排放物的测量点在涡轮和消声器之间。天然气气耗由OH2CNG电控系统给出。

(1)

(2)

在点燃式天然气发动机中，若发动机的进气燃料量和当量比一定，稀释气体则引起进气总量增加，由此引起发动机性能的改变称为稀释作用；稀释气体引起发动机进气的总热容增加，由此引起的发动机性能变化称为热作用。在此需要指明，稀释作用和热作用的性质不针对特定的稀释气体，是所有稀释气体都具有的共性，其性质一样，但其量则因稀释气体的不同而不同。然而，对于任何单一的稀释情形，其稀释作用和热作用混为一体。为此，本研究采用对比隔离法对稀释作用和热作用的性质进行研究。EGR主要成分为CO2，N2和H2O，在当量比小于1.0的情形下还存在O2。而在这些成分中，O2是参与燃烧的氧化剂而非稀释气体；CO2和H2O虽是稀释气体但均具有化学作用[6]，这会给隔离试验引入干扰因素，从而难以隔离出热作用和化学作用。相比之下，N2化学性质比较稳定，作为稀释气体，它仅具有热作用和化学作用，因此可以作为对比隔离试验中的一种对比气体。为进行对比隔离试验，还需要选择一种化学性质稳定，而比热容与N2有明显差异的气体。惰性气体则明显可以满足这样的要求。Ar因相对较经济而被用作对比隔离试验的稀释气体。

图2 稀释作用和热作用的对比隔离原理

(3)

(4)

本试验发动机转速为发动机的最大扭矩点转速1 500 r/min，点火提前角为20°BTDC，当量比为0.73，负荷为平均有效压力 0.765 MPa(即50%负荷，323 N·m)。稀释气体则采用N2和Ar。N2和Ar稀释比Rdil从0%增加直至发动机台架失稳或者停机。

2 试验结果分析

2.1 稀释气体的热作用分析

图3示出N2和Ar稀释情形下的缸压和放热率曲线的对比。首先，由图3可以看出，同无稀释的情形相比，N2和Ar稀释均使缸压和放热率峰值降低，放热相位推迟。相比之下，N2稀释对放热率的抑制作用较强。在点燃式发动机中，进气稀释最直接的影响是降低混合气的摩尔能量密度。因此，进气稀释使得缸内混合气的燃烧温度降低，火焰传播变慢，火焰发展期和燃烧持续期变长(见图4)。

图3 热作用对缸压和放热率影响的规律

图4 热作用对火焰发展期和燃烧持续期的影响

除此之外，进气稀释同样也会改变混合气的比热容。N2的比热容较大，而Ar的比热容较低，故在同样的稀释率下，N2稀释引起的进气的热容增量较多，其相应的缸内火焰温度较低。所以，如图3至图5所示，N2稀释下的缸压和放热率峰值较低，缸内燃烧平均温度峰值较低，火焰发展期和燃烧持续期较长。也正是由于缸内燃烧温度的降低，导致了缸内燃烧稳定性随着稀释程度的增加而降低，CovIMEP增加。而相比之下，N2稀释比Ar稀释的作用更加明显。

通过以上的分析可知，热作用使得缸内燃烧速度变慢，缸压和放热率峰值降低，放热相位推迟，燃烧温度降低且燃烧稳定性恶化。

图5 热作用对平均指示压力循环 变动和缸内燃烧峰值的影响

图6至图8示出N2和Ar进气稀释对发动机常规排放的影响对比。在图6中，随着稀释比的增加，不论N2还是Ar稀释情形，NOx排放值均随之降低。NOx主要源于缸内的高温条件，这一点可以从图6中的NOx排放数值与缸内平均温度峰值的高度线性关系得以证实。不过，相比之下，N2稀释对NOx排放的降低作用更加明显。这主要是由于N2具有更高的比热容，其稀释使得缸内燃烧温度更低[5-7]，从而更加显著地抑制了NOx的生成。

在图7a中，随着稀释率的增加，THC排放随之增加。当稀释程度较低时，进气稀释使缸内燃烧温度降低，壁面淬熄层厚度增加，从而使THC排放增加；而当稀释程度较高时，进气稀释还容易引起缸内大面积淬熄甚至失火现象，从而使THC排放急剧增加。这表明THC排放与缸内燃烧温度存在极其密切的关系。由于N2稀释时的缸内燃烧温度较低，因而其THC排放较高。在图8中，在较低稀释程度下，N2稀释下的CO排放值略低，在较高稀释程度下，N2稀释情形下的CO排放值更高。CO排放主要受到三方面因素的影响：即缸内化学平衡、CO的后期氧化、HC排放的后期氧化。进气稀释使得缸内燃烧温度降低，化学平衡(CO2与CO之间的平衡)向着CO减少、CO2增加的方向发展，因而使得整机CO排放降低。当稀释程度较高时，缸内燃烧恶化，THC排放较高，源于THC排放后期氧化的CO增加，从而引起CO排放的增加。

在图6至图8中，N2和Ar稀释情形的差异即为热作用对发动机排放性能的影响。根据以上分析可知，热作用使得NOx排放降低，THC排放增加。在较低稀释率情形下，热作用使CO排放降低；而在较高稀释率情形下，热作用则使CO排放增加。

图6 热作用对NOx排放的影响

图7 热作用对THC排放的影响

图8 热作用对CO排放的影响

图9示出N2和Ar稀释下的整机经济性对比。由图可知，N2稀释下的燃油消耗率更高。由此表明，热作用使得整机的经济性变差。前述分析表明，热作用导致缸内燃烧质量劣化，排放性能变差。也正是由于上述原因，热作用使得整机的经济性劣化。

图9 热作用对整机经济性的影响

2.2 稀释气体的稀释作用分析

图10 稀释作用对缸压和放热率峰值的影响

图11 稀释作用对火焰发展期和燃烧持续期的影响

图12 稀释作用对缸内平均温度峰值和θCA50的影响

上述分析表明，稀释作用使缸内燃烧速度变慢，缸内燃烧温度降低，放热率峰值降低且放热相位推迟。

图13 稀释作用对CO和THC排放的影响

图14 稀释作用对NOx排放和燃油消耗率的影响

尽管稀释作用使缸内燃烧质量变差，但由图14可知，稀释作用却使整机经济性提高，燃油消耗率降低。为了分析产生以上结果的原因，本研究对稀释气体影响整机经济性的主要因素(放热定容度、燃烧效率、泵气损失，等熵指数)进行分析(见图15)。由图15可知，稀释作用使燃烧定容度和燃烧效率降低，而对泵气损失没有显著影响。以上几点均不能解释稀释作用使经济性提高这一结论。不过，从图15可以看出，稀释效应使缸内工质的等效等熵指数显著增加，这正是稀释作用使发动机经济性改善的主要原因。

图15 燃油消耗率的影响因素分析

3 结论

a) 热作用和稀释作用均恶化缸内燃烧状况，使得火焰传播速度变慢，火焰发展期和极速燃烧期增加，燃烧相位推迟,NOx排放降低，THC排放增加;

b) 热作用恶化整机经济性，而稀释作用可使整机经济性提高；

c) 稀释作用提高发动机经济性的主要原因在于其提高了发动机工质等熵指数。

参考文献：

[1] Ladommatos N,Abdelhalim S,Zhao H,et al.The dilution,chemical, and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-part 1: Effect of reducing inlet charge oxygen[C].SAE Paper 961165,1996.

[2] Ladommatos N,Abdelhalim S M,Zhao H,et al.The Dilution,Chemical, and Thermal Effects of Exhaust Gas Recirculation on Disesel Engine Emissions-Part 4: Effects of Carbon Dioxide and Water Vapour[C].SAE Paper 971659,1997.

[3] Ladommatos N,Abdelhalim S M,Zhao H,et al.The dilution,chemical,and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions-Part 3: effects of water vapour[C].SAE Paper 971660,1997.

[4] Li T,Okabe Y,Izumi H,et al.Effects of Dilution Gas on Low Temperature Diesel Combustion (Second Report):The Chemical Effects of Carbon Dioxide[J].Transactions of the Society of Automotive Engineers of Japan,2007,38:149-153.

[5] Hu E,Jiang X,Huang Z,et al.Numerical Study on the Effects of Diluents on the Laminar Burning Velocity of Methane-Air Mixtures[J].Energy & Fuels, 2012,26:4242-4252 .

[6] Xie Y,Wang J,Xu N,et al.Comparative study on the effect of CO2and H2O dilution on laminar burning characteristics of CO/H2/air mixtures[J].International Journal of Hydrogen Energy,2014,39:3450-3458.

[7] Chen Z,Tang C,Fu J,et al.Experimental and numerical investigation on diluted DME flames: Thermal and chemical kinetic effects on laminar flame speeds[J]. Fuel,2012,102:567-573.

[8] Turns S R.An introduction to combustion[M].New York：McGraw-hill，1996.