【doc】 天然气成分对发动机性能及排放影响的试验研究

【doc】 天然气成分对发动机性能及排放影响的试验研究 天然气成分对发动机性能及排放影响的试 验研究 第26卷第5期 2005年1O月 内燃机工程 ChineseInternalCombustionEngineEngineering VoI.26No.5 0Ct.2005 文章编号:1000--0925(2005)05—024—03260094 天然气成分对发动机性能及排放影响的试验研究 程伟.,黄荣华.,代称程.顾善愚 (1.华中科技大学能源与动力工程学院,武汉430074;2.东风汽车有限 公司商用车研发中心) TestResearchonInfluenceonCNGCompositionon EnginePerformanceandEmissions CHENGWei,HUANGRong-hua,DAICheng-cheng2,GUShan—yu (1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,HuazhongUniversityofScienc eandTechnology. Wuhan430074,China;2.CVR&DCenter,DFL) Abstract:TheinfluenceofCNGcompositiononengineperformancesandemi ssionswerestudiedbythe comparisonofthesameCNGenginetestusingsamegradeCNGfromtwoareas.Theresultsofthecompara— tiretestingindicatesthatthedifferencsofairfuelratioledtomorechangeofCNGengineperformancesand emissions.ThemethodstocontrolaccuracyairfuelratioortogettheCNGcompositionchangeinasmaller rangeareofbenefittOengineperformancesandemissions. 1概述 摘要:在同一台发动机上通过燃用属于同类别的两地天然气的对比 试验,研究了天然气 (CNG)成分对发动机性能及排放的影响.试验结果明:天然气成分 的差异导致发动机的空 燃比发生变化,是造成发动机性能与排放产生较大变化的主要原因, 而控制发动机空燃比在较 小范围变化,可以减少天然气成分对发动机性能及排放的影响. 关键词:内燃机;天然气成分;性能;排放 KeyWords:1.C.Engine;NaturalGasComposition;Performance;ExhaustEmissions 中图分类号:TK464文献标识码:A 天然气作为汽车代用燃料具有诸多优点.天然 气的成分复杂,组分差别很大,不同地区,不同矿井 开采出来的天然气的成分及其质量均不相同.这是 天然气发动机开发过程中必须考虑的因素,因为天 然气成分的变化,对发动机的燃烧过程,稀燃极限造 成影响,使得发动机的性能及排放发生变化[1].本 文通过对两个不同产地天然气进行发动机性能及排 放对比试验结果的分析,论述了天然气成分对发动 机性能及排放影响的主要原因,并提出了解决这一 问题的技术方案. 2试验样机 对EQD180-10型柴油机进行适应性改进:取消 柴油供给系统,匹配适合CNG燃烧的燃烧系统,改 进进,排气系统,增加CNG喷射系统和高能点火系 统,改造成EQD180N一20型天然气发动机.该天然 气发动机采用电子控制CNG喷射开环控制技术,电 子控制分组点火技术和稀薄燃烧技术,排放满足 GB14762--2OO2第二阶段(相当于欧一II排放法规) 限值要求,动力性满足大型公交车或中型货车使用 要求,技术参数见表1. 3试验用气成分比较 表2为试验用两个产地的天然气成分分析报告 汇总.由表可见,天然气主要成分是甲烷,A和B两地 收稿日期:2004-12-09 作者简介:程伟(1967--).男.硕士生.主要研究方向为内燃机,试验 及开发.E-mail:chengwei~dfl?conl?cno 2005年第5期内燃机工程 天然气的成分差异较大.虽然两地天然气甲烷含量 差不多,但A地天然气中热值高的乙烷和丙烷含量 较B地天然气高,并且A地天然气中惰性气体,二 氧化碳的含量比B地天然气少,所以A地天然气的 热值及沃伯指数比B地天然气高. 表1EQD180N一20发动机技术参数 型式直列六缸,四冲程,水冷,增压,空一空中冷 缸径×行程/ram1O5×12O 排量/L6.234 压缩比1O 着火顺序卜5—3—6—2—4 点火方式无分电器,电控分组点火 燃烧方式稀燃 燃气喷射控制方式开环控制 表2两地天然气成分分析报告汇总 成分AB 甲烷/92.4294.88 乙烷/5.450.73 丙烷/0.760.091 异丁烷/0.0350.012 正丁烷/0.0220.01 异戊烷/0.0060.004 正戊烷/0.0040.002 乙烷以上/ 氮/0.0300.028 氢/ 氮/O.960.143 二氧化碳/0.244.09 氧+氩/0.07 硫化氢/mg?m无6.28 相对密度0.59540.5996 高位热值/kJ?m3862535662 沃伯指数/MJ?m5O.146.1 气体燃料热值的高低直接影响天然气发动机的 性能,此外乙烷,丙烷,丁烷等重烷烃及惰性气体(如 N:和CO:)成分含量的高低将影响混合气的燃烧速 度及稀燃极限,从而间接影响发动机的性能.具体 而言,丙烷等重烷烃的燃烧速度要比甲烷快,而天然 气成分中惰性气体含量的增加,又会降低混合气的 燃烧速度.因此,一台对天然气成分影响不能做适 当修正的天然气发动机燃用上述天然气时发动机性 能必将发生变化. 依据GB18O47--2OOO《车用压缩天然气》按沃泊 指数W的范围划分压缩天然气燃气类别,见表3,A 地天然气和B地天然气同属于12T类别. 4性能试验研究 图1为总功率试验结果.在发动机不做任何调 衰3压缩天然气的燃气类别 沃伯指数W/MJ?m类别 标称值范围 1OT40.738.3,44.0 12T49.744.7,53.7 13T52.550.5,54.7 整的情况下,燃用A地天然气时的性能明显优于燃用 B地天然气,最大功率高l9,最大扭矩高6,最低 燃气消耗率低5,发动机的最高燃烧压力及排温明 显增大.造成如此大差异的主要原因是发动机的空 燃比发生了较大的变化,燃用A地天然气时,空燃比 明显变小(在1000~2800r/min范围内,平均小1.5), 混合气变浓,因而功率提高,燃气消耗率下降. 国内外研究指出,这种变化和最初发动机燃用 B地天然气时的空燃比大小以及两种成分天然气的 物理性质有关【3].即如果发动机采用理论混合比燃 烧方式,燃用B地天然气时空燃比假定在17左右, 那么发动机燃用A地天然气时空燃比会变小(< 17).由图2可见,此时发动机的性能将比燃用B地 天然气时的差,功率下降,燃气消耗率上升.因此前 述性能变化只是发动机处于稀薄燃烧方式的结果. 1 bo _ \ 蛐 耀 瓣 繁 Z ,, 辑 繁 ‘ ,, 糌 繁 发动机转速/r.min 图1两种天然气总功率试验对比曲线 口一口A地天然气?一?B地天然气 — A地天然气,空燃比调整与B地天然气一致 试验中调整天然气发动机喷嘴喷射时间,使燃用 A地天然气时的空燃比与燃用B地天然气时的空燃 内燃机工程2005年第5期 ‘. 0 × \ U Z \ 得 甲 0 × \ 0 Z 0 × \ 0 U 壶 \ 瓣 耀 鬟 图2天然气发动机性能和排放与空燃比的关系 比一致,结果如图1所示,燃用两地不同成分的天然 气时,发动机的性能基本一致.所以,如果采用氧传 感器反馈控制发动机的空燃比,将大大减小天然气成 分变化对发动机性能的影响.在现有开环控制条件 下,则可以考虑采用针对不同天然气气质成分,分别 进行标定,严格数据管理,确认使用范围,以保证发动 机实际使用时的性能指标不发生大的变化. 5排放试验研究 图3a为发动机燃用A,B两地天然气进行十三工 况排放试验时实测空燃比的变化情况,可见燃用A地 天然气时发动机各工况下的空燃比均比燃用B地天 然气时小.空燃比的变化必将造成发动机排放的变 化如图3所示,燃用A地天然气时随着混合气变浓, 燃烧温度升高,NOI排放相对于燃用B地天然气明显 增加;CO排放在发动机怠速工况时明显增加.这是 因为怠速时发动机的空燃比在理论空燃比附近,此时 混合气变浓必将造成CO排放的显着增加,同理THC 排放在发动机怠速工况时也明显增加,而其它工况明 显减少,则是由于发动机稀燃时,空燃比变小,THC排 放呈下降趋势.因此,天然气成分的差异造成了空燃 比的变化,从而使发动机排放结果发生变化. 6结论 天然气成分影响发动机性能及排放的主要原因 工况 (d)THC 图3十三工况下两种天然气相对空燃比和排放变化情况 是发动机的空燃比随天然气成分的变化而发生了变 化.欲减小天然气成分对发动机性能及排放的影响, 应控制空燃比在一定范围内.在天然气发动机采用 开环控制燃气喷射的情况下,发动机分别燃用同属l2 T类别的A和B两地天然气,性能仍存在较大差异. 因此,研究认为每个类别沃伯指数范围过宽,应考虑 对其进一步细分的可行性,从而降低其对发动机性能 的影响,严格定义所开发的天然气发动机对燃气成分 的要求,控制空燃比的变化范围,以减少车辆在实际 使用时性能发生较大差异. 参考文献: [1]KingSR.Theimpactofnaturalgascompositiononfuelmete— ringandengineoperationalcharacteristics[“c].SAE920593. [z]JacobKlimstra.Interchangeabilityofgaseousfuels—theimpor— tanceoftheWobbe-lndex[C].SAE861578. [3]马凡华,许忠厚,马艳明.电控天然气发动机标定研究[c].中 国汽车工程学会发动机分会和中国内燃机学会汽油机和煤气 机分会2002年度联合学术年会集,2002. (编辑:李贞)