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 附件二:撰稿论文格式样稿 天然气成分对发动机性能及排放影响的试验研究 程伟1 ,黄荣华1 ,代称程2 ,顾善愚2 华中科技大学能源与动力学院,武汉 430074 2.东风汽车有限公司商用车研发中心,湖北十堰 442001 ) 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,研究了天然气成分对发动机性能及排放的影响。结果表明:因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,而能控制发动机空燃比在较小范围变化的技术措施,都可以减少天然气成分对发动机性能及排放的影响。 关键词:发动机;天然气成分;性能;排放 天然气成分随产地不同而变化的特性,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,将会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[1,2],这一点国内外已有相关研究。本文主要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,论述了天然气成分对天然气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主要技术。 1 试验样机 用EQD180-10型柴油机为基础进行适应性改进,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-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 -2002第二阶段(相当于欧洲?号)限值要求、动力 性满足大型公交车或中型货车使用要求,技术参数如表1所示。 表1EQD180N-20发动机技术参数 型号 EQD180N-20 型式 直列六缸、四冲程、水冷、增压、空对空中冷 缸径/冲程 105mm/120mm 排量 6.234L 压缩比 10:1 着火顺序 1-5-3-6-2-4 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 1.2 试验用气成分比较 气体燃料热值的高低直接影响着天然气发动机的性能,另外乙烷、丙烷、丁烷等重烷烃及惰性气体(如氮和二氧化碳)成分含量的高低将会影响混合气的燃烧速度及稀燃极限,从而间接影响到发动机的性能。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。 对处于给定宏观条件下的任何系统,它按某微观状态分布的几率都是在特定约束条件下实现的,许多宏观物理系统被视为在确定的控制体系内,由大量微态组成的一个整体,具有宏观统计平均物理量〈f〉,对于多约束系统,其约束形式为: 1 2 其中。是系统微态的某种状态函数。 2 性能试验研究 在发动机不做任何调整的情况下,发动机燃用A地天然气时的性能明显优于燃用B地天然气,最大功率提高19%,最大扭矩提高6%,最低燃油消耗率下降5%,发动机的爆发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,发动机燃用A地天然气时,空燃比明显变小(在 n1000~2800r/min范围内,平均约小1.5),混合气变浓,因而功率提高,燃气消耗率下降。空燃比的变化必将造成发动机排放的变化,如图4、图5和图6所示,燃用A地天然气时随着混合气变浓,燃烧温度升高,氮氧化物排放相对于燃用B地天然气明显增加,一氧化碳排放在发动机怠速工况时明显增加。 图4 两种天然气氮氧化物排放变化情况 5 结论 天然气成分影响发动机性能及排放的主要原因是: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,主 要应控制空燃比在一定范围。在天然气发动机采用开环控制燃气喷射而不采用闭 环燃气喷射的情况下,建议进一步细分天然气类别。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] Steven R.King. The impact of natural gas composition on fuel metering and engine operational characteristics. SAE paper 920593,1992 [2] 张佐光,张晓宏,仲伟虹等.多相混杂纤维复合拉伸行为分析.见:张 为民编.第九届全国复合材料学术会议论文集下册.北京,1996.北京:世界图书出 版公司,1996.410~416 [3] 杨得庆,隋允康,刘正兴等.应力和位移约束下连续体结构拓扑优化.应 用数学和力学,2000,21(1):17~24 [4] Kucheiko S, Choi J W, Kim H J, et al. Journal Am. Ceram. Soc., 1997, 8011:2937~2940.