国外气体发动机的进展

国外气体发动机的进展 国外气体发动机的进展 2OO6年第1期(总第9l期)山东内燃机SHANDONGI.C.E.2OO6年2月 【综合评述】 国外气体发动机的进展 钱爱华,唐娟 (1.胜利油田胜利动力机械有限公司,东营257032; 2.山东大学能源与动力工程学院,济南250061) 摘要:本文介绍了目前国外气体机的发展技术研究现状,并对稀燃技术,EGR技术,预燃 室的结构,增压器的采用和米勒循环的应用等技术作了简要介绍,简要的分析了这些技术对发 效率的影响. 动机的排放, 关键词:气体机:热效率;排放 中图分类号:TK431文献标识码:A文章编号:1671—2471(2oo6)0l一0001—09 ProcessofForeignGasEngine OanAihua,TangoJuan~ (1.ShengliOilFieldShengliPowerMachineryCo.,Dongying,257032; 2.SchoolofEnergyandPowerEIlgine商l1g,ShandongUniversity,Jinan,250061 Ai}stnld:ThepaperintroducesdevelopmentandresearchofforeigngaseI她anddescribesbrief- lylean—bumcombustion,EGR,structureofpre—combustionaswellasapplicationofnlocI 昭盯and millercycleandanalyzestheeffectofthetechnologiesonemissionandefficiencyofeI嘶. KeyWords:GasEngine;HeatEfficiency;Emission 0引言 目前世界上采用的能源大多是化石燃料,专 家认为在21世纪初,会有一半的化石燃料被耗 尽,世界石油资源短缺和生态环境恶化是2l世纪 人类面临的主要问题.合理利用资源及开发"清 洁燃料"将是人类今后的不懈追求,这使得气体机 的发展越来越受到重视,气体机竞争也越来越激 烈,这就需要在降低排放的同时,增加发动机的功 率来保持气体机的竞争力,因此,出现了很多新技 术以及结构改进使发动机的效率和排放达到较好 的折衷,这些技术的应用并不是孤立的,而是彼此 相互制约,要想使排放和效率达到最佳折衷,就需 要考虑各方面的因素的综合作用.本文着重分析 了目前应用在气体机上的各种新技术,以及这些 技术对气体机性能的影响. 1稀燃技术 1.1稀燃极限的研究 稀燃可以降低排放和燃料消耗,同时,增大了 汽车可行驶里程,发动机的持久性和可靠性也得 到了提高[11.不过发动机在很稀的条件下运行可 能会导致点火失效,火焰淬熄和火焰的不正常传 播,造成排放污染,为了避免出现这些不正常燃烧 现象,就要确定其稀燃极限. 以失火时的当量比表示稀燃极限,当量比的 定义是: 作者简介:钱爱华(1969一),女,大学,工程师,主要从事翻译和内燃机技术信息工作. 收稿日期"-2005—09—10 山东内燃机2006年2月 实际的燃空比 一化学讦量燃空比 Bad等人对稀燃极限进行了试验研究,试 验结论如下: (1)点火提前角的影响 点火时刻提前,会产生两个方面的影响,如图 1所示.一是由于点火时刻提前,由于混合气温 度较低,火核的形成比较困难,二是着火持续期延 长,燃烧比较充分,两者相比,后者影响较大,所以 失火时当量比降低,改善了稀燃极限. 点火时刻(上止点前) 图1点火时刻对失火极限的影响,所示为LpG 发动机,压缩比为12-1,进气温度23度 (2)发动机转速的影响 发动机转速对失火极限的影响如图2图4 所示.图中分别显示了不同压缩比时天然气机和 LPG发动机在不同转速下相应的当量比. 图2发动机转速对天然气机的影响(压缩比为 10:1) 火焰 发动机转速的改变会影响湍流的强度, 的形成和传播,热量的传递,点火时刻和燃烧循环 变动,以时间表示的燃烧持续期.转速提高,湍流 强度增加,在低转速区,随着转速提高,湍流强度 增强,有利于火焰的形成和传播,这样失火时当量 比降低,改善了稀燃极限;速度很高时,湍流强度 太强可能熄灭火核,失火相应的当量比增大,稀燃 极限缩小. 图3发动机转速对I雎发动机的影响 图4发动机转速对L硒发动机的影响 随着转速的提高,每循环燃烧时间缩短,导致 燃烧不完全,这使得膨胀冲程的温度低,可能导致 火焰淬熄,使失火当量比升高;随着转速的提高, 循环换气时间减少,这样气缸内残余废气增加,稀 2006年第1期钱爱华,等:国外气体发动机的进展 释了新鲜混合气,降低了当量比. 发动机转速的提高,导致热损失增加,失火时 当量比增大;循环变动也随转速变化,他使得失火 当量比增大,稀燃极限变差. 转速升高,对天然气发动机来说为了达到较 高的扭矩,就要提前点火,失火当量比降低,对 LPG发动机来说,转速对点火时刻影响不大,天然 气机和LPG发动机转速和点火时刻的关系如图5 所示.综合这些原因,LPG发动机失火当量比随 着发动机的转速提高到2000转,分前时增加,超 过这个转速时失火当量比降低或者不变;而天然 气发动机由于各方面因素相互抵消,导致失火当 量比基本不变. 发动机转速 图点火时刻随发动机转速的变化 (3)压缩比的影响 图6压缩比对不同进气温度下,转速为900 转,分时【;发动机的影响 ' 压缩比提高,增大了湍流强度,也有利于提高 混和气温度,因此也对点火和火焰传播有利,综合 这两方面地作用,混合气的失火时当量比降低,稀 燃极限扩大. 图6,图7'显示了不同压缩比和进气温度条 件下,LPG发动机和天然气发动机失火时的当量 比.由图可见,随着压缩比的增加,LPG发动机的 稀燃极限得到了改善,但是天然气发动机稀燃极 限没有改善,变化不大. 图7压缩比进气温度为38度,转速为 900转,分的天然气发动机的影响 (4)进气温度的影响 进气温度 图8进气温度对【;发动机稀燃极限的影 响 进气温度增大会也会影响稀燃极限;在低转 山东内燃机2006年2月 速下,进气温度的增加会使热损失降低,失火极限 得到改善,高转速时,进气温度低于70?稀燃极 限变差,在70?以上时,稀燃极限开始得到改善. 如图8,图9所示. (5)进气压力和相对湿度的影响 图lO,图ll所示为进气压力和相对湿度对失 火时当量比的影响.当进气压力逐渐增大时,进 气温度和密度增大,有利于燃烧的形成和火焰传 播,因此失火时当量比开始稍有降低然后开始急 剧降低.失火时当量比对进气压力很敏感,当进 气压力降低到一定程度后进气压力对稀燃极限的 影响变得不再明显.由曲线可见,适当提高进气 压力可以使稀燃极限得到极大改善. 相对湿度增加时,混和气中的水蒸气分量增 加,降低了混和气的温度,使反应减慢,稀燃极限 变差,实验发现失火时相应的当量比是以指数衰 减的趋势增加的. 1.2稀燃技术面临的挑战 为了得到较低的排放,气体机多采用稀燃技 术,但是采用稀燃技术的难点是,随着混合气变 稀,点火越来越困难,直到失火;火焰传播速度降 低,导致燃烧持续期加长,这降低了热效率. 为了解决这两个问题,需要开发新的稀燃系 统.可以采用有预燃室提高点火能量,采用柴油 引燃混和气.通过燃烧室的设计和优化,组织进 气涡流以及合适的气流运动加速燃烧,同时采用 米勒循环,增压系统以及提高机械效率等措施改 善发动机的效率.为了降低排放,除了采用稀燃 外,还可以采用EGR和安装催化转化器,也可以 采用较小的气门重叠角降低排放制. 图10进气压力和对【P(;发动机的稀燃失火极 限的影响(压缩比为9:1) 图ll相对湿度对I.PG发动机的影响(压缩比=9:1) 2EGR和催化转化器(TWC) 采用EGR技术和安装催化转化器也是降低 排放的一种有效措施,如果采用三效催化转化器, 就要控制混和气的空燃比在化学计量空燃比附 近.这样,才能使催化转化器发挥作用.如果同 时采用EGR,就可以降低排气温度,减小爆燃的 可能性,采用EGR还可以提高压缩比,改善发动 2O06年第1期钱爱华,等:国外气体发动机的进展?5? 机的效率.P.Corbol5等人对工作在化学计量空 燃比下和稀燃条件下的气体机排放进行了比较. 稀燃气体机为了控制NO的排放,将空燃比 控制在1.4到1.6之间,并推迟点火提前角,在与 柴油机相同的额定功率下,热效率降低了10%左 右,排气的温度比柴油机高了50?,这部分高温 主要是由于点火延迟造成的.试验发现NO和 CO由于稀燃能够达到排放,PM的排放很少, 这少量的PM是由于燃烧了气缸壁上的润滑油所 致.试验发现,在0.5pm一30/Jm之间的PM很少, 每立方米低于2个,这样的浓度可以忽略,大部分 PM在0.015pan一0.7/an之间,并且最大浓度大约 在每立方米含有1×10_7个J.天然气机的微粒 分布呈双峰形状l7J,总的HC排放高于标准,其中 甲烷的体积在94%一97%之间,未燃碳氢中非甲 烷成分排放所占比例较小,低于标准.要控制稀 燃气体机中HC的排放,可以采用催化转化器. 在化学计量比下工作时,天然气发动机可以 提供比柴油机高30%的功率,但是爆燃和热负荷 影响了发动机的可靠性,这些问题可以通过采用 EGR解决,使空燃比在化学计量比下工作,同时 又防止排气温度过高和爆燃.在发动机均运行条 件下,EGR的比率为10%到20%,NOx的排放可 以通过TWC控制,空燃比也不断调整使催化转化 效率最大,采用催化器后污染物的排放几乎为零. 图12EGR和点火方式对燃烧持续期的影响 提供了更快和更稳定的燃烧,这使得气缸压力峰 值更高,NO也高,当然热效率也高.如果能够采 用微量柴油燃拳斗引燃和EGR配合,同时,再配以 催化转化器,会达到较好的热效率和排放. 3电控系统 燃料喷射在发动机的性能和排放改善中起了 很重要的作用,燃料的形成技术对后燃和压力升 高率等燃烧问题有很大影响.燃料的供给方式有 化油器方式,歧管连续喷射,歧管定时喷射和缸内 直接喷射.对比实验表明:以天然气为燃料时,采 用化油器或歧管连续喷射在某些运行条件下会增 加后燃,这是由于在燃烧室中火花塞,排气门和一 些沉积物作为炽热点产生的高能量导致了后燃. 歧管定时喷射是比较有效的喷射技术,不过这种 燃油喷射方式比较适合于小功率的发动机.文献 设计了一个如图13所示的电控喷射系统,它通过 改变脉冲宽度来调节喷油量.系统主要有光学编 码电路,控制电路和喷射器组成.光学编码电路 和曲轴相连.控制单元是依据曲柄转角来控制喷 射持续期.试验表明合适的电喷系统可以不需要 对燃烧压缩天然气的发动机作其他改动,直接应 用.为了防止爆燃,还可以采用点火定时调 节以及废气再循环. TimothyJ.Callahan.等人也对EGR进行了研图14机械预燃室控制阀 究,图12显示了火花塞点火和柴油引燃点火两种 lff~TEGR对燃烧率的影响.由t8.-3~,EGR率4预燃室 越大,燃烧持续期越长.微量柴油引燃点火导致预燃室的设计不仅影响排放,还影 响燃烧. 燃烧持续期比火花塞点火短的多,而且,这种方式 ? 6?山东内燃机20O6年2月 燃烧室容积大小影响NO的排放.降低燃烧室 的容积,可以降低NO的排放,同时还可以降低 预燃室喷嘴和气缸盖的热负荷[】".预燃室的喉 部直径对燃烧也是有影响的,采用较小的喉部直 径可以达到稳定的燃烧,而且还可以产生更多的 混合能量,这主要是由于预燃室内压力升高的缘 故. 图13电控喷射系统 为了解决稀燃点火困难的问题,采用柴油引 燃,也可以采用生物油引燃,这两种燃料作为引燃 燃料已经进行了试验,可以在预燃室中暂时加浓 混和气,点燃这些较浓的混和气就可以产生足够 的能量引燃主燃烧室中的气体[】刘.预燃室的喷 嘴对燃烧的影响也比较大,采用较小直径的喷嘴 可以减小爆燃的趋势,因为喷嘴直径较小,可以使 预燃室内峰值压力提高,提高喷出气流的速度,使 火焰传播速率提高,缩短了燃烧持续期,避免爆燃 产生,同时,HC排放可降低.但是,喷嘴直径的减 小是有限的,如果过分的减小直径反而会导致放 热速率的降低,影响热效率n引.预燃室气体供给 单向阀,传统上认为它很敏感,并且需要定期维 护,积碳导致的事故可能影响燃烧性能甚至造成 停机,传统的单向阀通常每1000小时左右需要清 理一次.为了保证正常运性,有人将单向阀改装 成机械驱动的提升阀,其结构如图l4所示.该机 构利用凸轮轴上的附加凸轮和一个挺杆驱动气门 开启和关闭,这样它对积碳就不那么敏感了,实验 证明它的效果很好,维护期大约为4O00小时u引. 良好的预燃室设计可以在改善热效率,降低排放 的同时提高火花塞的寿命,因此,它的设计不容忽 视. 5米勒循环 米勒循环的特征是有效膨胀冲程大于其压缩 冲程,即膨胀比大于压缩比.米勒本人于1940年 提出了提早关闭进气门(EIVC)来产生发动机内 部冷却效应(在进气过程中),以减少发动机压缩 功的消耗.随后,米勒又提出利用增压来弥补由 于进气门早关而引起的进气量减少问题.米勒所 提出的循环是为了解决随着发动机性能的不断提 高和强化,而引起的爆燃问题,其目标集中在提高 发动机的热效率上.采用米勒循环降低了缸内最 高温度,也就降低了NO的排放.但是EIVC对 增压器压比要求比LIVC高,当增压压比高于4.5 时,优化的范围就相当窄了,所以在实际中就更难 同时优化效率和避免爆燃n纠.除了EIVC外,现 代采用的另一种米勒循环的方法是进气门晚关 (uvC),通过LIVC,也可以使膨胀比大于压缩比, 不同的气门关闭时刻,米勒循环的程度就不同. 这种方式对增压器的要求不高,因此,现在较多的 研究都是采用LICV的.对米勒循环的研究主要 是研究膨胀比和压缩比对燃烧初始阶段,燃烧持 续期,燃烧效率的影响. Dr.JoelHiltner对米勒循环做了一些研 究引,得到以下结论. ?压缩比13:1,LICV20~ ?压缩比14:1.LICV20% 压缩比'11.5:1,不采用LICV 压缩比15:1,LIcvZo% 压缩比13:1,不采用LICV~ 图15压缩比对爆燃趋势的影响 对于一定的发动机结构,发动机的爆燃主要 受发动机的有效压缩比的影响,通过改变发动机 活塞的几何形状就可以改变几何压缩比,从而可 以改变有效压缩比的变化范围,通过爆燃测量装 置可以研究发动机爆燃和压缩比之间的关系.试 2OO6年第1期钱爱华,等:国外气体发动机的进展 验采用发动机排量4.3升,压缩比为II.3:l,如图 l5所示,随着有效压缩比提高,在相同的LIVC 下,爆燃趋势增强.压缩比越高,导致缸内工质的 压力和温度变高,容易出现爆燃.当几何压缩比 相同,采用LIVC后,有效压缩比和缸内温度都降 低,使发动机不容易爆燃,因此,爆燃趋势减小. 1.O6 压缩比15-1,LICV20% 压缩比14-1,LICV20% ? 压缩比13-1,LICV20% 压缩比11.5:1,不采用LICV O.99L———————————— 11.O12.O13.O14.O15.O 膨胀比 图l6从单缸测试中得到的等效多缸热效率 膨胀比对热效率的影响如图l6所示.膨胀 比增大,燃烧速率加快,主燃烧室内燃烧持续期缩 短,热效率提高. 0.48 . 硝苦…' .olI. 5:I标准凸轮轴,点火正时角25度 olI.5:I标准凸轮轴.点火正时角35度 AI3:I20%LIVC凸轮轴,点火正时角25度 AI3:I20%LIVC凸轮轴,点火正时角35度 el4:I20%LIVC凸轮轴,点火正时角25度 o14:I20%LIVC凸轮轴.点火正时角30度 ?l5:I20%LIVC凸轮轴.点火正时角2O度 O15:I20%LIVC凸轮轴.点火正时角25度 O.5OO.52O.54O.56O.58O.6 当量比 图I7当量比对燃烧热效率的影响 图l7显示了燃烧热效率和当量比之间的关 系.燃烧效率主要取决于当量比,而与发动机的 几何形状关系很小,当量比越小,燃烧持续期就越 长,燃烧速率也就越低,当量比增加,燃烧热效率 提高. 由图l5一图l7可以得出,米勒循环的程度对 爆燃和热效率影响比较大,因为米勒循环影响了 发动机的有效压缩比和膨胀比,也就影响了爆燃 和热效率.有效压缩比和进气门关闭时刻相关, 图l8显示了进气门关闭时刻和米勒循环程度的 关系.由图可见,进气门关闭时刻越晚,米勒循环 程度越大.在标准凸轮轴下,理论压缩比和几何 压缩比相当,这时对应着一个最佳进气门关闭角, 但是,如果在这个角度后继续延后进气门关闭时 刻,那么就会出现进气回流现象,导致有效压缩比 减小,米勒循环程度增大,这有利于减少爆燃趋 势. 图l8进气门关闭时刻(度.上止点后) 图l9米勒循环对效率的影响 如果推迟气门关闭时刻,使米勒循环程度增 大,有效压缩比减小,会导致热效率的降低,但同 时膨胀比增大,这有利于热效率的提高,因此就要 考虑在压缩比一定的条件下如何选择膨胀比,使 米勒循环利用率最高.图l9为Dr.JoclHilmer的 实验结果,从图中可以看出,热效率并不是随着米 勒循环的程度增加而增加.出现这一结果的原因 可能是由于增压器的使用,在增压发动机中,从排 ?叭? 111l11 N瓣较最嚣躐碍较壤孵卯%虬曲 一96一碍较最遐繁 山东内燃机20O6年2月 气中获得多少能量受到限制,因为排气能量需要 用来驱动压气机,在某些最佳膨胀比下,从气缸膨 胀过程中提取的能量可以正好等于附加的泵气损 失,如果继续提高膨胀比,那么泵气损失增大,导 致系统总效率的降低.所以对于增压发动机,存 在一个最佳膨胀比,这个比值需要通过实验确定. 6增压系统 由上面的分析可以看出,米勒系统效率和增 压器有关,采用自身效率较高的增压器对米勒系 统的总效率是有好处的.一般来说增压器分常压 涡轮增压器和脉冲涡轮增压器,脉冲涡轮增压器 有一个单独的排气管道,这样不会影响其它排气 脉冲,常压涡轮增压系统只有一个排气管,容积很 大,这限制了脉动. 常压增压系统可以改善爆燃极限,可以控制 排气管中的脉冲从而可以采用效率较高的涡轮增 压器,常压涡轮增压系统的平均排气压力要比脉 冲增压系统低,因为总的涡轮增压效率高而且排 气管中的脉动受到了限制【l.选择什么样的增 压器主要看系统的需要,最好能够与米勒循环程 度相匹配,与发动机的要求相匹配. 图2o第一道环的设计 7提高机械效率 为提高热效率需要提高机械效率,而机械效 率的提高关键是减小系统的摩擦损失,在发动机 中活塞环的摩擦损失占了整个损失得很重要的一 部分,VictorW.Wong等人对此进行了研究,他们 采用M1T模型分析了活塞环的损失,并对此提出 了改进的设计n.. 图21第二道环的设计 活塞环组件的摩擦主要来自第一道环在压缩 冲程中上止点附近运动时造成的摩擦和油环在循 环中的运动造成的损失.第一道环的摩擦是由于 燃烧产生的高压作用在环上,油环损失主要是由 于它的张力较大,其次第一道环和油环的轴瓦中 润滑油相对较少也造成了损失增加. 为了减小该摩擦损失,需要改变第一道环的 形状,改变环槽形状,减小B1,也就是减小了高压 差作用的面积.VictorW.Wong等提出了两种方 法来解决这一问题,如图20所示. 油环的设计主要是降低张力,要配合第二道 气环的设计,图2l所示的气环设计方案可以减少 润滑油的消耗量,有利于减小油环的张力. 8减小热损失 降低热损失能提高发动机的压缩压力和压缩 终了的温度并改善发动机功率.热损失受点火时 刻,压缩比,转速等的影响.点火时刻提前导致热 损失增大,因为点火提前,会使燃烧在上止点前完 成,这样,散热时间加长;压缩比增大热损失也增 大,这是由于缸内温度的增加增大了散热温差,同 时压缩比增大使燃烧在上止点附近完成;改变火 花塞的位置,缩短火焰传播距离,减小燃烧持续 期,可降低热损失;转速升高,使燃烧完成时间和 散热时间减少,从而使热损失降低;通过增大气门 直径或者升程来增大气门的开启面积对于降低热 损失有很好的作用,这是因为有更多的新鲜混合 气进入气缸,可以冷却混和气. 除了影响热效率外,热损失还影响到NO和 CO排放.如果增加气缸内初始温度,会使Nox 的排放增加,降低初始温度,热损失增大,排 放降低;对于CO,当热损失增加到超过某个值时, 燃烧恶化会导致CO排放升高u引. 2OO6年第1期钱爱华,等:国外气体发动机的进展?9? 9结论 为了解决能源危机和满足愈来愈严格的排放 法规,采用气体机作为动力输出工具发展迅速,气 体机需要将很多新技术综合应用才能同时达到热 效率和排放的最佳折衷,同时,除了采用上述技术 外,气体机的结构也要做一些改进.总之,气体机 的发展潜力是不可限量的,也是21世纪我们的一 个发展方向. 参考文献: [1]TakeshiKato,KiyoakiSaeld,HirotoNishide.Development ofCNGfueled即TlewitllleanbumforsmallsizeCOlfflll~lr- cjalvan,JReview22(2001)365—368 [2]0.Back,N.AlsayedandM./d_anaf.AParametricstudy OiltheLeanlVlisfiringandKnocld.gLimitsofGas—fueled SparkIgnitionE,~i.es.P?:S1359—431(97)o(xr29一X 【3JV,renguangWang,XiaoboSun,RedaBata.Astudyof E/nissiOlrlSfromCNGandDiesdFueledHeavy—Duty,relli. des,JSAE.paperno.932826,1993 [4]r~igeaN.Clark,C_Ala~nce】.Cadapati,KennethKelly. 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