天然氣內(nèi)燃機(jī)燃燒問(wèn)題的基礎(chǔ)分析

竇小紅

摘 要：天然氣被認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)較為理想的替代燃料，但是天然氣內(nèi)燃機(jī)存在燃燒放熱，燃燒循環(huán)變動(dòng)，燃料特性等方面的問(wèn)題。對(duì)此，本文主要介紹了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放的特點(diǎn)、降低天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的措施，以及對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：天然氣；發(fā)動(dòng)機(jī)；內(nèi)燃機(jī)

1.天然氣汽車的發(fā)展及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的研究

汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)石油的需求量越來(lái)越大，而汽油和柴油都是不可再生資源。現(xiàn)在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越受到汽車公司和各高校的青睞，我國(guó)20世紀(jì)50年代就已開(kāi)展對(duì)天然氣汽車的研究，五六十年代在我國(guó)四川省開(kāi)始局部推廣使用常壓天然氣汽車，特別是壓縮天然氣汽車已在全國(guó)各地推廣應(yīng)用。正是因?yàn)樘烊粴馄嚲哂泻芎玫慕?jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益，所以近幾年在我國(guó)發(fā)展非常迅速，從1999年初的不足1萬(wàn)輛發(fā)展到2006年底，全國(guó)已擁有天然氣汽車近15萬(wàn)輛，而到了2014年是中國(guó)天然氣汽車爆發(fā)式發(fā)展的一年，數(shù)量雖未可統(tǒng)計(jì)，以北京市為例，部分公交車已使用燃用液化石油氣（LPG）等代用燃料，并且這種應(yīng)用將會(huì)更加普及。

如今隨著汽車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性的要求和排放限值的提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求，近幾十年來(lái)，各個(gè)國(guó)家的汽車公司，高等院校都投入了大量的人力物力進(jìn)行火化點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的基礎(chǔ)研究工作，涉及到燃燒室內(nèi)的氣體流動(dòng)，燃燒過(guò)程的傳質(zhì)傳熱，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娼Y(jié)構(gòu)，有害排放的生成機(jī)理與控制，燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬，稀薄混合氣和分層燃燒的實(shí)現(xiàn)等等。由于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、傳熱、蒸發(fā)與擴(kuò)散等過(guò)程十分復(fù)雜，加之伴隨有循環(huán)變動(dòng)，要控制每個(gè)循環(huán)的燃燒條件不變化非常困難，試驗(yàn)結(jié)果的可比性不強(qiáng)，因此內(nèi)燃機(jī)的燃燒研究大都在模擬裝置中進(jìn)行，尤其在定容燃燒彈中進(jìn)行的居多。

2.天然氣的理化特性

天然氣是一種復(fù)雜的碳?xì)浠衔铮渲饕煞质羌淄椋–H4），體積分?jǐn)?shù)占80～95%（因其產(chǎn)地而異），另外還含有少量的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、正丁烷（C4H8）、異丁烷（C4H8）、戊烷（C5H10）、氮?dú)猓∟2）、二氧化碳（CO2）等，它們各自所占的體積分?jǐn)?shù)因產(chǎn)地而異。車用天然氣必須經(jīng)脫水、脫烴、脫硫等凈化處理，才能成為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的代用燃料。天然氣與汽油、柴油理化特性的比較如表l所示：

3.天然氣內(nèi)燃機(jī)燃燒問(wèn)題基礎(chǔ)分析

3.1增壓中冷技術(shù)

為了補(bǔ)償稀薄燃燒帶來(lái)的功率損失，通常采用增壓中冷技術(shù)提高天然氣發(fā)劫機(jī)的功率。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率與每一循環(huán)進(jìn)入各缸的充氣量有關(guān)，增加進(jìn)氣管的充氣密度可提高功率，這就是渦輪增壓器得到廣泛應(yīng)用的原因。但隨著壓力增加，擴(kuò)壓器出口的空氣溫度隨之升高，在一定程度上限制了空氣密度的提高。要想進(jìn)一步增加空氣密度，必須降低增壓空氣的溫度，就要采用中間冷卻措施。實(shí)驗(yàn)表明，在給定的增壓壓力下，增壓空氣溫度每下降10℃，密度就增大3%，在這樣的空燃比下，實(shí)際功率可提高約3.5%。

3.2電子控制噴射系統(tǒng)

天然氣的成分復(fù)雜，加之發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況多變，要想提高汽車的動(dòng)力性，天然氣的準(zhǔn)確噴射時(shí)刻和精確的噴射量是關(guān)鍵，這須由電控多點(diǎn)燃?xì)忭樞驀娚湎到y(tǒng)完成。電控單元根據(jù)從各傳感器得到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開(kāi)度和進(jìn)氣溫度等數(shù)據(jù)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的具體工作工況，然后從存儲(chǔ)單元中讀取與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)的噴氣控制脈寬，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的反饋信號(hào)進(jìn)行修正，最后根據(jù)曲軸位置信號(hào)設(shè)置天然氣噴射閥的控制命令，完成對(duì)天然氣多點(diǎn)順序噴射時(shí)刻和噴射量的精確控制，以提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

3.3點(diǎn)火的優(yōu)化措施

天然氣著火溫度高，火焰發(fā)展期長(zhǎng)，`火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊停斐扇紵掷m(xù)期增加，使燃燒的最大壓力偏離上止點(diǎn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有所下降。因此提高點(diǎn)火能量，實(shí)現(xiàn)快速燃燒，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)功率的部分恢復(fù)。因此可以采用二級(jí)點(diǎn)火或高能點(diǎn)火的方式。高能點(diǎn)火控制系統(tǒng)主要通過(guò)定時(shí)器T0、Tl、T2的中斷來(lái)進(jìn)行控制，在系統(tǒng)程序處于脈譜圖處理階段時(shí)，通過(guò)串口的中斷與CUP根據(jù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和處理。二級(jí)點(diǎn)火分為互相連通的主燃燒和預(yù)燃燒室。由于混合器的調(diào)節(jié)作用，經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入主燃燒室的是稀混合氣。一部分天然氣經(jīng)止回閥進(jìn)入體積較小的預(yù)燃燒室。在壓縮行程中，由于活塞上行，主燃燒室內(nèi)的部分稀混合氣被壓入預(yù)燃室，在預(yù)燃室內(nèi)形成紊流，并與純天然氣混合形成理論濃度混合氣。

4.結(jié)束語(yǔ)

在石油危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)將越來(lái)越多地被人們采用，因此，其在燃燒和排放方面的特點(diǎn)也受到了的人們的關(guān)注。隨著天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究的不斷深入和設(shè)備的不斷完善，其在燃燒和排放方面的優(yōu)點(diǎn)將得到更充分的發(fā)揮，在燃燒和排放方面的缺點(diǎn)將在相關(guān)措施的輔助下得以適當(dāng)?shù)膹浹a(bǔ)，以使其在動(dòng)力性能方面能夠滿足使用要求，在排放性能方面能夠滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。

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