稀釋氣體對點燃式天然氣發動機性能的影響

儲利民，何卓遙，朱磊

(1.上海柴油機股份有限公司，上海 200432；2.上海交通大學內燃機研究所，上海 200240)

隨著當今世界石油能源和環境危機問題愈演愈烈，尋求可持續清潔能源迫在眉睫。天然氣因其儲量大、燃燒清潔而受到青睞，并已經作為動力能源廣泛地應用于內燃機領域。天然氣既可應用于壓燃式發動機(雙燃料)，也可以應用于點燃式發動機，目前，天然氣發動機主要是以點燃式發動機的形式出現。點燃式天然氣發動機具有與傳統柴油機或汽油機幾乎相當的動力性能，且裸機排放性能顯著優于前兩者。然而，天然氣因其均質富氧的燃燒特性使得其具有較高的缸內燃燒溫度和較多的NOx排放。

在內燃機領域，EGR策略是控制NOx排放的有效措施。這主要源于EGR中含有大量高比熱容的氣體，如CO2，H2O等，這些氣體具有降低缸內燃燒溫度的作用，從而抑制NOx的生成。在柴油機中，稀釋氣體EGR被認為具有稀釋作用(降低進氣氧濃度)、熱作用(改變進氣比熱容)和化學作用(參與化學反應)3種作用[1-4]，其中化學作用主要體現在CO2和H2O高溫下分解后參與燃燒化學反應。柴油機以變質調節模式工作，而點燃式發動機以變量調節模式工作，以上所提及的3種效應在這兩種發動機中發揮的作用有所不同。N.Ladommatos等[2]指出，同稀釋作用和熱作用相比，化學作用較為微弱。因此，本研究將針對EGR氣體在點燃式天然氣發動機中的稀釋作用和熱作用展開研究。

1 試驗臺架和試驗方法

本試驗以SC5DT 天然氣發動機為基礎進行研究，發動機主要技術參數見表1。

表1 SC5DT發動機主要參數

測功機采用CW260B-1800/7500電渦流測功機，采用Panther控制系統控制發動機測功機的運轉。采用Woodward OH2CNG電控單元對發動機的運轉進行控制。采用CAI-HCLD測量NOx排放，采用CAI-HFID測量HC排放，采用CAI-602P對進氣O2濃度和排氣CO進行測量。缸壓傳感器采用Kistler 6118BFD35Q03A41火花塞傳感器一體式裝置。缸壓數據采集處理系統使用D2T Osiris發動機燃燒分析儀。整個發動機臺架布置見圖1。

圖1 發動機臺架布置示意

本研究中，稀釋氣體的稀釋程度用稀釋氣體在總進氣中的占比Rdil表征(見式(1))。為此，采用稀釋后進氣道中的O2濃度(fO2dil)進行計算(見式(2))。其中，fO2inAir為空氣中的氧濃度。因此，試驗中對中冷后的O2濃度進行了測量。缸壓傳感器安裝在發動機的第2缸。排氣溫度和排放物的測量點在渦輪和消聲器之間。天然氣氣耗由OH2CNG電控系統給出。

(1)

(2)

在點燃式天然氣發動機中，若發動機的進氣燃料量和當量比一定，稀釋氣體則引起進氣總量增加，由此引起發動機性能的改變稱為稀釋作用；稀釋氣體引起發動機進氣的總熱容增加，由此引起的發動機性能變化稱為熱作用。在此需要指明，稀釋作用和熱作用的性質不針對特定的稀釋氣體，是所有稀釋氣體都具有的共性，其性質一樣，但其量則因稀釋氣體的不同而不同。然而，對于任何單一的稀釋情形，其稀釋作用和熱作用混為一體。為此，本研究采用對比隔離法對稀釋作用和熱作用的性質進行研究。EGR主要成分為CO2，N2和H2O，在當量比小于1.0的情形下還存在O2。而在這些成分中，O2是參與燃燒的氧化劑而非稀釋氣體；CO2和H2O雖是稀釋氣體但均具有化學作用[6]，這會給隔離試驗引入干擾因素，從而難以隔離出熱作用和化學作用。相比之下，N2化學性質比較穩定，作為稀釋氣體，它僅具有熱作用和化學作用，因此可以作為對比隔離試驗中的一種對比氣體。為進行對比隔離試驗，還需要選擇一種化學性質穩定，而比熱容與N2有明顯差異的氣體。惰性氣體則明顯可以滿足這樣的要求。Ar因相對較經濟而被用作對比隔離試驗的稀釋氣體。

圖2 稀釋作用和熱作用的對比隔離原理

(3)

(4)

本試驗發動機轉速為發動機的最大扭矩點轉速1 500 r/min，點火提前角為20°BTDC，當量比為0.73，負荷為平均有效壓力 0.765 MPa(即50%負荷，323 N·m)。稀釋氣體則采用N2和Ar。N2和Ar稀釋比Rdil從0%增加直至發動機臺架失穩或者停機。

2 試驗結果分析

2.1 稀釋氣體的熱作用分析

圖3示出N2和Ar稀釋情形下的缸壓和放熱率曲線的對比。首先，由圖3可以看出，同無稀釋的情形相比，N2和Ar稀釋均使缸壓和放熱率峰值降低，放熱相位推遲。相比之下，N2稀釋對放熱率的抑制作用較強。在點燃式發動機中，進氣稀釋最直接的影響是降低混合氣的摩爾能量密度。因此，進氣稀釋使得缸內混合氣的燃燒溫度降低，火焰傳播變慢，火焰發展期和燃燒持續期變長(見圖4)。

圖3 熱作用對缸壓和放熱率影響的規律

圖4 熱作用對火焰發展期和燃燒持續期的影響

除此之外，進氣稀釋同樣也會改變混合氣的比熱容。N2的比熱容較大，而Ar的比熱容較低，故在同樣的稀釋率下，N2稀釋引起的進氣的熱容增量較多，其相應的缸內火焰溫度較低。所以，如圖3至圖5所示，N2稀釋下的缸壓和放熱率峰值較低，缸內燃燒平均溫度峰值較低，火焰發展期和燃燒持續期較長。也正是由于缸內燃燒溫度的降低，導致了缸內燃燒穩定性隨著稀釋程度的增加而降低，CovIMEP增加。而相比之下，N2稀釋比Ar稀釋的作用更加明顯。

通過以上的分析可知，熱作用使得缸內燃燒速度變慢，缸壓和放熱率峰值降低，放熱相位推遲，燃燒溫度降低且燃燒穩定性惡化。

圖5 熱作用對平均指示壓力循環 變動和缸內燃燒峰值的影響

圖6至圖8示出N2和Ar進氣稀釋對發動機常規排放的影響對比。在圖6中，隨著稀釋比的增加，不論N2還是Ar稀釋情形，NOx排放值均隨之降低。NOx主要源于缸內的高溫條件，這一點可以從圖6中的NOx排放數值與缸內平均溫度峰值的高度線性關系得以證實。不過，相比之下，N2稀釋對NOx排放的降低作用更加明顯。這主要是由于N2具有更高的比熱容，其稀釋使得缸內燃燒溫度更低[5-7]，從而更加顯著地抑制了NOx的生成。

在圖7a中，隨著稀釋率的增加，THC排放隨之增加。當稀釋程度較低時，進氣稀釋使缸內燃燒溫度降低，壁面淬熄層厚度增加，從而使THC排放增加；而當稀釋程度較高時，進氣稀釋還容易引起缸內大面積淬熄甚至失火現象，從而使THC排放急劇增加。這表明THC排放與缸內燃燒溫度存在極其密切的關系。由于N2稀釋時的缸內燃燒溫度較低，因而其THC排放較高。在圖8中，在較低稀釋程度下，N2稀釋下的CO排放值略低，在較高稀釋程度下，N2稀釋情形下的CO排放值更高。CO排放主要受到三方面因素的影響：即缸內化學平衡、CO的后期氧化、HC排放的后期氧化。進氣稀釋使得缸內燃燒溫度降低，化學平衡(CO2與CO之間的平衡)向著CO減少、CO2增加的方向發展，因而使得整機CO排放降低。當稀釋程度較高時，缸內燃燒惡化，THC排放較高，源于THC排放后期氧化的CO增加，從而引起CO排放的增加。

在圖6至圖8中，N2和Ar稀釋情形的差異即為熱作用對發動機排放性能的影響。根據以上分析可知，熱作用使得NOx排放降低，THC排放增加。在較低稀釋率情形下，熱作用使CO排放降低；而在較高稀釋率情形下，熱作用則使CO排放增加。

圖6 熱作用對NOx排放的影響

圖7 熱作用對THC排放的影響

圖8 熱作用對CO排放的影響

圖9示出N2和Ar稀釋下的整機經濟性對比。由圖可知，N2稀釋下的燃油消耗率更高。由此表明，熱作用使得整機的經濟性變差。前述分析表明，熱作用導致缸內燃燒質量劣化，排放性能變差。也正是由于上述原因，熱作用使得整機的經濟性劣化。

圖9 熱作用對整機經濟性的影響

2.2 稀釋氣體的稀釋作用分析

圖10 稀釋作用對缸壓和放熱率峰值的影響

圖11 稀釋作用對火焰發展期和燃燒持續期的影響

圖12 稀釋作用對缸內平均溫度峰值和θCA50的影響

上述分析表明，稀釋作用使缸內燃燒速度變慢，缸內燃燒溫度降低，放熱率峰值降低且放熱相位推遲。

圖13 稀釋作用對CO和THC排放的影響

圖14 稀釋作用對NOx排放和燃油消耗率的影響

盡管稀釋作用使缸內燃燒質量變差，但由圖14可知，稀釋作用卻使整機經濟性提高，燃油消耗率降低。為了分析產生以上結果的原因，本研究對稀釋氣體影響整機經濟性的主要因素(放熱定容度、燃燒效率、泵氣損失，等熵指數)進行分析(見圖15)。由圖15可知，稀釋作用使燃燒定容度和燃燒效率降低，而對泵氣損失沒有顯著影響。以上幾點均不能解釋稀釋作用使經濟性提高這一結論。不過，從圖15可以看出，稀釋效應使缸內工質的等效等熵指數顯著增加，這正是稀釋作用使發動機經濟性改善的主要原因。

圖15 燃油消耗率的影響因素分析

3 結論

a) 熱作用和稀釋作用均惡化缸內燃燒狀況，使得火焰傳播速度變慢，火焰發展期和極速燃燒期增加，燃燒相位推遲,NOx排放降低，THC排放增加;

b) 熱作用惡化整機經濟性，而稀釋作用可使整機經濟性提高；

c) 稀釋作用提高發動機經濟性的主要原因在于其提高了發動機工質等熵指數。

參考文獻：

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