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1、复合供气压缩着火天然气发动机的试验研究第13卷第4期2OO7年8月燃烧科学与技术JournalofCOIOllScienceandTechnologyv01.13No.4Aug.2OO7复合供气压缩着火天然气发动机的试验研究张德福,一,张惠明,郑清平,邓玉荣,王昊宇(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;2.天津理工大学海运学院,天津300191)摘要:设计开发的天然气发动机压缩着火燃烧系统采用球形涡流室式燃烧室结构及天然气复合供气系统,通过台架试验研究了不同天然气供气方式,进气加热温度,高压供气定时和高,低压供气比例对着火燃烧和排放的影响.结果表明,高压供气定时,高低压供
2、气比例,进气加热温度对天然气压燃和排放的影响均存在最优值;与天然气低压供气方式相比较,复合供气方式实现天然气发动机的着火起动需要较高的辅助加热条件;但是在扩展发动机运转范围方面具有明显优势.关键词:压缩天然气;发动机;压缩着火;分层充气中图分类号:TK421.2文献标志码:A文章编号:1006-8740(2007)04-0304-05ExperimentalStudyonCompressionIgnitionEngine,thNaturalGasCompoundSupplyZHANGDe-fu一,ZHANGHui-ming1,ZHENGQing-ping1,DENGYu-tong,WANGHa
3、o-yu(1.StateKeyLaboratoryofInes,anjiIlUniversity,Tianjin300072,China;2.SchoolofMaritime,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300191,China)Abstract:Thedesignedcombustionsystemconisistsofaball-shapedswirlcombustionchamberandacompoundfuelsupplysys?tem.Thefactorsaffectingcombustionandemissioncharacteris
4、ticsareexploredonacompressionignitionCNGcompressionnaturalSngin,includingCNGsupplymethods,chargeairtemperature,thetimingofhiglpressureinjectionandtheratioofhi#t/lowpressureinjectionquantity.Theresultsshowthatthereexistoptimalvalueswiththeabovefactors,andthatc0【llp甜withCNGlow-pressureiectionmethod,st
5、arting-upCanbeachievedwiththecompoundsupplymethodatahisberchargeairtemperature,whiletheoperation瑁ngeofthelattermethodiswiderthanthatoftheformer.Keywords:compressionnaturalgas;engine;compressionignition;stratifiedch孵天然气已成为一种公认的低成本,清洁燃烧的代用燃料.已开发的天然气发动机大多采用火花点火燃烧方式,尽管这种方式的发动机在降低颗粒排放方面有明显的优越性,但同时存在着发动机功
6、率密度低,热效率低的问题.相关研究表明,采用压缩点火方式有可能达到与柴油机相同的性能指标,同时又能保持火花点火天然气发动机的无烟运转特性n.美国Sandia国家实验室曾在DIG3516型发动机上通过电热塞辅助加热实现了天然气高压直喷压缩着火,发动机的热效率接近柴油机且无碳烟排放,NO排放较柴油机也有所降低.美国国家再生能源实验室在一台4缸1.75L增压机进行过类似的研究,出现的问题主要集中在电热塞及天然气高压喷射装置的可靠性方面3.日本Kyoto大学采用天然气缸内直喷技术在一台单缸四冲程柴油机上(缸径行程:102mIn105mm;压缩比:18)实现了天然气预混合充气压缩点火.与进气道供气方式相
7、比较,采用缸内直喷在扩大发动机功率方面有明显的优势.为了实现高辛烷值天然气压燃,试验通常收稿日期:2oo6-12.05.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50276041);国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2006AAIIAIB2)作者简介:张德福(197O一)男,博士后.通讯作者:张德福,flmngdfueyou.coin.2OO7年8月张德福等:复合供气压缩着火天然气发动机的试验研究采用进气空气加热措施(加热温度240oC),但不便于实用推广.此外,日本气体燃料协会和五十铃汽车绝热材料研究所提出了天然气低散热预燃室式压缩着火燃烧系统,采用了具有隔热涂层的低散热预燃室,通过调节设
8、在主,副燃烧室之间的控制阀的开启定时,实现了低压供气条件下对天然气空气混合和压缩着火时刻的控制,解决了采用天然气高压喷射装置的可靠性问题,在主副燃烧室间设置控制阀,因此对缸盖的尺寸及附属阀件的布置有限制.本项研究采用分隔室式燃烧系统和天然气复合供气系统,试验研究了高,低压供气比例,高压供气定时及进气加热温度对天然气压缩着火燃烧过程和排放的影响.1试验装置试验中天然气压缩着火燃烧系统采用球型涡流室结构,具体的燃烧系统原理图如图1所示.通过对涡流室内的高压喷射阀(6MPa)和进气管上的低压喷射阀(0.4MPa)开启时刻的控制,实现缸内混合气的浓度分层.文献7的研究表明,天然气实现压燃的最低温度范围
9、在12001300K.为保证高辛烷值燃料的压燃,研究采用进气空气加热,涡流室内壁陶瓷隔热和采用陶瓷电热塞助燃(功率30w),以提高缸内温度并形成主副燃烧室的温度分层,促进主副燃烧室的两阶段着火,实现分层燃烧.进气空气加图1分层充气燃烧系统原理重新设计改装后的发动机相关技术参数见表1.发动机台架装置见图2.图2中试验样机由江动S195柴油机改装,原机标定功率8kW,最大转矩45N?m,压缩比2o.高,低压喷射阀由贵州红华公司按照需要定制,其电控单元为自行开发.进气加热器具有调温和恒温功能,排气成分分析采用AVL气体分析仪.表1天然气发动机相关参数项目指标缸径/mm95行程/mmll5进气阀开启定
10、时/CABTDCl5.3进气阀关闭定时/CAABDC33排气阀开启定时/.CABBDC46.5排气阀关闭定时/CAATDC10.9压缩比21涡流室容积比/%40图2发动机台架试验装置示意2试验过程分析仪2.1燃料供给方式对压缩着火天然气发动机起动性能的影响通过设置两只喷射阀的工作状态,电控燃料供给系统可以分别实现单进气管天然气低压进气,单一的涡流室内高压喷射及在进气行程低压供气+压缩行程涡流室内高压喷射即复合供气的3种供气方式.试验比较了3种供气方式时天然气压缩着火的辅助加热条件,如图3所示.25020op越l50赠1005OO低温起动区域?低压供气方式起动?复合供气方式起动?高压供气方式起动
11、高压供气起动区域复合供气起动区域O50ol00ol50o2000250o电热塞温度/图3天然气供气方式对发动机起动性能的影响由图3可见,单进气管天然气低压供气方式对天?306?燃烧科学与技术第l3卷第4期然气压缩着火最有利,单一的涡流室内高压喷射方式的压缩着火最困难,复合供气方式的着火性能介于上述二者之间.这是因为:高压喷射方式是在喷嘴前后压差较大的情况下供气的(高压喷气压力6MPa),高压天然气喷入气缸时存在较强烈的膨胀吸热现象,降低了压缩上止点附近燃烧室特别是涡流室内的温度;另外,由于高压喷射阀的最小喷气量偏大及涡流室内喷射方向等原因,造成涡流室内天然气与空气的混合气在电热塞附近的浓度分布
12、不合适,以上两方面的因素影响了天然气的压缩着火.而低压进气道供气方式喷射压差小,吸热少,天然气与空气混合气在压缩终点附近的浓度,温度合适,因此低压供气方式更容易实现天然气压燃起动.2.2天然气高压供气定时对天然气压燃过程的影响不同的天然气高压供气定时将影响缸内混合气形成的时间和空间分布情况,进而影响复合供气方式下天然气混合气压缩着火和燃烧过程,为此研究了通道直径6mnl燃烧室天然气高压供气定时对燃烧过程的影响,结果见图4.由图4(a)可见,在主副燃烧室通道直径6mnl时,随高压供气定时提前,缸内压力峰值逐渐增加,对应峰值的相位角向上止点靠拢,并在高压供气定时为120.CABTDC时出现燃烧敲缸
13、.由图4(b)可见,缸内瞬时放热率随着高压供气定时的提前放热趋于集中,峰值增加且出现的位置更靠近上止点.分析认为随着高压喷射定时提前,燃烧前预混合均质混合气比例增加,燃烧室内混合气浓度分层效果减弱,燃烧放热趋于集中,造成缸内压力升高率和放热率峰值随高压供气定时提前逐渐增加且位置前移.图4(c)由于高压喷射定时提前,喷入副室的高压天然气经连接通道进入主室的数量相应增多,改善了着火前副室内混合气的浓度条件,副室完全燃烧比例增加,故HC排放量减少.同时副室对主室的引燃能量增加,主室混合气浓度有所上升,对主室燃烧完全有利,因此随高压供气定时提前HC排放逐渐减少.NO及CO排放变化不大.2.3高,低压供
14、气比例对燃烧过程的影响高,低压供气比例影响主,副燃烧室内局部混合气浓度分布,从而影响燃烧过程.高压喷气定时100oCABTDC结果见图5.由图5(a)和图5(b)可见,主副燃烧室通道直径6mnl时,随着高压供气比例的减少,缸内压力峰值增加且位置前移,对应的放热峰值亦逐渐升高且位置向上止点靠拢,当高,低压供气比例减少到0.4:1时出现明显燃烧敲缸现象.分析认为,在辅助加热温度保持不变的条件下,随着高压供气比例减少,主副燃烧室的浓度重奋套子稻鲁篷逞一0(a)缸内压力(b)瞬时放热率./.,._.:._一-高压供气提前角尸CA(c)排放图4高压供气定时对压燃过程的影响150b100050呈000分层
15、减弱,主副燃烧室的着火间隔缩短,燃烧放热趋向集中,造成缸内压力和放热峰值增加.相反,增加高压供气比例则相应突出了主副燃烧室的两级着火燃烧特性,延长了燃烧持续时间,减缓了燃烧放热速度,示功图上最高压力有所降低.试验中发现,若进一步增加高压供气比例,将出现明显的后燃及熄火现象,造成发动机转速下降甚至停车.图5(c)中在高压供气比例较大的条件下,NO有所减少,HC排放有所增加.这是由于随高压供气比例增加,副室内混合气浓度增加和主室内浓度较稀均不利于NO生成,但同时由于燃烧不完全现象增加,使得CO,HC排放增加.在低压供气比例较大的情况下,NO较低,HC和CO排放较高,这是由于低压供气比例增加时,均质
16、预混合压燃成分增加,低温燃烧特点不2OO7年8月张德福等:复合供气压缩着火天然气发动机的试验研究謇奋奁舌旃壤辎智蓬(a)缸内压力萎:镪基爨(b)瞬时放热率:.,./.一.,/.-:?/.利于NO生成.但会引起HC和CO排放增加.而当高低压供气比例合适时,3种废气排放均能获得相对最低值,因此对应不同的发动机运转条件,存在着满足最低废气排放的高,低压供气比例.2.4进气加热温度对燃烧过程的影响试验研究了进气温度对复合供气压缩着火燃烧过程的影响,结果见图6.由图6(a)和6(b)可见,进气温度较低时,燃烧反应速度降低,燃烧持续时间加长,缸内压力和放热率峰值明显下降,并在进气温度163时出现后燃现象.
17、当进气温度逐渐升高时,化学反应速度加快,燃烧持续期缩短,缸内压力曲线和放热率曲线逐步陡峭,压力峰值和放热峰值迅速增加且对应相位角前移,在进气温度达到173时出现轻微燃烧敲击声.在图6(c)中,随着日暮出目舌旃辎留篷(a)缸内压力0.50萎0I4580.40OI35080呈604o(b)瞬时放热率._,一一/162164166168170172174进气加热温度/.C(c)排放图6进气加热温度对燃烧过程的影响进气温度升高,缸内燃烧速度加快,使得缸内温度升高,促进了HC,CO的氧化.因此HC,co排放随着进气加热温度升高逐渐降低,而NO排放逐渐增加.2.5不同供气方式对发动机运转范围的影响试验比较
18、了不同涡流室通道尺寸及天然气供气方式时压燃式天然气机运转范围,结果见图7.复合供气方式中高压喷气定时:150.CAffrDC,高,低压供气比例为1:O.4.通过对两种不同通道尺寸的发动机的性能比较可知,在低压供气方式下,采用通道直径14nlln较通道直径6r砌时发动机运转范围要宽.这是由于低压供气方式实现的是均质压燃,两种通道尺寸的燃烧系统在负荷增加时都会受到燃烧敲缸的限制.但随着通道直径增大,通道节流减弱,副室在低散热结构和电热塞辅0【,一u雹一如219822110【,一u雹一咖啪枷伽,燃烧科学与技术第13卷第4期转速,(r?min)?通道直径14nlm复合供气;?通道直径6nlm低压供气?
19、通道直径14nlm低压供气;,通道直径6lllln复合供气图7不同供气方式两种通道尺寸下发动机运转范围b匕较助加热作用下,与主室的温度分层现象明显,可以实现两级着火燃烧,减缓了上止点附近集中放热现象,在一定程度上抑制了燃烧敲缸的发生,因此发动机运转范围较宽.与低压供气相比较,复合供气方式不仅利用了缸内温度分层,而且通过调节高低压供气比例和供气定时还可形成缸内混合气浓度分层,实现主副燃烧室两级着火燃烧,对缓解集中放热,抑制燃烧敲缸更有利,发动机的运转范围扩展更明显.复合供气方式下通道直径6mm(主通道尺寸6inln,同时带有3inln的起动孔)的涡流室镶块由于通道尺寸相对通道直径14inln镶块
20、要小,主副燃烧室内混合气的浓度分层更明显,且通道尺寸减小涡流速度下降,副室内混合气形成速度下降,有效降低了上止点附近压力升高率和放热率,燃烧敲缸倾向减弱,运转范围的扩大更加明显.3结论(1)涡流室式发动机采用复合供气方式实现天然气压缩着火起动与低压供气方式相比较,前者需要更高的辅助加热条件.(2)复合供气方式可实现缸内混合气浓度分层,对抑制压燃式天然气机中高负荷时的燃烧敲缸有利,因此复合供气方式较低压供气方式在扩大发动机运转范围方面具有明显优势.(3)高压供气定时对燃烧过程有影响,随着高压供气定时提前缸内预混均质燃烧的比例加大,造成燃烧压力升高率加大甚至敲缸.(4)高压供气与低压供气比例对燃烧
21、过程有影响,适当增加低压供气比例有利于降低对进气加热的要求并减轻后燃现象.适当增加高压供气比例有利于扩大发动机的运转范围,复合供气压缩着火天然气发动机对应不同运转工况下的燃烧和排放,存在最佳的高,低压供气比例.(5)进气加热温度对燃烧及排放的影响同样存在最佳值.过低的温度将造成燃烧不完全比例增加及出现后燃;过高的进气温度会降低进气充量,极端情况会出现燃烧敲缸.参考文献:1KawabataK,Shojil(agawaF.O0nscharacteristicsofnaturalgasfueledhomogeneouscharsecompressionignition(1I):Energytechn
22、ologyresearchimfitute8n删IaltechnologicalreportdigestJ.Amer/cansoanyofMechan/ca/Eng/tum,AES,1999,39:459-464.2NaterJefferyD,SiebersDennisL.Naturalgasautoignifionun-derdieselconditions:Ex吣andchemicalkineticmodelinsc/s4_EPaper.1994,942034.3MeaoJP,BezaireD,SriramuluS,eta1.PerformanceandEconomicsofc_lytic
23、GlowPlugsandShieldsinDirectInjectionNaturalGasEnrIesfortheNextGenerationNaturalGasVehiclePa,grR.MidwestResearch/nst/tute:NRELFinalReport,2003.4TakujiIshiyama,Masahiroioji,ShunsakuNakai,eta1.Im?plementationofdirectfuel-injectionforhigherefficiencyinnatu?ralgasengineJ.JSIEREV/EW,1996(17):435458.5Takuj
24、iIshiyama,I-IiroshiKawanabe,KenjiOhashi,eta1.AStudyonPCCICombustionofNaturalGaswitlIDirectInjectionEB/OL.http:/powerlab.mech.okayama,2005-08-25.6KatsumiIkeda.ThedevelopmentoftheceramicgasengineCO-generationsystemc/s4_EPaper.1999,1999?01?3667.7VilmarAesoy,HaraldyAllRnd.Hotsmfeassistedcompressionignitionofnaturalgasinadirectinjectiondieselenc/S4EPaper.1996,960767.