竇小紅
摘 要:天然氣被認為是內燃機較為理想的替代燃料,但是天然氣內燃機存在燃燒放熱,燃燒循環(huán)變動,燃料特性等方面的問題。對此,本文主要介紹了天然氣發(fā)動機的燃燒和排放的特點、降低天然氣發(fā)動機NOx排放的措施,以及對天然氣發(fā)動機功率下降問題的應對措施。
關鍵詞:天然氣;發(fā)動機;內燃機
1.天然氣汽車的發(fā)展及發(fā)動機燃燒過程的研究
汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,對石油的需求量越來越大,而汽油和柴油都是不可再生資源?,F在天然氣發(fā)動機越來越受到汽車公司和各高校的青睞,我國20世紀50年代就已開展對天然氣汽車的研究,五六十年代在我國四川省開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各地推廣應用。正是因為天然氣汽車具有很好的經濟、環(huán)保和社會效益,所以近幾年在我國發(fā)展非常迅速,從1999年初的不足1萬輛發(fā)展到2006年底,全國已擁有天然氣汽車近15萬輛,而到了2014年是中國天然氣汽車爆發(fā)式發(fā)展的一年,數量雖未可統(tǒng)計,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,并且這種應用將會更加普及。
如今隨著汽車運行的經濟性的要求和排放限值的提高,對發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)的設計提出了越來越高的要求,近幾十年來,各個國家的汽車公司,高等院校都投入了大量的人力物力進行火化點火發(fā)動機燃燒的基礎研究工作,涉及到燃燒室內的氣體流動,燃燒過程的傳質傳熱,化學反應動力學,火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娼Y構,有害排放的生成機理與控制,燃燒過程的數值模擬,稀薄混合氣和分層燃燒的實現等等。由于實際發(fā)動機的燃燒、傳熱、蒸發(fā)與擴散等過程十分復雜,加之伴隨有循環(huán)變動,要控制每個循環(huán)的燃燒條件不變化非常困難,試驗結果的可比性不強,因此內燃機的燃燒研究大都在模擬裝置中進行,尤其在定容燃燒彈中進行的居多。
2.天然氣的理化特性
天然氣是一種復雜的碳氫化合物,其主要成分是甲烷(CH4),體積分數占80~95%(因其產地而異),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)、氮氣(N2)、二氧化碳(CO2)等,它們各自所占的體積分數因產地而異。車用天然氣必須經脫水、脫烴、脫硫等凈化處理,才能成為一種優(yōu)質、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.天然氣內燃機燃燒問題基礎分析
3.1增壓中冷技術
為了補償稀薄燃燒帶來的功率損失,通常采用增壓中冷技術提高天然氣發(fā)劫機的功率。發(fā)動機的輸出功率與每一循環(huán)進入各缸的充氣量有關,增加進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用的原因。但隨著壓力增加,擴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。實驗表明,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)
天然氣的成分復雜,加之發(fā)動機實際工況多變,要想提高汽車的動力性,天然氣的準確噴射時刻和精確的噴射量是關鍵,這須由電控多點燃氣順序噴射系統(tǒng)完成。電控單元根據從各傳感器得到發(fā)動機進氣壓力、轉速、節(jié)氣門開度和進氣溫度等數據分析發(fā)動機的具體工作工況,然后從存儲單元中讀取與發(fā)動機實際工況相對應的噴氣控制脈寬,并根據發(fā)動機的反饋信號進行修正,最后根據曲軸位置信號設置天然氣噴射閥的控制命令,完成對天然氣多點順序噴射時刻和噴射量的精確控制,以提高天然氣發(fā)動機的動力性。
3.3點火的優(yōu)化措施
天然氣著火溫度高,火焰發(fā)展期長,`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而使發(fā)動機的功率有所下降。因此提高點火能量,實現快速燃燒,有利于發(fā)動機功率的部分恢復。因此可以采用二級點火或高能點火的方式。高能點火控制系統(tǒng)主要通過定時器T0、Tl、T2的中斷來進行控制,在系統(tǒng)程序處于脈譜圖處理階段時,通過串口的中斷與CUP根據協(xié)議進行數據傳遞和處理。二級點火分為互相連通的主燃燒和預燃燒室。由于混合器的調節(jié)作用,經進氣管進入主燃燒室的是稀混合氣。一部分天然氣經止回閥進入體積較小的預燃燒室。在壓縮行程中,由于活塞上行,主燃燒室內的部分稀混合氣被壓入預燃室,在預燃室內形成紊流,并與純天然氣混合形成理論濃度混合氣。
4.結束語
在石油危機和環(huán)境污染日益嚴重的今天,天然氣發(fā)動機以其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點將越來越多地被人們采用,因此,其在燃燒和排放方面的特點也受到了的人們的關注。隨著天然氣發(fā)動機研究的不斷深入和設備的不斷完善,其在燃燒和排放方面的優(yōu)點將得到更充分的發(fā)揮,在燃燒和排放方面的缺點將在相關措施的輔助下得以適當的彌補,以使其在動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格的排放法規(guī)要求。
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