车用发动机燃用天然气掺氢燃料的性能计算分析与研究

为了研究天然气掺氢发动机的燃烧特性,从模拟试验的角度运用大型发动机软件建立了6缸火花点火天然气掺氢发动机的虚拟样机,并经过试验验证该模型基本准确.通过仿真计算得出,天然气发动机在掺入氢气之后,提高了燃烧速度,明显拓宽了发动机的稀燃极限.在掺入氢气30 %(体积百分比)时,发动机的综合性能指标较好;提高压缩比,指示热效率得到提高.     

稀燃点燃式天然气发动机的燃烧特性

通过对一台6102型稀燃点燃式天然气发动机在不同混合气浓度和不同点火提前角下的燃烧特性进行试验,深入分析了点火提前角和混合气浓度对天然气发动机燃烧特性的影响.结果表明,当进气压力和转速一定时,随着混合气变稀,NO_x排放降低,但输出转矩有减小趋势,耗气率升高且燃烧稳定性变差;适当增大点火提前角,可以使输出转矩增大,耗气率降低,提高燃烧稳定性,但NO_x排放会有所增加.因而需综合考虑动力性、经济性和排放来选择最佳的混合气浓度和点火提前角.找出了在满足动力性、经济性和排放的特定工况点的适宜浓度和点火提前角范围,为进一步标定全工况下的MAP图也提供了参考依据.     

稀燃天然气掺氢发动机的热效率与排放特性

为了分析在天然气中掺入不同体积比的氢气对发动机经济性和排放性的影响,在一台6缸火花点火天然气发动机上开展了体积掺氢比在不同工况下对热效率和排放特性影响的试验研究.结果显示掺氢可以拓宽发动机的稀燃极限,提高燃烧速度,使得最佳转矩点火提前角(MBT)相对推迟;在点火提前角不变的情况下掺氢对热效率没有明显优势,而且会使NOx排放升高.而在MBT时,掺氢可以一定程度上提高发动机的指示热效率,降低未燃CH4和CO的排放,改善NOx与未燃碳氢(主要为CH4)的trade-off关系.掺氢的优势还体现在可以让发动机高效的工作在更稀的情况下,从而有利于降低NOx的排放和传热损失.     

不同稀释方式降低天然气发动机NO_x排放的研究

为了使天然气发动机在采用机内净化措施的情况下大幅度降低NOx排放,满足未来的排放法规,试验研究了3种稀释方式(空气稀释、当量燃烧+EGR稀释、空气与EGR双重稀释)对稀燃天然气发动机控制NOx排放潜力的影响,并考察了燃烧边界条件的改变对发动机燃烧及排放性能的影响。研究结果表明:通过燃烧边界条件优化,3种稀释方式均能使发动机NOx排放满足国-Ⅳ及国-Ⅴ排放标准,在同等NOx排放前提下,对其经济性而言,双重稀释方式优于空气稀释方式,空气稀释方式优于当量燃烧+EGR稀释方式。     

湍流射流点火对天然气发动机燃烧特性影响的试验研究

湍流射流点火（Turbulent Jet Ignition,TJI）是一种有效的燃烧增强技术,可提供更高的点火能量,使发动机稳定着火,且可以提高燃烧压力和燃烧速率,缩短燃烧持续期,是实现发动机稀薄燃烧的有效手段。基于一台带有预燃室的点燃式单缸试验机,开展了TJI模式下天然气发动机性能的试验研究。首先,研究了不同过量空气系数下TJI对天然气发动机动力性能、排放性能及燃烧特性的影响,并与火花塞点火（Spark Ignition,SI）模式进行对比;其次,在稀燃条件下分别探究了进气增压和预燃室喷氢对天然气发动机动力性、经济性及燃烧过程的优化作用。结果表明：TJI的使用可有效拓展天然气发动机的稀燃极限,且燃烧滞燃期和燃烧持续期均更短,放热率更高;过量空气系数1.5为甲烷TJI最佳稀燃工况,此时燃油消耗率最低,且可实现氮氧化物近零排放;此外,采用进气增压的方式可以提高TJI发动机在高负荷下的经济性;TJI模式下,相较于预燃室喷甲烷,预燃室喷氢气可进一步缩短滞燃期和燃烧持续期,提高放热率,达到提升TJI性能的效果。     

增压稀燃天然气掺氢发动机排放特性

为了研究20%掺氢比的增压稀燃天然气掺氢(HCNG)发动机的排放特性,通过对发动机进行了空燃比和点火提前角调整试验、ETC循环测试试验和加装氧化型催化器试验,获得了20%HCNG发动机的排放规律.CH4排放随着空燃比的增大先减少后增加;CO排放在高于理论空燃比后骤减;Nox排放随着空燃比的增大先增加后减少,在空燃比19～21 左右达到最大值,1600～1800r/min时最低.CO、Nox随着点火提前角的增大而增加;CH4随着点火提前角的增大略有增加,并且点火提前角越大,对CH4排放的影响越小.加装催化器后,CO、CH4的转化效率均＞90%.试验结果表明:增压稀燃和氧化型催化器相结合是天然气掺氢发动机节能减排的有效方案.     

天然气发动机的研究现状

天然气能降低发动机的有害物排放,是一种比较理想的发动机代用燃料。稀燃天然气发动机具有较高的热效率和较低的NOx排放。均质充量压缩着火(HCCI)燃烧也是提高稀燃天然气发动机热效率的方法之一,并有很低的NOx排放。本文综述了稀燃天然气发动机和HCCI天然气发动机的研究进展,尤其是燃烧室形状、点火系统、充量分层、加氢等对天然气发动机性能的影响及天然气HCCI发动机的燃烧与排放特点。     

增压稀燃天然气发动机排放特性

为了研究增压稀燃天然气发动机的排放特性,对发动机进行了空燃比和点火提前角调整试验、十三工况排放等试验,并在增加氧化型催化转化器后进行了相关试验,对试验结果进行研究分析,获得了天然气发动机的排放规律.结果表明:NMHC排放随空燃比增大先减少后增加,NOx排放随空燃比增大先增加后减少,在空燃比19～21左右达到最大值.NMHC比排放随转速升高略有降低,NOx排放随转速升高先减小后增加,发动机最低NOx排放点所对应的发动机转速为1600～1800 r/min.定MAP下,NMHC排放随点火提前角增大先降低后增加,NOx排放随点火提前角增大而增大.加Ⅰ型氧化催化器后发动机NOx、CH4、CO、NMHC排放值分别减少了15%、97%、78%、60%.试验结果表明,增压稀燃和氧化型催化转化器相结合是天然气发动机一种有效方案.     

基于电控调压器的稀燃增压CNG发动机开发

通过比较几种典型燃料的效率及当量燃烧发动机,进行了稀燃单一燃料CNG发动机的优势分析.针对国-Ⅳ及以上排放标准,开发了基于电控调压器的重型车用CNG发动机,阐述了其燃气供给系统、进气管理系统和点火系统的结构特点及运行原理.分析了电控系统及其复合闭环策略,实现了多区域稀燃目标控制.试验结果表明:研发的CNG发动机最大功率和最大扭矩均与原型柴油机相当,而排放性能得到了极大的改善.     

电控LPG发动机稀燃技术影响因素的试验研究

针对某小型单缸汽油机进行了LPG化改造,介绍了系统的组成并开发了发动机试验控制系统用于LPG发动机稀薄燃烧技术的研究.研究结果表明:不同的燃烧室形式对稀燃热效率和NOx排放水平具有重要影响,在稀燃状态下直口碗型燃烧室比浅碗型燃烧室的排放性和经济性好.发动机的转速、负荷、压缩比、点火提前角以及火花塞间隙等运转或结构参数是影响LPG发动机稀燃极限的主要因素,负荷和转速提高以及压缩比和火花塞间隙增加,均使稀燃界限拓宽;合理的点火提前角也有利于稀限拓宽;通过对各参数的优化可以拓展LPG发动机的稀燃极限,在保持LPG发动机低排放的情况下可将发动机的动力性基本恢复到原汽油机的水平.