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CNG发动机和燃油对比消耗.docx


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CNG发动机与汽油机的燃烧同为预混湍流燃烧但火焰传播速度、着火延迟期及混合气热值均不同。为在汽油机上改燃CNG或CNG/汽油两用燃料发动机发挥CNG燃烧的优点,针对CNG燃烧特点设计发动机,才能达到较高的输出功率和较低的排放。压缩天然气(CNG)作为清洁燃料已开始应用于汽车发动机,并以很快的速度发展着;天然气(NG)以其巨大的蕴藏量支持着市场的需求。大量的试验和测试表明CNG汽车与燃油汽车相比,CO2排放低25%,HC排放低80%,S02排放低75%,%,Pb减少到0,%,%;而NG的价格只有汽油的一半。NG是一种复杂的HC混合物,其中主要成分为甲烷(CH4),体积分数占85%〜97%,与汽油的成分完全不同。近年来大量出现的是将汽油机汽车改制为汽油/CNG两用燃料汽车,改制后汽车的动力性降低了10%〜20%。研究表明,并不是将汽油机汽车简单地改燃 CNG就能得到很低的排
放,CNG发动机必须对燃烧进行优化才能得到较好的动力性、经济和排放特性。本文就CNG发动机的燃烧和汽油机的燃烧进行比较分析。
1CNG与汽油的特性比较

CNG的辛烷值RON为115〜130,适宜的压缩比(ec)为10〜12,极限可达到15[1],这是CNG既适宜点燃式发动机又适宜压燃式发动机的重要原因;〜,个别可达到11。从热力循环理论上讲,提高发动机的
ec可提高其动力性和热效率。
2燃烧特性
CNG—空气混合气的稳定性远高于汽油一空气混合气。层流火焰速度(SL)是关于燃烧物理和化学过程的很重要的特征参数在过量空气系数(<a)-,CH4—,比汽油一空气混合气的SL(39cm/s〜47cm/s)低得多[2],使得CNG发动机的燃烧持续时间增尢偏离等容加热过程,致使热效率降低。另外CNG—空气混合气的发火界限很宽,在<a=-,有利于稀薄燃烧,提高经济性,降低排放。

在相同的环境条件下,相同体积中含有的分子数相同,分子中含C和H原子数越多的物质,燃烧产生的热量越多。CNG是复杂的HC混合物,以甲烷为主要成分。1个甲烷分子含有1个C原子和4个H原子,因此,CNG的热值略高于汽油(见表1);
表1燃料的特性
燃料
汽油
甲烷
CNG
分子式

CH4
相对分子量
110


密度/-3
750


高热值/MJ-kg-1



低热值/-1



理论混合气低热
值/MJ・kg-1



理论空燃比a

研究法辛烷值(RON) 130 115-130
环境条件:温度为0°C,
但在CNG—空气混合气中,由于CNG分子占据了部分空气分子的位置,使得其热值约低于汽油一空气混合气10%[2]。汽油在进入气缸前并没有完全汽化,实际上即使压缩行程终了汽油也达不到完全汽化;另外,在汽油汽化时吸收热量,使汽油一空气混合气的温度降低,密度增加,有利于充气系数的提高。针对CNG的特点,可采用缸内喷射的方法,提高充气系数,从而提高输出功率。
4着火温度
一种燃料的自燃温度不是一个常数。CNG的自燃温度为630°C-730C[3],汽油的自燃温度为220C〜470C,因而CNG较适宜于较高EC下的点燃。利用汽油机进行改制有其方便性自燃温度高表明CNG有较好的安全性。
5燃料互换性
发动机燃料的互换是以辛烷值为依据的,替代燃料必须与原来燃料的辛烷值相同才行。而辛烷值是燃料的抗爆震参数辛烷值越高燃料的抗爆震性能越好。由于目前的发动机还没有达到CNG的抗爆震极限,所以,现在没有使用抗爆震参数作为互换的依据,而是采用沃泊指数(W),相同W的燃料可以互换。W的物理意义是体积热值,用公式W=H/d来计算,W为CNG的沃泊指数;H为CNG的体积高位发热量,MJ/m3;d为CNG的相对密度,
1着火延迟期
由于CNG的分子结构和物理化学特性比较稳定其着火延迟期比汽油的要长。试验表明,
CNG—空气混合气一般在<a=〜(见图1)[5];汽油一空气混合气在<a=-,但CNG的着火延迟角比汽油的着火延迟角大20%左右(见表2)。为保证最高燃烧压力(pmax)在上止点后12°CA〜15°CA时出现,燃用CNG的点火提前角(Big)要大于燃用汽油时的Big。由于。ig与转速、负荷、残余废气及火花能量等诸多因素有关,加之CNG与汽油的性质差别,其调节量也与燃用汽油时的不同。在同样负荷及转速情况下,燃用CNG的Big比燃用汽油要加大5°CA-10°CA,Big的调整应适合CNG的燃烧规律。试验表明,加强点火能量有利于可靠点燃混合气和缩短Big。故CNG发动机的点火能量应加大,一般认为加大到200mJ左右才能保证可靠点火。
图1 燃烧持续期随a的变化
空燃比a
,累积放热率从1%〜10%的持续期反映了火焰的初始化与着火后层流的发展过程,我们称这一阶段为初燃期。从试验结果看,初燃期的反应速度仅与转速变化密切相关即随着转速的提高,初燃期缩短。这是由于转速提高后,混合气的温度和压力均得到提高,同时缸内气流运动大大加强,使层流燃烧加快并有可能发展成湍流燃烧。与汽油混合气相比CNG混合气的初燃期增加了12%[6]。由此可见,利用进气道与燃烧室形状相配合加大挤气面积,合理组织燃烧室内的气流运动,合理布置火花塞位置,对CNG发动机的燃烧组织非常重要;就是说,CNG发动机燃烧室内应组织气流运动,以缩短初燃期。
3急燃期
累积放热率从10%〜92%的持续期是急燃期,其长短直接影响发动机的热效率。这时湍流火焰已经得到充分发展湍流速度主要受燃料性质的影响,其他因素的影响已不明显(见图1)。相同EC
时,CNG发动机的急燃期比汽油机的要长,燃烧持续角要大,使CNG发动机的燃烧偏离上止点,气缸内温度和压力上升缓慢,影响最高压力点出现在上止点后的位置导致指示效率下降,排气温度和压力提高。试验结果表明,CNG—空气混合气的急燃期总体上比汽油一空气混合气长60%左右(见第33页表2)[5],造成CNG发动机的排气温度普遍较高。所以,CNG发动机不适合高速内燃机。
32.
车用
发动

表2
K—16发动机燃用CNG与汽油的比较
pmax变
着火延迟厶
燃料
8C
pmax/
化率/
1——1丿、Xs*—*、— 1
— 4急
角/ ° ,o
燃期
MPa
MPa・。
cA
CA
CA-1
CA
汽油
6


14 45
6


17
72
CNG
8


16
56
4燃烧的定性
CNG燃烧与汽油燃烧均可定性为预混湍流燃烧。目前使用的CNG发动机多采用机外混合,汽油机多采用进气道多点喷射,两者的混合气在进入燃烧室前已完成了一定的混合,当电火花点燃混合气后,形成火焰中心,并以层流火焰的速度传播,此时火焰前锋近似球形,由点火诱导出的压力波和温度波在燃烧循环变动的扰动下火焰速度大于层流速度的火焰前锋面积增加,光滑的火核中心变为高度皱褶和回卷状的火焰前锋,成为湍流燃烧。只是CNG燃烧与汽油燃烧的速度不同3结论
在大力发展CNG汽车时,利用汽油机改制成CNG或CNG/汽油双燃料汽车均不合适,因为CNG的燃烧规律与汽油的燃烧规律有很大的差别。而改进后CNG的滞燃期比汽油的滞燃期仍长20%,初燃增加了12%,急燃期增加了60%。在原汽油机上改制,对其ec和进气系统等无法进行大的改动,不利于CNG燃烧优点的发挥。因此应研制专用CNG燃料的发动机。设计CNG发动机时应采取的方法:
a) 提高ec,使其达到10〜15,进而提高热效率,增大输出功率;
b) 加强燃烧室内的气流运动,由于ec的提高可适当增加挤气面加强气流扰动;
c) 加强点火能量,通过提高点火能量缩短着火滞燃期克服CNG着火慢的缺点;
d) 增大6ig,保证最高压力点出现在上止点后12。CA〜15°CA,并根据CNG的燃烧规律调整6ig;
e) 实行缸内CNG喷射,提高充量系数,增加功率。

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  • 时间2022-10-23