公共汽车和卡车用气体燃料(CNG、LPG和H)发动机的研制及其排放和工作循环变化特性.doc

公共汽车和卡车用气体燃料(CNG、LPG和H2)发动机的研制及其排放和工作循环变化特性 公共汽车和卡车用气体燃料 (CNG、LPG和H2)发动机的研制 及其排放和工作循环变化特性 【捷克】 Beroun S Martins J 摘要 在捷克，将车用柴油机改为以液化石油气和天然气等气体为燃料的火花点燃式发动机很少。功率较大的发动机(pe最大＞1MPa)采用λ》1的设计理念， 柴油机为涡轮增压中冷，并采用氧化催化剂方式，总效率(最大值)约38％。功率较低的发动机(pe最大＜1MPa)在采用三效催化剂自然吸气方式运行时更适于选 择λ＝1。大部分工作是对公共汽车和中型卡车用压缩天然气和液化石油气发动机所作的研究。也在实验室试验用单缸发动机上用氢气和天然气进行了一些试验。测量包括CO、HC、NOX、CO2、PM等标准排放，也对多环芳香烃碳氢化合物(PAH 及其致癌衍生物PAHcarc)作了研究。用指示平均有效压力(IMEP)变化(VARpi)系数对采用稀气和极稀混合气的气体发动机燃烧稳定性作了评估。本文还探讨了放热率对VARpi的影响。最后，文章对过去7年里公共汽车用气体发动机燃烧室设计 的发展作了介绍和讨论，表明了在诸如总效率、功率和排放等各领域的改善状况。 叙词：气体燃料 发动机 研究 排放 工作循环 1 前言 完成了将柴油机转换为以气体作为燃料的SI发动机的工作，以达到降低有害排放物的目的。为此，必须将其基本工作循环由压燃式改为火花点燃式，包括混合气形成、点火系统、控制系统和排气后处理。 2 排放 与柴油机相比，以气体作为燃料的SI发动机(借助适当控制和调节)可具有下列优点：(1)颗粒物(PM)排放少得多；(2)气体污染物(NOX、HC、CO)较少；(3) 运行噪声较低。 气体燃料发动机对于城市交通、市内运输和诸如垃圾收集等其他特定工作是 非常重要的。小汽车和小型运输卡车也可从该项技术的低污染特性和低成本中获益。 目前研究的气体燃料主要是液化石油气和天然气(液态或气态——LNG或CNG)，它们用于在欧洲(主要是荷兰[1，2]、意大利和法国)行驶的大量小型车辆。随着气体燃料(主要是液化石油气)销售网络的扩大，整个欧洲除西班牙外，这类汽车的??量在增长。 这些气体燃料与较普通的液体燃料相比具有不同的物理和化学物性：它们有较简单的分子结构，正是这种结构使其能减少排气污染物的生成，即减少颗粒物和多环芳香烃(PAH)排放。当这种燃料用作汽车发动机燃料时即具有诸多优点，例如容易在发动机气缸内和气缸外形成混合气、空燃比范围宽(可形成稀混合气或极稀混合气)、高热值和较高的抗爆震能力。 这些特性能使这种火花点燃式发动机以相对较高的压缩比工作，从而具有较高的总效率(但是这种火花点燃式发动机的效率不会比压燃式柴油机高)。气体燃料中较低的含碳总量更进一步降低了CO2排放。燃用这类气体燃料还可降低车辆 在补充燃料和运行期间的排放，降低发生火灾的危险。 在低温和极低环境温度下(冷起动或大气温度低时)，与常规液体燃料的排放相比，以气体作为燃料的发动机的可控排放也是很低的，它们对(发动机和环境)温度的依赖性非常小。 3 燃烧变异性 内燃机的燃烧变异性是发动机气缸内混合气形成和燃烧过程中复杂的热化学和热动力学过程的结果。影响变异性的主要因素是开始燃烧时氧化反应的速度 [5]。柴油机的燃烧变异性低，而火花点燃式发动机在大多数工况下其燃烧变异性都较大。 统计数据表明，柴油机具有低变异性工作循环及高稳定性主要是有大量着火点和混合气完全燃烧膨胀的结果(着火点的数量介于103～104的范围之间，点火能量大约为200J)。另一方面，火花点燃式发动机仅有一个着火点，火焰从此处随机传播(点火能量大约为10～200mJ)，导致后续循环中在着火点形成以及火焰传播速度方面均有大的差异，造成这种发动机的燃烧变异性高。 燃烧变异性是火花点燃式发动机的一个老问题。与顺序循环相比，在气缸最 大压力和最大压力出现的位置(上止点后度数)方面均有很大差别。火花点燃式发动机的燃烧变异性对比油耗和废气排放有消极影响。该变异性可用不同的参数来表达，但其最重要的参数是平均指示压力，这里也包括了循环中其他参数的变异性。 在研制气体燃料发动机过程中，必须给予燃烧稳定性和燃烧变异性以极大的关注，当涉及采用极稀薄的混合气时，这一点尤为重要。燃烧变异性可以由平均指示压力的变化率(VARpi)来表达。为了计算燃烧变异性，必须对指示循环进行分 析。这可以利用基本统