富氧助燃提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)_圖文

1、2006年11月重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Nov . 2006第29卷第11期Journal of Chongqing University (Natural Science Editi on Vol . 29No . 11文章編號(hào):1000-582X (2006 11-0058-04富氧助燃提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)3唐強(qiáng), 張黎立, 張力(重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院, 摘要:, , 這是天然氣汽車推廣應(yīng)用中的技術(shù)難題. , 采用富氧助燃技術(shù)來提高天然. , 研究了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在5種不同進(jìn)氣氧濃度情況下的功率. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 進(jìn)氣氧濃度的提高對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力:, 天然氣消耗率隨氧濃度增大而減小

2、. 因此, .關(guān)鍵詞:富氧空氣; 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī); 動(dòng)力性能中圖分類號(hào):TK437文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 隨著世界范圍內(nèi)汽車保有量的激增, 石油供需矛盾不斷加劇, 世界各國(guó)開始大力發(fā)展替代燃料汽車. 由于天然氣在資源、成本和排放性能等方面的優(yōu)勢(shì), 天然氣汽車迅速發(fā)展起來, 且汽車改裝、天然氣儲(chǔ)存及加氣站的全套技術(shù)也日趨成熟1. 以重慶市為例, 據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2005年上半年, 重慶市CNG 改裝汽車已經(jīng)達(dá)到了21939輛, CNG 汽車改裝點(diǎn)有26個(gè), 已建成投產(chǎn)41座CNG 站. 隨著CNG 汽車保有量的不斷增加, 其缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn). 缺點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)2:1 由于氣體燃料在汽缸中的可燃混合氣里占有一定的

3、容積(汽油機(jī)汽缸中燃料所占容積忽略不計(jì) , 在相同的汽缸工作容積下, 用天然氣作燃料時(shí)作的功少. 2 汽油機(jī)汽車在改用天然氣后功率往往會(huì)下降10%20%左右, 導(dǎo)致汽車最高車速、加速性能和爬坡能力明顯降低. 重慶市的公交客車大都進(jìn)行了CNG 改裝, 在燃用天然氣時(shí), 由于動(dòng)力性不足, 加之重慶主城區(qū)爬坡路況較多, 導(dǎo)致“壓車”和“延時(shí)誤點(diǎn)”等現(xiàn)象. 動(dòng)力性能的下降已經(jīng)成為制約天然氣汽車發(fā)展的重要技術(shù)問題.膜法富氧助燃技術(shù)已在以氣、油、煤為燃料的各種場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用. 膜法富氧助燃技術(shù)能夠降低燃料的燃點(diǎn), 加快燃燒速度、促進(jìn)燃燒完全、提高火焰溫度、減少燃燒后的排氣量、提高熱量利用率和降低空氣

4、過剩系數(shù), 被發(fā)達(dá)國(guó)家稱之為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”. 膜法富氧技術(shù), 系指利用空氣中各組分透過高分子膜的滲透速率不同, 在壓力差驅(qū)動(dòng)下, 將空氣中的氧富集來獲得富氧空氣的技術(shù). 與深冷法、PS A 法相比, 膜法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和安全、起動(dòng)快、規(guī)模可大可小、不污染環(huán)境、投資小、節(jié)能效果顯著和用途廣等特點(diǎn), 近年來已引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注3.借助于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)活塞下行或者廢氣渦輪增壓器產(chǎn)生的負(fù)壓, 將空氣吸入富氧膜裝置, 從而得到21%30%的富氧空氣送入C NG 發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)混合室, 與經(jīng)三級(jí)減壓而來的天然氣混合后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸. 文獻(xiàn)4通過理論計(jì)算證明了富氧助燃能夠提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能.

5、研究的方法是通過在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上加裝富氧裝置以模擬天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)加裝膜富氧裝置情況5, 研究此狀況下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能.1實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法1. 1實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示. 整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架主要由JL368Q3天然氣汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)、五組分分析儀以及水系統(tǒng)、油系統(tǒng)組成, 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)及各儀器參數(shù)見表1、表2. 富氧裝置包括:工業(yè)純氧氣瓶(純度99. 5% , 經(jīng)減壓閥組件降壓至0. 5MPa, 然后經(jīng)節(jié)流閥, 通過浮子流量計(jì)進(jìn)入進(jìn)氣管, 用節(jié)流閥控制氧氣流量. 空氣流量通過畢托管法測(cè)量.3收稿日期:2006-06-09基金項(xiàng)目:重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2

6、002-07作者簡(jiǎn)介:唐強(qiáng)(1973- , 四川內(nèi)江人, 博士, 重慶大學(xué)講師, 主要從事能源轉(zhuǎn)換與環(huán)境保護(hù)研究. 圖1發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)表1實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)機(jī)型JL368Q3生產(chǎn)廠家重慶長(zhǎng)安汽車有限公司氣缸數(shù)3汽缸排列形式直列缸徑×沖程68. 5mm ×72mm排量0. 796L 壓縮比9. 4:1額定功率/轉(zhuǎn)速26. 5k W /5500r/min 最大轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速60. 5N. m /3500r/min 最低油耗率(93 /轉(zhuǎn)速295g/kW. h /2400r/min表2實(shí)驗(yàn)用儀器參數(shù)儀器型號(hào)測(cè)試項(xiàng)目測(cè)量范圍精度油耗儀FCZ2102燃油油耗020kg 0. 4%F .

7、S 電渦流測(cè)功機(jī)G W 100發(fā)動(dòng)機(jī)功率0100k W 0. 1%HC020000×10-61×10-6C O 0%10%0. 01%廢氣分析儀AVL D iGas 4000lightNO x 05000×10-61×10-6CO 2020%0. 1%O 20%23%0. 01%流量計(jì)DM F -1-2天然氣質(zhì)量流量0100kg/h0. 1kg/h浮子流量計(jì)LZ B -10氧氣體積流量2502500L /h10L /h1. 2實(shí)驗(yàn)方法及工況通過在JL368Q3發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中加入氧氣, 使吸入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣為富氧空氣, 然后富氧空氣在預(yù)混室內(nèi)與減壓而來的天然氣

8、混合, 然后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒的方式實(shí)現(xiàn)富氧助燃. 通過測(cè)定各轉(zhuǎn)速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性研究富氧助燃對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力特性的影響. 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下轉(zhuǎn)速為1000r/min, 燃用天然氣時(shí)的額定轉(zhuǎn)速在3000r/min 附近, 實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況設(shè)定為1000、1500、2000、2500和3000r/min, 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷均為15%; 進(jìn)氣氧氣濃度為21%、23%、95第29卷第11期唐強(qiáng), 等:富氧助燃提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn) 25%、27%和30%.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2. 1氧氣濃度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響發(fā)動(dòng)機(jī)在不同吸氣氧濃度實(shí)驗(yàn)工況下, 功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖2所示. 在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的轉(zhuǎn)速工況

9、內(nèi), 隨著吸氣氧濃度的上升, 在相同轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率都有較明顯的上升 .圖2氧氣濃度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響功率隨轉(zhuǎn)速上升逐漸增大, 在2500r/min 附近功率達(dá)到最大值, 之后隨著轉(zhuǎn)速的增大功率有逐漸減小的趨勢(shì). 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)吸氣氧濃度的提高, 進(jìn)入預(yù)混合室的非助燃?xì)怏w減少, 富氧空氣與天然氣預(yù)混合后的混合氣熱值增大, 單位時(shí)間內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量增大, 單位時(shí)間內(nèi)熱量轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功增大, 增大了相同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率, 而且越接近2500r/min 功率增加越明顯. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過提高氧濃度, 提高氣缸進(jìn)氣的混合氣熱值, 提高燃燒效率, 能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率.2. 2氧氣濃度

10、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響發(fā)動(dòng)機(jī)在各吸氣氧濃度下, 輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3所示. 不同氧氣濃度狀況下, 轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)是類似的, 轉(zhuǎn)矩在10001500r/min 區(qū)間內(nèi)隨轉(zhuǎn)速增大而遞減, 在15002500r/min 區(qū)間內(nèi)圖3氧氣濃度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響隨轉(zhuǎn)速增大而遞增, 最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在2500r/min 附近, 在此之后轉(zhuǎn)矩又有減小的趨勢(shì). 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氧濃度提高后, 缸內(nèi)燃燒得到改善, 混合氣中氧濃度的提高降低了甲烷的燃點(diǎn), 提高了甲烷的燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣? 減少燃燒反應(yīng)時(shí)間, 縮短了滯燃期和燃盡期, 增大了工質(zhì)的最大壓力, 從而增大了作用在氣缸上的平均指示壓力, 增大輸出轉(zhuǎn)矩.

11、在相同轉(zhuǎn)速下, 轉(zhuǎn)矩隨氧氣濃度的增大而增大, . 2. 3, . 從1000r/min 開始天然氣耗率, 在2500r/min 達(dá)到最小值之后又逐漸增大的趨勢(shì). 這是由于混合氣中氧濃度的提高從而提高了氣缸中天然氣的燃燒效率, 發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大的同時(shí)天然氣的供給量沒有變化, 因此降低了燃料的消耗率. 從圖中可以看出, 相同轉(zhuǎn)速下天然氣耗率隨氧濃度增加而降低, 這表明提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氧濃度在提高相同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的同時(shí)能夠降低燃料消耗 .圖4氧氣濃度對(duì)天然氣消耗率的影響2. 4氧氣濃度對(duì)排氣中大氣污染物的影響進(jìn)氣氧濃度提高不但對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能有影響, 而且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物的生成也有一定

12、影響. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明進(jìn)氣氧濃度提高后, 排氣污染物中的HC 和CO 生成濃度沒有明顯變化, 氮氧化物的生成濃度隨氧濃度提高有較明顯的增加.如圖5所示, 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中NO x 濃度在氧濃度處于23%增大不甚明顯, 隨氧濃度繼續(xù)增加而急劇增大. 發(fā)動(dòng)機(jī)燃用天然氣時(shí)主要的氮氧化物來源于熱力型NO x , 根據(jù)熱力型NO x 生成機(jī)理, 進(jìn)氣中氧濃度的增大同時(shí)提高了燃燒溫度、增大了混合氣中氧濃度, 導(dǎo)致NO x 濃度隨進(jìn)氣氧濃度升高急劇增大. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 氧氣濃度在23%25%時(shí)氮氧化物濃度增加幅度并不明顯, 同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能已經(jīng)有較大程度的改善, 因此可以通過控制富氧空氣氧濃度在23%25%為

13、來控制熱力型氮氧化物的生成總量, 或者通過有針對(duì)性的機(jī)外催化凈化的方式控制氮氧化物的排放6-7.6重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2006年 圖53結(jié)論1 , 使進(jìn)入預(yù)混室和氣缸的空氣成為富氧空氣, 有助于提高混合氣熱值,從而提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能.2 實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi), 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩等動(dòng)力性能隨氧濃度的增加而增大, 在2500r/min 達(dá)到最大值, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中的氧濃度能夠使動(dòng)力性能有顯著的提高.3 提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氧濃度在提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的同時(shí), 降低了燃料的消耗率. 參考文獻(xiàn):1宋鈞, 黃震, 張武高, 等. J ., (:-97.2. ( , 2005

14、, 28(5 :15-18. , 吳鳴, 等. 氣體膜分離技術(shù)與應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.4唐曉東, 文永勇, 白健, 等. 富氧助燃技術(shù)提高天然氣汽車動(dòng)力性能的研究J .石油與天然氣化工, 2000, 29(6 :284-286.5左承基, 李海海, 徐天玉, 等. 富氧燃燒對(duì)柴油機(jī)排放特性的影響J .小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車, 2003, 32(5 :15-18.6閆云飛, 張力, 冉景煜, 等. 天然氣汽車三元催化器流場(chǎng)均勻性數(shù)值模擬及催化劑優(yōu)化J . 化工學(xué)報(bào), 2005, 56(9 :1679-1684.7李志軍, 劉德新, 劉伍權(quán). 降低富氧條件下汽油機(jī)NO x 排放技術(shù)

15、方案分析J .小型內(nèi)燃機(jī), 2003, 32(3 :37-40.Exper i m ent al Study on Enhanc i n g Dynam i c Perfor mance of NGVEngi n e by Usi n g Oxygen 2ri ch A i rTAN G Q i a ng, ZHAN G L i 2li, ZHAN G L i,(College of Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China Abstract:NG V engine adop ts the fuel sup

16、p ly method of p re m ixing natural gas and air in the p re m ixing cha mber out of cylinder, which results in the engine dyna m ic perf or mances decline . It is an obstacle t o popularizing and app lying NG V. U sing air rich in oxygen t o support combusti on can decrease igniti on point of the fu

17、el, enhance combusti on efficiency and make much more heat available . The dyna m ic perfor mances and fuel consump ti on rate of a NG V engine with different oxygen concentrati on are researched in detail . The results show that the increase of oxygen concentrati on has re markable influence on the dyna m ic perf or mances of NG V engine . Power and T orque perf or mances increase and fuel consu mp ti on rate decreases when oxygen concentrati on of p re m ixed gas increases . The