CNG發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油對(duì)比消耗

CNG發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)燃燒的比較分析CNG發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)的燃燒同為預(yù)混湍流燃燒但火焰?zhèn)鞑ニ俣?、著火延遲期及混合氣熱值均不同。為在汽油機(jī)上改燃CNG或CNG/汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮CNG燃燒的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)CNG燃燒特點(diǎn)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，才能達(dá)到較高的輸出功率和較低的排放。壓縮天然氣(CNG)作為清潔燃料已開(kāi)始應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，并以很快的速度發(fā)展著；天然氣(NG)以其巨大的蘊(yùn)藏量支持著市場(chǎng)的需求。大量的試驗(yàn)和測(cè)試表明CNG汽車與燃油汽車相比,CO2排放低25%,HC排放低80%,SO2排放低75%,SO排放低99.99%,Pb減少到0,PM排放減少41.67%,CO排放減少89.73%;而NG的價(jià)格只有汽油的一半。NG是一種復(fù)雜的HC混合物，其中主要成分為甲烷(CH4)，體積分?jǐn)?shù)占85%?97%，與汽油的成分完全不同。近年來(lái)大量出現(xiàn)的是將汽油機(jī)汽車改制為汽油/CNG兩用燃料汽車，改制后汽車的動(dòng)力性降低了10%?20%。研究表明，并不是將汽油機(jī)汽車簡(jiǎn)單地改燃 CNG就能得到很低的排放，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)必須對(duì)燃燒進(jìn)行優(yōu)化才能得到較好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)和排放特性。本文就CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和汽油機(jī)的燃燒進(jìn)行比較分析。1CNG與汽油的特性比較1.1辛烷值CNG的辛烷值RON為115?130，適宜的壓縮比(&c)為10?12,極限可達(dá)到15[1]，這是CNG既適宜點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)又適宜壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的重要原因;現(xiàn)代汽油機(jī)的&c為6.5?10.0,個(gè)別可達(dá)到11。從熱力循環(huán)理論上講,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的&c可提高其動(dòng)力性和熱效率。2燃燒特性CNG一空氣混合氣的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于汽油一空氣混合氣。層流火焰速度（SL）是關(guān)于燃燒物理和化學(xué)過(guò)程的很重要的特征參數(shù)在過(guò)量空氣系數(shù)（＜a）為0.75-1.25的范圍內(nèi)對(duì)SL進(jìn)行試驗(yàn)表明,CH4一空氣混合氣的SL為33.8cm/s，比汽油一空氣混合氣的SL（39cm/s-47cm/s）低得多[2],使得CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒持續(xù)時(shí)間增大偏離等容加熱過(guò)程，致使熱效率降低。另外CNG一空氣混合氣的發(fā)火界限很寬,在皿=0.6-1.8均可燃燒，有利于稀薄燃燒，提高經(jīng)濟(jì)性，降低排放。1.3混合氣熱值在相同的環(huán)境條件下，相同體積中含有的分子數(shù)相司分子中含C和H原子數(shù)越多的物質(zhì)，燃燒產(chǎn)生的熱量越多。CNG是復(fù)雜的HC混合物，以甲烷為主要成分。1個(gè)甲烷分子含有1個(gè)C原子和4個(gè)H原子，因此,CNG的熱值略高于汽油（見(jiàn)表1）;表1 燃料的特性燃料汽油甲烷CNG分子式CnH1.87CH4相對(duì)分子量11016.0417.082密度/kg.m-37500.720.728高熱值/MJ〃kg-147.355.553.11低熱值/MJ.kg-144.048.7947.93理論混合氣低熱值/MJ-kg-12.832.692.76理論空燃比a14.6 17.16 16.34研究法辛烷值(RON)92.98 130 115-130環(huán)境條件:溫度為0°C,大氣壓力為101.3kPa但在CNG一空氣混合氣中，由于CNG分子占據(jù)了部分空氣分子的位置，使得其熱值約低于汽油一空氣混合氣10%[2]。汽油在進(jìn)入氣缸前并沒(méi)有完全汽化，實(shí)際上即使壓縮行程終了汽油也達(dá)不到完全汽化;另外，在汽油汽化時(shí)吸收熱量,使汽油一空氣混合氣的溫度降低，密度增加，有利于充氣系數(shù)的提高。針對(duì)CNG的特點(diǎn)，可采用缸內(nèi)噴射的方法，提高充氣系數(shù),從而提高輸出功率。4著火溫度一種燃料的自燃溫度不是一個(gè)常數(shù)。CNG的自燃溫度為630°C-730C[3],汽油的自燃溫度為220C-470C,因而CNG較適宜于較高&c下的點(diǎn)燃。利用汽油機(jī)進(jìn)行改制有其方便性自燃溫度高表明CNG有較好的安全性。5燃料互換性發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的互換是以辛烷值為依據(jù)的,替代燃料必須與原來(lái)燃料的辛烷值相同才行。而辛烷值是燃料的抗爆震參數(shù)辛烷值越高燃料的抗爆震性能越好。由于目前的發(fā)動(dòng)機(jī)還沒(méi)有達(dá)到CNG的抗爆震極限，所以，現(xiàn)在沒(méi)有使用抗爆震參數(shù)作為互換的依據(jù)，而是采用沃泊指數(shù)(W)，相同W的燃料可以互換。W的物理意義是體積熱值,用公式W=H/d來(lái)計(jì)算，W為CNG的沃泊指數(shù)；H為CNG的體積高位發(fā)熱量,MJ/m3;d為CNG的相對(duì)密度，空氣的相對(duì)密度為1.2燃燒比較1著火延遲期由于CNG的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性比較穩(wěn)定其著火延遲期比汽油的要長(zhǎng)。試驗(yàn)表明，CNG一空氣混合氣一般在＜a=0.9?1.1時(shí)著火延遲期最短（見(jiàn)圖1）[5];汽油一空氣混合氣在＜a=0.8?0.9時(shí)著火延遲期最短,但CNG的著火延遲角比汽油的著火延遲角大20%左右（見(jiàn)表2）。為保證最高燃燒壓力（pmax）在上止點(diǎn)后12°CA?15°CA時(shí)出現(xiàn)，燃用CNG的點(diǎn)火提前角（Oig）要大于燃用汽油時(shí)的Oig。由于。ig與轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、殘余廢氣及火花能量等諸多因素有關(guān)，加之CNG與汽油的性質(zhì)差別,其調(diào)節(jié)量也與燃用汽油時(shí)的不同。在同樣負(fù)荷及轉(zhuǎn)速情況下，燃用CNG的Oig比燃用汽油要加大5°CA?10°CA,Oig的調(diào)整應(yīng)適合CNG的燃燒規(guī)律。試驗(yàn)表明，加強(qiáng)點(diǎn)火能量有利于可靠點(diǎn)燃混合氣和縮短Oig。故CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火能量應(yīng)加大，一般認(rèn)為加大到200mJ左右才能保證可靠點(diǎn)火。圖1燃燒持續(xù)期隨a的變化600 1 1 1 1 0.50 075 1.0() L25 1.50 L75空燃比戲2.2初始燃燒期一般認(rèn)為，累積放熱率從1%?10%的持續(xù)期反映了火焰的初始化與著火后層流的發(fā)展過(guò)程，我們稱這一階段為初燃期。從試驗(yàn)結(jié)果看，初燃期的反應(yīng)速度僅與轉(zhuǎn)速變化密切相關(guān)即隨著轉(zhuǎn)速的提高，初燃期縮短。這是由于轉(zhuǎn)速提高后，混合氣的溫度和壓力均得到提高，同時(shí)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)大大加強(qiáng)，使層流燃燒加快并有可能發(fā)展成湍流燃燒。與汽油混合氣相比,CNG混合氣的初燃期增加了12%[6]。由此可見(jiàn)，利用進(jìn)氣道與燃燒室形狀相配合，加大擠氣面積，合理組織燃燒室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，合理布置火花塞位置，對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒組織非常重要;就是說(shuō),CNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)應(yīng)組織氣流運(yùn)動(dòng)，以縮短初燃期。3急燃期累積放熱率從10%?92%的持續(xù)期是急燃期，其長(zhǎng)短直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。這時(shí)湍流火焰已經(jīng)得到充分發(fā)展湍流速度主要受燃料性質(zhì)的影響，其他因素的影響已不明顯（見(jiàn)圖1）。相同&c時(shí),CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的急燃期比汽油機(jī)的要長(zhǎng)，燃燒持續(xù)角要大，使CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒偏離上止點(diǎn)，氣缸內(nèi)溫度和壓力上升緩慢，影響最高壓力點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)后的位置導(dǎo)致指示效率下降，排氣溫度和壓力提高。試驗(yàn)結(jié)果表明,CNG一空氣混合氣的急燃期總體上比汽油一空氣混合氣長(zhǎng)60%左右（見(jiàn)第33頁(yè)表2）[5],造成CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度普遍較高。所以,CNG發(fā)動(dòng)機(jī)不適合高速內(nèi)燃機(jī)。32.車用發(fā)動(dòng)機(jī)表2K-16發(fā)動(dòng)機(jī)燃用CNG與汽油的比較燃料8Cpmax/MPapmax變化率/MPa?°CA-1著火延遲芻— 4急角/° /°CA燃期CA汽油63.240.19614 45CNG682.673.000.1020.123171672564燃燒的定性CNG燃燒與汽油燃燒均可定性為預(yù)混湍流燃燒。目前使用的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)多采用機(jī)外混合，汽油機(jī)多采用進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射，兩者的混合氣在進(jìn)入燃燒室前已完成了一定的混合，當(dāng)電火花點(diǎn)燃混合氣后，形成火焰中心，并以層流火焰的速度傳播，此時(shí)火焰前鋒近似球形，由點(diǎn)火誘導(dǎo)出的壓力波和溫度波在燃燒循環(huán)變動(dòng)的擾動(dòng)下,火焰速度大于層流速度的火焰前鋒面積增加,光滑的火核中心變?yōu)楦叨劝欛藓突鼐頎畹幕鹧媲颁h，成為湍流燃燒。只是CNG燃燒與汽油燃燒的速度不同3結(jié)論在大力發(fā)展CNG汽車時(shí)，利用汽油機(jī)改制成CNG或CNG/汽油雙燃料汽車均不合適，因?yàn)镃NG的燃燒規(guī)律與汽油的燃燒規(guī)律有很大的差別。而改進(jìn)后CNG的滯燃期比汽油的滯燃期仍長(zhǎng)20%，初燃增加了12%,急燃期增加了60%。在原汽油機(jī)上改制，對(duì)其&c和進(jìn)氣系統(tǒng)等無(wú)法進(jìn)行大的改動(dòng),不利于CNG燃燒優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。因此應(yīng)研制專用CNG燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)采取的方法：a） 提高sc,使其達(dá)