关于天然气发动机混合热值的研究

关于天然气发动机混合热值的研究

摘要：天然气作为一种气体燃料，与空气混合更均匀，燃烧更加充分，排放的CO 、HC等有害物质更少。（其他一些没有受排放法规控制的有害成分，如对区域环境影响的毒性物质、烟雾、酸性物质等也比汽油、柴油要少）但是其自身存在的混合气热值低的问题严重制约了cng发动机在日常生活中的应。本文点火提前角和进气压力两方面题提出了相关的解决方案方案。

关键词：cng，发动机，混合气热值，点火角，增压

Abstract:

As the natural gas is a fuel gas, the more evenly mixed with air , the more fully burning, less CO, HC and other harmful substances. Other harmful ingredients,that laws and regulations control emissions of , such as regional environmental impact of toxic substances, smoke, acidic substances will discharge less than gasoline and diesel. The existence of its own mixture of low calorific value of cng constraints seriouly the engine in daily life. In this paper, the ignition advance angle and inlet pressure on the relevant questions put forward solutions to the program.

Keywords：cng，engine firing angle boost

一、绪言：

1.应用前景：

在所有碳氢燃料中，天然气的碳氢比小，碳与氢的比例为4：1，CO2排放量比汽油少25%左右，有利于保护全球的环境质量。发达国家基于天然气的这一特性，将天然气确定为真正的清洁燃料而加以推广使用。天然气不会稀释润滑油，燃烧后没有积碳，可减少发动机磨损，延长润滑油更换周期，维护保养费用低，延长发动机寿命;燃料费用,按1立方米天然气相当1.1升汽油计算，可减少燃料费用50%以上。使用CNG 作为汽车燃料，可大大降低燃料费用。

2.存在问题：

1）动力性：目前的CNG 车基本是在汽油车上增加CNG 系统而成的两用燃料车，发动机的压缩比、点火系统、进气系统等均没有变动，因而造成使用CNG 时发动机的动力性能没有得到充分发挥；天然气的理论空燃比为10：1，在进入发动机时，天然气将占有约10%的体积空间，导致吸入发动机的空气量减少约10% ，进气效率下降，从而引起动力性的下降。

2）存储：压缩方式储存天然气，储存燃料的能量密度低，相同体积的储存容器，续驶里程仅相当于汽油的1/4，且储存容器的重量大， 导致整车自重增加。对于小型车，在设计时考虑到自重增加的限制，以及车上有限的空间，不允许安装过多的天然气储气瓶，所以使用天然气的续驶里程较少。

压缩天然气汽车储存的天然气量相对较少，且储存容器的重量造成整车重量增加很多。但在汽油车的基础上增加CNG 系统而成的既能使用CNG ，又能使用汽油的两用燃料车目前广泛使用，这种方式改装方便、成本低，但整车性能下降较多。

二.相关分析

1、混合气热值

天然气的质量低热值为50.05M/kg ，相对与汽油的44.4 M/kg 略高,但决定发动机功率和扭矩的是混合气热值，而不是燃料的质量低热值。对于过量空气系数为a 的混合气，其以体积计的热值H mn 为: ()u

mn o r 22.4a 1h m H L =?+

式中:

mn H ——混合气热值;

r m ——燃料的分子量;

u h

——燃料的质量低热值(kJ/kg);

a ——过量空气系数，对于理论混合气，a=1;

3

/m ML ——以摩尔数表示的理论空气量，即1kg 燃料完全燃烧所需要的千摩尔数; 其计算公式如下:

c okmol 1=0.21g L H o （+-）(kmol/kg)12432

g g 式中:o g g c g H 、 、 分别为1千克燃料中碳、氢和氧三种元索的质量成分。经计算，以体积计的天然气、汽油在理论混合比下的混合气热值分别为3.364MJ/m3和

3.831MJ/m3，可见天然气混合气的热值比汽油的大约降低12%。

2.抗暴性

辛烷值是燃料抗爆震燃烧的能力，辛烷值越高，表示抗爆性越好，发动机可以采用更高的压缩比。目前使用的汽油辛烷值一般为90、93，而天然气的辛烷值一般在120～130之间，其抗爆性要好于汽油。

三.相对比较：

1.就混合热值来讲，天然气发动机较低，天然气混合气的热值比汽油的大约降低12%。

2.天然气的抗暴性很强，在不许添加抗暴剂的情况下就高出很多。

四.问题改进方法：

1.）适当调大点火提前角

天然气的辛烷值为105一130，比汽油的辛烷值要高，对于CNG 专用发动机。其压缩比可达到10一12，相应地理论循环热效率也可以提高7一12%，但对于采天然气一汽油的两用燃料发动机，压缩比未提高，但是可以利用天然气辛烷值高抗爆性好的优势，通过适当调大点火提前角也可以使热效率有所提高，但提高幅度较小。

2.）充气质量

汽油以液态进入进气歧管和气缸，在进气过程中需要吸热汽化使得进气度下降，从而有利于提高充气效率相比，天然气以纯气态进入气缸，不需吸收化潜热，不利于提高充气效率;还有一般汽油机改装燃用CNG 时，还要加装合器使空气与天然气在气缸外混合，加装的混合器会增加进气阻力，降低充气率;更为重要的是，天然气以纯气态进入气缸，挤占了一部分本该属于空气的间，大大降低了空气充气质量效率。这些都使发动机的动力性下降。

3.）分子变更系数

分子变更系数为lmol 燃料所形成的混合气燃料后的工质摩尔数与燃烧前工质摩尔数之

比。若分子变更系数大于1，表明燃烧后的工质摩尔数变大，则工质对活塞做功多，分子变更系数越大，则增益越大。理论分子变更系数几在过量空气系数。天然气燃烧反应式：2

42222CH O CO O H +=+ 天然气分子变更系数为一。

4.）混合气形成质量和分配质量 天然气以气态进入气缸，与空气较容易混合，配质量比汽油和空气混合气要好，其燃烧比较完善，所以其混合气形成质量和有利于热效率的提高。

5.）组织起缸内的气流

为了混合气混合更为均匀，点燃式发动机燃烧室设计有两个设计关键：

首先，火花塞到整个燃烧室范围内距离尽可能均衡，以保证火焰传播距离尽可能短。限于结构因素，发动机最好将火花塞置于原喷油器的位置上；另外，燃烧室结构形状和尺寸及其缸内所获得的气体运动应有利于提高发动机的动力性、经济性，并降低排气污染。一般将缸内的气体流动分进气涡流和滚流挤流和湍流。进气涡流和滚流是气体流经进气道和气门座口形成的；挤流是活塞在运动过程中接近上止点时，由于燃烧室的存在而产生的气缸四周向气缸中心的横向气流运动，分为挤流和逆挤流。至今对湍流的本质仍然没有完全认识清楚，只知道它是一种不定常气体流动。有人认为缸内湍流的主要来源是进气射流通过气阀时产生的强烈剪切层以及射流与缸壁的碰撞更多人认为燃烧室形状是形成缸内湍流的主要原因。事实上，缸内气体运动是异常复杂的，除进气过程和燃烧室结构对其有很大影响外，其很多因素如排气过程、发动机运转速度和负荷、进排气温度和背压等均会对缸内气体运动产生影响，所以，把湍流的成因归结为任一单一因素都是欠妥的。可以认为，涡流、滚流和挤流是湍流的载体，当其有规律的旋（流）向被打破后又可转化为湍流。就是说，缸内湍流运动有两种含义：与涡流、滚流和挤流共同存在的湍流；进气涡流和滚流、挤流等完全蜕变转化的湍流。综合分析可以认为，不管缸内湍流是如何产生的，燃烧室形状对缸内湍流的影响是明显的，它决定了各种量在缸内的输运及其空间分布，它对火焰传播速率和燃烧品质、缸壁的传热及污染物的形成等都具有直接的影响。为了实现天然气发动机在混合气很稀的条件下燃烧，并最大限度地发挥稀薄燃烧的优势，就必须保证燃烧速度足够快。由于燃烧速度与湍流火焰向未燃混合气传播的速度成正比，而湍流火焰的传播速度又主要取决于燃烧室内的湍流强度，因此，作为组织稀薄燃烧的燃烧室最好能够产生尽可能强的湍流。但是，增加湍流强度会增加传热损失降低发动机的热效率，还可能吹熄火核而失火，增加犎犆排放量。尽管随着可燃混合气变稀其比热容会增加，同时也可以通过提高压缩比对传热损失的增加作出补偿，但是湍流强度对于组织稀燃天然气发动机的燃烧过程总是具有双向作用的，更加重要的是，不同结构尺寸的燃烧室形成缸内气体运动对排放的影响也是错综复杂的。根据对天然气燃烧过程的分析和前人关于天然气稀燃发动机燃烧室的研究成果，同时考虑设计原型机的结构限制和工艺继承性，提出了３种燃烧室设计方案，如图１所示。１号为敞口型燃烧室，２号为直口

碗型燃烧室，３号为缩口型燃烧室。可以在一定程度上改变缸内混合均匀度。

五.总结：

1）天然气发动机前景很好，可以考虑专用天然气作为燃料，比较天然气和汽油混用的发动机会有较大提高。

2）针对天然气的质量低热值，可以选用废气增压机构进一步提高发动机的动力性。

3）组织燃烧室内的气流，使混合均匀，从而进一步加快燃烧速率。

六.参考文献

1.司鹏张惠明，农业机械学报第40卷第４期《燃烧室结构对稀燃天然气发动机性

能的影响》2009年4月

2. 刘亮欣，内燃机学报第23卷《不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性》(2005)第5期

3.吴建华，《汽车发动机原理》北京，机械工业出版社，2008