CNG发动机和燃油对比消耗

CNG发动机和汽油机燃烧的比较分析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 %,SO2排放 低75 %,SO排放低99. 99 %,Pb减少到0 ,PM排放减少41. 67 %,CO 排放减少89. 73 %;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。1 CNG与汽油的特性比较 1.1辛烷值CN G的辛烷值RON为115130，适宜的压缩比(&c )为1012 , 极限可达到151，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;现代汽油机的&c为6. 510.0,个别可达到11。从热力循环理论上讲,提高发动机的&c可提高其动力性和热效率。1. 2燃烧特性CN G 一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）为0. 75 - 1. 25的范围内对SL进行试验表明,CH4 一 空气混合气的SL为33. 8 cm/ s，比汽油一空气混合气的SL （39 cm/ s-47 cm/ s）低得多2 ,使得CN G发动机的燃烧持续时间增大 偏离等容加热过程，致使热效率降低。另外CNG 一空气混合气的发火 界限很宽,在皿=0. 6-1. 8均可燃烧，有利于稀薄燃烧，提高经济 性，降低排放。1. 3混合气热值在相同的环境条件下，相同体积中含有的分子数相司分子中含C和 H原子数越多的物质，燃烧产生的热量越多。CN G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,CN G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CnH1.87CH4相对分子量11016.0417.082密度/kg.m-37500.720.728高热值/MJ kg-147.355.553.11低热值/MJ.kg-144.048.7947.93理论混合气低热值 / MJ - kg - 12.832.692.76理论空燃比a14.617.1616.34研究法辛烷值(RON) 92.98130115-130环境条件:温度为0 C,大气压力为101. 3 kPa但在CN G一空气混合气中，由于CN G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CN G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。1. 4着火温度一种燃料的自燃温度不是一个常数。CN G的自燃温度为630 C- 730 C3 ,汽油的自燃温度为220 C- 470 C,因而CN G较适宜 于较高&c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。1. 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，空气的相对密度为1.2 燃烧比较2. 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，CN G一空气混合气一般在a = 0. 91. 1时着火延迟期最短（见图 1 ） 5 ;汽油一空气混合气在a =0. 80. 9时着火延迟期最短, 但CN G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 CA15 CA时出 现，燃用CN G的点火提前角（Oig ）要大于燃用汽油时的Oig。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 CN G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CN G的O ig比燃用汽油要加大5 CA10 CA , O ig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Oig。故CNG发动机的点火 能量应加大，一般认为加大到200 mJ左右才能保证可靠点火。图 1 燃烧持续期随 a 的变化600 11110.500751.0()L251.50L75空燃比戏2. 2 初始燃烧期一般认为，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CN G发动机的燃烧组 织非常重要;就是说,CN G发动机燃烧室内应组织气流运动，以缩 短初燃期。2. 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&c时,CN G发动机的急燃期比汽油机的要长，燃烧持续角要大，使CN G 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,CN G一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CN G发动机的排 气温度普遍较高。所以,CN G发动机不适合高速内燃机。32.车用发动机表2K-16发动机燃用CN G与汽油的比较燃料8 Cpmax /MPapmax 变化率/MPa CA - 1着火延迟刍4急角 / / CA燃期CA汽油63.240.1961445CNG682.673.000.1020.123171672562. 4 燃烧的定性CN G燃烧与汽油燃烧均可定性为预混湍流燃烧。目前使用的CN G 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CN G汽车时，利用汽油机改制成CN G或CN G/汽油双 燃料汽车均不合适，因为CN G的燃烧规律与汽油的燃烧规律有很大 的差别。而改进后CN G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&c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CN G燃料的发动机。设计CN G发动机时应采取的方法：a）提高sc ,使其达到1015 ,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s c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6 ig，保证最高压力点出现在上止点后12。CA15 CA , 并根据CNG的燃烧规律调整6 ig ;e）实行缸内CNG喷射,提高充量系数，增加功率。