广告
高压缩比射流点火天然气发动机燃烧及排放特性
2022-02-15 19:16:01· 来源：内燃机学报
高压缩比射流点火天然气发动机燃烧及排放特性
diner 内燃机学报
文章导读
以天然气为燃料、稀燃运行的内燃机在节能减排方面有较大的潜力。而在缸内燃料稀薄程度加大的情况下，射流点火以其显著提高燃烧速度的优势受到关注。当前研究涉及的发动机压缩比普遍小于15，高压缩比情况下相关燃烧和排放特性相关研究较少。基于此，本期推文笔者针对不同压缩比下天然气射流点火发动机燃烧及排放特性开展了试验，以期揭示压缩比对燃烧和排放的影响规律。
1、试验装置
研究所使用的射流点火天然气发动机是基于传统火花点火天然气发动机改造而成，主要技术参数如表1所示。图1为射流点火天然气发动机台架结构示意，利用笔者课题组设计的射流点火器取代传统火花塞，实现了射流点火功能，详细信息参见原文[1]。试验中使用的压缩比ε为11.5和17.0，是通过改变活塞的凹坑深度实现。表2为发动机试验的运行工况参数。
表1 发动机主要参数
图1 射流点火天然气发动机台架示意图
表2 运行工况参数
2、结果与分析
试验中，转速稳定在1 200 r/min，选择IMEP为0.8 MPa和1.2 MPa、发动机缸内整体过量空气系数ϕa为0.625和0.556两种稀燃工况。
图2对比了ϕa＝0.625 且相同点火角(－18° CA ATDC)时不同压缩比、不同负荷工况下发动机的缸压及放热率曲线。在两种负荷工况下，高压缩比缸压曲线上升更迅速，缸压峰值更高。从放热率曲线可以看出，高压缩比的燃烧放热时刻更加提前。
图2 不同压缩比和负荷下缸压及放热率曲线对比
图3给出了两种负荷工况、不同压缩比下循环波动随CA 50的变化关系。循环波动小于5%时认为发动机稳定运行。试验中，扫略点火角使CA 50维持在上止点后0至10° CA 之间，点火角与CA 50呈一一对应关系。随着点火角后推，燃烧相位CA 50 单调后推。发动机在两种压缩比和两种负荷下循环波动随点火角的扫略均小于5%，可以视为稳定的运行。高压缩比下发动机的循环波动在两种负荷下整体大于低压缩比时的循环波动。这是由于高压缩比下，射流室与活塞顶面的距离更近，燃气射流更容易撞击燃烧室壁面及活塞顶面，导致火焰面淬熄。大面积射流火焰的淬熄导致接下来火焰传播的不稳定性增加。在IMEP＝1.2 MPa且ϕa＝0.556的工况下，高压缩比时的循环波动在CA 50大于6.5时循环波动超过5%。这是由于随着燃烧相位后推，燃烧室的体积不断增加。火焰经历壁面淬熄后的传播距离进一步增加，燃烧不稳定性提高，循环波动增加。
图3 不同压缩比下循环波动的对比
图4为不同压缩比下滞燃期随CA 50的变化关系。在同一工况、相同压缩比下，随着点火角的推迟，滞燃期先降低而后略有增加。滞燃期降低是由于点火越接近上止点缸内温度更高，有利于射流室及缸内燃烧。而随着点火角进一步后推，射流的时刻也更接近上止点，射流火焰容易撞击活塞顶面发生淬熄，不利于主燃室内混合气的引燃，导致滞燃期的增加。在两种负荷下，高压缩比下的滞燃期整体较低压缩比下的滞燃期更短。这表明高压缩比下压缩终点温度的提高更有利于缸内的燃烧放热。
图4 不同压缩比下滞燃期的对比
图5为不同压缩比下燃烧持续期随CA 50的变化关系。相同压缩比下，随着点火角的后推，燃烧持续期逐渐缩短。在实际缸内燃烧中，射流从射流室射出点燃主燃室混合气时发生在压缩行程中。射流点火时刻越靠前，活塞上行速度更高，射流室内外压差更大，因而射流需要克服的内外压差也更大；点火角越提前，射流的出口速度相对更小。此外，由于距离上止点更远，缸内的温度相对更低，壁面对射流火焰的淬熄效果更明显。有效的射流点火面积受到限制，导致燃烧持续期在较为提前的点火角下更长。当点火角后推时，射流的速度相对提高，有效点火区域更大。缸内的温度也相对更高，更有利于缸内的火焰传播及燃烧。因而燃烧持续期相对缩短。随着燃烧相位后推，虽然燃烧室体积不断增加，但是与壁面接触的混合气增加，火焰在近壁淬熄面积增加。高压缩比下的燃烧持续期明显增加；高压缩比下存在明显的后燃现象，虽然燃烧室容积变小使火焰传播距离缩短，但射流火焰更容易与燃烧室壁面、活塞顶部接触而淬熄。高压缩比下的初期燃烧速度更快，但燃烧后期火焰被壁面大量淬熄使放热减缓。此外，高压缩比下缸内压缩终点的压力更高，缸内余隙及狭缝中存储了更多的未燃混合气。随着活塞下行，狭缝及余隙中的未燃混合气逐渐被释放而且高压缩比下缸内的平均温度更高，使该部分未燃混合气缓慢氧化。因而高压缩下的燃烧持续期增加。
图5 不同压缩比下燃烧持续期的对比
发动机燃烧效率、指示热效率、排放特性等参数变化规律请参见原文[1]。
文献来源
[1]赵自庆,蔡开源,王志.高压缩比射流点火天然气发动机燃烧及排放特性[J].内燃机学报,2022,(01):10-19.
广告 
广告
编辑推荐
最新资讯
-
Plus为自动驾驶卡车功能添加了H.E.L.P.警报
2024-12-23 17:18
-
美国能源部发布最新版氢计划
2024-12-23 17:16
-
系统级封装（SiP）在新能源汽车领域的应用
2024-12-23 08:51
-
车载通信框架 --- 智能汽车车载通信架构浅
2024-12-23 08:40
-
全国首例！武汉车网智联公司完成智能网联测
2024-12-23 08:39
广告
广告
