天然气发动机燃烧与排放特性数值模拟分析

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摘要：利用发动机建模软件建立了某型号天然气发动机的数学模型，通过变参数模拟分析，探讨了压缩比、空气过量系数、点火提前角对天然气发动机的燃烧特性和NOx排放特性的影响。模拟结果表明：当其他运行条件不变时，发动机最大爆压、缸内最高温度以及NOx排放量随压缩比、点火提前角的增大而增大，随发动机空气过量系数的增大而减小。

关键词：天然气发动机；压缩比；过量空气系数；点火提前角；燃烧特性；排放特性

中图分类号：TK464

文献标识码：A文章编号：16749944（2015）08029704

1概述

随着全球石油资源的短缺和环境的恶化，清洁能源的利用成为社会可持续发展的关键因素。天然气是一种储量丰富的清洁能源，应用于发动机领域，与传统发动机相比具有排放低、经济性好等优点，因此天然气发动机的研发和应用是满足未来日益严格的排放法规和燃料经济性要求的有效途径[1]。

为了研究点燃式天然气发动机燃烧及排放特性，本文通过数值模拟的方法，得到了天然气发动机在不同的压缩比、过量空气系数、点火提前角等条件下，其燃烧及排放情况（NOx排放）的数据，并进行了相关因素的影响分析。

2模型的建立

BOOST是奥地利AVL公司开发的发动机性能分析软件，它基于一维模拟计算方法，能够建立完整的发动机工作模型，具有操作简单、计算结果精确等优点，可应用于发动机性能模拟及评价[2]。本文以某带有增压中冷系统的V型8缸天然气发动机为研究对象，缸径×冲程为175 mm×218 mm，连杆长度为380 mm，发火顺序为1-6-3-5-4-7-2-8。利用BOOST软件建立发动机计算模型，如图1所示。

3模拟及分析

发动机的压缩比、点火提前角、空气过量系数等参数对发动机性能有较大影响。本文通过调整发动机计算模型的运行参数并模拟计算，分析相关参数对发动机燃烧和排放特性的影响。

3.1发动机燃烧特性分析

3.1.1压缩比的影响

压缩比与发动机性能有很大关系，提高压缩比可以有效提高发动机循环热效率。在其他条件相同情况下（设定点火提前角为22°，喷气量保持一定，空气过量系数为1.35，转速为1 500 rmin），分别选取11、11.5、12、12.5、13五个压缩比进行模拟计算。以4#气缸为例，图2为不同压缩比条件下，气缸内压力随曲轴转角的变化。

从图中可以看出，随着压缩比的增大，缸内最大爆发压力、最大压力升高率和最高温度均呈增大的趋势。这主要是由于压缩比增加，使压缩终点时缸内压力和温度升高，同时，混合气流动强度增强，燃烧的着火延迟期缩短，缸内燃烧速率和混合气放热速率加快，在压缩和燃烧的双重作用之下，缸内最大爆发压力和最高温度均随之增加。另外，随着压缩比的增大，整个燃烧过程在相对更小的缸内容积下完成，扩大了循坏的温度阶梯，增大了发动机膨胀比，提高了热效率，因此可以适当地提高点燃式天然气发动机的压缩比，从而相应地提高其动力性能。但压缩比过大时，会导致缸内爆燃现象。相关资料表明，由于受到爆燃限制，点燃式发动机最大压力升高率应控制在0.25 MPa以内。由图4可知，该天然气发动机压缩比控制在12以内较为合适。

3.1.2空气过量系数的影响

空气过量系数是实际供给的空气质量与燃料理论上完全燃烧所需空气质量之比。空气过量系数直接影响缸内燃烧过程，也影响了发动机的动力性。在其他条件相同情况下（设定压缩比为12，点火提前角22°，转速为1 500 rmin），分别选取空气过量系数为1.15、1.25、1.35、1.45、1.55进行模拟计算。与前文研究过程相似，图6～图8分别给出了天然气发动机最大爆发压力、最大压力升高率、缸内最高温度与过量空气系数的关系。

从图6～图8可知，随着过量空气系数的增大，缸内最大爆发压力、最大压力升高率、最高温度均随之降低。在相同的进气压力下，随着空气过量系数的增大，缸内混合气变稀，每个工作循环中参与燃烧的燃气量变少，进而释放出的热量变少，导致缸内最大爆发压力、最大压力升高率以及缸内最高温度随之降低。另外，随着混合气变稀，火焰传播速度降低，燃烧速度变缓，燃烧过程滞后，滞燃期变长，散热损失增加，这也使得缸内最高温度有所降低，且过稀的混合气导致缸内发火不稳定。因此，过大的空气过量系数将导致发动机动力性能和经济性能下降。

2015年8月[HT10.SS]绿色科技第8期

任川，等：天然气发动机燃烧与排放特性数值模拟分析

工程与技术

3.1.3点火提前角的影响

点火提前角是影响点燃式发动机缸内燃烧特性的一个重要因素。在其他条件相同情况下（设定压缩比为12，喷气量保持一定，空气过量系数为1.35，转速为1 500 rmin），分别选取点火提前角20°、21°、22°、23°、24°进行模拟计算。与前文研究过程相似，图9～图11分别给出了天然气发动机最大爆发压力、最大压力升高率以及缸内最高温度与点火提前角的关系。

从图中可以看出，在选取的点火提前角变动范围内，最大爆发压力、最大压力升高率和气缸最高温度都是随着点火提前角的增大而相应增大。较小的点火提前角导致着火时刻相对滞后，火焰传播速度变慢；如果点火提前角增大，缸内燃烧相位随之提前，从而有更多的燃料在压缩终点之前完成燃烧和放热，缸内最大爆压及温度增大。由此可见改变点火提前角是调整发动机燃烧始点的有效方法，适当增加点火提前角可加快火焰传播速度，从而改善缸内燃烧过程。但如果点火提前角过大，导致在压缩终点之前燃料燃烧过多，此过程缸内气体对活塞做负功，不利于发动机动力性能的发挥。此外，点火提前角的增大导致最大压力升高率随之增大，加重了发动机的爆燃倾向。因此对于天然气发动机应综合考虑选取合适的点火时刻。

3.2发动机NOx排放特性分析

天然气作为一种清洁燃料，与柴油、汽油相比能够显著减少发动机SOx的排放，同时由于天然气主要成分甲烷的碳氢比较低，因此在燃烧放出相同热量前提下，天然气发动机的CO2排放量较少。NOx作为发动机排放尾气中重要污染物之一，其产生机理为空气中的氮气在缸内高温条件下被氧化进而形成NOx，因此发动机的NOx排放与发动机工作状态有着密切的联系[3]。本文通过模拟计算，研究压缩比、空气过量系数以及点火提前角对发动机NOx排放特性的影响。

图12～图14为压缩比、空气过量系数、点火提前角对发动机NOx排放的影响。在分析上述某一因素的影响时，控制其他运行参数不变。

从图中可知，压缩比的增大会促进NOx排放量的增加。因为随着压缩比增大，压缩终点时刻燃烧室容积变小，气缸内局部氧气浓度变高，且较大压缩比导致气缸内最高温度较高，有利于NOx的产生，从而使NOx排放量增加。

当空气过量系数增加时，尽管缸内氧气浓度变高，但较高的空气过量系数导致燃烧速度减缓，燃烧期变长，使缸内温度有所下降。气缸内温度的降低不利于NOx的产生，随着空气过量系数的不断增大，NOx排放量减少的趋势更加明显。从而可知，天然气发动机稀燃技术是降低NOx排放的有效途径。

随着点火提前角的增大，NOx排放量增加。因为当点火提前角增大后，燃烧起始时刻提前，此时发动机仍处于压缩冲程，气缸内压力和温度因受到压缩而上升，若点火提前角较大，则更多燃料将在上止点前较小的气缸容积内完成燃烧，导致温度升高较快，最高温度较高，且混合气停留在高温环境的时间较长，有利于NOx的生成。随着点火提前角变小，气缸内着火时刻延迟，燃烧过程整体后移，混合气燃烧和放热过程相对缓和，缸内的最高压力和温度均有所下降，因此NOx生成与排放量减少。

4结论

（1）发动机压缩比增大时，最大爆压、缸内最高温度以及NOx排放量均随之增大。由于过大的压缩比将导致发动机爆燃，因此天然气发动机压缩比不宜过大。

（2）空气过量系数增大时，最大爆压、缸内最高温度以及NOx排放量均随之减小，可知稀燃技术有利于降低NOx排放。但过大的空气过量系数缸内发火不稳定，发动机动力性能和经济性能下降。

（3）点火提前角增大时，最大爆压、缸内最高温度以及NOx排放量均随之增大。适当增加点火提前角可加快火焰传播速度，改善缸内燃烧过程。但过大的点火提前角将加重爆燃倾向，且不利于NOx的减排。

参考文献：

[1]范岚岚，河邦全.天然气发动机的研究现状[J].小型内燃机与摩托车，2007（36）：74.

[2]陈力，陈劭.基于AVL BOOST的发动机性能检测与仿真研究[J].内燃机，2013（1）.

[3]谢云臣，牛丹峰，杨立平，等.天然气发动机国Ⅳ排放对策研究[J].现代车用动力，2009（1）.

Numerical Simiulation for Combustion and Emission Characteristic of CNG Engine

Ren Chuan，Zhou Yiying

（China Waterborne Transport Research Institute，Beijing，100088，China

）

Abstract： The article establishes a numerical model of CNG engine by using numerical simulation software. Through the simulation analysis of variable element， the article discusses the influence of compression ratio， air excessive coefficient and ignition advance angle on the combustion characteristic and the emission of NOx. The following results show that when the other conditions remain the same， the engine"s maximum detonation pressure， the highest in cylinder temperature and the NOx emissions increase with the increase of the compression ratio and the ignition advance angle， but decrease with the increase of the air excessive air coefficient.

Key words： CNG engine； compression ratio； air excessive coefficient； ignition advance angle； combustion characteristic； emission characteristic

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