公共汽车和卡车用气体燃料(CNG、LPG和H2)发动机的研制及其排放和工作循环变化特性

公共汽车和卡车用气体燃料
(CNG、LPG和H2)发动机的研制
及其排放和工作循环变化特性
【捷克】 Beroun S Martins J
摘要在捷克，将车用柴油机改为以液化石油气和天然气等气体为燃料的火
花点燃式发动机很少。

功率较大的发动机(p
e最大
＞1MPa)采用λ》1的设计理念，柴油机为涡轮增压中冷，并采用氧化催化剂方式，总效率(最大值)约38％。

功
率较低的发动机(p
e最大
＜1MPa)在采用三效催化剂自然吸气方式运行时更适于选择λ＝1。

大部分工作是对公共汽车和中型卡车用压缩天然气和液化石油气发动机所作的研究。

也在实验室试验用单缸发动机上用氢气和天然气进行了一些试
验。

测量包括CO、HC、NO
X 、CO
2
、PM等标准排放，也对多环芳香烃碳氢化合物(PAH
及其致癌衍生物PAH
carc )作了研究。

用指示平均有效压力(IMEP)变化(VAR
pi
)系数
对采用稀气和极稀混合气的气体发动机燃烧稳定性作了评估。

本文还探讨了放热率对VAR
pi
的影响。

最后，文章对过去7年里公共汽车用气体发动机燃烧室设计的发展作了介绍和讨论，表明了在诸如总效率、功率和排放等各领域的改善状况。

叙词：气体燃料发动机研究排放工作循环
1 前言
完成了将柴油机转换为以气体作为燃料的SI发动机的工作，以达到降低有害排放物的目的。

为此，必须将其基本工作循环由压燃式改为火花点燃式，包括混合气形成、点火系统、控制系统和排气后处理。

2 排放
与柴油机相比，以气体作为燃料的SI发动机(借助适当控制和调节)可具有
下列优点：(1)颗粒物(PM)排放少得多；(2)气体污染物(NO
X
、HC、CO)较少；(3)运行噪声较低。

气体燃料发动机对于城市交通、市内运输和诸如垃圾收集等其他特定工作是
非常重要的。

小汽车和小型运输卡车也可从该项技术的低污染特性和低成本中获益。

目前研究的气体燃料主要是液化石油气和天然气(液态或气态——LNG或CNG)，它们用于在欧洲(主要是荷兰[1，2]、意大利和法国)行驶的大量小型车辆。

随着气体燃料(主要是液化石油气)销售网络的扩大，整个欧洲除西班牙外，这类汽车的数量在增长。

这些气体燃料与较普通的液体燃料相比具有不同的物理和化学物性：它们有较简单的分子结构，正是这种结构使其能减少排气污染物的生成，即减少颗粒物和多环芳香烃(PAH)排放。

当这种燃料用作汽车发动机燃料时即具有诸多优点，例如容易在发动机气缸内和气缸外形成混合气、空燃比范围宽(可形成稀混合气或极稀混合气)、高热值和较高的抗爆震能力。

这些特性能使这种火花点燃式发动机以相对较高的压缩比工作，从而具有较高的总效率(但是这种火花点燃式发动机的效率不会比压燃式柴油机高)。

气体燃
排放。

燃用这类气体燃料还可降低车辆料中较低的含碳总量更进一步降低了CO
2
在补充燃料和运行期间的排放，降低发生火灾的危险。

在低温和极低环境温度下(冷起动或大气温度低时)，与常规液体燃料的排放相比，以气体作为燃料的发动机的可控排放也是很低的，它们对(发动机和环境)温度的依赖性非常小。

3 燃烧变异性
内燃机的燃烧变异性是发动机气缸内混合气形成和燃烧过程中复杂的热化学和热动力学过程的结果。

影响变异性的主要因素是开始燃烧时氧化反应的速度[5]。

柴油机的燃烧变异性低，而火花点燃式发动机在大多数工况下其燃烧变异性都较大。

统计数据表明，柴油机具有低变异性工作循环及高稳定性主要是有大量着火点和混合气完全燃烧膨胀的结果(着火点的数量介于103～104的范围之间，点火能量大约为200J)。

另一方面，火花点燃式发动机仅有一个着火点，火焰从此处随机传播(点火能量大约为10～200mJ)，导致后续循环中在着火点形成以及火焰传播速度方面均有大的差异，造成这种发动机的燃烧变异性高。

燃烧变异性是火花点燃式发动机的一个老问题。

与顺序循环相比，在气缸最
大压力和最大压力出现的位置(上止点后度数)方面均有很大差别。

火花点燃式发
动机的燃烧变异性对比油耗和废气排放有消极影响。

该变异性可用不同的参数来表达，但其最重要的参数是平均指示压力，这里也包括了循环中其他参数的变异性。

在研制气体燃料发动机过程中，必须给予燃烧稳定性和燃烧变异性以极大的关注，当涉及采用极稀薄的混合气时，这一点尤为重要。

燃烧变异性可以由平均指示压力的变化率(VAR
pi
)来表达。

为了计算燃烧变异性，必须对指示循环进行分析。

这可以利用基本统计方法采集气缸内压力值来获得(取足够大的数量，例如多于150次循环)。

变异性指数是标准偏差与被评估参数平均值的比率，因此平
均指示压力的变化率VAR
pi
可由下式表达：
VAR
pi ＝σ
pi
/p
i
式中 p
i 为取样工作循环中平均指示压力的中间值；σ
pi
为取样平均指示压力的
标准偏差。

乍看起来，燃烧变异性受最大气缸压力改变的影响，对于每一运行工况，VAR
p 最大
亦可被用作燃烧变异性的评定标准。

作为燃烧过程优化的结果，各类新型火花点燃发动机均被成功研制。

这是通过深入细微的研究工作获得的，并导致极高的发动机效率和极低的废气排放。

燃烧变异性是发动机工作循环主要阶段性能鉴定的重要工具以及评定发动机研制期间各项目标的工具。

平均指示压力的变化被证明与未燃碳氢化合物排放有关。

极稀薄的混合燃气会导致该变化增大，燃烧室的设计对该参数有重大影响[3,6]，如通过增加涡流。

3.1 用于VAR
pi
测量的试验装置
为了确定燃烧变异性，必须非常精确地测量燃烧室内的瞬时压力以及相应的测量位置(曲轴位置)。

这些测量需要可靠的传感器和用于数据分析的专用软件。

图1为测量装置及所附计算系统的示意图。

为了确定VAR
pi
值，必须在曲轴旋转每隔1度测量一次压力，且至少测量150个循环。

图1 Liberec技术大学实验室内活塞式发动机研究工作用测量与计算系统示意图
来自研究实验室的数据表明，柴油机的燃烧变异性极低，对于所有类型的柴
油机均有VAR
pi ≤0.8％且VAR
p最大
≈0.3％。

新式火花点燃式汽油机(MPI)的VAR
pi
≈2％，VAR
p最大
≈8％～9％。

4 气体燃料火花点燃式发动机解决方案
低排放气体燃料火花点燃式发动机可由两种不同的概念来制造：(1)排气系统中采用三效催化剂的理想配比混合气燃烧(λ＝1)；(2)极稀薄混合气燃烧(λ》1)，通常在排气系统中采用三效(氧化)催化剂并辅以涡轮增压以达到足够好的性能。

表1所示为捷克制造公司精选的公共汽车和中型卡车用气体燃烧火花点燃式发动机的特性参数。

所有这些气体燃料发动机都经过权威的EEC49(13工况)试验，以证实其功率和排放参数。

表1 所研制的各种发动机的数据
注：1型液化石油气发动机和2、3型压缩天然气发动机为涡轮增压中冷；4型压缩天然气发动机为自然吸气；5型压缩天然气发动机为涡轮增压，无中冷。

废气排放(8/kW·h)测定按ECE49标准。

已有少量的气体燃料发动机被生产出来，并用于捷克北部地区(Most和Litvinov)，在那里有85辆城市公共汽车安装了燃用1型液化石油气的气体燃料发动机在运行。

在Havirov(Moravian北部地区)，另有35辆城市公共汽车安装了2型压缩天然气发动机在使用(低功率时可选用无中冷机型)。

为了能够采用极稀混合气燃烧，气体燃料火花点燃式发动机配备了一个混合气浓度控制系统，混合气浓度随负荷而变化。

这一解决方案能确保极佳的运行特性(加速性和燃料消耗)和极低的废气排放。

图2为l型燃用液化石油气的火花点燃式发动机，2型和3型燃用压缩天然气的火花点燃式发动机的示意图。

图3列出了混合气浓度控制的特性。

图2 气体燃料火花点燃式发动机示意图
图3 混合气浓度随发动机工作循环负荷的变化
为了对这些发动机的燃烧过程进行优化，采取了一些步骤分析影响工作循环燃烧变异性的重要参数。

分析证实，降低平均指示压力的变异性是提高发动机效率，减少废气排放(尤其是未燃碳氢化合物的排放)的一种方法。

同时也证实，极稀薄混合气燃烧与变异性的增加有关。

已发现燃烧室设计对影响工作循环变异性的参数有重大作用。

图4为燃烧室设计(涡流)对燃烧过程的影响：通过增加燃烧室中的涡流比强度(挤流)可大大减
少未燃碳氢化合物。

压力测量表明VAR
pi 亦得以降低。

图4 压缩比和燃烧室型式优化
(1型液化石油气发动机，n＝1300r/min，p e＝1.1MPa，氧化催化剂之前)
图5为一台液化石油气发动机气缸压力的变化轨迹(VAR
pi ＝2％，其中p
i最小
＝0.883MPa，p
i中值＝0.951MPa，p
i最大
＝0.996MPa；VAR
p最大
＝8.3％，其中p
最小
＝
3.105MPa，p
中值＝4.277MPa，p
最大
＝5.183MPa)。

图5 气体燃料发动机在n＝1300r/min，p e＝0.814MPa，λ＝1.45时的气缸压力
(连续5个工作循环)
这类对于气体燃料火花点燃式发动机的详尽测量以及对示功图的分析表明，燃烧室设计和压缩冲程终点处的涡流比能量(强挤流)对于工作循环的变异性有很大影响。

这一认识致使工作小组改进了燃烧室的设计[6]。

当发动机改用液化石油气运行时，对传统柴油机的活塞顶部作重新设计。

对图6所示的不同活塞顶部活塞进行了试验。

在1992年至1999年期间，这些不同设计的活塞被用于城市公
共汽车(设计A：1992～1994年；设计B：1995～1997年；设计C：1998～1999年)。

图6 燃烧室设计变化(压缩天然气)
第一种活塞顶(设计A)具有十分敞开的燃烧室，涡流能量低。

其后的设计，燃烧室内的涡流强度有所增加，有较高的压缩比。

为了比较燃烧室内总的涡流能量，建立了一种简易的计算模型。

结果显示了燃烧室设计改变对涡流强度的影响(图7～9)。

在这些图示中，发动机以1400r/min的转速全负荷运行，其最大比涡流能量分别为：0.62m2/s2(A型)、2.35m2/s2(B型)和9.96m2/s2(C型)。

在转速为2000r/min时，比涡流能量的值分别为：1.26m2/s2(A型)、4.8m2/s2(B型)和20.2m2/s2(C型)。

图7 A型燃烧室的涡流特性
图8 B 型燃烧室的涡流特性
图9 C 型燃烧室的涡流特性
燃烧室设计的逐渐发展促进了公共汽车用气体燃料发动机功率、经济性和排放等诸参数的改善。

这一点通过图10明显可见，它表明两种不同转速情况下发动机总效率对应发动机负荷的曲线。

最新研制的发动机(C 型)在怠速运行时采用几乎为理想配比的混合气(λ≌1.02～1.03)，全负荷运行时采用极稀薄的混合气：
转速＝1400r/min p e ＝1.1MPa 混合气λ≌1.45 转速＝2000r/min p e ＝0.88MPa 混合气λ≌1.49
图10 不同设计的发动机其总效率与发动机负荷的关系
当经过优化调整并采用氧化催化剂KEMIRA后，气体燃料发动机可获得极好
为的排放特性和经济性。

根据EEC49规范进行的排放试验结果为：NO
X 4.87g/kW·h、THC为0.18g/kW·h、CO为0.03g/kW·h。

该试验中CO
比排放为601.5g/kW·h，按EEC49规范进行试验时的比油耗为
2
218.7g/kW·h(采用压缩天然气作燃料)。

在EEC49试验工况中，该发动机的总效率为33.5％。

当n＝1400r/min，p
e ＝1.1MPa时，其总效率η＝37.1％，额定输出(n＝2000r/min，p
＝0.88MPa)时
e
的总效率η＝35.4％。

选择表1中所列的若干种气体燃料发动机(1型液化石油气发动机、2型压缩天然气发动机和5型压缩天然气发动机)进行了法定的排放试验以及排气中其他有害成分的试验。

着重关注对排气中各种有机物组合的鉴别。

对原来燃用液体燃料(1/2-DE，5-DE)的柴油机也作了相同的试验研究。

由图11、12和13可见该项
研究工作的部分结果[4]。

图11 1/2-DE和5-DE型柴油机达到欧2排放法规。

按ECE49规程给定的工况测定排放(g/kW·h)[4]。

发动机选自表1
图12 PAH排放包含了3～7核多环芳香烃。

排气气样由特殊容器、过滤器和吸附物收集在玻璃管内，并在气样冷却由气体变为液体后用于在特殊的有机化学实验室中进行化学分析[4]。

按ECE49规程给定的工况测定排放(mg/kW·h)。

发动机选自表l
图13 多环芳香烃致癌衍生物包括苯并三苯、苯并荧蒽、苯并芘、二苯并蒽、茚并芘。

按ECE49规程给定的工况测定其排放(μg/kW·h)[2]。

发动机选自表1
研究结果表明，以气体作为燃料的火花点燃式发动机对于机动车辆而言是一种非常生态化的驱动装置。

它较之柴油机颗粒物(PM)的排放要低10多倍。

更重要的是，在以气体作为燃料的火花点燃式发动机与柴油机之间存在多环芳香烃
)的差异，与柴油机相比，气体燃料发动机的PAH (PAH)及其致癌衍生物(PAH
carc
及PAH
可降低10多倍[2，4]。

carc
PAH的排放以自由(气态)或附着于PM的形态存在于发动机排出的气体中。

研究表明，附着于PM的比例取决于发动机总的PM排放水平。

气体燃料发动机的PM排放仅占总的PAH排放的大约10％，而柴油机的PM排放则为总的PAH排放的50％。

鉴于PM排放意味着对健康(呼吸)构成极大危害，将柴油机转换为燃用气体燃料的火花点燃式发动机即代表着一项非常重要的保护生态的举措[2，4]。

为了改善气体燃料发动机的性能，研究的重点应集中于对以下各点的技术解决方案：(1)燃料系统，混合气形成的方式；(2)发动机气缸内部空气动力学研究(涡流燃烧室的优化)，它是使燃烧变异性最小的手段；(3)点火系统(针对采用极稀薄的混合气燃烧)；(4)减少排气污染物和提高效率；(5)排气催化系统：提高效率(针对氮氧化合物)、增加可靠性和延长寿命；(6)控制系统(功率、混合气形成、怠速、增压、高运行安全性和高稳定性调控)。

5 氢气发动机
在试验室研究中，将一台单缸试验机改为燃用氢气-空气混合气运行(图14)。

氢气在压缩行程或进气行程被直接喷入气缸盖内。

该喷射系统也可使用压缩天然气，从而可对采用这两种燃气的情况进行比较。

图14 单缸试验机及其辅助设备和电控装置(试验装置示意图)
图15为燃用压缩天然气和氢气时发动机性能(变异性指数)的比较[5]。

该图
值。

在采用极稀薄混合气也包括了现代汽油机和柴油机(1998年)所具有的VAR
pi
值的火花点燃式发动机中，氢气混合气很容易燃烧(λ≈4，在此情况下的VAR
pi
非常高，约为25％)。

图15显示了氢气燃烧与压缩天然气燃烧之间的不同特性。

对于相同的条件(压缩比、燃烧室设计、混合气形成方法和混合浓度)下，氢气燃烧的变异性低于压缩天然气燃烧的变异性。

当混合气十分稀薄时，燃用氢气的发
则大增。

动机燃烧变异性略有增加，而燃用压缩天然气的发动机的VAR
pi
图15 VAR pi与混合气浓度的关系。

对于氢气混合气燃烧，曲线1为进气时喷射，曲线2为压缩时喷射；
对于压缩天然气燃烧，曲线3为进气时喷射；
单缸试验机见图14，压缩比ε＝10，点火提前角α＝5°CA BTDC[5]
)依赖于发动机气缸内的燃烧速率。

A点和B点处平均指示压力的变化(VAR
pi
值几近相同(约等于2.4％)。

就混合气形成方法而论，A点和B点的情况的VAR
pi
是相同的，尽管A点和B点可由燃料喷射方式和混合气浓度加以区分。

热动力学分析表明，两种情况的燃烧速率在类似环境下几乎一样，如图16所示。

该图显示了对应于燃烧阶段在A点和B点的放热率(所用燃料总热量的0.5％、5％和50％)。

两条曲线几乎重合，表明具有类似的燃烧速率。

图16 压缩天然气发动机和氢气发动机在各个不同燃烧阶段的放热率[5]。

运行工况与图15相同
以氢气作为燃料的内燃机几乎只会产生一种排气污染物——氮氧化合物，并与混合气浓度相关(与燃用其他燃料的相同)。

图17为单缸直喷式发动机燃用氢气(在压缩和进气时喷射)和压缩天然气时的这种相关性。

当采用λ≈2.2～2.5的过量空气系数时，氢气混合气燃烧可获得低氮氧化物排放。

在压缩行程期间喷射氢气形成混合气可使氮氧化物的生成非常低(λ≈2.0时，见曲线2)，这是燃烧变异性增加的结果(图15)，与之相关的是指示效率也有所降低。

为了获得足够高的性能，以极稀薄氢气混合气燃烧的低排放内燃机应采用涡轮增压，通过增压压力(涡轮增压)控制可部分达到发动机的控制。

图17 氢气发动机(曲线1、2)和压缩天然气发动机(曲线3)的NO X排放。

运行工况与图15相同[5]
6 结论
以气体为燃料的火花点燃式发动机作为城市和居民用汽车驱动装置具有很大吸引力，尽管当使用液化石油气和压缩天然气时其燃烧变异性高于柴油机，但气体燃料发动机经调节和未经调节的排放均大大低于柴油机的排放。

现已证实当采用非常稀薄的混合气燃烧方式时，氢气是一种非常好的燃料。

参考文献
1 Hollemans B等. European Technologies to Reach ULEV Emissions for Gaseous Fuels in Combination with Fuel Consumption Reduction. Metha-Motion-European Conference. London, 1995.
2 Hollemans B. LPG a Clean and Efficient Motor Fuel-Regulated and Non Regulated Emissions of a Commercially Attrective LPG Vehicle. The Commomnwealth Conference and Event Centre. London, 1996.
3 Chmela F G等. Alternative Fuels for Automotive Engines. CATEC Symposium, Beijing, 1997.
4 Beroun S等. Emission of Solid Particulates and Unburned Hydrocarbons by Disesl and Gas Engines. MOTORSYMPO 99, Brno, 1999.
5 Scholz C. Combustion Variability of Spark Ignition Hydrogen Burning Engines. MOTORSYMPO 99, Brno, 1999.
6 Beroun S. Importance of the Combustion Chamber Form for the Quality of the Gas Engines. V11th International Scientific Conference MOTAUTO, Sofia, 2000.
龚贻平译自 SAE Paper 2001-01-0144
谢亚平校
(收稿日期：2003-02-20)。