车用天然气燃烧特性分析

内燃机是世界上用途最广的动力装置， 其从发 明至今与燃料的关系是相互依存、 相互促进、 共同发 展的历史。近百年来内燃机的主要燃料一直是石油 系液体燃料， 其他燃料只能起辅助作用或局部代用。 但是， 石油是一种不可再生的资源， 石油资源走向枯 竭是摆在世人面前的严酷现实。所以， 随着石油的 枯竭， 内燃机燃料终将被代用燃料所接替。 天然气与石油是 “同宗” 产品， 但天然气比石油 的蕴藏量大； 可开采的年限比石油长； 分布面积比石 油广； 内燃机燃用天然气时的燃烧完善度、 定容度和 热效率都比燃用石油制品时好， 而排污却明显减少。 因此， 天然气是理想的内燃机代用燃料。 天然气汽车的发展为天然气的利用提供了广阔 的空间与良好的契机， 受到了许多国家及政府的广 泛认同和高度重视。近几年来， 我国天然气汽车发 展势头强劲， 已成为一个高速发展的新兴产业。深 入研究车用天然气的燃烧特性， 开发高质量车用天 然气发动机是内燃机行业的又一重大课题。
・ 燃料 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 材料 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
车用天然气燃烧特性分析
林在犁 （重庆石油高等专科学校， 重庆 !"""!#）
摘要： 天然气作为理想的内燃机代用燃料在汽车发动机上已得到广泛应用， 笔者在论述车用天然气基本特性及燃 烧过程的基础上， 分析燃烧过程的影响因素， 阐明了提高燃烧效率的基本方法。 关键词： 代用燃料； 天然气； 燃烧 文献标识码： 文章编号： （+’’+） 中图分类号： !"#$# % &’’’ ( )#*# ’& ( ’’#’ ( ’+
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,N IJ 及丁烷 ,! IF" 组成。因气田或油田的地理位 置和矿床地质结构不同， 使天然气的组成存在一定 的差异。 车用天然气有严格的技术标准要求， 需要进行 脱水、 净化、 分离等处理， 以便除去其中不理想组分， 如硫、 硫化物、 水及重烃等。经过加工处理的车用天 然气是一种优质、 高效、 清洁的代用燃料。 & A & 天然气的抗爆性 天然气是一种复杂的碳氢化合物 ,/ I7， 甲烷有 可达到 FN"， 而 很好的抗爆性能， 它的辛烷值 （ OA&） 抗爆性差的燃料乙烷、 丙烷等虽会降低天然气的抗爆 能力， 但含量较低， 其影响不大。天然气的抗爆能力 远好于汽油， 因此要发挥天然气燃料的潜质， 有必要 采取措施提高发动机压缩比， 从而提高发动机的热效 率。据试验资料介绍， 燃用天然气的专用型发动机应 允许压缩比可达 FH。 采用的合理压缩比为 F#， & A + 天然气的热值 天然气的燃烧热值比汽油的燃烧热值高 F"K ， 与空气形成的混合气热值比汽油与空气形成的混合 气热值低 JK 。因天然气发动机吸入气缸混合气热 值下降而造成发动机功率损失， 这是两用燃料天然 气汽车动力性下降的重要因素之一。通常天然气的 由于各地天然气 低热值在 NH L !J PQ R 7N 范围内， 成分有所不同， 其天然气热值可利用低热值公式进 行计算得到。 & A $ 天然气的空燃比 通过理论计算， F S 0 天然气完全燃烧需要 FT S 0
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专利介绍 （一）
专利申请号： ’’(#)*$+ 授权公告号： (+!’$)# 专利名称： 混流转叶式可变截面涡轮增压器 文摘： 一种混流转叶式可变截面涡轮增压器， 由蜗壳、 涡轮叶 轮、 可转动的涡轮喷嘴叶片、 驱动转动喷嘴环叶片绕叶片轴 转动的一套机械传动机构和执行器构成。安利用改变喷嘴 环叶片角度以达到改变涡轮通流截面的目的， 从而改善增压 与发动机的匹配性能。本实用新型混流转叶式可变截面涡 轮增压器和执行器为一个整体， 结构紧凑、 可靠， 涡轮通流截 面的变化平稳柔顺、 流动阻力损失小， 涡轮效率高， 制造成本 低， 便于推广使用。 专利申请号： ’’(##%’$ 授权公告号： ($’,+(, 专利名称： 节能减污发动机 文摘： 节能减污发动机为六冲程， 曲轴和凸轮轴的速比为 $ 凸轮轴齿轮上有两个点火触发点， 凸轮跨骑夹角为 *%.。 !， 加大了动力， 减少排气的污染， 降低了能源的消耗。 专利申请号： ’’(#%’%+ 授权公告号： (+!+(%( 专利名称： 一种环缸发动机 文摘： 一种环缸发动机， 包括机座、 缸体、 双偏心机构和主轴， 其特点是缸体、 缸套机座联成一体， 缸体内设有一组圆柱环 状的缸套、 活塞组件， 活塞组件通过偏心机构与正时齿轮机 构相联， 正时齿轮机构与固定在主轴上的外齿轮相联， 主轴 通过轴承套装在缸体内。本实用新型发动机将缸体设计成 环状， 并与缸套、 座联成一体， 由活塞组件、 双偏心机构和正 时齿轮机构带动主轴将发动机的力输出。 专利申请号： ’’(+##)+ 授权公告号： ($’*!’( 专利名称： 一种发动机直齿传动装置 文摘： 一种发动机直齿传动装置， 动力传动装置由直齿条和 飞轮组成， 直齿条一端与活塞固定相连接， 其齿面与飞轮正 切啮合。其优点在于： 一是直齿条与飞轮正切啮合， 传动力 臂大， 使之恒定传出最大力矩， 传力效率高； 二是两缸以上几 乎无动力死区， 传力均衡， 减少了机械耗功， 提高了机件寿 命； 三是结构简单， 依靠两个动力源 （二缸二冲程） 和一套同 步相向运行装置即可。 专利申请号： ’’(+!$*’ 授权公告号： ($’#%$’ 专利名称： 全液压内燃机 文摘： 全液压内燃机， 其特征是： 每个气缸体上具有由控制油 缸驱动的进、 排气门和喷油嘴或火花塞； 采用配油组合阀， 由 通过调速液压马达控制旋转的配油轴和片式配油套一体构 成， 配油轴表面具有轴向上及周向上位置不同的弧形配油 并 槽， 每个槽与配油轴中的进油通道 / 或回油通道 0 连通， 能在旋转过程中与配油套上同一轴向位置上的进、 回油孔连 通或断开， 分别通过进油管等与油缸连通， 或与气缸的进排 气和油嘴或火花塞的控制油缸连通。无需中间能量转换装 置实现液压能输出。 专利申请号： ’’($’%’% 授权公告号： ($’+%!! 专利名称： 发动机传动系 文摘： 一种发动机传动系， 两摆盘轴头向外相对放置， 由中梁 相连构成环摆体， 曲轴的两曲柄部分别设有滑块， 滑块在滑 盘中可沿其轴线方向往复滑移， 曲轴轴线与环摆体轴线于其 二者中点处正交， 摆杆与摆盘同轴， 摆杆的上、 下端分别与活 塞相连。由于本发动机传动系采用环摆体结构， 活塞运动方 向与施力方向一致， 对气缸无侧向压力， 力传递过程中损耗 较少， 机械能转化率高， 对气缸的磨损小， 可延长气缸的使用 寿命。
万 方数据 内燃机 年第 ! 期 ’))’
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影响天然气发动机燃烧过程的主要因素
通过对天然气发动机燃烧过程的分析， 我们不 难推断下列因素对天然气发动机的燃烧过程会产生 重大影响。 & " ! 天然气的组分 由于各地天然气的组分存在差异， 因此天然气 的分子结构、 热值、 着火温度以及燃烧的火焰传播速 度等有所不同。一般情况下， 含正构烷烃多的天然 气， 其分子结构中长链多， 热值高， 着火温度较低， 燃 烧容易组织， 当然也易发生爆燃。为此， 严格按照相 关技术标准控制车用天然气的气质， 是保证天然气 发动机正常燃烧的基本条件。 料 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 材料 ! ! ! ! ! ! ! ! ! 左右的空气。与汽油 （!" # $ 左右） 相比， 天然气发动 机在相同化学当量比的情况下， 气缸内总能量减少， 对于相同排量的发动机， 天然气的燃料质量比汽油 的燃料质量少， 故输出功率下降。若天然气成分变 发动机的功率将进一步降低。 化， 如 %&’ 含量增大， ! " # 天然气的着火温度 天然气在常压下的着火温度一般为 ()) * (") 而汽油为 ,-) * .") + ， 柴油为 ’() * ,") + 。 +， 天然气与空气的混合气是否容易着火， 取决于 空燃比和燃气的组分， 并受气缸内诸多因素的影响。 与汽油机相比， 天然气应有较强的点火能量。 ! " $ 天然气的火焰传播速度 内燃机燃料的火焰传播速度受许多因素的制 约， 在同等条件下， 天然气与汽油比较， 其火焰传播 这将对天然气发动机的 速度比汽油低 !)/ * ’)/ ， 燃烧带来不利影响。据实验研究， 在同一空燃比范 围内， 甲烷的层流火焰传播速度比汽油层流火焰传 播速度低 !’/ 左右。 烧浓度范围比汽油窄， 火焰传播速度比汽油慢， 使得 点燃天然气所需的点火能量比汽油高， 应采用高能 点火装置。并且， 点火正时角比汽油机提高 !)7 * 以此保证天然气与空气的混合气稳定燃烧。 !-7， % " & 天然气发动机的燃烧阶段 天然气发动机的正常燃烧起始于火花生成至火 焰传播到燃烧室壁并完全燃烧为止， 这时的燃烧速 度决定了燃烧过程的长短。要保持燃气消耗在合理 的水平上， 燃烧过程不能太慢； 而燃烧进行得太快则 会引起机械负荷升高和产生噪声。 转速变化时， 天然气发动机的火焰发展期以时 间计几乎不变， 而以曲轴转角计， 随着转速增加而急 剧上升， 同时主燃烧阶段随转速增加而增长。因此 与汽油机比， 天然气机的火焰发展期和主燃烧阶段 明显变长， 使天然气发动机初期燃烧偏上止点， 致使 气缸内温度、 压力上升缓慢， 从而影响燃烧峰值接近 上止点， 导致指示热效率降低。 点火提前角改变， 天然气发动机发展期有少量 变化， 但主燃烧阶段随着点火提前角的减少而增长， 因此， 天然气发动机需加大点火提前角， 以缩短总燃 烧期， 使燃烧峰值接近上止点。 混合气浓度的变化主要影响燃烧过程的初期。 汽油与空气的混合气在过量空气系数为 ) 1 - * ) 1 8 时， 火焰发展期最短， 天然气与空气的混合气在过量 空气系数为 ! 时， 火焰发展期和主燃烧阶段的燃烧 持续期最短， 表明理论混合气的着火性最好， 燃烧速 度最快。 与汽油机相比， 由于天然气发动机初始燃烧阶 段和主燃烧阶段总体比汽油机长， 初始燃烧速度和 主燃烧期的燃烧速度均低于汽油机， 结果使燃烧持 续时间增长， 造成部分燃气在膨胀冲程燃烧， 循环热 效率下降， 使有效功减少。
内燃机 #""# 年第 F 期
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车用天然气的基本特性
天然气的主要成分是烷烃中的烃组分， 基本由 和不多的乙烷 ,# IM 、 丙烷 甲烷 ,I（ ! J#K L GJK ）
作者简介： 林在犁 （ FGHG * ） ， 男， 四川邛崃人， 工学学 士， 副教授， 重庆燃气汽车专家委员会成员。 收稿日期： #""F * F" * F"
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天然气发动机的燃烧过程分析
燃烧过程的好坏直接影响发动机的工作性能， 燃气燃烧迅速、 彻底， 发动机的经济性和动力性都将 提高， 反之则下降。 % " ! 天然气发动机混合气形成 天然气与空气的混合气形成过程不需蒸发、 雾 化， 只需约 !0 倍于天然气的空气量， 即能与空气顺 利混合形成可燃混合气， 这与汽、 柴油机有所不同。 汽油机混合气的实际使用浓度范围， 虽然没有柴油 机那么宽， 但其过量空气系数值也有 ) 1 . * ! 1 !" 的 较宽范围。其中小值用于冷启动时， 大值用于经济 负荷时。由于气体发动机不存在进气过程中燃料由 液态变为气态的问题， 因而也没有未参加燃烧的液 态剩余燃料。所以， 天然气发动机混合气浓度的变 化范围很小， 过量空气系数值一般为 ! 1 )" * ! 1 !"， 即只有 "/ * !"/ 的过量空气。 天然气与空气的混合气形成方式既可采用机械 混合方式， 也可采用多点燃气喷射方式。其中， 后者 的混合气质量优于前者， 从发展趋势看， 后者将取代 前者成为发展的主流。 % " % 天然气发动机的点火 天然气辛烷值高， 但十六烷值低， 一般不能直接 采用狄塞尔 （ 234546） 循环方式， 同汽油机一样， 多采 用火花点火方式。另外也可采用 “双燃料” 方式， 即 用柴油作为引火源， 从而实现狄塞尔循环。 由于天然气的着火温度比汽油高， 混合气的燃