天然气内燃机燃烧问题的基础分析

窦小红

摘 要：天然气被认为是内燃机较为理想的替代燃料，但是天然气内燃机存在燃烧放热，燃烧循环变动，燃料特性等方面的问题。对此，本文主要介绍了天然气发动机的燃烧和排放的特点、降低天然气发动机NOx排放的措施，以及对天然气发动机功率下降问题的应对措施。

关键词：天然气；发动机；内燃机

1.天然气汽车的发展及发动机燃烧过程的研究

汽车工业的迅猛发展，对石油的需求量越来越大，而汽油和柴油都是不可再生资源。现在天然气发动机越来越受到汽车公司和各高校的青睐，我国20世纪50年代就已开展对天然气汽车的研究，五六十年代在我国四川省开始局部推广使用常压天然气汽车，特别是压缩天然气汽车已在全国各地推广应用。正是因为天然气汽车具有很好的经济、环保和社会效益，所以近几年在我国发展非常迅速，从1999年初的不足1万辆发展到2006年底，全国已拥有天然气汽车近15万辆，而到了2014年是中国天然气汽车爆发式发展的一年，数量虽未可统计，以北京市为例，部分公交车已使用燃用液化石油气（LPG）等代用燃料，并且这种应用将会更加普及。

如今随着汽车运行的经济性的要求和排放限值的提高，对发动机的燃烧系统的设计提出了越来越高的要求，近几十年来，各个国家的汽车公司，高等院校都投入了大量的人力物力进行火化点火发动机燃烧的基础研究工作，涉及到燃烧室内的气体流动，燃烧过程的传质传热，化学反应动力学，火焰传播和火焰结构，有害排放的生成机理与控制，燃烧过程的数值模拟，稀薄混合气和分层燃烧的实现等等。由于实际发动机的燃烧、传热、蒸发与扩散等过程十分复杂，加之伴随有循环变动，要控制每个循环的燃烧条件不变化非常困难，试验结果的可比性不强，因此内燃机的燃烧研究大都在模拟装置中进行，尤其在定容燃烧弹中进行的居多。

2.天然气的理化特性

天然气是一种复杂的碳氢化合物，其主要成分是甲烷（CH4），体积分数占80～95%（因其产地而异），另外还含有少量的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、正丁烷（C4H8）、异丁烷（C4H8）、戊烷（C5H10）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）等，它们各自所占的体积分数因产地而异。车用天然气必须经脱水、脱烃、脱硫等净化处理，才能成为一种优质、高效、清洁的代用燃料。天然气与汽油、柴油理化特性的比较如表l所示：

3.天然气内燃机燃烧问题基础分析

3.1增压中冷技术

为了补偿稀薄燃烧带来的功率损失，通常采用增压中冷技术提高天然气发劫机的功率。发动机的输出功率与每一循环进入各缸的充气量有关，增加进气管的充气密度可提高功率，这就是涡轮增压器得到广泛应用的原因。但随着压力增加，扩压器出口的空气温度随之升高，在一定程度上限制了空气密度的提高。要想进一步增加空气密度，必须降低增压空气的温度，就要采用中间冷却措施。实验表明，在给定的增压压力下，增压空气温度每下降10℃，密度就增大3%，在这样的空燃比下，实际功率可提高约3.5%。

3.2电子控制喷射系统

天然气的成分复杂，加之发动机实际工况多变，要想提高汽车的动力性，天然气的准确喷射时刻和精确的喷射量是关键，这须由电控多点燃气顺序喷射系统完成。电控单元根据从各传感器得到发动机进气压力、转速、节气门开度和进气温度等数据分析发动机的具体工作工况，然后从存储单元中读取与发动机实际工况相对应的喷气控制脉宽，并根据发动机的反馈信号进行修正，最后根据曲轴位置信号设置天然气喷射阀的控制命令，完成对天然气多点顺序喷射时刻和喷射量的精确控制，以提高天然气发动机的动力性。

3.3点火的优化措施

天然气着火温度高，火焰发展期长，`火焰传播速度低，造成燃烧持续期增加，使燃烧的最大压力偏离上止点而使发动机的功率有所下降。因此提高点火能量，实现快速燃烧，有利于发动机功率的部分恢复。因此可以采用二级点火或高能点火的方式。高能点火控制系统主要通过定时器T0、Tl、T2的中断来进行控制，在系统程序处于脉谱图处理阶段时，通过串口的中断与CUP根据协议进行数据传递和处理。二级点火分为互相连通的主燃烧和预燃烧室。由于混合器的调节作用，经进气管进入主燃烧室的是稀混合气。一部分天然气经止回阀进入体积较小的预燃烧室。在压缩行程中，由于活塞上行，主燃烧室内的部分稀混合气被压入预燃室，在预燃室内形成紊流，并与纯天然气混合形成理论浓度混合气。

4.结束语

在石油危机和环境污染日益严重的今天，天然气发动机以其节能、环保等优点将越来越多地被人们采用，因此，其在燃烧和排放方面的特点也受到了的人们的关注。随着天然气发动机研究的不断深入和设备的不断完善，其在燃烧和排放方面的优点将得到更充分的发挥，在燃烧和排放方面的缺点将在相关措施的辅助下得以适当的弥补，以使其在动力性能方面能够满足使用要求，在排放性能方面能够满足日益严格的排放法规要求。

参考文献：

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