压缩比对激光点火的天然气发动机燃烧特性的影响

压缩天然气（CNG）被认为是全球交通领域最有前途的替代燃料之一，潜力巨大。然而，它在化学计量发动机中具有高氮氧化物排放的问题。通过燃烧不产生氮氧化物（NOx）的稀薄燃料-空气混合物，可以满足严格的排放标准和对高热效率的要求。但是稀薄燃烧总是火焰速度较慢、输出功率低，且稀薄燃料-空气混合物很难通过传统的电火花产生的等离子体点燃，导致满足未来排放要求的稀燃常规CNG发动机的开发受到严重限制。火花点火（SI）发动机的点火系统负责启动燃烧室内的燃料-空气混合物的燃烧，然而，目前的点火系统在满足高效率和高功率密度的要求方面受到限制，这对环境友好的火花点火发动机是最基本要求。激光点火系统是用于点燃内燃（IC）发动机中稀燃料-空气混合物的技术上可行的替代点火系统，并且能够克服传统电火花点火系统面临的大多数限制。在本文中，在不同的压缩比和空燃比情况下，对稀薄CNG-空气混合物的激光点火进行实验性研究(激光火花塞结构见文中Fig.3)，以便挖掘CNG在运输应用中的全部潜力。研究结果发现，随着压缩比从9.9增加到11.8，受限制的稀燃极限从λ=1.62增加到λ=1.76，这反映了在稀CNG-空气混合物的激光点火中较高压缩比应用是有利的，这对于开发稀燃CNG发动机至关重要。

Fig.3.Cross-section of laser spark plug

本文主要研究了不同压缩比、不同混合强度的CNG-空气混合气激光点火对发动机性能、排放和燃烧特性的影响。缸内压力和HRR随压缩比的增大而增加。COVIMEP随着每个λ的压缩比增加而降低。较高的缸内压力使得制动功率和制动器热效率随着压缩比的增加而提高，并且较高的压缩比对燃烧稳定性的改善也是明显的。BSFC随着每个λ的压缩比增加而下降。这表明激光点火有助于显著提高燃油经济性。总体而言，压缩比为11.8时具有极好的燃油经济性，并改善热效率，降低COV(coefficient of variance)，但 NOx排放量增加，可以通过使用EGR或尾气后处理来控制。