吳宇波（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

某天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞燃燒室對(duì)比研究

吳宇波
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

針對(duì)某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞燃燒室型式展開論述，通過比較縮口型、直口碗型、敞口型三種型式的燃燒室內(nèi)混合氣體的湍動(dòng)能，分析了各型式燃燒室的優(yōu)劣。鑒于縮口型燃燒室存在不足，本文通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，分析了直口碗型燃燒室和敞口型燃燒室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。最后，得出了直口碗型燃燒室適合用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的這一結(jié)論。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞燃燒室性能

1 引言

21世紀(jì)是能源的世紀(jì)，在以煤、石油、天然氣為三大支柱的世界能源體系中，天然氣以清潔、高效、儲(chǔ)存量大、排放佳、使用經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)贏得了全社會(huì)的認(rèn)可。作為汽車燃料，天然氣與汽油相比，汽車尾氣排放CO減少約75%，HC減少約60%，CO2減少25%；而與柴油相比，汽車尾氣排放CO減少約50%，HC和NOx減少達(dá)到80%，幾乎沒有SO2和顆粒排放物。在環(huán)境保護(hù)越來(lái)越引起全社會(huì)高度重視的今天，越來(lái)越多的汽車選用了天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。隨著天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用開展了各種各樣的研究和試驗(yàn)。

燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒，推動(dòng)活塞做功，從而發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出功率。因此，活塞燃燒室的形狀在一定程度上影響著燃料在氣缸內(nèi)的燃燒，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性和排放性能均有較大的影響。本文針對(duì)某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞燃燒室形狀，通過比較分析和對(duì)比試驗(yàn)，開展燃燒室對(duì)比研究。

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性分析

2.1 天然氣與柴油理化性能比較

本文涉及的某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，是基于柴油機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行的開發(fā)、設(shè)計(jì)。常溫下，天然氣為氣態(tài)，而柴油為液態(tài)。對(duì)于大多數(shù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣以氣態(tài)形式與空氣混合后，混合燃?xì)馔ㄟ^進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸內(nèi)；而對(duì)于柴油機(jī)，柴油需要先由高壓油泵加壓后，通過噴油嘴的噴孔噴出，減壓、霧化后進(jìn)入氣缸內(nèi)與空氣混合，霧化程度往往決定了柴油與空氣的混合程度。因此，柴油機(jī)的進(jìn)氣道的渦流比較大，空氣進(jìn)入氣缸后氣流旋轉(zhuǎn)流動(dòng)程度較高，以利于空氣與柴油能夠更好地混合；而天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可采用渦流比?。ㄏ鄬?duì)柴油機(jī)的進(jìn)氣道）的進(jìn)氣道，流動(dòng)阻力小，混合燃?xì)膺M(jìn)入氣缸前壓力損失小。表1為天然氣與柴油的性能對(duì)比。

表1 天然氣與柴油的性能對(duì)比表

從表1可知，天然氣的著火溫度為640℃，而柴油的著火溫度僅為270℃，天然氣需要的點(diǎn)火能量高，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)往往采用火花塞點(diǎn)火或者通過柴油引燃天然氣，但是，火核處的氣流流速若過快，反而不能得到穩(wěn)定的火核，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失敗。

天然氣的燃料低熱值比柴油高，但天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s低于柴油，使得天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷比柴油機(jī)高，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱能力強(qiáng)于柴油機(jī)。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞往往設(shè)計(jì)有冷卻油腔，通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油強(qiáng)制冷卻活塞燃燒室，降低活塞熱負(fù)荷，提高活塞使用壽命。

2.2 天然氣活塞壓縮比

對(duì)于汽油機(jī)而言，汽油對(duì)汽油機(jī)發(fā)生爆燃的抵抗能力叫做汽油的抗爆性，通常用辛烷值來(lái)表示。辛烷值越高，抗爆性越好[3]。天然氣也采用辛烷值來(lái)評(píng)價(jià)其抗爆指標(biāo)。天然氣抗爆指標(biāo)辛烷值較高，為120～130，但是當(dāng)活塞壓縮比超過14時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)極容易發(fā)生爆震，致使發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴、不穩(wěn)定、磨損加劇和可靠性降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐苫钊垌敗C(jī)體敲壞，并且較高的壓縮比還會(huì)增加氣缸內(nèi)的最高壓力和溫度，對(duì)降低NOx排放不利[4]。提高活塞壓縮比，可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率，減少燃料消耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性。確定天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞壓縮比時(shí)，需要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)效率、天然氣組份、失火余量等因素，并避免天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)發(fā)生爆震。國(guó)內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)表明，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比通常在10.5～12之間[5]。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的壓縮比比柴油機(jī)小，燃燒室容積大于同排量的柴油機(jī)活塞燃燒室。

2.3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞燃燒室湍動(dòng)能比較

與柴油機(jī)相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，后燃傾向嚴(yán)重，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度高，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率也低于柴油機(jī)。在設(shè)計(jì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞燃燒室時(shí)，需要考慮如何有效地組織燃料燃燒，提高燃燒速度，減少后燃，從而改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性。燃燒速度一般與火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸烧?，而火焰?zhèn)鞑ニ俣韧Q于氣缸內(nèi)混合燃?xì)獾耐牧鬟\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

實(shí)際上，氣缸內(nèi)混合燃?xì)獾耐牧鬟\(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，進(jìn)氣過程、排氣過程、活塞運(yùn)動(dòng)速度、進(jìn)氣溫度和排氣溫度以及燃燒室形狀，都會(huì)對(duì)混合燃?xì)獾耐牧鬟\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。綜合分析可以認(rèn)為,不管缸內(nèi)湍流是如何產(chǎn)生的,燃燒室形狀對(duì)缸內(nèi)湍流的影響是明顯的,它決定了各種量在缸內(nèi)的輸運(yùn)及其空間分布,它對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵焚|(zhì)、缸壁的傳熱及污染物的形成等都具有直接的影響[6]。在工程應(yīng)用中，用湍動(dòng)能來(lái)表征氣缸內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，湍動(dòng)能高則火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、燃燒速度快，而湍?dòng)能低則火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?、燃燒速度慢?/p>

通常，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞燃燒室型式分為縮口型、直口碗型和敞口型，如圖1所示。江冰、武昭暉等學(xué)者，通過FIRE軟件，利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬計(jì)算了這三種燃燒室內(nèi)混合燃?xì)獾耐牧鬟\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。模擬計(jì)算的結(jié)果顯示,縮口型燃燒室內(nèi)混合燃?xì)庑纬傻臍饬鳒u團(tuán)持續(xù)期長(zhǎng)，局部湍流得到加強(qiáng)，湍動(dòng)能高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，氣缸?nèi)壓力和溫度升高快，燃燒完善；而敞口型燃燒室內(nèi)氣流渦團(tuán)持續(xù)時(shí)間短，湍動(dòng)能較低，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，氣缸內(nèi)壓力和溫度上升慢，動(dòng)力性較差[7]；在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，與縮口型燃燒室相比，敞口型燃燒室有更多的未燃燒徹底的混合燃?xì)膺M(jìn)入排氣歧管后繼續(xù)燃燒，導(dǎo)致排溫升高、熱負(fù)荷增加、燃料經(jīng)濟(jì)性下降；直口碗型燃燒室則居中。

圖1 燃燒室示意圖

3 活塞燃燒室設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

為了避免活塞壓縮比變化帶來(lái)的試驗(yàn)結(jié)果差異，本文在開展活塞燃燒室對(duì)比研究過程中，不同活塞的燃燒室容積保持不變、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞壓縮比保持不變。某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 燃燒室設(shè)計(jì)

由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒熱負(fù)荷高，為了能夠更好地將活塞吸收的熱量傳導(dǎo)出去，活塞材料往往選用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的鑄造鋁合金，并且在活塞燃燒室周邊設(shè)計(jì)了冷卻油腔，利用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油帶走一部分活塞熱量，強(qiáng)化活塞冷卻，以提高活塞使用壽命，如圖2所示。

對(duì)于鑄造鋁合金材料，縮口型燃燒室既要有足夠的容積、又要有足夠的強(qiáng)度，活塞在設(shè)計(jì)、制造過程中，存在較大的困難；而采用鑄鋼材料，雖然能夠確?；钊麖?qiáng)度，也容易設(shè)計(jì)，但從目前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，鑄鋼材料活塞的制造工藝還不是很成熟，價(jià)格較貴、很少使用，圖3為縮口型鑄鋼材料的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞示意圖?，F(xiàn)階段，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料使用最廣泛的還是鑄造鋁合金，燃燒室則采用敞口型或者直口碗型。

圖2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻油腔示意圖

圖3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞縮口型燃燒室示意圖

某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)原燃燒室為敞口型，見圖4?；谌紵胰莘e不變，新設(shè)計(jì)燃燒室采用直口碗型，如圖5所示。

圖4 原敞口型燃燒室

圖5 新設(shè)計(jì)直口碗型燃燒室

4 試驗(yàn)研究

4.1 外特性和萬(wàn)有特性試驗(yàn)

針對(duì)兩種不同型式燃燒室的活塞，通過發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和萬(wàn)有特性對(duì)比試驗(yàn)，開展燃燒室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究工作。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)為Woodward控制系統(tǒng)，精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃空比、進(jìn)氣歧管的混合燃?xì)鈮毫?、燃料噴射和點(diǎn)火時(shí)刻，并利用Bosch公司生產(chǎn)的寬域氧傳感器實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料閉環(huán)控制，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃空比進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和反饋，試驗(yàn)裝置如圖6所示。

在進(jìn)行外特性和萬(wàn)有特性試驗(yàn)過程中，考慮到不同型式的活塞燃燒室，可能會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角產(chǎn)生影響，因此更換活塞后，需要重新標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角，以尋找新活塞的最佳點(diǎn)火時(shí)刻。原活塞試驗(yàn)時(shí)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)正常生產(chǎn)時(shí)的標(biāo)定文件，點(diǎn)火提前角如圖7所示；新活塞最終的點(diǎn)火提前角如圖8所示。外特性曲線如圖9所示，萬(wàn)有特性曲線如圖10、圖11所示。

圖6 試驗(yàn)裝置示意圖

為了突出對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管壓力標(biāo)定未做更改而保持不變。通過發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和萬(wàn)有特性試驗(yàn)可以看出：

（1）原活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為222 kW、最大扭矩為1 139N·m，而新活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為226 kW、最大扭矩為1 177N·m。新活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩均優(yōu)于原活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖7 原活塞點(diǎn)火提前角

圖8 新活塞點(diǎn)火提前角

圖9 外特性曲線對(duì)比

圖10 氣耗率萬(wàn)有特性曲線

圖11 排氣溫度萬(wàn)有特性曲線

（2）將原活塞更換為新活塞后，發(fā)動(dòng)機(jī)最低氣耗率由188.8 g/kW·h降低為187.9 g/kW·h，但是從萬(wàn)有特性曲線圖（圖10）可知，采用新活塞后，發(fā)動(dòng)機(jī)在幾乎所有的工況條件下，氣耗率均優(yōu)于原發(fā)動(dòng)機(jī)，新活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗低、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯。從圖11可知，新活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度總體降低，熱負(fù)荷降低。在1 200 r/min～1 800 r/min轉(zhuǎn)速之間，采用新活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力有所增加。

（3）通過試驗(yàn)，新設(shè)計(jì)的直口碗型燃燒室優(yōu)于原敞口型燃燒室。

4.2 爆震檢測(cè)

為了評(píng)估新活塞是否能夠替代原活塞，利用AVL燃燒分析儀，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩工況和額定工況下，對(duì)新活塞的燃燒情況進(jìn)行了分析，檢測(cè)活塞是否會(huì)存在爆震的傾向。爆發(fā)壓力曲線和敲缸峰值曲線分別如圖12、圖13所示。

對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)最大爆發(fā)壓力超過12 MPa時(shí)，則認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)存在爆震的風(fēng)險(xiǎn)；而在敲缸曲線圖中，每300個(gè)循環(huán)，敲缸峰值超過300 kPa的次數(shù)不允許達(dá)到5次，否則認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)存在爆震的風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 爆發(fā)壓力曲線

圖13 敲缸曲線

檢測(cè)顯示，無(wú)論是額定工況還是最大扭矩工況，新活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力均不超過10MPa，且每300循環(huán)內(nèi)，敲缸峰值沒有發(fā)生超過300 kPa。新活塞沒有爆震跡象和風(fēng)險(xiǎn)，能夠安全使用。

5 結(jié)論

通過上述分析和試驗(yàn)對(duì)比，可以得到如下結(jié)論：

（1）直口碗型燃燒室的湍動(dòng)能優(yōu)于敞口型，采用直口碗型燃燒室的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃料經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于使用敞口型燃燒室的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

（2）直口碗型燃燒室的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度和熱負(fù)荷，總體低于使用敞口型燃燒室的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

（3）縮口型燃燒室在設(shè)計(jì)、制造、使用性能方面面臨較大的困難和風(fēng)險(xiǎn)，價(jià)格較貴。對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞而言，宜選用直口碗型燃燒室。

（4）針對(duì)所研究的某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，新設(shè)計(jì)的直口碗型燃燒室，能夠替代原敞口型燃燒室，且各項(xiàng)性能優(yōu)于原燃燒室。

受試驗(yàn)臺(tái)架和時(shí)間的限制，本文未對(duì)直口碗型和敞口型燃燒室的排放情況開展相應(yīng)的研究工作，也未針對(duì)縮口型燃燒室活塞開展相關(guān)試驗(yàn)研究。在后續(xù)試驗(yàn)條件允許的情況下，應(yīng)針對(duì)縮口型燃燒室以及不同燃燒室在排放方面的差異，開展進(jìn)一步的試驗(yàn)研究工作。

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The Comparison and Research ofPiston Combustion Chamber for NaturalGas Engine

Wu Yubo
（ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.Shanghai200438,China）

As an important element for nature gas eng ine,mixer a large extent affects the use performance of natural gas engine,and mixer core as design key.This paper researches to optimize the mixer core foraheavy-duty naturalgasengine,by simulating themixingeffectofnaturalgasand air,engine test,and comparing the differencesbetween the originalmixer core and three new solutions.At last,the best choice comesout,afterestimating theadvantagesand disadvantagesofeachmixer core comprehensive.

naturalgas engine,m ixer core,simulation,performance test

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.006

來(lái)稿日期：2016-05-26

吳宇波（1982-），男，工程師，主要研究方向?yàn)樘烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用。