重型稀燃天然气发动机NOx排放试验研究.pdf

第6期 总第203期 2012年12月 车用发动机 V E H ICL EEN G I N E No．6 Ser i alN o．203 D ec．2012 重 型 稀 燃 天 然 气 发 动 机N O x排 放 试 验 研 究 李娜1“，张强1，邵思东3，李国祥1 1．山东大学能源与动力工程学院，山东济南250061；2．济南大学机械工程学院，山东济南 250022； 3．潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261001 摘要研究了重型增压中冷稀燃天然气发动机的NO ，排放，分析发动机转速、负荷率、点火提前角和催化器对 N O，排放性的影响。试验结果表明稀燃天然气发动机在外特性运行时，低转速时N O。排放比高速时高，安装催 化转化器后发动机N O ，排放升高；中、低速时，随负荷率的增大N O ，排放呈先增大后减小的趋势；转速为 1000r／rai n和1400r／m i n、中等负荷率时，点火提前角对N O ，排放的影响较显著，安装催化器后NO ，排放水平显 著降低；高速运行时，整个负荷率范围内NO 。排放水平较低，安装催化器后N 0，总体排放水平升高。 关键词天然气发动机；氮氧化物；排放；稀薄燃烧；负荷特性；外特性 DO I 10．3969／J．issn．1001- 2222．2012．06．015 中图分类号TK 421．5文献标志码B文章编号-100122222012060061一04 节能减排及国家能源多元化的战略需要，使天 然气在发动机领域的应用范围日益广泛，车辆燃用 天然气不仅能够降低有害排放物，还能够减少碳排 放，对控制全球气候变暖具有一定贡献[ 1。3j。随着车 载天然气包括压缩天然气和液化天然气燃料供给 系统、发动机本体及加注站等基础设施的完善，重型 天然气发动机因具有运营成本低、排放低的优点，在 重型车中所占的比例日益增加。 随着国家排放法规的日益严格，天然气发动机 须满足国Ⅳ及更高排放标准的要求。目前，国内外 的催化转化技术已经比较成熟，天然气发动机采用 催化后处理器后，排气中99％以上的C O 和H C被 催化氧化，比较容易满足国Ⅳ及更高排放标准的要 求[4书]。但由于天然气和汽油相比层流火焰的传播 速度慢，在P一0．1M Pa，丁298K 时，传播速度仅 为33．8cm ／s[7] ，天然气发动机燃烧速度慢、热负荷 高，导致N O ，排放较高，N O ，排放成为限制天然气 发动机满足排放标准的主要因素。9J。 本研究以1台6缸增压中冷重型稀燃天然气发 动机为研究对象，研究发动机转速、负荷率、点火提 前角和催化器对稀燃重型天然气发动机N O，排放 性的影响，从而为重型稀燃天然气发动机的N O 排 放控制提供一定的研究基础。 收稿日期 基金项目 作者简介 通讯作者 1试验装置 试验所用天然气发动机为W Pl 0N G E40增压 中冷天然气发动机。为改善发动机的性能并控制排 放，对发动机的燃烧系统进行了优化，设计了湍流快 速燃烧系统，优化了配气相位，并匹配了催化后处理 器和电控水冷增压器。 重型天然气车主要用于长途运输，工作环境恶 劣，对发动机可靠性的要求很高，而燃气供给系统的 喷射阀是影响天然气发动机可靠性的薄弱环节。目 前，国内外成熟的燃气供给系统主要有进气总管单 点喷射和进气道多点喷射两种型式。进气道多点喷 射可以组织较大的扫气系数，具有排放少、发动机热 负荷低的优点，但对喷射阀和电控系统的要求较高。 为保证在恶劣环境下的可靠性，该发动机采用进气 中冷器后多阀喷射、混合器混合的进气方式，即多个 喷射阀同时工作，将天然气喷人进气模块后再通过 混合器与中冷后的空气混合。这种进气模式的优点 是喷射系统的可靠性高、天然气和空气混合均匀燃 烧充分，缺点是利用混合气扫气，扫气系数受限制， 需依靠增加稀燃程度控制发动机的NO 。排放。发 动机的主要技术参数见表1。 2012- 0508；修回Et 期2012 1011 国家“八六三”计划“节能与新能源汽车”子课题 2008A A l lA l 20 李娜 1977 ，女。博士，主要研究向为新能源发动机；i am l i na 163．t om 。 李国祥 1965 ，男，教授，博士生导师，主要研究向为发动机燃烧及排放控制；l i guox sdu．edu．cn。 车用发动机2012年第6期 表1天然气发动机主要技术参数 发动机型号W PlO N G E 40 发动机型式水冷、直列、四行程、干缸套 进气方式增压中冷 缸径／m m 126 行程／ram 130 排量／L9．726 标定功率／kW 220 标定转速／r m in-1 2000 最低燃料消耗率／g kW h _1≤200 排放要求 达到国Ⅳ排放 试验台架的总体布置见图1。试验中采用 H O RlBA M EX A 7200E废气成分分析仪测量发动机 的排放。 14131二I | ⋯‘H 7 1一废气分析仪；2--后处理器；3--涡轮；4--压气机；5--天然 气发动机；6- -中冷器；7-- 混合器；8-- 电子节气门；9-- 喷射模 块；10一燃气流量计；11一热交换器；12一减压阀；13一截止阀； 14一燃料罐；15一数据采集系统；16一控制柜；17～电力测功机 图1天然气发动机试验台架示意 试验所用催化器为宽域金属催化剂，主要氧化 排气中的H C和CO ，同时对N O ，具有一定的催化 作用。试验过程中测录发动机的动力性、经济性、排 放性参数及水温、排气温度、空燃比、点火提前角等 运行参数，分别测试发动机安装催化后处理器和未 安装催化后处理器的试验结果。 2试验结果与分析 2．1怠速N q排放 怠速运行时进气量少、燃烧温度低，N O ，排放 较低。怠速运行速度为700r／m i n，过量空气系数 为1．1，安装催化后处理器，点火提前角分别为 9。BTD C，12。BTD C，15。BTD C时，发动机的N 0，排 放分别为28．5610，35．1510一，39．0910一。 2．2外特性N O ，排放 表2示出了试验案及外特性的运行参。图2 示出了方案A 安装催化器前后的外特性NQ 排放。 表2试验方案及外特性运行参数 转速／rr ain_1 20001800160014001200l000 过量空气系数 1．511．501．461_461．441．36 方案A 212119．9171410．6 点火提前 方案B 242422．9201713．6 角／ 。 方案C 272725．92320 16．6 图2催化器对N 0，排放的影响 由图2可见，发动机在无催化器运行时，随转速 的提高，N O，排放呈减少趋势。形成这种趋势的原 因主要有以下两个方面1随着发动机转速的提高， 稀燃程度提高，最高燃烧温度降低，N O ，排放减少； 2 燃烧过程中高温持续时间的长短对N O，排放的 影响较为显著，低速运行时以时间计算的燃烧持续 期长，N O 生成量较多。 安装催化转化器后发动机N 0，排放升高，因为 无后处理器时发动机排气背压较低，发动机的扫气 系数较大，对活塞、缸盖底面等热表面的冷却效果较 好，降低了燃烧温度，抑制了N O ，的生成。安装催 化转化器后，宽域催化转化器虽然对N O ，具有一定 的催化作用，但N 0的生成量较大，导致发动机的 N O ，排放升高。 由图2可知，安装催化器后，在转速1000～ 2000 r／m i n范围内，N O ，排放呈先升高后降低的趋 势，1600r／m i n时达到最大值。试验过程中采集了 外特性示功图 见图3，发动机转速为1 600r／m i n 时，缸内的最高燃烧压力与其他工况相比高出很多， 燃烧温度高，导致N 0，生成量很大。随着缸内压力 的升高，催化器背压对N O ，排放的影响显著增加。 图4示出了点火提前角对外特性N q排放的影 响，点火提前后，燃烧温度的升高导致Nq排放迅速 升高。增压气体发动机进气压力和压缩终了时温度 均较高，采用较大的点火提前角能够改善发动机的经 济性，但易发生爆燃现象，因此，只要发动机的排温和 热负荷满足要求，不宜采用过大的点火提前角。 2012年12月 李娜，等重型稀燃天然气发动机N O ，排放试验研究 图3外特性示功图 图4点火提前角对外特性N O ．排放的影响 2．3负荷特性N O ，排放 图5和图6分别示出了发动机转速为 1000r ／m in和1400 r／rai n时，安装催化器和不安 装催化器的N O ，排放，图中方案A 比方案B 点火 提前角晚3。。图7示出了发动机低速、中速及高速 运行时不同负荷率的过量空气系数。 分析图5及图6可知当发动机转速为 1000r／rai n和1400r／rai n时，N O I的排放均为先增 大后减小。分析原因1发动机在空载和小负荷运行 时，由于进气量少、燃烧温度低，点火提前角和催化器 对N Q 排放的影响较小，N Q 排放处于较低水平； 2随着负荷率的增加，进气量增加，燃烧温度升高， N q排放增多；3随着发动机负荷率继续增大，稀燃 程度增加见图7，抑制了N q的生成，排放下降。 图5 1ooor ／m i n负荷特性N q排放 中等负荷率时，点火提前角对N q排放的影响较 显著，50％负荷率时N Q 排放较高，这是因为催化器对 N Q 具有部分催化转化效果，因此，中等负荷率安装催 化器后NQ 排放与不安装催化器相比显著降低。 图61400r／m in负荷特性NO 。排放 图7负荷特性过量空气系数 方案A 曲线中，当负荷率为90％和100％时， 发动机的流量逐渐达到最大，催化器对排气系统阻 力的影响作用明显，进而影响到发动机的扫气，发动 机热负荷高，燃烧温度升高，使N O 的生成量增加。 由方案B 曲线可见，点火提前角增大后，低速和中 速时，在整个负荷范围内催化器对N 0，排放都有一 定的控制作用。 图8示出了发动机转速为2 000 r／r ain时，安装 催化器和不安装催化器的N q排放对比。图9示出 了方案B负荷特性缸内温度。由图8可见，当发动机 在标定转速运行时，没有安装催化器时，随发动机负 荷率的增加，N Q 排放规律呈先增加后减小的趋势， 方案A 和方案B的最大值分别出现在50％和25％负 荷率工况点。安装催化器前后N Q 排放规律变化的 一个重要决定因素是缸内的燃烧温度，方案B25％负 荷时缸内燃烧温度较高见图9，出现排放的最大值。 图8 2ooor／m in负荷特性N O，排放 啪㈣伽瑚㈣姗㈣枷猢o ， o I／ 轻 惫 罨 兰 餐 末 主 枷枷瑚 ㈣湖㈣伽瑚o ， c I， 骚 惫 匿 蛙 釜 隶 oz 64 车用发动机2012年第6期 晌轴转mf／ 1 图9 2000r／m in、方案B负荷特性缸内温度 标定转速运行时，由于燃烧时间较短，同时稀燃 程度较高，N O ，排放水平较中、低转速时减少较多。 但由于发动机的流量大，催化器的节流作用增强，对 发动机换气的影响作用强，安装催化器后，N O 排 放总体较不安装催化器时的高。 3结论 a发动机外特性运行时，随着转速的提高，稀 燃程度提高，最高燃烧温度降低，燃烧持续期缩短， N O 排放减少；安装催化转化器后扫气系数减小， 热负荷和N O ，排放升高； b发动机在空载和小负荷运行时，由于进气量 少，燃烧温度低，点火提前角和催化器对N O 。排放 的影响较小，N O 排放处于较低水平； c发动机在中低等转速、负荷率为50％～75％ 时，N O 排放水平高；催化器对NO 具有部分催化 转化效果，中等负荷工况安装催化器后NO ，排放比 不安装显著降低； d标定转速运行时，燃烧时间短、稀燃程度高， N O ，排放较中低转速时减少；高速大负荷时催化器 节流作用强，影响换气，N O ，排放升高。 参考文献 E1]Paol a H el enaBarr osZa’rante，Jose’R i cardoSodre7．E E21 [ 31 [ 4] [ 51 [ 6] [ 71 E8] [ 9] val uat i ngC arbonEm i ssi ons Reduct i onbyU seofN atu r alG asasEngi ne[- J] ．Fuel ，20091216220． Lui gi Tur r io- Bal dassar r i，Chi araLauraB attis tell i，Luigi C onti ，eta1． uati onofEm i ss i onToxi cit yofU rban B usEngi nesCom pressedN at ur alG asandC om par i son w i t h Li qui dFuel s[J]．Sci ence oft heTotalEnvir on m ent ，2006，35564-77． Kor aki ani t isT，N am as i vayamAM ，Cr ookesRJ．N atu ral gasFuel edSparki gnit i onSIandCom pr essi on- i g nit ionC1Engi nePer ance andEm i ssi ons[J]． Pr ogress i nEnergyandC om bust i onSci ence，2011，37 89112． 郑尊清，尧命发，林志强，等．满足国Ⅳ排放的电控稀燃 天然气发动机燃烧系统开发EJ]．内燃机工程，2009，30 5 7-11． 司鹏鸥，张惠明，杨志勇，等．满足国家第Ⅳ阶段排放标 准天然气发动机的开发EJ] ．燃烧科学与技术，2009， 15 5 405-411． 1yer R C．I nvest igati ons ont he I nf l uenceofI gni t ion V ol t age，H i gherC om pressi on Rati oandPi st onCr ow n G eom et r y ont hePer anceof C om pres sed N at ur al G asEngines[ C ]．SAEPape r2008一0117628． Em i li enV ，V incentM ，A l exi sV，eta1．M easurem entof Lam i nar B 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u encesofspeed，l oadrati o，ignit ionadvanceangleandcat alyt icconver teronN O em i ssi onw er eanal yzed．Theresult sshowt hat t heN O em i ss i onatl owspeedi shi ghert hant hatathi ghspeedw hent heleanbur nnat ur algasengi ner unsw i thf ul ll oad．The N O ，em i ss i oni nf ull l oadi ncr easesaft erinstallingt hecatal yti cconver teratm edi umandl owspeed，t heN O ，em i ss i onfi rsti n- creas esandt hendecr easesw i t ht hei ncr easeof l oadr ati o．A t1000r／m inand1400r ／m i nw i t hm edi uml oadrat io。thei nf l u enceof igni tionadvanceangle onN qem i ssi oni snot iceableandt heN 0，em i ss i ondecreasesrem ar kabl yaf ter installingcat alyt ic convert er．TheN 0em i ss i onisl owi nt hew hol er angeofloadratioat hi ghspeed，but i ncr easesaf terinstallingcatalyt iccon ver t er ． K eyw or dsnat ur algasengine；nit r ogenom de；em i ssi on；l ean- bur n；l oadcharacteris tic；externalcharact erist ic[编辑姜晓博]