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稀燃天然气(CNG)发动机性能研究 陈志军张欣于海生 北京交通大学 摘要：本文通过将Stytre WD615增压柴油机改造为增压天然气发动机，并采用 稀薄燃烧技术，研究了天然气发动机的性能，研究表明，改造后的天然气发动机运 行可靠，可以有效的降低Nq排放量。 关键词： 稀燃 天然气发动机 性能研究 1前言 环境保护和降低燃油耗是发动机研制需要考虑的首要问题，发动机稀薄燃烧是解决上述 问题的有效手段，根据文献报道，当空气对充量的稀释率达到50％时，可节油12％【l】，当过 量空气系数超过1．2时，废气中的Nq、CO与COz的排放都将降低，而HC排放的增加可以 通过催化转化器的净化达到要求。 为实现天然气发动机稀薄燃烧，保证燃烧混合气在平均过量空气系数接近或超过点燃极 WD615增压柴油 限的情况下能充分燃烧，发动机各系统需做相应的改进。本文将一台Stytre 机改造为点燃式稀薄燃烧天然气发动机，对发动机燃烧系统、进气系统、燃料供给系统、点 火系统和控制系统等进行了改进，研究表明，改造后的天然气发动机运行可靠。 2天然气发动机改造设计 Stytre WD615增压柴油机为直列6缸结构，其主要参数如下：四冲程，缸径126mm，行 程130ram，排量9．7L。该发动机的可靠性、耐久性得到广泛认可，在国内受到用户的良好赞 誉。在此发动机上主要进行下述各方面的改进。 1．燃烧系统 为避免发动机爆震，并保证发动机有足够的缺火安全余量，经采用燃烧分析软件预测发 动机整机性能，选择发动机压缩比由原机的16降到现在的12。 考虑到基型柴油机缸内形成的较强空气涡流，选择了浅球形的活塞顶部燃烧室形状取代 原机的u型燃烧室，这样有利于缩短火焰传播距离，提高热效率。 火花塞布置在缸盖上原喷油器位置处，估计对燃烧不会产生太大影响。 2．进气系统 82 宣读论文 ～—————————————————————————————————————————————————————————————————————～ 改进后的进气系统在原增压进气系统中布置了中冷器和节气门，这样既降低了扭内充量 温度，又便于控制发动机缸内混合气在确定的过量空气系数下燃烧。节气门通过步进电机驱 动·其开度可以根据要求随意调节。节气门处设置空气旁通阀，以便于补偿和控制怠速时的 空气流量。 由于采用了涡轮增压，对于增压器与发动机的匹配要考虑发动机的设计和应用条件。对 于变转速运行的发动机，应尽可能在各转速工况下提供正确的增压压力，并且在低转速工况 下能产生足够的气量，以便获得良好的瞬态工况。本次改造的天然气发动机主要用于公交车 辆，对于增压器的选配首先应保证其在发动机低转速时的瞬态响应性，这样有助于提高发动 机的低速扭矩。 3燃料供给系统 天然气供给系统如图1所示，其主要是由高压气瓶、充气阀、切断电磁阀、过滤器和减 压器组成。 图1 CNG发动机燃料供给系统结构示意图 改造后的天然气发动机采用顺序多点喷射的燃料供给系统．将全部喷射阀安装在一个固 定装置上，该装置6个燃气出口对应各缸进气口处。喷射阀按照ECU的控制指令开启和关闭。 ECU通过控制喷射阀的开启持续时间调节天然气的进气量。天然气在进气口处与空气初步混 合后进入气缸，并在气缸内进一步混合。 喷射阀选用的是美国BKM公司生产的SP02l型高速伺服喷射阀。高压气瓶的最高压力 约20MPa，流出的天然气经减压降到800kPa。由于减压器的绝热节流效应，使减压器出口燃 气温度降低，致使减压器出现霜冻现象，严重时甚至使天然气燃料中的水分结冰堵塞减压器 通道，因此需在减压器内通人发动机高温循环水。 4．点火系统 改造的天然气发动机由原柴油机的压燃改为点燃方式，由于天然气的着火温度比柴油和 汽油都要高，同时，改造后的天然气发动机拟采用稀薄燃烧方式，要求点火系统能够提供高 压和高的点火能量。 本系统设计的高能直接点火系统主要由控制器、点火