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第41卷第6期
小型内燃机与摩托车
Vol 41 No6
2012年12月
SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE
Dec.2012
气体燃料发动机动力性分析及对策
徐兆坤李志强吴伟蔚
(上海工程技术大学汽车工程学院上海201620)
摘要:根据不同燃料的理化特性,从理论和试验上研究了天然气体燃料发効机动力不足的原因。研究
表明,气体燃料发动机容积效率并未发生明显变化,动力不足的主要原因在于气体燃料理论空燃比大、
混合气密度低和分子量较低。其相应的最有效对策是采用缸内喷射技术
关键词:气体燃料动力性内燃机
中图分类号:TM93.3文献标识码:A文章编号:1671-0630(2012)06-0043-03
Dynamic Characteristic Analysis and Countermeasure
Ifor Gaseous Fuel Engine
Xu Zhaokun, Li Zhiqiang, Wu Weiwei
Automotive Engineering Institute, Shanghai University of Engineering Science(Shanghai, 201620, China)
Abstract The reason of low-power of gaseous fuel engine is studied from theory and experiments, based on
physical and chemical properties of different fuels. The study shows no obvious change on the volumetric effi
ciency of gaseous fuel engine. The main reasons responsible for the low-power are high theoretical Air-fuel
Ratio, low air-fuel mixture density and low molecule weight. The most efficient countermeasure is to adopt In
Cylinder Injection system
Key words: Gaseous fuel, Dynamic characteristic, Internal combustion engine
气汽车的大力推广,有利于改善能源结构,维护国家能
近年来,随着环保和节能的要求目益提高,气体燃源安全。
料发动机重新得到了重视和发展,尤其是以压缩天然
然而,气体发动机比排量相同的燃油发动机动力
气(CNG)液化天然气(ING)和液化石油气(LPC)作下降约10%,有的甚至高达20%以上,这对发动机,尤
为燃料的汽车,在世界各国得到了很快推广,同时也促其是排量较大的发动机使用性能造成严重的不良影
进气体燃料发动机技术的进步。
响,成为制约气体燃料发动机汽车推广的不利因素,为
研究表明,气体燃料发动机产生的CO、CO2、PM此,众多内燃机专家学者进行广泛研究,取得了不少成
碳烟微粒)和NMHC(甲烷以外的未燃烃)的排放量果。关于动力不足的原因,众说纷纭,比校流行的说法
大幅降低,NO也有不同程度的改善(这取决于不同是,气体燃料发动机充气效率(容积效率)下降所致。
发动机的差异、混合气形成的质量燃烧系统的匹配等作者认为,应该分析其真正的原因,并予以准确地表
诸多因素),而且基本没有硫化物,完全没有铅的排述,寻找相应的对策。
放,还节约能源10%左右,其成本也较低。尤其,天然
动力性分析
气是重要的一次性能源,其蕴彍量远远超过石油,天然
作为一台热力发动机,其动力性不仅取决于燃料
作者简介:徐兆坤(1952-),男,教授,主要研究方向为汽车检测设备的研究。
万方数据
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小型内燃机
摩托车
第41卷
的热值,更主要取决于缸内燃料与空气的混合气的气热值,由于天然气理论空燃比17.4比柴油14.5高
热值。
即天然气需要更多的空气参与混合,因此单位体积的
1.1进入缸内燃料混合气的热值
混合气热值下降了,约3.23MJ/m3,比柴油3.82MJ/
燃料及其混合气的热值取决于燃料的成分,天然m2,小了18.3%,比汽油3.758MJ/m3,小16.3%,显
气、石油气、汽油和柴油的相关物理参数如表1
然这是气体燃料发动机动力下降的主要原因,是气体
表1不同燃料主要物化參数排序
燃料的性质所决定,与发动机进气系统的充气效率并
无关联。
参数排序
石油气/汽油/装油
天然年「液化
充气效率,也称充量系数,更严格地称容积效率
(轻)
m( volumetric efficiency),7、是评价进气系统的设计水
1.含碳原子数C1
Cy Cs C; Cs -C
平。其定义是:每循环实际进入气缸的新鲜充量
质量成
gc
75.081.885.587.0
与进气状态充满气缸工作容积的理论充量ma之比,、
分/(%)
12.6
是通过工质相对充入量来评价进气系统本身(包括进
3.燃料低热值
气道结构、气门直径及数目、配气相位、进气系统的布
50.0546.0044.042.50
置以及传热情况在内)的完善程度,即由于高速脉冲
进气引起的进气阻力,和由于传热引起的密度下降,两
4.理论空燃比/
17.4
者对实际进入气缸工作容积充量的影响,亦即气缸容
g?kg
积利用率,而并不评价不同燃料对气缸实际充量的
5.混合气热值/
3.23013.5003.7583.819
影响。
(MJ?m
表2为6缸天然气/汽油两用发动机在分别燃用
通过对各种燃料理化特性的分析,作者发现:表
天然气和汽油时外特性下的混合气体积流量数据,可
中所列的燃料,有点类似化学元素周期表的排列,即,见两者相差无几,7相差甚微,所以不能认为,同样的
其几乎所有理化参数也按与表1相同的顺序排序。这进气系统,燃用汽油时会有较高的7,而然用天然气
样的特性,对于推测不同燃料发动机的特性及其原因会有较低的7-。否则,7.成为评价不同燃料的指标
极具价值,对于提高发动机性能,具有指导意义。
了,显然这种观点是有欠缺的,其原因在于:
以含碳C数较少的天然气和较多的柴油为例,按
人们长期研究的是柴油机和汽油机的容积效率,
质量计算,燃料中氢H的热值是碳C的热值的3.52由于液态柴汽油相对空气,所占容积为万分之一数量
倍,因此含25%H天然气的热值约为含12.6%H柴油级,忽略了燃料所占的容积,于是容积效率的研究演变
的1.2倍数,如表1参数3。这似乎表明天然气的热为考察空气充人量,概念也逐渐发生“异化”,当研究
值具有优势
气体燃料发动机时,也只是考虑充入的空气,于是才有
然而,真正决定动力性的是单位气缸容积的混合上述流行的”气体燃料发动机充气效率低”的说法。
表2分别燃用汽油和天然气时混合气体积流量数据
发动机转速/(r?min')
000
1200
1