富氧助燃对天然气/汽油双燃料发动机动力性能与排放性能影响实验研究

摘要

富氧助燃技术能够降低燃料的燃点，加快燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少燃烧后的排气量、提高热量利用率和降低空气过剩系数，具有优越的节能性能与环保性能，但国内外对富氧助燃技术应用于汽车发动机的针对性研究较少。天然气汽车由于在资源、成本和排放性能等方面的优势而迅速发展起来，保有量不断增加。国内的天然气汽车发动机多为汽油机改装而成，由于其采用汽缸外预混合的燃料供给方式和均质预混合燃烧方式，导致发动机充气效率下降和混合气热值下降从而导致发动机动力性能下降，这是天然气汽车推广应用中的技术难题。采用富氧助燃技术来提高天然气汽油双燃料发动机动力性能与排放性能是可行的。 本文首先针对空气中氧气浓度对天然气和汽油的燃烧特性的影响进行理论研究，通过对不同氧气浓度下燃料理论空燃比、理论混合气热值与理论燃烧温度的计算，并对燃烧特性改变引起的动力性能和排放性能变化进行理论分析，得出以下有结论：随着空气氧浓度的提高，燃料的燃烧理论空燃比降低、理论混合气热值混合气热值的提高，导致发动机指示功率和有效功率的增大；发动机燃料消耗率降低；发动机燃烧效率提高；燃用汽油时发动机排气污染物中CO、HC的生成浓度和排放浓度降低。 根据理论分析的结果，本文进行了实验研究。在考虑发动机实验台特性和理论分析的基础的上确定了实验氧浓度为21％~30％，设计富氧实验装置和改建了实验台。实验测试了燃用天然气和汽油时，不同氧气浓度在相同转速工况下对发动机功率、转矩、气耗率、油耗率与排气污染物等的影响，得出以下结论：在最佳氧浓度（23％~25％）范围内燃用天然气时功率约有7.8％~12.5％的增长，转矩约有8.1％~11.8％的增长，气耗率约有5.4％~11.1％的减少；燃用汽油时功率约有9.6％~16.3％的增长，转矩约有9.4％~16.7％的增长，油耗率约有7.2％~11.4％的降幅；燃用汽油时碳氢化合物排放浓度约有28.8％~68.9％的减少，一氧化碳排放浓度约有9.1％~18.2％的减少；氮氧化物排放浓度随氧气浓度提高而快速提高。 本文研究结果为进一步研究富氧助燃应用于天然气汽油双燃料发动机技术，改善发动机动力性能和排放性能打下了理论和实验基础，同时对其他类型汽油机和天然气发动机富氧助燃技术研究也具有借鉴作用，具有较大的经济、社会和环境效益和推广潜力。