柴油引燃天然气发动机的掺烧研究
1 引言1
2 LNG现状1
2.1 LNG的物化特性1
2.2 燃烧特性2
2.3 LNG的来源2
2.4 LNG燃料存在的问题2
3 柴油引燃LNG发动机燃料供给系统3
3.1 LNG供给系统3
3.2 LNG/柴油供气方案选择8
4 双燃料发动机掺烧方案9
4.1 试验内容10
4.2 试验步骤10
4.3 数据处理10
5 柴油引燃LNG发动机试验结果分析13
5.1 工况测试13
5.2 掺烧比对发动机性能的影响13
结 论20
致 谢21
参 考 文 献22
1 引言
随着汽车工业快速发展，我国汽车的保有量成迅猛增加状态，随之而来是能源紧缺和环境污染日益严重。我国石油资源匾乏，从2003年开始进口石油，到2015年进口原油3.35亿吨。而油、气产量当量比为1:0.1，与世界1:0.8的差距极大。据天然气发动机供气系统的研究现状报道[1]，2015年我国进口石油原油3.35亿吨，到2020年预计我国需进口石油原油5亿—6亿吨。汽车代用燃料的应用研究已经成为我国汽车工业发展的一个重要方向，而天然气作为汽车代用燃料具有储量丰富、辛烷值高、污染小、技术成熟等优点。近几年来我国天然气资源勘探开发取得了较大进展，中国的天然气储量相对丰富，包括煤和石油伴生气，总储量约在58万亿立方米左右。根据已有探测水平和探测经验推测，最终可探明的天然气储量应该有45万亿立方米。目前中国已将加快开发利用天然气资源定为能源发展战略的主要决策之一，到2020 *景先生毕设|www.jxszl.com +Q: ^351916072*
年中国天然气年产量预计将达到1000亿至1100亿立方米。将部分天然气用于发展天然气汽车是完全可行的，这将对缓解我国的石油短缺的现状起着重要的作用。
2 LNG现状
2.1 LNG的物化特性
天然气（Nature Gas，简称为NG）地下岩层中存在以烃类气体为主的混合物统称为天然气（Nature Gas，简称为NG）。NG在常温状态[2]呈现无色、无味、无毒的特性，其主要成分为甲烷（CH4），占总成分体积的85%~95%，常伴有少量乙烷、丙烷和丁烷，此外一般有硫化氢（H2S）、CO2、N2和水气和少量一氧化碳
表 2.1 各种代用燃料的物化特性
名称 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 CmHn H2 H2S CO2 N2
气田天然气 97.2 0.7 0.2 - - 0.1 0.1 1 0.7
油田天然气 88.59 6.06 2.02 1.54 0.06 0.07 - 0.2 1.46
大庆天然气 91.05 1.64 2.7 2.23 1.09 - - - -
2.2 燃烧特性
由于天然气中仅有一个C原子[3]，不含C-C键，使碳烟排放极低；汽油自燃温度为200~500℃，NG的自燃温度为550~730℃，因此NG的辛烷值高于汽油，而其十六烷值低于柴油，因此，天然气的点火与传统的汽油和柴油相比存在着较大的差异。当发动机燃用天然气时，常在进气道进行喷射进行预混，由于自然温度较高，难以压燃，必须借助于外部的火源进行引燃，当使用火花塞跳火进行点燃时，火花塞热值是汽油用火花塞热值的3倍；当采用引燃的模式时，需要利用柴油机的喷油器，将柴油或其他十六烷值较高的燃油喷入气缸，进入气缸的柴油在压缩上止点前被压燃，进而引燃缸内预混的天然气。另一方面，通过研究法测试得到天然气辛烷值为130，具有较好抗暴性能，可以使用较高压缩比的天然气。
2.3 LNG的来源
世界天然气的探明储量与石油大致相当[4]，但在开发程度上天然气远远落后于石油，也就意味着人类使用天然气的时间将会长于使用石油的时间。按照近年来的勘察情况，石油大概可以开采40年，而世界上的天然气可以开采60年以上。根据我国能源部针对全国能源的调查报告得知，我国现有天然气总储量为45万亿m3左右，其中陆地上储存量为35万亿m3。我国80%的天然气资源主要储存于中西部盆地地区和近海海域。目前，每年天然气的产量都在以10%的增长率上涨，根据相关统计预测[3]，国内天然气储量可供一百年开采使用。
2.4 LNG燃料存在的问题
由于CNG需要储存在200bar的压力罐中，存在有破裂爆炸的风险，LNG的安全性已经得到显著提升；在相同体积的燃料情况下，LNG燃料的续航里程约为CNG燃料里程的2.3倍。虽然LNG有着污染小、抗爆性强、来源广泛等优点，但限于自身特点，具有动力性降低、启动能量大、发动机腐蚀和磨损及用户初始投资较大等缺点。限于天然气混合气热值低，导致气缸新鲜充量进一步降低，动力性会有所降低；在另一方面，LNG改装成本也比较高，比如LNG瓶、安全监测设施、燃料供给系统等要求更为严格。
3 柴油引燃LNG发动机燃料供给系统
柴油引燃LNG发动机需要配置两套独立的燃料供给系统[5]：天然气燃料供给控制系统及引燃柴油供给控制系统。柴油引燃LNG发动机一般具有下述特点：首先，同时具备汽油机与柴油机的特征，即天然气与汽油机一样采取点燃式着火（天然气通过柴油压燃后进行引燃，汽油机直接利用火花塞进行点燃），又与柴油机一样，动力输出是通过调整天然气的供给量进行控制的，采取的是质调节；其次，柴油被压燃之后形成多个火焰中心，天然气进入燃烧室后被多点点燃，火焰迅速传遍整个燃烧室，有利于燃料的快速燃烧；再次，天然气的点燃温度较高，所需火花塞点火热值约为汽油点火热值的3倍，柴油燃烧后的能量远大于火花塞提供的能量，加上天然气过量空气系数较宽，可以允许在更稀薄的条件下进行燃烧，有利于提高燃料的燃烧效率。
3.1 LNG供给系统
LNG供给系统[6]主要由专用车载低温绝热瓶、限流阀、汽化装置、稳压罐、压力表等装置组成，图3.1为系统总体方案。
图3.1 LNG供气系统
3.1.1 LNG储液罐
LNG储液罐主要用于储存液化天然气[7]（如图3.2所示），一般采用不锈钢材质的绝热低温耐热、耐压容器，内外双层结构，内万层之间为真空，主要由内胆、绝热结构、内部支撑及相关附件等机构组成。内胆用来储存低温LNG，它与LNG直接接触，承载LNG压力，需要同时具有良好的气密性、抗腐蚀性及耐低温性能。壳体起到对内胆的保护作用，对整体起到支撑作用，同时承受LNG在运输过程中的外力。
由于LNG相较于柴油具有较低的十六烷值，与空气混合后进入气缸，燃料以均质混合气体的形式存在，缸内空燃比的分布不同，这将影响到整个燃烧过程，如缸内温度、压力及燃烧效率等，从而影响到发动机的动力、油耗及排放性能。对于这种影响的程度，除了与引燃柴油量、LNG的掺烧比例有关外，还会受到发动机的运行参数（转速）及供油提前角度的影响。
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