I在内燃机中燃用替代燃料是解决目前所面临的环境及能源问题的有效途径之一。天然气具有燃烧清洁、辛烷值高、储量大及价格便宜等优点,是一种非常有前途的发动机替代燃料。目前天然气发动机的应用形式主要有2种:火花点燃式SI(Spark ignition)天然气发动机和柴油引燃式PI(Pilot ignition)天然气发动机。为了使用三元催化转化装置TWC(Three way catalysts)同时降低THC、CO及NOx排放,SI天然气发动机需要燃用当量混合气。然而,当量燃烧发动机不仅热负荷较高,而且泵气损失及传热损失较大,导致热效率较低。为了改善这一状况,从20世纪90年代开始,国内外学者开始关注在天然气发动机中燃用稀混合气,其原因是稀混合气具备较高的热容,可以降低发动机的热负荷,而且使用稀混合气还可以降低发动机的泵气损失及传热损失,从而可以提高发动机热效率。稀混合气可以通过进气中添加过量空气即空气稀释,也可使用废气再循环EGR(Exhaust gas recirculation)即EGR稀释,或者两者结合使用。为了使NOx排放保持在较低水平,天然气发动机需要燃用高稀释混合气,但往往伴随着燃烧恶化、燃烧循环变动大甚至失火等现象,反而失去了高稀释发动机热效率高的优势。这表明高稀释SI天然气发动机燃料消耗率与NOx排放之间往往存在“此消彼长”的矛盾关系,该矛盾关系限制了高稀释SI天然气发动机在工程中的推广应用。因此,如何利用进气稀释同时改善发动机燃料经济性与NOx排放成为了SI天然气发动机的研究重点之一。PI天然气发动机也面临着同样的矛盾关系,这是由于这种类型的发动机是由迪塞尔循环发动机演变而来,从其诞生之日起便由于混合气稀释度过高而导致发动机在运行低负荷时燃烧恶化且热效率低,并伴随着较高的THC排放。针对上述理论及工程问题,本研究在973课题、国家自然科学基金、省科技发展规划项目及校研究生创新规划项目的资助下,采用理论分析与试验研究相结合的方式,分别以一台高稀释-预混合火花点燃式天然气发动机及一台高稀释-预混合柴油引燃式天然气发动机为研究对象,开展了天然气发动机EGR稀释、空气稀释等进气稀释的各种效应研究,分别对高稀释-预混合SI及PI天然气发动机燃烧过程进行了试验分析,并提出了同时改善发动机热效率及各种排放物的燃烧优化策略,主要研究工作及结论如下:1.为了量化分析EGR稀释的稀释效应及热效应对抑制NOx生成的贡献率,研究了Ar、N2及CO2对缸内氧浓度、混合气热容及NOx排放的影响规律。试验过程中,以SI天然气发动机为研究对象,在1450 r/min、50%负荷下,保持过量空气系数为1.40,在进气中分别添加Ar、N2及CO2。结果表明:(a)当以Ar、N2及CO2作为稀释气体时,随着稀释系数增加,NOx排放均有明显下降。当稀释系数为130%左右时,分别使用Ar、N2和CO2作为稀释气体时,NOx排放分别下降了30%、58%和64%。(b)稀释气体控制NOx生成的机理由2种效应构成,即稀释效应与热效应。Ar、N2及CO2的稀释效应对抑制NOx生成的贡献率分别大约为100%、57%及51%,与其对应的热效应的贡献率分别大约为0%、43%及49%。稀释气体的比热容越大,则在抑制NOx生成过程中热效应所占的比例越大(例如CO2),但即使当混合气热容不变时也能明显降低NOx排放(例如Ar)。2.为了量化分析空气稀释的各种效应对天然气发动机燃烧过程及NOx排放的影响规律,基于阿雷尼乌斯定律与扩展的泽尔多维奇机理定义了空气稀释的7种效应及其量化指标,并以此为基础,开展了过量空气中N2、O2及Ar影响规律的理论分析及试验研究。试验过程中,以SI天然气发动机为研究对象,在1450 r/min下,保持燃料量不变,分别在进气中添加过量空气和只添加N2。结果表明:(a)空气稀释具备7种效应:稀释效应、热效应、化学效应、燃料补偿效应、氧化和还原效应、氧化剂和还原剂补偿效应以及惰性效应。(b)NOx排放随着过量空气系数发生变化的本质原因是过量空气中O2的氧化效应与燃料补偿效应随缸内温度的变化而变化,而缸内温度主要是由过量空气的热效应控制的。过量空气中N2、O2及Ar对热效应的贡献率分别大约为82.6-86.1%、13.3-16.7%及0.6-0.7%。空气中O2的化学效应和空气中N2及Ar的稀释效应相互抵消。过量空气中N2及Ar对稀释效应的贡献率分别为98.31%和1.69%。(c)随着过量空气系数增加,过量空气中O2引起的NOx增加量先升高后降低。从空气成分的角度考虑,随着过量空气增加,NOx排放下降的主要原因是空气中存在含量较高的N2(空气中N2的含量大约是O2的3.3倍)。3.为了建立稀释气体类型与发动机性能之间的映射关系,开展了EGR及空气中单原子、双原子及三原子稀释气体即Ar、N2及CO2对天然气发动机燃烧过程、热效率及NOx排放影响规律的研究。试验过程中,分别以SI天然气发动机和PI天然气发动机为研究对象,进气中分别添加Ar、N2及CO2。结果表明:(a)相同稀释气体对2种类型天然气发动机的燃烧过程、热效率及NOx排放的影响规律类似。相同稀释系数下,CO2对发动机燃烧过程的影响及抑制NOx生成的能力最大,N2次之,Ar最小;但Ar保持较高热效率的能力最大,N2次之,CO2最小。(b)当NOx排放降低到相同水平时,Ar保持较高发动机热效率的能力最大,N2次之,CO2最小,即在3种气体中,Ar最适合改善be-NOx排放“此消彼长”的矛盾关系。4.为了揭示引起高稀释-预混合-PI天然气发动机低负荷热效率低、THC排放高的主要原因,从宏观与微观的角度对基准点进行了热平衡分析与CFD分析(采用Star-cd软件)。选择1335 r/min、天然气替代率为90%的工况作为研究基准点,且该工况下燃料总能量与原柴油机25%负荷所对应的能量相当,无EGR,无进气节流。结果表明:(a)由热平衡分析可知,基准点处转化为有效功的能量占燃料总能量的比例仅为18.41%。在各项损失中,由高到低的排序如下:不完全燃烧损失,机械损失,排气损失及冷却损失。因此,改善高稀释-预混合-PI天然气发动机低负荷燃烧过程首要解决的问题应是减小不完全燃烧损失。(b)由CFD分析可知,燃烧中断是引起PI天然气发动机不完全燃烧的主要因素。引起严重燃烧中断的主要原因有:从着火层面,主要是由于柴油着火点分布范围有限(分层燃烧),只引燃了柴油着火区域及其周围的天然气,而其他区域无法引燃;从火焰传播层面,主要是由于缸内天然气-空气混合气过稀,天然气被引燃后火焰无法进一步传播,导致除柴油引燃以外的区域无法发生燃烧化学反应;从缸内热氛围层面,由于混合气温度过低,导致燃烧化学反应速率较低;从缸内流动层面,主要是由于燃烧室及气缸轴线附近湍动能较低,无法引导天然气进行湍流火焰传播。缸内未燃烧区域主要集中在燃烧室底部及气缸轴线中心处,采用燃烧中断系数可以有效表征高稀释-预混合-PI天然气发动机燃烧中断现象的空间分布特征。5.为了建立重要燃烧边界条件与高稀释-预混合-PI天然气发动机低负荷性能之间的映射关系,分别在低转速低负荷(A25)与高转速低负荷(C25)工况下,采用单一变量研究方法,开展了燃烧边界条件对高稀释-预混合-PI天然气发动机燃烧过程、热效率及排放影响规律的研究。结果表明:(a)总体过量空气系数、着火区过量空气系数及预混过量空气系数可以分别评价空气对缸内总体区域、着火区域及火焰传播区域天然气-空气混合气的稀释程度。在本研究中,除了过量空气系数及EGR率之外,改变其他燃烧边界条件时预混过量空气系数都在2.0左右。(b)增加替代率、提前喷油、提高喷油压力、进气节流、增加EGR率、提高进气温度等都可以提高发动机的热效率,并降低THC排放,但增加替代率、小幅度提前喷油、提高喷油压力、进气节流、提高进气温度等会使得NOx排放增加。另外,增加替代率与减少使用石油燃料的初衷相违背;由于喷油量较少,使用较高喷油压力时喷油系统往往会出现不稳定喷射现象;进气节流会增加发动机的泵气损失,也会导致热负荷大幅度增加;增加EGR率虽然可提高发动机热效率,并降低THC及NOx排放,但对发动机燃料经济性及排放性的改善幅度较小;提高进气温度时响应性较差。(c)与空气稀释、无进气节流+EGR稀释及当量燃烧+EGR稀释方式相比,EGR结合进气节流利用了EGR稀释及空气稀释的双重优势。因此,当使用EGR与空气双重稀释时,发动机同时获得较高的热效率和较低的NOx排放,从而改善了be-NOx排放之间的矛盾关系。(d)按燃烧边界条件对热效率调节范围由大到小的顺序排列如下:替代率、喷油时刻、过量空气系数、低压EGR率、高压EGR率、喷油压力及进气温度。特别地,当喷油时刻从0°BTDC提前喷油(40°BTDC)时,发动机有效热效率显著提高,且THC、CO及NOx排放同时下降。保持天然气替代率为90%,当发动机有效热效率相同时,边界条件按NOx排放由低到高顺序排列如下:喷油时刻、高压EGR率、低压EGR率、进气温度、过量空气系数及喷油压力。另外,采用低压EGR回路时需要对原机EGR回路进行改动;改变过量空气系数时需要在原机进气系统中添加节流装置;改变其他边界条件时不需要对原机结构做任何改动。从边界条件对发动机热效率的调节范围、对NOx排放的影响及对原机结构的改动等方面考虑,喷油时刻、过量空气系数及高压EGR率是首先应优化的边界条件。(e)当发动机稳定运转时,适当提前喷油、减小过量空气系数及增加高压EGR率都可减小不完全燃烧损失,但改善程度有所不同。减小过量空气系数对降低不完全燃烧损失最有效,其次是提前喷油,最后是增加高压EGR率。(f)保持每循环燃料量及替代率不变,随着转速增加,发动机有效热效率降低,THC及CO排放升高,NOx排放降低。改变天然气量或改变柴油量都可以对负荷进行调节,且热效率随着发动机负荷增加而上升,THC及CO排放下降,但NOx排放上升。6.为了构建一种适合于分析高稀释-预混合-PI天然气发动机低负荷燃烧过程的方法,并以此为依据从众多燃烧边界条件中筛选出关键燃烧边界条件,对A25工况不同燃烧边界条件下发动机燃烧放热过程进行了总结和分析。结果表明:(a)不同燃烧边界条件下,高稀释-预混合-PI天然气发动机共具备3种典型放热模式,依据放热率曲线形状,本文将其分别定义为h型、m型及n型放热模式,即h型具有两个放热率峰值,且第一峰值较高;m型具有两个放热率峰值,且两个峰值大小相当;n型只有一个放热率峰值。柴油与天然气的反应活性存在差异,导致PI天然气发动机的燃烧过程具有时序特征及失衡特征。为了量化这2种独特的燃烧特征,本文依据柴油主导的多点压缩着火燃烧及天然气主导的多点预混合燃烧的燃烧相位及放热速率,提出了燃烧时序系数TSC(Time-sequenced coefficient)及燃烧平衡系数HBC(HRR-balanced coefficient)等评价指标。(b)通过TSC及HBC可以有效区分高稀释-预混合-PI天然气发动机的3种典型放热模式,且提高TSC及HBC可以提高发动机有效热效率并降低THC排放。在各种边界条件中,改变喷油时刻及过量空气系数对TSC及HBC的调节范围最大,低压EGR率及替代率次之,喷油压力最差。(c)n型放热模式具有两阶段燃烧模式的特征。大幅度提前喷油和大幅度进气节流都可以实现两阶段燃烧模式,但这2种方式却有着本质区别:前者属于低温燃烧,后者属于高温燃烧。因此,当发动机热效率相同时,前者在NOx排放方面具备明显优势,而后者在THC排放方面具备明显优势。7.为了优化高稀释-预混合-PI天然气发动机低负荷的燃烧过程,基于燃烧中断机制、关键燃烧边界条件与发动机性能之间的映射关系,并结合两阶段低温燃烧模式(n型放热模式),从着火、重复燃烧及火焰传播等3个层面提出了3种燃烧优化控制策略,并在A25、B25及C25工况下开展了试验研究。试验过程中天然气替代率始终保持在90%左右。结果表明:(a)策略1为大幅度提前喷油(35°BTDC),目的是通过大幅度延长柴油着火延迟期,实现两阶段低温燃烧模式(n型放热模式),从而为天然气提供更广泛的着火区域;策略2是在策略1的基础上大幅度增加EGR率,使未完全燃烧的燃料重新参与燃烧;策略3是在策略2的基础上采用进气节流,以降低空气稀释度,从而为天然气-空气混合气进行快速火焰传播创造条件,同时使更多废气回流至缸内。(b)3种策略下发动机有效热效率及排放水平有所不同。策略3下发动机有效热效率最高,但NOx排放也最高,而且需要额外添加节流装置。相比之下,策略1及策略2在不需要对原机结构进行任何改动的情况下能明显改善发动机燃料经济性与排放性,较好地避免了传统燃烧优化策略所引起的be-NOx出现“此消彼长”的弊端,且策略2更优。和优化前相比,A25工况使用策略1时发动机有效热效率提高了8.7%,THC、CO、NOx及烟度排放分别下降了75.4%、59.6%、62.8%及45.4%;使用策略2时,发动机有效热效率上升了10.7%,THC、CO、NOx及烟度分别下降了84.4%、74.0%、41.9%及50.9%。