N2 和CO2 稀释对天然气发动机燃烧和NOx 排放的影响

李伟峰，刘忠长，王忠恕，许 允，王建堃

（吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130022）

0 引 言

天然气因其具有储量大、辛烷值高、排放低和价格便宜等优点［1］，已成为一种非常有前途的发动机替代燃料。虽然排气再循环（EGR）技术可以有效降低发动机的NOx排放，但是天然气燃烧初期的火焰传播速率较低，而EGR 使缸内氧浓度降低且混合气热容增加［2－4］，火焰传播速率进一步降低，燃料经济性下降。因此，使用EGR 时be－NOx往往存在“此消彼长”的变化关系。

N2和CO2都是EGR 的主要成分，分别研究N2及CO2稀释对天然气发动机燃烧过程的影响，有助于深入分析EGR 成分对be－NOx“此消彼长”的 变 化 关 系 的 贡 献 率［5－9］。Yasufumi等［5］发 现N2和CO2稀释都可以明显改善柴油／天然气双燃料发动机的NOx－PM“此消彼长”的变化关系。Tie等［6］在一台柴油机上开展了类似的研究。Huang等［7］发现CO2稀释可以降低天然气发动机的NOx排放，但是发动机热效率降低，HC 增加。Cheolwoong等［8］得出了类似的结论。Brecq等［9］指出N2和CO2稀释都可以降低天然气发动机的爆燃倾向，但CO2的作用是N2的两倍。然而，目前还鲜见对比研究N2和CO2稀释对天然气发动机燃烧和NOx排放影响方面的报道。因此，为改善天然气发动机be－NOx“此消彼长”的变化关系，开展此方面的研究十分必要。

工业制取N2和CO2的技术已经非常成熟［10］，这为N2和CO2稀释在发动机上的应用奠定了基础。另外，以空气为原料，借助发动机气缸内活塞下行或者废气涡轮增压器产生的负压，采用膜分离法可以制取N2并可将其直接引入发动机的进气系统中。

作者在一台由CA6DE柴油机改装的涡轮增压、中冷、重型、SI天然气发动机上开展了N2和CO2稀释对降低NOx排放的研究。

1 试验方案

1.1 试验发动机

试验在一台电控、多点喷射、6 缸、重型天然气发动机（CA6SE）上进行，发动机的主要参数如下：缸径×行程为106 mm×125 mm；总排量为6.618L；压缩比为12；标定功率为155kW（2300 r·min－1）；最大转矩为700（N·m）（1400／r·min－1）；燃料喷射方式为进气道多点顺序喷射；发动机型式为直列六缸四冲程增压。该发动机是在CA6DE柴油机的基础上开发的。在开发过程中，保持原机基本结构不变，并与原机保持最大限度的零部件通用性。

在试验中所使用的电控系统具有实现多点电子控制喷射、稀燃、节气门控制、错误诊断及通信等功能。发动机以压缩天然气作为燃料。天然气在压缩瓶中的压力为20MPa，通过减压阀将压力减小到0.8 MPa，之后通过一个计量装置进入到进气歧管内。为了防止天然气在减压过程中由于体积膨胀而引起“结冰”现象，在减压阀上安装了一个热交换器。天然气的喷射时刻及火花塞点火时刻都通过控制发动机运行状态的电脑控制。天然气的流量通过一个质量流量计（MFM）测量。图1给出了发动机的本体、电控系统以及各测试仪器。

图1 试验平台示意图Fig.1 Schematic diagram of engine testing bench

试验中使用的N2和CO2的纯度为99.9%。N2和CO2的压力通过稳压装置控制并稳定在0.2 MPa左右，之后稀释气体在进气总管中与空气混合，并随空气进入缸内。稀释气体的流量直接通过质量流量计（MFM）测量。表1 给出了N2、CO2、空气和CH4主要理化性质的比较［11］。

表1 稀释气体、空气及燃料的性质（0.1 MPa，25 ℃）Table 1 Properties of dilution gases，air and fuel（0.1 MPa，25 ℃）

1.2 试验方案

试验在转速为1450r·min－1、节气门开度为23.7%下进行，天然气的流量为12.44kg·h－1，天然气的喷射时刻为315°CA BTDC，火花塞点火时刻为20°CA BTDC。在试验中，以A50（1450r／min，50%负荷）工况作为基准点，保持边界条件（转速、燃料喷射时刻及脉宽、点火时刻、节气门开度等）不变，在进气中分别添加CO2和N2，直到发动机转矩下降超过5%为止，如表2所示。N2和CO2的质量流量分别通过质量流量控制装置进行调节。

表2 试验工况点Table 2 Test cases examined

在发动机运行一段时间并达到稳定状态后展开试验。在试验中，进气中冷后温度保持在（40±1.5）°C，发动机冷却水温度保持在（80±2）°C，机油温度保持在（95±2）°C。另外，由图1可知，稀释气体在中冷器前进入进气管内并与空气混合，因此其温度保持在（40±1.5）°C。

在本研究中用稀释比表征稀释气体对混合气的稀释程度，其定义如下：

2 试验结果及分析

为了分析不同稀释气体对发动机燃烧和NOx排放的影响，本文采用稀释比作为自变量对结果进行分析［5－8］。另外，为了说明N2和CO2稀释对混合气热物理性质、气体浓度、燃料消耗率、燃烧过程等影响的差异以及两者降低NOx排放的原因，本文还采用了NOx排放作为自变量对结果进行分析。

2.1 NOx 排放特性

图2给出了不同稀释比时NOx排放的变化情况。无论是使用N2还是CO2，随着稀释比增加，NOx排放都明显降低。由泽尔多维奇定理可知，影响NOx生成的因素主要有缸内氧浓度、最高燃烧温度和燃气在高温、富氧环境中的停留时间［12］。一般而言，只有很少一部分NO 产生于很薄的火焰反应带中，大部分NO 在火焰离开后的已燃气体中生成［12］。试验中，发动机节气门开度、燃料喷射时刻及脉宽不变，随着稀释气体增加，由于其稀释效应，部分空气被稀释气体取代，缸内氧浓度降低，从而抑制了NOx的生成，如图3（a）所示；稀释气体的热效应使缸内混合气热容增加，当上升相同的温度时混合气需要吸收更多的热量，因此最高燃烧温度降低［8］，如图4（a）和图5（a）所示。在稀释效应和热效应的共同作用下，NOx排放随着稀释比增加而急剧下降［5－8］。

图2 NOx 排放随着稀释比的变化Fig.2 Variation of NOxemissions vs.DR

由图3（a）和图4（a）可知，当稀释比相同时，CO2和N2稀释所对应的缸内氧浓度几乎相同，而CO2稀释对应的缸内混合气热容较高，这说明就降低NOx排放而言，相比之下，两者的稀释效应几乎相同，但CO2的热效应明显较大，所以其最高燃烧温度较低，如图5（a）所示。因此，当稀释比相同时，N2降低NOx的能力低于CO2，其所对应的NOx排放相对更高。相同条件下，为达到相同NOx排放水平，与CO2稀释相比，N2的稀释比更高。

图3 不同稀释比和不同NOx排放时点火前缸内平均氧浓度的变化Fig.3 Variation of in－cylinder O2concentration before sparking timing vs.DR and NOxemissions

图4 不同稀释比和不同NOx 排放时混合气热容的变化Fig.4 Variation of heat capacity of mixture in cylinder vs.DR and NOxemissions

图5 不同稀释比和不同NOx 排放时缸内最高平均燃烧温度的变化Fig.5 Variation of maximum mean combustion temperature in cylinder vs.DR and NOxemissions

由图3（b）、图4（b）和图5（b）可知，当NOx排放降低到相同水平时，与CO2稀释相比，N2稀释对应的氧浓度较低，而混合气热容较高，这说明相比之下，就降低NOx排放而言，虽然稀释气体的稀释效应和热效应都会降低NOx排放，但N2稀释抑制NOx生成的主要因素是较低的缸内氧浓度，即N2的稀释效应；而CO2稀释抑制NOx生成的主要因素是较低的缸内最高燃烧温度，即CO2的热效应。由于两者降低NOx排放的原因不同，因此其对发动机燃烧过程的影响也有所不同。

2.2 CO 和THC排放

图6给出了不同稀释比时CO 和THC 排放的变化情况。CO 是碳氢燃料在燃烧过程中生成的中间产物。当反应气的氧浓度及温度足够高，化学反应所占有的时间足够长时，CO 会氧化成CO2［12］。由表2可知，随着N2稀释比增加，部分空气被N2取代，过量空气系数减小，缺氧引起燃料燃烧不完全，因此CO 排放增加；另外缸内温度随着稀释比增加而下降，局部区域温度过低，使CO 失去温度条件而不能继续氧化为CO2，也会使CO 排放增加。随着CO2稀释比增加，由于CO2的密度较大，其所替代的空气量较少，天然气－空气混合气略微变浓，但由于缸内温度明显下降，燃烧持续期延长，这就增加了CO 氧化成CO2的化学反应时间，因此随着CO2稀释比增加，CO先略有上升，后呈下降趋势。另外，对于这两种稀释气体，随着稀释比增加，混合气变浓且缸内温度下降，大量CH4未经燃烧便排出缸外，因而THC排放明显上升。与CO2稀释相比，当稀释比相同时，N2稀释引起的CO 和THC 排放较高，这是由于其混合气较浓的缘故，如表2所示。

图6 CO 和THC排放随着稀释比的变化Fig.6 Variation of CO and THC emissions vs.DR

2.3 比燃料消耗率

图7 给出了be的变化情况。由图7（a）可知，随着CO2稀释比增加，be明显升高。在试验中节气门位置不变，因此影响be的因素主要有2个：混合气的比热比和燃烧过程。随着CO2流量的增加，一部分空气被CO2取代，由于CO2的比热比较低，因此缸内混合气的比热比下降，如图8（a）所示。由内燃机理论循环可知，混合气的比热比越小，理论热效率越低，则be越高［12］。由图9（a）可知，随着稀释比的增加，CA10（燃料化学能释放10%所对应的曲轴转角）和CA90（燃料化学能释放90%所对应的曲轴转角）后移，混合气的滞燃期（火花点火时刻与CA10之间的曲轴转角）和燃烧持续期（CA10 和CA90 之间的曲轴转角）延长，燃烧定容度降低，混合气在膨胀行程做功能力下降，热效率降低，be升高。

图7 不同稀释比和不同NOx 排放时be的变化Fig.7 Variation of bevs.DR and NOxemissions

图8 不同稀释比和不同NOx 排放时混合气比热比的变化Fig.8 Variation of specific heat ratio of charge mixture vs.DR and NOxemissions

由图7（a）、图8（a）和图9（a）可知，当稀释比相同时，与CO2稀释相比，N2稀释时可获得较低的be，这是由混合气较高的比热比及较快的燃烧速率（燃烧定容度较高）决定的。

由图7（b）可知，随着NOx排放降低，be明显升高，be－NOx呈现出“此消彼长”的变化关系。由图7（b）、图8（b）和图9（b）可知，当NOx排放降低到相同水平时，与CO2稀释相比，N2稀释时混合气的比热比较高，滞燃期和燃烧持续期较短，be明显较低。随着NOx排放减少，与CO2相比，N2作为稀释气体时，be上升的幅度明显较低，因此N2稀释改善了be－NOx“此消彼长”的变化关系。

2.4 燃烧过程

图9 不同稀释比和不同NOx 排放时CA10和CA90的变化Fig.9 Variation of CA10and CA90vs.DR and NOxemissions

图9 （a）给出CA10和CA90随着稀释比的变化情况。随着CO2稀释比增加，CA10 和CA90明显后移，滞燃期和燃烧持续期延长。阿雷尼乌斯定律指出，在影响化学反应速率的诸多因素中，温度对反应速率的影响最为显著［13］。根据范特荷夫由试验数据归纳的反应速率与温度的近似关系，当温度升高10K 且其他条件不变的情况下，化学反应速率将增至2～4倍［14］。由图10（a）可知，随着CO2稀释比的增加，火花塞点火时（20°CA BTDC）的缸内平均温度明显下降，这是因为混合气的热容随着稀释比增加而增加，如图4（a）所示。点火时刻较低的缸内温度不利于天然气早期火焰发展，使火焰发展初期所需时间延长，火焰传播速率降低，因此CA10和CA90后移，滞燃期和燃烧持续期延长，燃烧定容度降低。

由图9和图10可知，当稀释比或NOx排放相同时，与CO2稀释相比，N2稀释所对应的CA10和CA90前移，燃烧定容度增加，这是因为N2稀释对应的点火时刻缸内温度较高。

另外，导温系数对燃烧火焰的传播有非常大的影响。N2的导温系数明显高于CO2，如图11所示。由燃烧学可知，导温系数高的气体有利于燃烧火焰的传播［15］。因此，当NOx排放相同时，与CO2稀释相比，N2稀释时天然气燃烧速率较高的另外一个原因是N2具有较高的导温系数。

图10 不同稀释比和不同NOx 排放时点火时刻（20°CA BTDC）缸内平均温度的变化Fig.10 Variation of mean temperature in cylinder at spark timing（20°CA BTDC）vs.DR and NOxemissions

图11 N2和CO2的导温系数随着温度的变化Fig.11 Variation of thermal diffusivities of N2 and CO2vs.temperatures

图12 给出了缸内压力、放热率和缸内温度随着曲轴转角的变化情况。随着稀释比增加，无论是N2稀释还是CO2稀释，缸内压力峰值、放热率峰值和最高平均燃烧温度都明显降低，放热率重心后移，燃烧定容度降低，这是由天然气的滞燃期和燃烧持续期延长引起的。试验结果说明：进气中添加N2或者CO2都可以降低缸内的热负荷和压力负荷，有利于避免早燃、爆燃及表面点火等不正常燃烧现象。

图12 缸内压力、放热率及温度随着曲轴转角的变化Fig.12 Variation of pressure，heat release rate and temperature in cylinder vs.crank angle

图13 给出了分别使用N2和CO2作为稀释气体将NOx排放降低到相同水平时缸内压力、放热率及温度随曲轴转角的变化情况。由图13可知，与CO2稀释相比，N2稀释时缸压峰值较高，着火延迟期较短，放热率重心前移，缸内温度峰值较高，这说明当NOx排放降低到相同水平时，与CO2稀释相比，N2稀释缩短了混合气的滞燃期和燃烧持续期，增加了天然气的燃烧速率，提高了燃烧定容度，从而优化了天然气－空气混合气的燃烧过程。

图14给出了不同稀释比和不同NOx排放时缸内压力峰值及放热率峰值的变化情况。由图5和图14 可知，当稀释比或NOx排放相同时，与CO2稀释相比，N2稀释时缸内压力峰值、放热率峰值及温度峰值较高，这是因为N2稀释时混合气的滞燃期和燃烧持续期较短，这是由混合气的较低的热容和较高的导温系数引起的。虽然稀释气体的稀释效应和热效应都会降低NOx排放，但由2.1节可知，N2稀释抑制NOx生成的主要原因是较低的缸内氧浓度（稀释效应），CO2稀释抑制NOx生成的主要原因是较低的缸内温度（热效应）。已有研究表明：与氧浓度相比，温度对混合气燃烧速率的影响更大［14］。因此，当NOx排放降低到相同水平时，与CO2稀释相比，N2稀释对天然气－空气混合气燃烧速率的影响较小。所以，当NOx排放降低到相同水平时，与CO2稀释相比，N2稀释可以优化混合气的燃烧过程。在选择降低NOx排放的策略时，同时降低缸内最高燃烧温度和氧浓度的策略（如N2稀释）优于过多降低最高燃烧温度的策略（如CO2稀释）。

图13 NOx 排放降低到相同水平时缸内压力、放热率和温度随曲轴转角的变化Fig.13 Variation of pressure，heat release rate and temperature in cylinder vs.crank angle at the same NOxemissions

图14 不同稀释比和不同NOx 排放时缸内压力峰值及放热率峰值的变化Fig.14 Variation of pmaxand ROHRmaxvs.DR and NOxemissions

3 结 论

（1）无论是使用N2还是CO2作为稀释气体，随着稀释比增加，NOx排放都明显降低。当稀释比相同时，与使用N2相比，使用CO2能更有效地降低NOx排放。

（2）随着N2稀释比的增加，CO 和THC 排放明显上升；随着CO2稀释比的增加，THC 排放明显上升，但CO 排放先上升后下降。

（3）与CO2稀释相比，当NOx排放降低到相同水平时，N2稀释缓和了be－NOx“此消彼长”的变化关系。

（4）与CO2稀释相比，当NOx排放相同时，N2稀释使CA10和CA90前移，燃烧定容度增加，从而优化了混合气的燃烧过程。

（5）虽然稀释气体的稀释效应和热效应都可以降低NOx排放，但相比之下，N2稀释降低NOx排放的主要因素是缸内较低的氧浓度，即N2的稀释效应；CO2稀释降低NOx排放的主要因素是较低的缸内最高燃烧温度，即CO2的热效应。

（6）除了控制混合气氧浓度之外，温度对混合气燃烧过程的影响不可忽视。在选择降低NOx排放的策略时，同时降低缸内燃烧温度和氧浓度的策略（如N2稀释）优于过多降低缸内燃烧温度的策略（如CO2稀释）。

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