当前位置: 首页 > 新闻中心 > 正文

老司机解读国六LNG发动机,为何抛弃稀薄燃烧改用当量比燃烧?

编辑:班兮语 原创 作者:客舟听雨 2019-11-30

在国五和国五之前,天然气发动机的技术发展方向是稀薄燃烧。但是,到了国六以后为何又转回头去采用比较保守的当量比燃烧呢?我们先来了解一下什么是当量比燃烧,什么是稀薄燃烧!

天然气发动机的理论空燃比是17.2:1,意思是17.2公斤空气可以将1公斤天然气完全燃烧掉,所以理论空燃比也叫当量比。超过这个比值,空气更多的空燃比就叫稀薄燃烧也叫富氧燃烧。

LNG稀薄燃烧有哪些特点?

我们可以看到,天然气发动机普遍采用的是多个喷射阀来喷射天然气,其目的是为了让天然气和空气更好地混合。

但是,即使这样也不能从根本上解决空气和燃料混合难的问题,所以设计师们采用了稀薄燃烧技术。就跟战场上杀敌似的,一对一的情况下总是不可能将敌人完全歼灭。如果让两个战士甚至三个,四个战士对付一个敌人,将敌人完全包围住就可以将敌人消灭地干干净净,基本上不会有多少漏网之鱼!

同理,让过量的空气进入燃烧室,保证每个天然气分子都可以让空气充分包裹就可以达到彻底燃烧的目的。燃烧的越彻底我们说越节能!所以,在国五和国五之前采用稀薄燃烧达到节能目的才是天然气发动机的主流!

然而,稀薄燃烧节能的同时带来了大量的氮氧化物排放问题(因为空气中主要成分是氮气和氧气,参与燃烧的过量空气经过高温以后会产生大量的氮氧化合物),而氮氧化物因为遇湿呈强酸的特性会危害人的下呼吸道,特别对于老人,小孩,体弱多病者危害尤其大。并且氮氧化物也是光化学烟雾和酸雨的主要来源之一。

我们看到的柴油车外挂所背负的尿素系统就是为了解决氮氧化物的排放问题。那为什么国六天然气发动机不采用和柴油发动机相同的稀薄燃烧加尿素系统来解决氮氧化物排放问题,而要采用当量比燃烧的技术路径呢?

这主要是从技术和成本两方面来综合考虑的结果。两害相权取其轻,在当前环保重压下,使用经济性只能排在次要位置了。后处理相对简单的当量比燃烧就成了必然选择。

稀薄燃烧状态下天然气发动机的空燃比可以在19:1到25:1之间变化,也就是说天然气发动机采用稀薄燃烧技术时的空燃比是采用当量比燃烧时的空燃比的1.1倍至1.5倍。

因为天然气点火温度要求更高的缘故,过稀的混合气会造成点火困难以及后燃,在高功率输出的时候会出现加速困难等现象。所以天然气发动机一般在1.1倍进气量的情况下可以兼顾动力性的同时节能效果最明显。

这里多说几句,因为燃料特性,柴油发动机的空燃比最多可以达到需要量的三倍。由此我们可以横向对比一下柴油发动机的氮氧化物排放量是多么的恐怖。如果不烧尿素的国五柴油机基本上可以说是一台“污染制造机”!

当量比燃烧有哪些特点?

依靠空气燃烧做功的内燃发动机都有一个难题——燃料和空气在极短时间内难以均匀混合。采用当量比燃烧方式尤甚 。

当空气和燃料混合不均匀的话就会造成局部区域混合气过浓难以充分燃烧或燃烧时间过长(后燃)的问题。没有充分燃烧的天然气及其残留物会排入大气污染环境,这样就需要配套后处理系统来处理燃烧残余。

做功燃烧时间过长会带来发动机高温的问题。一个最佳的燃烧模型就是在经过上止点的一瞬间燃料可以烧得干干净净,如果直到排气行程还在燃烧的话(后燃)必然会造成缸体,缸盖,气门以及排气高温。所以,采用当量比燃烧方式发动机的热负荷问题,其发动机整机、冷却、燃烧、排气等系统都需要强化,有些零部件必须使用进口耐高温材料,这就意味着发动机成本会大大提升。 

当然,当量比燃烧优点也是很多的。从燃烧控制角度来看,当量比燃烧对比稀薄燃烧来说混合气浓度一直较大。所以,采用当量燃烧的天然气发动机在动力性表现会更好,瞬态响应快,驾驶表现更好。这也很好解释了为什么一些天然气发动机升级国六后,动力相应更强了。同时,因为没有过量的空气,所以也不会产生大量的氮氧化物排放问题。

什么是国六后处理EGR技术?

前面说过,当量比燃烧时当空气和天然气混合不均匀的时候会造成局部混合气过浓,在恰好刚刚够的空气总量条件下,相对应的,既然有的地方混合气过浓必然有的地方会过稀,混合气过稀的地方也必然会产生氮氧化物排放,在环保要求不是很高的时候肯定不用去理会这些癣疥之疾,但在高排放等级要求下这些癣疥之疾就变成心腹之患了!

国六LNG发动机后处理采用的是三元催化技术加EGR(废气再循环)技术。 三元催化有利用贵金属氧化催化和转化氮氧化物,一氧化碳,碳氢化合物的能力,但是三元催化对于氮氧化物催化转化效率极低,当氮氧化物量多了以后它就无能为力了。兼顾经济性和满足排放的情况下只能再加装EGR废气再循环系统了!相对柴油发动机来说,天然气发动机因为其燃料是气体,所以对于燃料,空气,发动机尾气这三者的混合比柴油发动机要容易的多。

顾名思义,国六天然气发动机废气再循环系统就是将燃烧过后经过冷却的尾气再通过进气管和可燃混合气混合以后进入燃烧室,利用废气去挤占燃烧室的空间。

其作用有三个:

1,利用冷却过的废气降低燃烧室的温度和爆发压力(这就是在起反作用);

2,减缓燃烧速度。(燃烧速度减缓可以让发动机震动和噪音更柔和,这就是EGR技术的“利”了);

3,因为有一部分尾气进了进气管所以减少了尾气排放总量和减轻了后级尾气处理系统(三元催化)的压力。

可以这样简单理解,如果说采用SCR尿素喷射系统和三元催化是让人把屁放出来再去治理的话,那么EGR系统就是改造人的胃部,在进食的时候就避免了产生“气”的可能。

因为 EGR对于燃烧来说是起负面作用的,所以在发动机怠速的时候一般不进行EGR。怠速工况下一般只是克服泵气损失和摩擦损失,假如进行EGR的话就没有意义了!在发动机大功率输出的时候一般也不进行尾气再循环(EGR),因为大功率输出的情况下都是混合气过浓状态,基本没有富余空气也很少会有氮氧化物排放,此时如果进行EGR的话势必影响发动机设计性能。当水温低,进气温度低(低温环境下),发动机有影响到动力的故障码的时候,EGR都可能不工作(具体要看各厂家的控制策略)。

这样看来就只剩下中速阶段了!确实,EGR的作用只是辅助减少高峰期的氮氧化物排放量。其它阶段还是主要依靠三元催化器来处理,这样可以做到最佳的经济性。

老生常谈之三元催化器

发动机尾气排放物一般分固体和气体两大类。固体类比如我们耳熟能详的颗粒物排放(黑烟)。天然气发动机因为燃料的特性所以一般没有颗粒物过滤的需求。而气体类尾气排放物主要有:

碳氢化合物(HC),这是天然气燃烧剩余可燃性气体;

一氧化碳(CO),这是在缺氧条件下没有完全燃烧的气体;

氮氧化物NOx,这是燃烧室多余空气燃烧产生的气体。

百度百科对三元催化是这样解释的:三元催化,是指将汽车尾气排出的CO、HC和NOx这三种有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气的催化,所以才叫“三元” 催化器。三元催化器的载体部件是一块多孔陶瓷材料,安装在特制的排气管当中。称它是载体,是因为它本身并不参加催化反应,而是在上面覆盖着一层铂、铑、钯等贵重金属和稀土涂层,是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置。 

其实三元催化技术是一个非常成熟的技术了,通过贵金属来吸附碳氢化合物和一氧化碳将这两类可燃性气体烧掉。同时通过贵金属将少量氮氧化物还原成氧气,氮气和水。

国六LNG三元催化箱和我们国六柴油机的氧化催化器(DOC)结构相似原理相同,作用却不一样。DOC学名叫氧化催化器,就是一个炉子,它可以将收集来的可燃性气体通通烧掉。而对于柴油发动机大量的氮氧化物排放DOC是没有多少还原能力的。

最后提一点个人建议,对于已经错过购买国五天然气卡车的卡友来说,国六LNG让我们更加踌躇难前!高昂的购买价格,相对于国五燃料消耗会多15%-20%的使用成本确实值得我们好好考虑。

究其根本,购买LNG卡车必须有年行驶里程作为保证才能让我们的收益最大化。比如,购买国五LNG卡车年行驶里程十万公里就可以保证比柴油卡车收益高。到了国六阶段可能需要年行驶里程达到十五万公里以上才能超过购买柴油卡车的收益。当然,这只是举例说明。具体还得自己计算!

原创声明:本文为卡车e族原创,版权归卡车e族所有,任何平台、网站和个人转载、引用该文内容,须注明“来源:卡车e族,作者XXX”,未标明出处、作者的情况均视为侵权,卡车e族保留起诉权并有权要求转载、引用方在约定的时间内删除。
相关标签: 重卡 LNG/CNG 牵引车 发动机 卡友用车 知识小课堂

卡友评论

登录
回复
  • 金刚无敌牛魔王 2019-11-30 14:21:30

    再通俗点更好了,不过确实技术咖

  • 上帝右手第七个天使 2019-11-30 14:21:09

    介绍得够专业