二冲程内燃机天然气混合器的开发Word文档格式.docx
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在汽车应用方面，天然气基于其储存方式可以有三种使用形式。
最流行的方式是压缩天然气，就是天然气的压缩形式。
其他较少使用的获得天然气的方法是液化天然气和absorption天然气。
压缩天然气是汽油和柴油很好的代用燃料。
用户很容易接受这种形式的代用燃料，由于它的低价格和达到更清洁的发动机排放。
CNG排放更清洁的主要原因是由于其基本组成的90%是甲烷，也就是最简单形式的碳氢化合物。
尽管这样，当今CNG的应用和石油燃料相比依然在某些方面缺乏竞争性，例如，CNG正常充满发动机产生的功率比汽油少。
主要原因是CNG供油系统产生很大的容积效率损失。
这是由于在ＣＮＧ与空气混合气抽进发动机之前必须通过混合器。
这使燃烧室中燃油减少，降低容积效率。
目前汽油发动机依靠燃油混合设备转换成ＣＮＧ发动机。
１.１问题陈述
目前，在市场上没有专用的ＣＮＧ混合器，特别是二冲程发动机混合器。
所有的转换箱只适用于四冲程发动机。
应该为二冲程发动机设计一个合适的ＣＮＧ混合气。
ＣＮＧ转换选择增压１５０ｃｃ的两冲程发动机。
直接使用传统四冲程发动机的混合器是不可行的，因为对于一个小的二冲程发动机的空气需求，它们的尺寸太大。
混合器的设计必须考虑到整个发动机工况，为了提供发动机工作性能的全部参数。
现存的四冲程发动机ＣＮＧ混合器通常没有正确的提炼和优化，使空气和燃料混合好。
另外，目前的混合器设计也存在问题，因为它设计的简单，只是提供经验值，缺乏遍及发动机转速范围的有效空气流动性能。
因此，直接转换无法完成。
１.２目标
研究的目标如下：
１）使用CFD，根据发动机空气需求，为二冲程发动机设计文丘里炉型CNG混合器。
2）制造一个优化的CNG混合器原型，并在流量台架试验测试。
1.3范围
研究的范围如下：
1）CNG混合器的初级设计，
2）使用CFD工具优化CNG混合器
3）制造CNG混合器模型
4）测试核实CNG混合器设计
1.4研究方法
研究中使用的通用研究方法在流程图中指出，如图1.1
图1.1方法过程
第二章
作品回顾
2.1二冲程发动机
由于简单的二冲程发动机驱动的车辆的泛滥，许多亚洲城市空气污染加剧。
在亚洲，估计有70-100百万二冲程发动机驱动的摩托车，三轮车和机动三轮车,仅以这些为例。
在二冲程发动机中，每个循环有一个做功冲程，而四冲程发动机要每两个循环一个做功冲程。
因此可以说，二冲程发动机比四冲程发动机产生的功多（bryan，2002）。
产生的功率越高，允许二冲程发动机更高的功率重量比和简单的设计。
有单缸和多缸二冲程发动机设计，带有机械增压机甚至涡轮增压机。
二冲程发动机的基本运转和第一个二冲程发动机没有太大的区别。
图2.1描述代涡轮增压系统的二冲程发动机运转情况
在图2.1中可以看出，二冲程发动机的进气是在扫气过程的基础上进行的。
当进气口打开时进行扫气，压缩空气和燃油进入，取代残余废气。
有许多形式的扫气过程应用在二冲程发动机上，在它们之中有横流扫气，回流扫气，或者直流扫气（ferguson，2001）。
2．2CNG作为燃料的二冲程发动机
CNG是汽油的一种代用燃料，被全世界广泛接受。
随着当今燃油价格膨胀和石油危机的继续，大力推动了许多国家采取措施来降低石油使用，寻求代用燃料。
2.2.1CNG作为代用燃料
定义，代用燃料是一种从非原油中获得的燃料。
原油是石油的基本原料。
当今从非原油中的得到的可用带有原料类型有：
天然气、液化石油、甲醇、乙醇、氢气和其他（maxwell，1995）。
在空气中燃烧燃料的到的能量的多少取决于燃料的类型。
在表2.1中看出，一些代用燃料放热值很低。
从它们的能量密度判断，乙醇和甲醇必须燃烧更多才能和汽油产生星等的热量。
其他的燃料，例如NG、LPG和天然气，和汽油相比也，能量密度也是较低。
因此，和汽油相比，它们每公斤会提供更多的能量。
汽车在任何一种这些燃料下行驶都会更有效率，由于它们和同等质量的汽油相比产生更多的能量。
在这里，发动机设计对发动机提供效率来充分利用从这些燃料中得到的更高能量密度起重要作用。
由于燃料的高能量容量和大的可用性，NG被全世界选择用来研究。
表2.2说明了全世界NG的分布和可用性。
从1993年开始，NG已经被用在超过1百万车辆上，由于消费者受到NG的巨大的利益，这个数量正在增长。
它已经被用于家庭和工业部门（加热，热能产品，机械工业）。
在生态考虑方面，NG已经被标记为清洁燃料（poulton，1994）。
1986年，马来西亚国家燃油燃气公司petronas已经引入NGV项目。
从1998到现在，有将近4000辆被叫做enviro2000的出租车在lualalumpur运行。
期望到2004年，马来西亚汽车制造商proton能为马来西亚市场生产大约40000辆NGV（taibiskandarmohamad，2003）。
表2.1代用燃料与汽油和柴油的能量含量对比（Maxwell，1995）
表2.2已探明的NG储存量，1991（poulton，1994）
马来西亚的NGV工厂的成长和发展很慢，由于缺少加油站和燃气转换箱的OEM的不可用。
相反，政府很支持，因为政府免除转换箱的关税和消费税。
双燃料车收税金降低25%，单元煤气车的50%税用来鼓励工业。
马来西亚目前实行欧2排放法规，并且持续到2010年（jitendra，shah，2001）。
NVG汽车的排放在CO2、HC和NOx方面低于欧2限制。
另外，NGV汽车每次加满燃料最高行驶170km，使它的性能和汽油车一样。
更重要的是，NGV汽车能大大的降低石油价格，由于它比汽油更加便宜（yusoffali，2003）。
不同国家间的CNG构成也不同。
CNG的主要成分是甲烷。
甲烷占CNG的90%。
除了甲烷之外，混合物包括少部分的其他气体，例如乙烷，丙烷、丁烷、戊烷和己烷。
它也包括氮气，氦气，二氧化碳和硫化氢。
根据马来西亚燃气公司（2003）马来西亚拥有全世界第12大的NG储存量。
表2.3中展示了马来西亚NG的平均组成，表2.4中展示了甲烷的性质。
表2.3马来西亚NG平均组成（马来西亚燃气公司，2003）
表2.4methane气体性质（马来西亚燃气公司，2003）
2.2.2CNG燃烧特性
燃料能量只能通过燃烧获得。
任何的燃料燃烧完全将产生简单的产物。
燃料在空气中完全燃烧，这种条件叫做化学计量比环境。
当化学计量比空气燃料混合物燃烧，将会产生能量、水蒸气和CO2，然而其他组成物例如氮气和惰性气体将会残余。
理论上，燃料完全燃烧不会有很多废气，例如CO、多余燃料长生的HC和和周围空气产生的NO。
预先知道燃料在空气中燃烧的化学反应能计算理论空燃比。
空燃比的定义是，混合气中空气质量比燃油质量。
知道CNG包含90%甲烷（CH4），因此给出CNG化学反应是：
CH4+2O2
CO2+2H2O（2.1）
化学反应方程式说明，1摩尔甲烷和2摩尔O2完全燃烧将会产生能量和1摩尔CO2和2摩尔水。
空气是很多气体的组成，其中20.95%是O2，剩下的是N2和其他气体。
由于1摩尔空气的质量是28.96g，因此1摩尔氧气储存在138.23g空气中（奔驰，1992）。
另外，在方程式2.1中给出1摩尔CNG或者甲烷的质量是（1X12.04+4X1.008）或者16.042g。
知道了每摩尔空气和CNG的质量,理论空然比也就找到,描述如下:
（2.2）
根据yeah（2002）,在正常发动机运转温度下怠速,发动机一直需要相当浓的混和气,这时空然比经常在11:
1到13:
1范围内.好的混和器能够满足这些需求。
空然比变的太小，发动机在9.77：
1时不易燃烧。
在富油条件下，发动机用更少的空气燃烧燃料，导致HC排放上升，或者在更坏的情况，将会使发动机熄火。
2.2.3CNG燃料二冲程发动机的排放降低
发生在二冲程发动机上的主要问题是，它们有高水平的HC、CO和PM排放。
表2.5
展示了目前二冲程发动机的排放。
表2.5中清晰表明，在二冲程发动机中使用CNG能大大地降低排放，和传统汽油机相比。
表2.5典型二冲程发动机排放（bryan，2002）
排放物的对比一般都基于国家排放法规的标准。
在排放方面所有的车辆应该执行这些法规。
表2.6中展示了美国和印度二冲程发动机排放物的指导线。
使用CNG的二冲程发动机总体排放物比二冲程发动机排放法规标准低。
在法规要求更严格的加利福尼亚，只在HC排放方面有一点点高。
加利福尼亚排放标准被认为是全世界最严格的排放法规。
表2.6目前应用在小排量发动机上的排放标准（bryan，2002）
*马来西亚执行欧2标准的排放标准
2.2.4关于CNG应用的其他问题
除了比汽油机更低的排放外，CNG燃料在其他方面也有优势和劣势。
车用CNG燃料的优势包括（rosli，2002）：
a．120到130范围的高辛烷值，比汽油的93到99辛烷值更高。
高辛烷值确保CNG燃料能在高压缩比下运行而不出现敲缸现象引起的发动机损坏。
b．比汽油更高的可燃性使它适合使用稀燃技术
c．更安全，由于它更轻、扩散很快，所以它点燃很快，但是只在燃油与空气体积比在5-15%时。
d．因为它是清洁燃料，它降低了车辆维修费用，是汽油的一半，更换里程15000-30000km，火花塞更换里程最大120000km。
e．大量的储备：
估计65-70年的NG供应。
除了从化石燃料中得到之外，NG也能从农业废料、人类垃圾和塑料袋中获得。
f．与汽油相等的每升，NG更便宜，在欧洲比汽油便宜14-17%，比柴油便宜12-74%。
在马来西亚CNG价格是汽油的一半，如表2.7
表2.7燃料价格
注释：
1）资源：
petronas公司油价（2005）
然而，CNG燃料有一些弊端，限制了它获得最优发动机性能的能力，阐述如下：
a．由于CNG以气态形式使用，它的密度很低。
从混合器中进入气缸的CNG代替8-10%的氧气体积。
这降低了氧气含量，因为在燃烧室中更大的空间被CNG代替。
b．CNG燃烧速度很低，比传统燃料例如汽油和柴油，燃烧速度都低。
测试燃烧速度最多有60%的降低。
与汽油和柴油相比，延长了总体燃烧持续期。
引起发动机输出功率进一步降低5-10%。
尽管CNG有劣势，但是优势大于劣势。
2.3CNG混和器
CNG混合器基本特性已知，分析混合器的运转状况。
混合器的运转就是在一个收缩通道中速度的改变引起压力的变化。
反过来影响燃油流量的变化，用所需的比例和主要空气流混合（heywood，1988）。
混合器的尺寸以进入发动机的空气流量为主要依据（maxwell，1995）。
混和器也会引起空气流的压力降，因为它是一个限制空气流动产生燃油抽取的设备。
对增压流的普通原理进行研究，来解释CNG混合器的压力降。
2.3.1目前CNG混合器设计趋势
文丘里混合器就像一个化油器来测量进入发动机的燃料量。
一个研究表明在研究EGR时，CNG混合器的特性要被考虑。
Baert公司（1999）发现，好的混合器的要求如下：
1）为EGR系统的混合器紧凑设计
2）在进气过程中最小流动阻力。
这意味着更小压力差。
3）由于文丘里效应得到的压力差，好的抽取压力主要在喉口部分。
这使得更多的燃料抽进系统。
4）
CNG混合器在设计方面也在进步。
有许多类型的混合器可用。
三种主要的类型定义为：
文丘里、风扇、文丘里-炉混合器，如图2.2（rosli，2002）。
图2.2CNG目前市场上使用的混合器类型
依据（mardani，2003），文丘里和炉型相连接的混合器设计比其他所有类型混合器性能好。
通过测量输出功率发现一个推论，文丘里-炉型混合器在输出功率方面比其他类型混合器更接近汽油机5%。
如图2.3。
图2.3不同混合器设计的功率测试结果（mardani，2003）
在mardani公司的研究中，通过关注角度引起的压力降获得设计的进气和出气角度。
选择产生更低压力降的角度，因为它不限制发动机。
除了这些，角度的尺寸也取决于喉口的湍流量和速度。
拥有更高湍流和更低速度的角度会产生空气和燃料的同质混合物。
在喉口采用带8孔的60度进口角度和30度出口角度的设计，被证明增加了使用CNG发动机的工作性能达到汽油发动机的水平（mardani，2003）。
除了角度之外，CNG混合器的孔正常是设计在混合器的喉口处。
这被luiz发现（1996），他采用文丘里类型混合器开发了奔驰公司带有稀燃系统的NG发动机M336LAG。
燃气从文丘里混合器最窄部分（喉口）的孔加入到空气流中。
混合器安装在增压器之后，接近进气阀。
空燃比受压力调节器、混合器和发动机管理系统要求的燃气流量阀的特性控制。
另一个重要的参数是喉口尺寸。
喉口尺寸影响发动机性能。
Maxwell（1995）在做GMC（5735cc）发动机试验时观测的。
发动机安装在超流量模块SF-800测功机来获取发动机转速、制动转矩、制动马力、水温/进气温度、排气温度和气压。
CNG混合器有比一般的电动节气门更低的流量比率。
这意味着混和器对气流更大的限制。
小、大文丘里混合器最高功率分别降低16.2%和19.7%。
他们得出大号文丘里混合器较小号的产生更少的抽取。
因此导致发动机更少的供油。
因为NG在进气系统中占据很大的比例，使混合器功率损失大约10%。
在混合器设计中，被重要考虑的其他参数是喷嘴距离进气口的距离、文丘里管的直径、节气门开度和混合气比率。
这些是mikio（1988）在观看了二维CNG混合器中NG和空气混合之后观测到的。
Schliren理论被用来观测燃气混合影响。
影响CNG汽车NG和空气混合的参数已经找出。
不充分混合对发动机燃烧和排放特性有相反的影响。
混合器在发动机进气系统上的位置是另一个关注的参数。
位置可以根据多种方法确定。
根据lenz（1992），化油器发动机混合器的安装位置在图2.4中展示。
它应用在节气门之前。
图2.5中说明，在燃油喷射发动机中，混和器一般放在节气门之后。
图2.4化油器的文丘里上部装置
图2.5喷射发动机进气系统中混合器在节气门之后
2.3.2混合器喉口尺寸
早期提到，混和器喉口尺寸根据二冲程发动机空气需求量确定。
空气需求量由发动机转速（N），发动机排量（Vd）和给气比（Dr）。
知道这些，二冲程发动机空气流量比率计算公式为：
Qa=Dr
（2.3）
从公式2.3，给气比很重要，因为它描述吸入发动机的空气量（ferguson，2001）。
给气比被定义为：
给气比，
Dr=
（2.4）
不同的发动机体供不同的给气比。
自然吸气式发动机的气流给气比可低至85%，然而，增压发动机则高达150%。
Mohamed（1998），指出空气流创造的最大抽取只发生在空气速度在可压缩和不可压缩流体临界时，此时的流速是150m/s。
喉口压缩引起速度直线上升，在不忽略流体密度的情况下，喉口的最大速度不能达到150m/s。
确保喉口部分150m/s，通过连续方程能找到喉口部位。
因此，通过解出混合器喉口的圆形横截面积，能得到混合器喉口的直径。
2.3.3混合器的压力降
上面提到了伯努利原理，流体通过文丘里管的速度越快，在这个区域周围压力越低。
如图2.6。
在喉口速度最高，压力最低。
当流体通过文丘里之后，压力不再回到原始压力值。
图2.6中展示了由于喉口节流导致的整体压力差。
这种情况也发生在CNG混合器，因为混合器的形状和文丘里管相近。
图2.6通过文丘里管时速度和压力原理图
在发动机上应用理想的文丘里管是不可能的，因为文丘里管需要很长距离来降低流体的压力损失。
为了中和这个化油器在喉口使用锥形的空气通道，提供最小的压力损失，在最窄的点获得最大真空度。
低流量分离发生在角度为7-12度的漏斗形扩散段期间，整体的压力降很小。
使用漏斗形能降低扩散长度和混和器总体长度（奔驰，1996）。
文丘里管的压力降可以通过伯努利方程计算得出，方程如下：
（2.5）
由于轴向混合器沿着水平轴线，所以重力的影响可以忽略，得到一个更简单的两点间伯努利方程，如公式2.6
（2.6）
压力降通过进入混合器的压力减去流出混合器的压力得到。
公式表达为：
（2.7）
由于Hl的存在产生管路损失，损失的计算也需要把它考虑在内。
模拟和试验被认为是计算损失和压力降的好方法（奔驰，1996）。
发动机为何产生压力降和进气过程中的压力分布，显示在一个更清晰的图片中，如图2.7
图2.7发动机进气冲程压力分布（heywood，1998）
P0，T0是大气环境的压力和温度
Pair是空气滤清器压力损失
是节气门上游上游进气损失
是通过节气门损失
是通过进气阀损失
Heywood（1988），发现大的压力降会引起整个发动机运转的工作性能问题。
这是因为文丘里管布置只能在一定流量比率和压力范围内能够燃油。
选择小尺寸的混合器喉口将会在高发动机转速下对空气进入进气岐管产生更高的节流。
当流量比率升高，文丘里将会开始“喘”。
因此，发动机不会获得理想的运转状况通过相应的增加节气门开度。
在其他的极限状态，当在文丘里中的空气速度很低时，例如在怠速和启动时，通过文丘里的压力降变小。
由于更大的喉口产生太小的压力降，致使在混合器喉口处更少的抽取燃气。
这些极端情况涉及到发动机启动、怠速和低速，节气门不充分的抽取作出响应。
轻度超尺寸的混合器在道路应用上有优势。
这是由于它在更高发动机转速下获得最优性能的原因。
在特定的喉口尺寸的混合器中，设备的总体压力降能够得到。
当发动机转速增加时，通过文丘里的压力降将会提高。
这种情况和限制空气流向发动机的各个部件相似。
图2.8说明了在排气歧管中部件的压力降图是如何绘制出来的（heywood，1988）。
图2.8进气歧管和空气滤清器中的压力降
Patm是大气压力
Pthrottle是节气门之后的压力（heywood，1988）
在混合器中空气流量增加时压力降将会增加,燃料流量也会增加,这是因为在喉口处较低的压力创造了抽吸。
这把空然比降低到浓混合器。
一般情况，发动机在高转速时需要大量的燃油，当发动机转速提高时，空气燃料混合器趋向变得更浓。
混合器产生更多的燃料抽取，能有平稳的发动机运转状态，因为燃料流量不会在高速时阻碍发动机性能。
无论如何，太浓的混合气也会导致发动机熄火，因为燃料远远超过了氧气能燃烧的量。
由于很早对CNG混合器做了讨论，化学计量比混合器对燃料完全燃烧很重要。
鉴于这些原因，混合器应该让空气燃料混合物接近化学计量比范围。
2.3.4CNG混合器和发动机转换箱
CNG混合器是连接发动机和CNG转化系统的部件。
系统本身是由许多在发动机运转时把燃料带到混合器中的部件组成。
有许多类型的转换系统能让发动机使用CNG。
转换系统能分成3个组，它们是：
1.双燃料发动机，这是由一个点燃式汽油机改装成NG汽车，通过各种部件例如气体混合器/化油器、调节阀、节流阀、控制系统和燃油箱。
这种布置保留汽油系统，当CNG加注设备不可用时可以被使用。
2.专门NG发动机，它们是为NG优化的发动机。
它们可以有汽油机改装或者为使用CNG专门设计。
3.二元燃料发动机，它们是使用NG和柴油混合物运行的柴油发动机。
这里引导燃料（柴油）带着混合气一起喷射，之后燃烧。
需要这种喷射方式是因为NG十六烷比率低，适合压燃式发动机。
引导燃料首先燃烧来带动燃烧过程。
在市场上双燃料转换是一种普遍选择，因为使用者可以在两个燃料之间转换，不用对现有发动机做太大的改动。
本研究双燃料转换箱被选择为研究对象，尽管它在市场上已经可以买到。
如附录C。
2.4文献回顾综述
为二冲程发动机和CNG燃料得到的文献是混合器开发的基本知识。
CNG混合器的不同设计说明了文丘里-炉混合器更好，在实际测试中性能也更好。
混合器的工作原理是基于从伯努利方程中得到的文丘里原则。
它在喉口部位产生低压导致NG吸进发动机。
喉口尺寸的计算是通过设定的空气流速和使用连续性方程。
压力降引起燃料抽取。
因为这个原因，燃料和空气混合特性必须达到某个特性才能使发动机上的混合器正常工作。
接近化学计量比的运转环境将使混合器有效工作，通过混合燃料和空气满足发动机燃烧条件，这样可以发生完全燃烧。
第三章文丘里-炉混合器设计
研究以二冲程发动机CNG混合器开发为基础。
执行图3.1中的研究流程。
研究的结果帮助研究人员开始混合器的设计过程。
图3设计CNG混合器的方法
3.1概念设计
设计过程首先开始在概念设计。
混合器外形的原始看法用草图记录。
草图是在设计条件的基础上开发的。
这些预先决定了混合器设计，考虑了在混合器原型中涉及的机械加工工序。
设计条件设置如下：
1．混合器大小按150cc排量的增压二冲程发动机设计。
2．混合器的长度必须是60mm以适应发动机空间分隔。
3．必须使用文丘里-炉类型CNG混合器，在喉口的扩散角度是7°
4．在进口和出口使用对称角度降低混合器尺寸。
5．燃料孔要沿着喉口周围加工，使CNG燃料在空气流中分布均匀
6．模型分成几部分而不是一个部件，这样机加工工序更简单。
7．考虑轻量化和使用容易装配的材料来制造混合器。
因为已经采用了文丘里-炉类型混合器，在混合器形状上有很多想法。
这些外形如图3.2,。
这些外形是在开发阶段，这个阶段对原始设计一直进行改进。
每个造型都被丢弃直到获得一个最后的可接受的设计。
第一个概念，在图3.2（a）中展示一个两个进口的混合器，两个进口需要CNG箱管路系统的修订。
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