缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機(jī)燃燒過程測量分析

周立迎，徐富水，羅福強(qiáng)

（1.貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴 陽 550005；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn) 江 212013）

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，能源安全和環(huán)境問題的日益突出，開發(fā)車用代用燃料成為發(fā)展趨勢。天然氣具有經(jīng)濟(jì)性好、抗爆性好、排污少、資源豐富等特點，成為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拇萌剂希?－3］。

目前，在原有汽油機(jī)或柴油機(jī)基礎(chǔ)上改裝而成的雙燃料發(fā)動機(jī)并沒有表現(xiàn)出良好的性能，隨著缸內(nèi)直噴燃燒技術(shù)的發(fā)展，天然氣和缸內(nèi)直噴技術(shù)相結(jié)合可提高天然氣發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動力性［4－5］。

針對1臺缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架試驗，測量發(fā)動機(jī)缸內(nèi)壓力，分析缸內(nèi)壓力升高率、放熱率及缸內(nèi)溫度等隨轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和點火提前角的變化。

1 試驗裝置及過程

在不改變原機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將1臺4缸、四沖程、四氣門、水冷汽油機(jī)改制為1臺缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機(jī)，其中CNG噴嘴布置在2個進(jìn)氣門之間，噴射壓力為1.8MPa，壓縮比為12∶1，排量為2L，最大扭矩轉(zhuǎn)速為3 800r／min。發(fā)動機(jī)試驗臺架見圖1。采用自行開發(fā)設(shè)計的內(nèi)燃機(jī)工作過程測量分析系統(tǒng)測量發(fā)動機(jī)氣缸壓力，并根據(jù)氣缸壓力計算分析放熱規(guī)律［6－7］，A／D 為12通道，采樣角度可設(shè)置為1°，0.5°，0.25°曲軸轉(zhuǎn)角。氣缸壓力傳感器采用火花塞式壓電壓力傳感器。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)速對缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響

圖2示出在平均有效壓力pme＝0.75MPa、不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。圖3示出在不同轉(zhuǎn)速下最大氣缸壓力及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。在所試驗的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，缸內(nèi)壓力逐漸減小，最大缸內(nèi)壓力基本呈減小趨勢，且其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角向上止點后方向推移。

圖4示出在0.75MPa、不同轉(zhuǎn)速下壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖5示出在0.75MPa、不同轉(zhuǎn)速下最大壓力升高率及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。從圖中可以看出，在上止點附近，隨轉(zhuǎn)速的升高，最大壓力升高率逐漸減小，其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角向上止點后方向移動，與缸內(nèi)壓力的變化趨勢一致。

圖6示出0.75MPa、不同轉(zhuǎn)速下放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖7示出在0.75MPa、不同轉(zhuǎn)速下最大放熱率及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。由圖可以看出，隨轉(zhuǎn)速的升高，燃燒始點推遲，單位曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)時間減少，以曲軸轉(zhuǎn)角計放熱率及最大放熱率減小。這是因為隨轉(zhuǎn)速的增加，以曲軸轉(zhuǎn)角計的燃燒滯燃期增加，此外，單位曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的時間減少，也是造成放熱率峰值下降的一個重要原因。隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大放熱率對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角向上止點后方向移動。

圖8示出在0.75MPa、不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖9示出在0.75MPa、不同轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)最高溫度及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。由于轉(zhuǎn)速升高，燃燒始點推遲，使得缸內(nèi)溫度曲線向遠(yuǎn)離上止點后方向平移；且缸內(nèi)最高溫度逐漸減小，而其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角隨轉(zhuǎn)速的升高而延后。這是因為，轉(zhuǎn)速增加，著火延遲，最高燃燒溫度下降，其相位遠(yuǎn)離上止點。

2.2 負(fù)荷對CNG發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響

圖10示出發(fā)動機(jī)在3 600r／min、不同負(fù)荷下的缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖11示出在不同負(fù)荷下缸內(nèi)最高壓力及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)速一定時，隨著負(fù)荷增加，最大缸內(nèi)壓力增加。這是因為，隨負(fù)荷的增加，進(jìn)入缸內(nèi)的燃料和新鮮空氣增加，但留在氣缸內(nèi)的殘余廢氣量不變，使殘余廢氣系數(shù)下降；另一方面，負(fù)荷增加，燃燒滯燃期減小，火焰?zhèn)鞑ニ俾始涌?，氣缸壁傳熱損失相對減少，發(fā)動機(jī)的熱狀態(tài)提高。最大缸內(nèi)壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角與負(fù)荷之間沒有很明確的對應(yīng)關(guān)系。

圖12示出在3 600r／min、不同負(fù)荷下缸內(nèi)壓力升高率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖13示出在3 600r／min、不同負(fù)荷下最大壓力升高率及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。隨負(fù)荷的增加，最大壓力升高率逐漸增大。這說明負(fù)荷增加，缸內(nèi)的熱狀態(tài)提高，燃燒速率加快。最大壓力升高率到達(dá)時刻與負(fù)荷之間沒有很明確的對應(yīng)關(guān)系。

圖14示出在3 600r／min、不同負(fù)荷下放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖15示出在3 600r／min、不同負(fù)荷下最大放熱率及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。由圖可以看出，不同負(fù)荷下的放熱率曲線始點沒有很明顯的區(qū)別，但是進(jìn)入急燃期以后，隨著負(fù)荷的增加，燃燒放熱率及最大放熱率增加。這是因為隨負(fù)荷的增加，噴入氣缸的CNG燃料增加，相對傳熱損失減少，缸內(nèi)的熱狀態(tài)提高，火焰?zhèn)鞑ニ俾试黾樱瑔挝粫r間燃燒的燃料量增加，放熱率提高。不同負(fù)荷下的放熱率曲線終點沒有很明顯的區(qū)別，這說明負(fù)荷對燃燒持續(xù)期沒有顯著的影響。小負(fù)荷工況下熱效率較低，大負(fù)荷時這種情況會得到改善［8］。最大放熱率到達(dá)時刻與負(fù)荷之間沒有很明確的對應(yīng)關(guān)系。

圖16示出在3 600r／min、不同負(fù)荷下缸內(nèi)溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化，圖17示出在3 600r／min、不同負(fù)荷下缸內(nèi)最高溫度及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。由圖可知，轉(zhuǎn)速一定時，隨負(fù)荷增加，缸內(nèi)最高溫度逐漸增加，這是因為隨負(fù)荷的增加，充量增加，噴入氣缸的CNG燃料增加，殘余廢氣系數(shù)下降，缸內(nèi)的熱狀態(tài)提高［9］，火焰?zhèn)鞑ニ俾试黾?，缸?nèi)最高溫度增加。燃燒進(jìn)入后燃期后，溫度開始下降，但是下降都比較緩慢，因為在后燃期內(nèi)還有較多的燃料在燃燒，由于此時活塞已經(jīng)下行，放出的熱量沒有得到充分利用，熱效率降低。隨負(fù)荷的增加，缸內(nèi)最高溫度對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角向偏離上止點后方向移動。

2.3 點火提前角對CNG發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響

圖18示出3 800r／min、全負(fù)荷時點火提前角對發(fā)動機(jī)動力性能及經(jīng)濟(jì)性能的影響。由圖可以看出，隨著點火提前角的增加，有效功率先增加后減小，當(dāng)點火提前角為34°曲軸轉(zhuǎn)角時達(dá)到峰值；而有效燃?xì)庀穆蕜t是先下降后上升，在點火提前角為34°曲軸轉(zhuǎn)角時達(dá)到最低值。顯然，轉(zhuǎn)速為3 800r／min、全負(fù)荷時，最佳點火提前角在34°曲軸轉(zhuǎn)角附近。

圖19示出在轉(zhuǎn)速為3 800r／min、全負(fù)荷時，不同點火提前角下的缸內(nèi)壓力。由圖可以看出，隨點火提前角的減小，最大缸內(nèi)壓力減小，其對應(yīng)的燃燒相位推遲，燃燒持續(xù)期延長。當(dāng)點火提前角超過最佳時刻繼續(xù)變大時，缸內(nèi)的壓力值仍繼續(xù)升高，這說明缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俾始叭紵俾蕦c火提前角很敏感。因為點火提前角增大后，燃燒始點提前，在燃料燃燒和活塞壓縮壓力的共同作用下，缸內(nèi)壓力峰值增加，缸內(nèi)燃燒更加劇烈以至于壓力升高率增加。隨著點火提前角的增大，最高氣缸壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角不斷向上止點靠近。

圖20示出在轉(zhuǎn)速為3 800r／min、全負(fù)荷時，不同點火提前角下的壓力升高率。隨著點火提前角的增大，壓力升高加快；最大壓力升高率也隨著點火提前角的增大而增加，其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也不斷向前移，這說明隨著點火提前角的不斷增大，發(fā)動機(jī)的爆燃傾向加大，所以應(yīng)當(dāng)控制發(fā)動機(jī)的點火提前角在合適的范圍內(nèi)。

圖21示出在3 800r／min、不同點火提前角下放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。從放熱率曲線可知，隨著點火提前角的增大，放熱率到達(dá)峰值的時間逐漸縮短，發(fā)動機(jī)的熱效率得到提高。隨著點火提前角向最佳值靠近，放熱率峰值不斷增大且其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角不斷向上止點靠近，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，燃燒速度增加；當(dāng)點火提前角超過最佳點火提前角后，放熱率峰值有所下降。結(jié)合圖19可以看出，隨著點火提前角的增加，后燃期不斷縮短，即在后燃期燃燒的燃料減少，這在一定程度上提高了缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。但是當(dāng)點火提前角超過最佳值而進(jìn)一步增大時，壓縮負(fù)功增加，且后燃期縮短的趨勢越來越小，說明單純依靠增大點火提前角是無法徹底改善CNG發(fā)動機(jī)后燃期長這一缺點的［10］。

圖22示出在3 800r／min、不同點火提前角時缸內(nèi)溫度的變化曲線。由圖可知，隨著點火提前角的增大，燃燒溫度峰值增大且其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角靠近上止點，說明點火提前角對急燃期的影響顯著。

3 結(jié)論

a）在負(fù)荷一定時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，最大缸內(nèi)壓力、最大缸內(nèi)壓力升高率、最大放熱率及缸內(nèi)最高溫度都減??；

b）在轉(zhuǎn)速一定時，隨負(fù)荷的增加，最大缸內(nèi)壓力、最大缸內(nèi)壓力升高率、最大放熱率及缸內(nèi)最高溫度逐漸增加；

c）點火提前角對缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機(jī)的壓力、溫度等參數(shù)影響顯著，存在一最佳點火提前角，此時發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性最佳。

［1］ 朱劍明，彭代勇.世界能源現(xiàn)狀與內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展機(jī)遇［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32（3）：80－84.

［2］ 劉亮欣，黃佐華，蔣德明，等.天然氣缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)燃燒循環(huán)變動特性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2005，23（1）：18－27.

［3］ 胡春明，侯圣智，趙文鋒，等.低壓缸內(nèi)直噴CNG發(fā)動機(jī)燃燒特性的影響因素［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010，16（5）：446－451.

［4］ 鄭建軍，黃佐華，王金華，等.直噴式天然氣發(fā)動機(jī)不同壓縮比下燃燒循環(huán)變動規(guī)律［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2011，29（2）：97－104.

［5］ Meyers D P，Bourn G D，Kubesh J T，et al.Evaluation of six natural gas combustion systems for LNG loco－motive applications［C］.SAE Paper 972967，1997.

［6］ 羅福強(qiáng)，高宗英.柴油機(jī)瞬變工況瞬時轉(zhuǎn)速及工作過程測量分析系統(tǒng)［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，1996，17（1）：13－17.

［7］ 羅福強(qiáng)，李小華，湯 東，等.生物制氣－柴油雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒特性研究［J］.工程熱物理，2004，25（5）：879－882.

［8］ 郭云杰.轎車用單一燃料電控噴射天然氣發(fā)動機(jī)性能的試驗與計算研究［D］.天津：天津大學(xué)，2010：10－14.

［9］ Payri F，Lujan J M，Martn J.Digital Signal Processing of in－cylinder Pressure for Combustion Diagnosis of Internal Combustion Engines［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2010，24：1767－1784.

［10］ 諸曉亮.液化石油氣發(fā)動機(jī)燃燒特性的試驗研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008：43－48.