汽油改天然氣發(fā)動機(jī)燃燒特性研究

張 林

（柳州五菱柳機(jī)動力有限公司，廣西 柳州545005）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油資源的消耗量不斷增加。汽車是石油資源的消耗大戶，它會排出大量的有害物和溫室氣體CO2，污染大氣環(huán)境質(zhì)量，并在一定程度上改變氣候環(huán)境。因此，提高汽車發(fā)動機(jī)的熱效率，減少其有害排放物已成為今后相當(dāng)長的時間內(nèi)汽車發(fā)動機(jī)要解決的難題。在這種形勢下，合理的利用礦物資源、開發(fā)“清潔燃料”將是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，汽車發(fā)動機(jī)燃用氣體燃料（如天然氣、液化石油氣）將是最為現(xiàn)實而且技術(shù)相當(dāng)成熟的方案之一[1]。

天然氣發(fā)動機(jī)有著很多突出優(yōu)點，例如有害排放物少，屬于清潔能源；辛烷值高，約為130，這為增加天然氣發(fā)動機(jī)的壓縮比，提高熱效率，降低CO2排放提供了條件。對于火花點火天然氣發(fā)動機(jī)來說，天然氣的著火溫度比汽油機(jī)高，所以點火系統(tǒng)必須采用高能點火系統(tǒng)；由于天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度比較高，為防止火花塞過熱，設(shè)計時選擇冷型火花塞。天然氣作為發(fā)動機(jī)燃料帶來的主要問題是功率的下降。天然氣是一種氣體燃料，若采用進(jìn)氣管或進(jìn)氣道方式供氣，則會減少進(jìn)氣缸的空氣量，發(fā)動機(jī)的容積效率會降低，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)的功率和動力性有一定程度的下降[2]。本文研究的是天然氣發(fā)動機(jī)的供氣控制方式和進(jìn)氣提前角度對發(fā)動機(jī)燃燒的影響。

1 試驗裝置及方法

試驗是在一臺由4缸汽油機(jī)改裝而成的天然氣發(fā)動機(jī)上進(jìn)行的。由于通道采集設(shè)備的有限，本次試驗只能采集一個缸的數(shù)據(jù)。先對氣缸進(jìn)行缸壓測量，得到每個缸的缸壓接近，所以就選擇了采集第一缸的氣缸壓力信號，每個轉(zhuǎn)速共采集100到200個循環(huán)。

試驗時，先將發(fā)動機(jī)熱機(jī)至水溫為（85±3）℃、機(jī)油溫度為（90±3）℃，然后進(jìn)行外特性試驗。試驗過程中先進(jìn)行進(jìn)氣VVT角度不變改變混合氣混合方式的對比試驗，即天然氣節(jié)氣門前單點預(yù)混合和進(jìn)氣道多點噴射；再進(jìn)行混合氣混合方式不變，改變進(jìn)氣VVT角度的對比試驗。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為DEWETRON燃燒分析儀。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同混合方式天然氣發(fā)動機(jī)燃燒特性對比

由平均有效壓力變化圖（圖1）和燃燒持續(xù)期變化圖（圖2）可以看出，在高速（3 200 r/min以上）下，兩種混合方式對天然氣發(fā)動機(jī)燃燒影響不大，但是在3 200 r/min以下，多點混合方式下發(fā)動機(jī)燃燒更好，燃燒持續(xù)期更短，IMEP更高[3]，說明低速下，單點預(yù)混合方式天然氣對進(jìn)氣充量影響更大，這主要是因為單點預(yù)混合是靠進(jìn)氣負(fù)壓吸入天然氣，低速時過量空氣系數(shù)過大導(dǎo)致燃燒熱效率下降，而多點噴射方式是靠ECU控制進(jìn)氣，可以更好的調(diào)整噴氣量。

圖1 不同混合方式下IMEP隨轉(zhuǎn)速變化圖

圖2 不同混合方式下燃燒持續(xù)期隨轉(zhuǎn)速變化

從燃燒循環(huán)變動率變化圖（圖3）可以得知多點噴射方式下氣缸燃燒的穩(wěn)定性更好，天然氣由ECU控制噴射系統(tǒng)噴射，混合氣分配更均勻；而單點預(yù)混合時混合氣的濃度容易波動，單缸進(jìn)氣濃度無法調(diào)控，不能形成穩(wěn)定的燃燒。

圖3 不同混合方式下循環(huán)變動率隨轉(zhuǎn)速變化圖

2.2 不同進(jìn)氣VVT提前角天然氣發(fā)動機(jī)燃燒特性對比

由平均有效壓力圖（圖4）和最大壓力變化圖（圖5）可以看出，在全負(fù)荷工況轉(zhuǎn)速為1 400 r/min~2 400 r/min下，進(jìn)氣VVT提前角在20 deg時是最佳提前角，這時進(jìn)氣充量大，換氣效率好，配合點火，可以得到很好的燃燒效率和爆發(fā)壓力。而過于提前會造成廢氣排不凈，影響燃燒；過于滯后則會進(jìn)氣不足，后兩者燃燒效率都會下降，爆發(fā)壓力較小[3]。

圖4 不同進(jìn)氣VVT提前角下全負(fù)荷平均有效壓力隨轉(zhuǎn)速變化圖

圖5 不同進(jìn)氣VVT提前角下全負(fù)荷最大壓力隨轉(zhuǎn)速變化圖

3 結(jié)束語

本文通過分析平均有效壓力，燃燒持續(xù)期，最大壓力和循環(huán)波動等數(shù)據(jù)來研究天然氣發(fā)動機(jī)在不同混合氣混合方式和不同進(jìn)氣VVT提前角下缸內(nèi)燃燒情況。研究表明進(jìn)氣道多點噴射方式下，天然氣發(fā)動機(jī)燃燒效率更高，燃燒更穩(wěn)定，燃?xì)饪刂聘_均勻[4]；發(fā)動機(jī)存在最佳進(jìn)氣提前角，使進(jìn)氣更充分，換氣更好，燃燒更快。

[1]孫濟(jì)美.代用燃料汽車技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2002，（11）：33-36.

[2]施國林.壓縮天然氣發(fā)動機(jī)的開發(fā)[J].小型內(nèi)燃機(jī)，1997，（4）：66-69.

[3]蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[4]Simon KC，et al.Gas engine combustion principle and applications[J].SAE paper，2001-01-2489.