某小型天然氣增壓發(fā)動機燃料噴射時間對性能的影響研究

朱云峰 史程中 楊 陳 尹建東 沈 源 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機有限公司）

引言

研究表明[1]，在氣道多點噴射的天然氣（CNG）發(fā)動機工作過程中，燃料噴射時間對發(fā)動機的性能、燃油消耗率以及排放均有較大的影響。

在發(fā)動機運行的每個工況匹配最佳的燃料噴射時間，可有效抑制爆震發(fā)生，從而使點火角大幅度提前，使燃油經(jīng)濟性提高。同時，合適的燃料噴射時間可降低天然氣發(fā)動機的HC、NOx排放，為滿足日趨嚴格的排放法規(guī)提供最初始的排放控制手段。

本文采用一臺3缸1.0T渦輪增壓天然氣（CNG）發(fā)動機，針對不同燃料噴射時間對發(fā)動機運行情況的影響進行了深入分析。

1 試驗設(shè)備

1.1 試驗臺架

發(fā)動機的性能試驗臺架如圖1所示。

圖1 性能試驗臺架

試驗用發(fā)動機的主要參數(shù)見表1。

表1 試驗用發(fā)動機的主要參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

試驗所用主要測試設(shè)備見表2。

表2 試驗所用主要設(shè)備

2 試驗方法及條件

2.1 試驗方法

試驗用發(fā)動機為一臺3缸1.0T渦輪增壓天然氣（CNG）發(fā)動機，空燃比控制采用閉環(huán)控制，過量空氣系數(shù)為1。

控制點火提前角，使AI50的對應(yīng)轉(zhuǎn)角在7～8°CA之間[2]。天然氣具有較強的抗爆性[3]，辛烷值達到110以上，理論上不存在爆震現(xiàn)象[4]。但由于是增壓發(fā)動機，過大的點火提前角會導致缸內(nèi)爆發(fā)壓力超過設(shè)計限值[5]，為了使最大爆發(fā)壓力不超過設(shè)計限值，點火提前角不宜過大。

通過調(diào)節(jié)增壓器電子放氣閥的占空比來精確控制增壓壓力，以達到各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的性能設(shè)計指標。

本文采用轉(zhuǎn)速2000 r/min、平均有效壓力（BMEP）1MPa作為試驗工況，調(diào)整燃料噴射時間，將步長設(shè)為20°CA，觀察不同噴射時間轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率、各排放指標的變化趨勢。

試驗時，發(fā)動機的運行轉(zhuǎn)速與選定轉(zhuǎn)速2000 r/min相差不超過1%，或誤差在±10 r/min之間，待轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及排氣溫度穩(wěn)定1min后，方可進行測量，測量時間不少于15 s。

2.2 試驗邊界條件

試驗所用燃氣組分見表3，其甲烷成分達到96%以上。

考慮到燃燒噪聲、機械負荷等設(shè)計限值，發(fā)動機的試驗邊界條件見表4。

表3 試驗用壓縮天然氣燃料組分及特性

表4 發(fā)動機燃燒邊界控制限制

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 燃料噴射時間對燃油經(jīng)濟性的影響

發(fā)動機轉(zhuǎn)矩不變，平均有效壓力保持在1MPa，對比不同燃料噴射時間對燃油經(jīng)濟性的影響，針對不同的燃料噴射時間，利用燃料噴射終了時刻（EOI）為表征。不同EOI下的燃油消耗率如圖2所示。

圖2 不同EOI下的燃油消耗率

從圖2可以看出，隨著燃料噴射時間的增大，燃油消耗率出現(xiàn)先下降后升高的趨勢。在360~450°CA區(qū)間內(nèi)，即在氣門開啟階段進行噴射，燃油經(jīng)濟性較好。由于是氣道燃料噴射，在掃氣過程中，過早的燃料噴射會使燃油消耗率增加。反之，若燃料噴射過晚，燃燒滯后并延伸到膨脹過程中進行，燃燒效率下降，燃油消耗率增加。

3.2 燃料噴射時間對燃燒的影響

燃料噴射時刻直接關(guān)系到氣缸內(nèi)可燃氣體混合的效果，進而影響發(fā)動機燃燒特性。不同EOI下的點火提前角變化如圖3所示。從圖3可以看出，隨著燃料噴射時間的增大，點火提前角變化并不大。

圖3 不同EOI下的點火提前角

不同EOI下的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力平均值變化如圖4所示。從圖4可以看出，隨著燃料噴射時間的增大，最大爆發(fā)壓力呈逐漸減小的趨勢，最大變化幅度約為0.3MPa左右。爆發(fā)壓力的變化體現(xiàn)了發(fā)動機燃燒效率的變化。

圖4 不同EOI下的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力平均值

燃燒始點定義為燃燒10%燃料所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；燃燒終點定義為燃燒90%燃料所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；AI50是燃燒50%燃料所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。AI50是評價發(fā)動機燃燒狀態(tài)的重要指標，理論上，AI50值在8°CA左右時，燃料的燃燒效率最高。AI50隨EOI的變化如圖5所示。從圖5可以看出，AI50隨燃料噴射時間的增加而逐漸增大，燃燒效率逐漸變差。

圖5 AI50隨EOI的變化

3.3 燃料噴射時間對排放的影響

環(huán)境污染已成為當今世界共同面臨的難題，而汽車排放污染是環(huán)境污染的主要來源之一。我國汽車保有量不斷增加，控制汽車排放是重中之重。在汽車發(fā)動機設(shè)計初期將發(fā)動機的原始排放作為重點考查對象，可有效減小排放后處理的壓力。

THC排放隨EOI的變化如圖6所示。從圖6可看出，隨著燃料噴射時間的增大，THC排放出現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且在噴射時間為360~450°CA時出現(xiàn)THC最低排放值。

圖6 THC排放隨EOI的變化

EOI在360°CA之前，由于CNG氣體在進氣行程前就已完成噴射。CNG氣體和空氣在進氣歧管內(nèi)混合，由于CNG為氣態(tài)，占據(jù)一定的體積，導致進氣歧管壓力增加。進氣行程前期，存在一定的氣門重疊角，出現(xiàn)嚴重的掃氣現(xiàn)象，增加了THC排放。

隨著噴射時刻的延后，進氣門開啟時，CNG氣體同新鮮空氣一起被吸入氣缸內(nèi)，不存在CNG氣體占據(jù)進氣歧管體積的現(xiàn)象，掃氣現(xiàn)象減緩。同時，在氣體流動過程中，CNG氣體和新鮮空氣充分混合，使燃燒更充分。

但是燃料噴射過晚，使進氣門關(guān)閉前沒有足夠的噴射持續(xù)時間，導致CNG氣體難以進入氣缸內(nèi)，部分CNG氣體積存在進氣歧管內(nèi)，出現(xiàn)與過早噴射類似的現(xiàn)象。

NOx排放隨EOI的變化如圖7所示。

圖7 NO x排放隨EOI的變化

從圖7可看出，NOx排放隨燃料噴射時間的變化較小。EOI在360～450°CA之間，NOx的排放值相對較小。

從圖6、圖7所反映的各排放物隨燃料噴射時間的變化趨勢可知，合理調(diào)整控制參數(shù)，可實現(xiàn)最佳的排放水平。

4 結(jié)論

1）通過對CNG發(fā)動機不同燃料噴射時間燃油經(jīng)濟性和排放的研究可知，在2 000 r/min、1MPa工況下，最佳EOI為400°CA。根據(jù)CNG發(fā)動機噴嘴的噴射特性，可將噴射脈寬定為10ms，燃料噴射開始時刻定為280°CA，即將CNG發(fā)動機的主要燃料噴射時間定在進氣門開啟階段內(nèi)，此過程為開閥噴射。

2）CNG發(fā)動機燃料噴射時間對發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性、排放均有較大影響，標定過程中，確定最佳的噴射時間，不但能提高發(fā)動機性能，同時可降低發(fā)動機排放。

1 Hall Jonathan,BassettMike,Hibberd Benjamin,etal.Heavily downsized demonstrator engine optimised for CNG operation[C].SAEPaper2016-01-2363

2 黃海波.燃氣汽車結(jié)構(gòu)原理與維修（第一版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002

3 孫濟美，郭英男，洪偉，等.代用燃料汽車技術(shù)（二）世界汽車技術(shù)發(fā)展跟蹤研究（五）[J].汽車工藝與材料，2002（12）：1-5

4 姚勇.CNG發(fā)動機和汽油機燃燒的比較分析[J].車用發(fā)動機，2005（5）：31-33

5 卓斌.天然氣發(fā)動機燃燒特征與功率恢復[J].車用發(fā)動機，1999（1）：11-17