高效天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)

0 前言

天然氣是交通運(yùn)輸領(lǐng)域“可持續(xù)交通”和“低碳化”的主要資源[1]。壓縮天然氣(CNG)是一種有效、經(jīng)濟(jì)、可直接獲取的燃料，可以減輕城市的環(huán)境污染、降低CO2排放。CNG作為汽車燃料，因其自身的清潔性以及在碳基燃料中含碳量最低，對(duì)清潔環(huán)境和緩解氣候變化具有重要的作用。

此外，如果根據(jù)第三生物燃料規(guī)范[2]，通過(guò)生物質(zhì)或液體肥料生產(chǎn)可再生的CNG，即所謂的生物甲烷，其能夠達(dá)到中碳燃料級(jí)別。

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，CNG就凸顯出各種優(yōu)勢(shì)：在各種替代燃料中成本最低，具有足夠的續(xù)航里程，加油站的數(shù)量也在持續(xù)增長(zhǎng)[3]。

20多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)(圖1)證實(shí)了當(dāng)前技術(shù)的穩(wěn)定性[4]：(1)所有工況下都為奧托循環(huán)和化學(xué)當(dāng)量燃燒；(2)特制的點(diǎn)火系統(tǒng)(火花塞/線圈)；(3)氣道燃料噴射(連續(xù)多點(diǎn)噴射)；(4)特制材料(氣門座/氣門)、三元催化器和控制策略；(5)部件安全性最佳的CNG供給和存儲(chǔ)系統(tǒng)。

圖1 CNG技術(shù)發(fā)展

借助以上技術(shù)，最新的歐6 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)[5]：(1)通過(guò)全新的增壓系統(tǒng)改善性能；(2)可靠性和可維護(hù)性等同于汽油機(jī)；(3)CO2排放滿足歐盟2020排放目標(biāo)；(4)達(dá)到至少300 km的續(xù)航里程，高于燃用汽油車的續(xù)航里程；(5)與汽油機(jī)相比，燃料箱容積不變。

當(dāng)前的CNG技術(shù)已經(jīng)成熟，下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種能夠利用CNG的全部?jī)?yōu)勢(shì)， 并避免以下缺點(diǎn)的新技術(shù)[6]：(1)消除性能差距，達(dá)到類似汽油機(jī)的性能；(2)消除安裝影響，與現(xiàn)代直噴發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配；(3)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，滿足2020后CO2排放挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)類似于汽油機(jī)性能的基本理念是采取通過(guò)在進(jìn)氣閥關(guān)閉后直接將CNG噴入到燃燒室的技術(shù)手段，以消除氣道燃料噴射所致的容積效率損失，使CNG捕獲所需的空氣[7]。

CNG直噴技術(shù)是在低壓工況下將燃料噴入燃燒室，避免采用昂貴的系統(tǒng)再次壓縮燃料[8]。

由于CNG的高辛烷值，采用高壓縮比以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率[9]。

為定量評(píng)估上述技術(shù)，相關(guān)文獻(xiàn)通過(guò)模擬和試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了研究[10]。本研究采用CNG側(cè)面直噴代替中部直噴，同時(shí)匹配高壓縮比、增壓和可變氣門驅(qū)動(dòng)技術(shù)。為評(píng)估CNG直噴技術(shù)在空氣與燃?xì)饣旌?、性能以及燃燒等方面改善的潛力，將CNG進(jìn)氣道噴射技術(shù)作為一種參照。

1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)設(shè)備

該研究所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)為1.4 L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，主要參數(shù)列于表1。發(fā)動(dòng)機(jī)供給100% 甲烷CH4燃料(低熱值50 MJ/kg)。

表1 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)裝有常用于汽油機(jī)的可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)氣門通過(guò)獨(dú)特的電子—液壓驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，其工作原理如圖2所示。凸輪作用于活塞，活塞通過(guò)液壓室與進(jìn)氣門連接，液壓室充滿潤(rùn)滑油，耦合或解耦凸輪型線與氣門運(yùn)動(dòng)。液壓室內(nèi)的壓力通過(guò)電磁閥的開(kāi)/關(guān)控制。氣門關(guān)閉行程通過(guò)精密的液壓制動(dòng)器控制，確保氣門輕柔落座。設(shè)計(jì)特定的凸輪型線優(yōu)化CNG燃燒。

圖2 可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)了一種安裝CNG側(cè)面直噴噴油器的新型結(jié)構(gòu)(圖3)，代替了傳統(tǒng)的汽油直噴安裝結(jié)構(gòu)，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

圖3 CNG側(cè)面直噴安裝結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)汽油直噴結(jié)構(gòu)對(duì)比

試驗(yàn)采用的CNG直噴噴油器由德?tīng)柛?Delphi)公司提供，其裝有由峰值和保持指令控制外置的開(kāi)閥結(jié)構(gòu)。主要特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CNG直噴噴油器參數(shù)

噴油器裝有電磁提升式針閥。噴射開(kāi)始時(shí)，針閥提升，與針閥座分離，打開(kāi)環(huán)形流通通道。環(huán)形通道與針閥周圍開(kāi)口上游的部分噴油器內(nèi)部通道成軸向?qū)ΨQ。

為精確計(jì)量通過(guò)噴油器的CNG量，通常采用節(jié)流結(jié)構(gòu)。通過(guò)閥門的燃?xì)饨档土吮┞队谌紵一鹧娴膰娪推黝^部的溫度。噴油器頭部的最大測(cè)量溫度低于150 ℃，遠(yuǎn)低于其最大允許值。

噴油原理示于圖4。閥門關(guān)閉后，立即開(kāi)始噴油，噴油必須在燃燒室壓力超過(guò)最大允許值(絕對(duì)壓力1.6 MPa)之前結(jié)束。

圖4 CNG直噴策略與進(jìn)氣門早關(guān)耦合

為實(shí)現(xiàn)如圖5所示的高壓縮比13，對(duì)燃燒室活塞形狀進(jìn)行修改。

圖5 高壓縮比CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)活塞形狀與 傳統(tǒng)汽油機(jī)活塞形狀對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上裝有4個(gè)壓電傳感器和用于缸內(nèi)指示功分析的高分辨率(0.2 °CA)的編碼器及特制的控制系統(tǒng)(圖6)。

圖6 CNG直噴控制系統(tǒng)

2 空氣/天然氣混合模擬

為了解全負(fù)荷和部分負(fù)荷工況下采用CNG側(cè)面直噴時(shí)空氣/天然氣的混合特性，并驗(yàn)證氣缸蓋上噴油器安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了CFD仿真分析。

基于有限元方法(具有雷諾平均N-S求解器的二階數(shù)值微分方案)和標(biāo)準(zhǔn)的k-ξ湍流子模型，采用商用CFD軟件模擬空氣/天然氣混合?；钊蜌忾T采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格，進(jìn)氣管和CGN噴油器采用靜態(tài)網(wǎng)格。

噴油器計(jì)算網(wǎng)格單元成軸向?qū)ΨQ分布，呈柱狀形。

本研究沒(méi)有考慮點(diǎn)火和燃燒子模型，僅進(jìn)行了空氣/天然氣混合，主要是考慮到點(diǎn)火時(shí)刻前采用側(cè)面噴射時(shí)火花塞附近可燃混合氣的均勻性。

發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算點(diǎn)選擇了對(duì)空氣/天然氣混合最關(guān)鍵的工況，分別是掃氣階段(全負(fù)荷1 750 r/min)和低負(fù)荷(轉(zhuǎn)速2 000 r/min，BMEP 0.4 MPa)工況下(圖7)。

圖7 進(jìn)氣閥和排氣閥升程曲線及噴射正時(shí)

CFD模擬證實(shí)，CNG側(cè)面直噴會(huì)在火花塞附近產(chǎn)生合適的可燃混合氣(圖8)。

圖8 空氣/天然氣混合過(guò)程的CFD預(yù)測(cè)(轉(zhuǎn)速2 000 r/min， BMEP 0.4 MPa(360°CA為燃燒上止點(diǎn)))

CFD預(yù)測(cè)表明，接近燃燒上止點(diǎn)和點(diǎn)火時(shí)刻前，火花塞附近混合氣的當(dāng)量比等于1， 能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定燃燒，減少了廢氣排放。

3 矩陣試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上裝機(jī)后，采用矩陣試驗(yàn)研究全負(fù)荷和部分負(fù)荷最佳噴射策略下，CNG直噴在實(shí)現(xiàn)最低燃料消耗方面相對(duì)氣道噴射的優(yōu)勢(shì)。

在由50個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)組成的試驗(yàn)矩陣下評(píng)估CNG直噴的優(yōu)勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～5 000 r/min，平均有效壓力(BMEP)在0.2～2.3 MPa，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)研究的測(cè)試矩陣

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷下的每一工況點(diǎn)，在不超過(guò)以下限值的情況下，研究發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率優(yōu)勢(shì)：(1)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速：240 000 r/min；(2)增壓壓力絕對(duì)值：2.5 MPa；(3)缸內(nèi)峰值壓力：10 MPa；(4)渦輪進(jìn)口溫度：950 ℃；(5)中冷器出口溫度：固定值50 ℃；(6)λ：固定值為1(化學(xué)當(dāng)量)，即空燃比為17.2。

由于100% CH4燃料的辛烷值高達(dá)130，可以進(jìn)行點(diǎn)火提前優(yōu)化。試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象。

此外，在部分負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，節(jié)氣門開(kāi)度為最大，可以通過(guò)合理調(diào)節(jié)渦輪增壓器廢氣閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)整增壓壓力，從而達(dá)到各工況下的BMEP目標(biāo)。

4 結(jié)果與討論

圖10展示了CNG缸內(nèi)直噴相對(duì)于氣道燃料噴射在性能提升方面的優(yōu)勢(shì)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)低速、中速和全負(fù)荷下，采用CNG缸內(nèi)直噴并且匹配可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，性能顯著提升。發(fā)動(dòng)機(jī)低速下，缸內(nèi)直噴可以促進(jìn)掃氣效果。

因此，標(biāo)定扭矩曲線總體上與汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)重疊。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2 250 r/min時(shí)，盡管增壓壓力低，采用缸內(nèi)直噴提升了容積效率，低速工況下可以實(shí)現(xiàn)良好的性能(圖11)。

圖11 CNG缸內(nèi)直噴相對(duì)氣道噴射的容積效率(全負(fù)荷)

容積效率通過(guò)所測(cè)實(shí)際空氣流量與理論空氣流量之比計(jì)算。

相對(duì)氣道噴射，缸內(nèi)直噴的另一優(yōu)勢(shì)在于發(fā)動(dòng)機(jī)任意轉(zhuǎn)速下燃燒速度更快，如圖12所示。

圖12 燃燒持續(xù)期量化為已燃質(zhì)量平均百分比10%～ 90%(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min，全負(fù)荷)

采用氣道噴射時(shí)，為實(shí)現(xiàn)理想的低速扭矩，需要減小點(diǎn)火提前角以輸出足夠的能量到渦輪，但其缺陷是燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)。

與氣道燃料噴射相比，采用缸內(nèi)直噴燃燒速度更快(圖13)，點(diǎn)火提前角最佳，排氣壓力和溫度均下降。

圖13 含噴射過(guò)程和燃燒持續(xù)期的工作循環(huán)過(guò)程 (發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min，全負(fù)荷)

較低的排氣壓力意味著較低的泵氣負(fù)功，如圖14所示。因此，在固定的功率輸出情況下，相對(duì)氣道燃料噴射， CNG缸內(nèi)直噴的有效熱效率更高。

圖14 CNG缸內(nèi)直噴和氣道燃料噴射的低壓燃燒 循環(huán)(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min，全負(fù)荷)

結(jié)合如下技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)上述這些結(jié)果：(1)化學(xué)當(dāng)量燃燒；(2)燃燒穩(wěn)定性良好(平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)(COV IMEP)小于3%)；(3)無(wú)敲缸現(xiàn)象；(4)米勒循環(huán)。

如圖15所示，使用CNG燃料時(shí)，進(jìn)氣門早關(guān)總是優(yōu)于進(jìn)氣門晚關(guān)，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的奧托循環(huán)相比膨脹比更高，可以提高容積效率。

圖15 性能固定時(shí)進(jìn)氣門早關(guān)減小增壓壓力

CNG直噴比氣道噴射燃燒速度更快，為解釋其物理原因，通過(guò)CFD仿真計(jì)算了燃燒室內(nèi)的湍流動(dòng)能(圖16)。相比氣道噴射，CNG缸內(nèi)直噴點(diǎn)火時(shí)刻的湍流動(dòng)能更高，燃燒速度更快。

研究了部分負(fù)荷工況下的CNG直噴，也掌握了噴油結(jié)束時(shí)刻的最佳噴射策略。為解釋CNG直噴特性，展示了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，BMEP 0.4 MPa(圖17和圖18)。

圖18 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，BMEP 0.4 MPa工況下燃 燒持續(xù)期與噴油結(jié)束時(shí)刻的關(guān)系(參照燃燒上止點(diǎn)前60°CA)

CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在三元催化器前排出的總碳?xì)涫呛饬靠諝?燃料混合的一個(gè)可信指數(shù)。圖17證實(shí)，由于混合時(shí)間長(zhǎng)，早噴可確保良好的混合特性(進(jìn)氣門打開(kāi)，噴射結(jié)束)。

相反，過(guò)度晚噴(氣門關(guān)閉后，掃氣需求)會(huì)使混合均勻性欠佳。盡管如此，預(yù)期增加的湍流會(huì)促進(jìn)由噴射和點(diǎn)火時(shí)刻決定的燃燒進(jìn)程。只要因掃氣而進(jìn)行晚噴，則在湍流增加量和最終混合品質(zhì)之間進(jìn)行折中，從而確定合適的噴油正時(shí)。

對(duì)于空氣高速運(yùn)動(dòng)(滾流)的燃燒系統(tǒng)，燃?xì)鈬娚淞鲗?duì)空氣運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)作用不大。這表明低負(fù)荷下，空氣運(yùn)動(dòng)弱(可變氣門驅(qū)動(dòng))，該燃燒系統(tǒng)對(duì)噴油器角度位置的敏感性不大，空氣/天然氣混合品質(zhì)在燃燒過(guò)程中起到主要作用。除噴油器位置外，早噴策略是實(shí)現(xiàn)最終良好混合的關(guān)鍵因素。早噴結(jié)束時(shí)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的空氣/天然氣混合、穩(wěn)定燃燒(通過(guò)平均指示壓力變動(dòng)系數(shù)衡量)和具有最低燃油消耗率/最高有效熱效率(有效熱效率為燃料低熱值和BSFC乘積的倒數(shù))。

就MBF50(已燃質(zhì)量50%的曲軸轉(zhuǎn)角)而言，在提高燃燒速度方面，晚噴油結(jié)束時(shí)刻類似于極早噴射。但是，在部分負(fù)荷下，空氣/天然氣混合速度而非火焰速度對(duì)燃燒效率起決定性作用。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min，BMEP 0.4 MPa工況點(diǎn)與其他部分負(fù)荷工況點(diǎn)(1 500～5 000 r/min、BMEP 0～1.0 MPa )所示的結(jié)果極其相似，證實(shí)了氣門早關(guān)為最佳選擇。

因此，只有在采用其他方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)最佳容積效率時(shí)，才采用晚噴油。

為了利用CNG直噴、高壓縮比和可變氣門驅(qū)動(dòng)使有效熱效率提高的優(yōu)勢(shì)，在相同的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)。對(duì)氣道噴射、低壓縮比(10)和氣門機(jī)械配氣管理分別執(zhí)行了相同的試驗(yàn)矩陣。

為解釋上述優(yōu)勢(shì)所實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，在最為相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)中選擇了一對(duì)工況點(diǎn)(圖19)。

CNG直噴提高了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒速度，可以增大點(diǎn)火提前角，提高了有效熱效率。

圖19 CNG缸內(nèi)直噴和氣道噴射之間有效熱效率的對(duì)比 (高壓縮比和可變氣門驅(qū)動(dòng)固定條件下)

壓縮比13相對(duì)于壓縮比10，發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高3%～4%。由于CNG的辛烷值高，無(wú)爆燃敲缸現(xiàn)象(圖20)。

圖20 CNG直噴與氣道噴射之間有效熱效率的對(duì)比 (高壓縮比和可變氣門驅(qū)動(dòng)固定)

通過(guò)進(jìn)氣門早關(guān)和增壓技術(shù)，可變氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使發(fā)動(dòng)機(jī)在每一工況點(diǎn)都具有高膨脹比的燃燒循環(huán)，采用機(jī)械配氣是不可能實(shí)現(xiàn)的?？諝馔ㄟ^(guò)進(jìn)氣閥的膨脹，冷卻后進(jìn)入燃燒室，可以增大點(diǎn)火提前角，提高有效熱效率(圖21)。

圖21 可變氣門驅(qū)動(dòng)和機(jī)械配氣之間有效熱效率的對(duì)比 (CNG直噴和高壓縮比固定條件下)

為測(cè)試CNG噴射壓力對(duì)燃油消耗的影響，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其對(duì)燃油消耗的影響非常有限。建議采用變噴射壓力管理以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)限制，即聲流量、噴射持續(xù)期和噴射穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)汽車最大續(xù)航里程，首先選擇最低噴射壓力值(0.8 MPa絕對(duì)壓力)，但發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力大于1.0 MPa時(shí)，則要求具有較高的噴射壓力值(高達(dá)1.6 MPa絕對(duì)壓力)，以確保氣門關(guān)閉時(shí)有足夠的流量完成整個(gè)噴射過(guò)程。

5 結(jié)論

CFD仿真和試驗(yàn)分析表明，CNG側(cè)面缸內(nèi)直噴使點(diǎn)火前火花塞附近的空氣/天然氣混合良好，影響了滾流運(yùn)動(dòng)，提高了燃燒速度。

相對(duì)氣道燃料噴射，全負(fù)荷工況下，CNG缸內(nèi)直噴完全消除了容積效率損失。發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下，可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)同作用能夠進(jìn)行掃氣。額定工況下，CNG缸內(nèi)直噴提高了渦輪效率和空氣/天然氣混合度，降低了增壓壓力和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步降低了燃油消耗。

相對(duì)氣道燃料噴射，部分負(fù)荷下， CNG缸內(nèi)直噴提高了燃燒速度，具有良好的燃燒穩(wěn)定性，提高了空氣/天然氣混合度，從而提高了有效熱效率。

高效CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)秘訣在于匹配缸內(nèi)直噴和高膨脹比循環(huán)，高膨脹比循環(huán)通過(guò)進(jìn)氣門早關(guān)和高壓縮比實(shí)現(xiàn)。高辛烷值CNG消除了爆燃的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下都可以實(shí)現(xiàn)高壓縮比。

與低壓縮比(適于汽油機(jī)工況)的傳統(tǒng)CNG氣道燃料噴射相比，這些技術(shù)的綜合優(yōu)勢(shì)在于：(1)就低速/最大扭矩工況和標(biāo)定工況而言，達(dá)到類似汽油機(jī)的性能；(2)缸內(nèi)直噴將有效熱效率提高1%～3%；(3)高壓縮比將有效熱效率提高3%～4%；(4)高膨脹比將有效熱效率提高2%～3%。

如果CNG缸內(nèi)直噴噴油器相對(duì)于汽車標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性足夠強(qiáng)，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)上述獲得高效率的方法可簡(jiǎn)便地用于現(xiàn)代直噴汽油機(jī)中。