汽油改天然气发动机燃烧特性研究

2015-11-30张林

装备制造技术 2015年11期

张林

（柳州五菱柳机动力有限公司，广西柳州545005）

随着世界经济的快速发展，石油资源的消耗量不断增加。汽车是石油资源的消耗大户，它会排出大量的有害物和温室气体CO2，污染大气环境质量，并在一定程度上改变气候环境。因此，提高汽车发动机的热效率，减少其有害排放物已成为今后相当长的时间内汽车发动机要解决的难题。在这种形势下，合理的利用矿物资源、开发“清洁燃料”将是人类实现可持续发展的重要保证。在今后相当长的时间内，汽车发动机燃用气体燃料（如天然气、液化石油气）将是最为现实而且技术相当成熟的方案之一[1]。

天然气发动机有着很多突出优点，例如有害排放物少，属于清洁能源；辛烷值高，约为130，这为增加天然气发动机的压缩比，提高热效率，降低CO2排放提供了条件。对于火花点火天然气发动机来说，天然气的着火温度比汽油机高，所以点火系统必须采用高能点火系统；由于天然气发动机缸内燃烧温度比较高，为防止火花塞过热，设计时选择冷型火花塞。天然气作为发动机燃料带来的主要问题是功率的下降。天然气是一种气体燃料，若采用进气管或进气道方式供气，则会减少进气缸的空气量，发动机的容积效率会降低，导致内燃机的功率和动力性有一定程度的下降[2]。本文研究的是天然气发动机的供气控制方式和进气提前角度对发动机燃烧的影响。

1 试验装置及方法

试验是在一台由4缸汽油机改装而成的天然气发动机上进行的。由于通道采集设备的有限，本次试验只能采集一个缸的数据。先对气缸进行缸压测量，得到每个缸的缸压接近，所以就选择了采集第一缸的气缸压力信号，每个转速共采集100到200个循环。

试验时，先将发动机热机至水温为（85±3）℃、机油温度为（90±3）℃，然后进行外特性试验。试验过程中先进行进气VVT角度不变改变混合气混合方式的对比试验，即天然气节气门前单点预混合和进气道多点喷射；再进行混合气混合方式不变，改变进气VVT角度的对比试验。数据采集设备为DEWETRON燃烧分析仪。

2 试验结果及分析

2.1 不同混合方式天然气发动机燃烧特性对比

由平均有效压力变化图（图1）和燃烧持续期变化图（图2）可以看出，在高速（3 200 r/min以上）下，两种混合方式对天然气发动机燃烧影响不大，但是在3 200 r/min以下，多点混合方式下发动机燃烧更好，燃烧持续期更短，IMEP更高[3]，说明低速下，单点预混合方式天然气对进气充量影响更大，这主要是因为单点预混合是靠进气负压吸入天然气，低速时过量空气系数过大导致燃烧热效率下降，而多点喷射方式是靠ECU控制进气，可以更好的调整喷气量。

图1 不同混合方式下IMEP随转速变化图

图2 不同混合方式下燃烧持续期随转速变化

从燃烧循环变动率变化图（图3）可以得知多点喷射方式下气缸燃烧的稳定性更好，天然气由ECU控制喷射系统喷射，混合气分配更均匀；而单点预混合时混合气的浓度容易波动，单缸进气浓度无法调控，不能形成稳定的燃烧。

图3 不同混合方式下循环变动率随转速变化图

2.2 不同进气VVT提前角天然气发动机燃烧特性对比

由平均有效压力图（图4）和最大压力变化图（图5）可以看出，在全负荷工况转速为1 400 r/min~2 400 r/min下，进气VVT提前角在20 deg时是最佳提前角，这时进气充量大，换气效率好，配合点火，可以得到很好的燃烧效率和爆发压力。而过于提前会造成废气排不净，影响燃烧；过于滞后则会进气不足，后两者燃烧效率都会下降，爆发压力较小[3]。