朱云峰 史程中 杨 陈 尹建东 沈 源 王瑞平，2

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引言

研究表明[1]，在气道多点喷射的天然气（CNG）发动机工作过程中，燃料喷射时间对发动机的性能、燃油消耗率以及排放均有较大的影响。

在发动机运行的每个工况匹配最佳的燃料喷射时间，可有效抑制爆震发生，从而使点火角大幅度提前，使燃油经济性提高。同时，合适的燃料喷射时间可降低天然气发动机的HC、NOx排放，为满足日趋严格的排放法规提供最初始的排放控制手段。

本文采用一台3缸1.0T涡轮增压天然气（CNG）发动机，针对不同燃料喷射时间对发动机运行情况的影响进行了深入分析。

1 试验设备

1.1 试验台架

发动机的性能试验台架如图1所示。

图1 性能试验台架

试验用发动机的主要参数见表1。

表1 试验用发动机的主要参数

1.2 试验设备

试验所用主要测试设备见表2。

表2 试验所用主要设备

2 试验方法及条件

2.1 试验方法

试验用发动机为一台3缸1.0T涡轮增压天然气（CNG）发动机，空燃比控制采用闭环控制，过量空气系数为1。

控制点火提前角，使AI50的对应转角在7～8°CA之间[2]。天然气具有较强的抗爆性[3]，辛烷值达到110以上，理论上不存在爆震现象[4]。但由于是增压发动机，过大的点火提前角会导致缸内爆发压力超过设计限值[5]，为了使最大爆发压力不超过设计限值，点火提前角不宜过大。

通过调节增压器电子放气阀的占空比来精确控制增压压力，以达到各转速对应的性能设计指标。

本文采用转速2000 r/min、平均有效压力（BMEP）1MPa作为试验工况，调整燃料喷射时间，将步长设为20°CA，观察不同喷射时间转矩、燃油消耗率、各排放指标的变化趋势。

试验时，发动机的运行转速与选定转速2000 r/min相差不超过1%，或误差在±10 r/min之间，待转速、转矩及排气温度稳定1min后，方可进行测量，测量时间不少于15 s。

2.2 试验边界条件

试验所用燃气组分见表3，其甲烷成分达到96%以上。

考虑到燃烧噪声、机械负荷等设计限值，发动机的试验边界条件见表4。

表3 试验用压缩天然气燃料组分及特性

表4 发动机燃烧边界控制限制

3 试验结果及分析

3.1 燃料喷射时间对燃油经济性的影响

发动机转矩不变，平均有效压力保持在1MPa，对比不同燃料喷射时间对燃油经济性的影响，针对不同的燃料喷射时间，利用燃料喷射终了时刻（EOI）为表征。不同EOI下的燃油消耗率如图2所示。

图2 不同EOI下的燃油消耗率

从图2可以看出，随着燃料喷射时间的增大，燃油消耗率出现先下降后升高的趋势。在360~450°CA区间内，即在气门开启阶段进行喷射，燃油经济性较好。由于是气道燃料喷射，在扫气过程中，过早的燃料喷射会使燃油消耗率增加。反之，若燃料喷射过晚，燃烧滞后并延伸到膨胀过程中进行，燃烧效率下降，燃油消耗率增加。

3.2 燃料喷射时间对燃烧的影响

燃料喷射时刻直接关系到气缸内可燃气体混合的效果，进而影响发动机燃烧特性。不同EOI下的点火提前角变化如图3所示。从图3可以看出，随着燃料喷射时间的增大，点火提前角变化并不大。

图3 不同EOI下的点火提前角

不同EOI下的缸内最大爆发压力平均值变化如图4所示。从图4可以看出，随着燃料喷射时间的增大，最大爆发压力呈逐渐减小的趋势，最大变化幅度约为0.3MPa左右。爆发压力的变化体现了发动机燃烧效率的变化。

图4 不同EOI下的缸内最大爆发压力平均值

燃烧始点定义为燃烧10%燃料所对应的曲轴转角；燃烧终点定义为燃烧90%燃料所对应的曲轴转角；AI50是燃烧50%燃料所对应的曲轴转角。AI50是评价发动机燃烧状态的重要指标，理论上，AI50值在8°CA左右时，燃料的燃烧效率最高。AI50随EOI的变化如图5所示。从图5可以看出，AI50随燃料喷射时间的增加而逐渐增大，燃烧效率逐渐变差。

图5 AI50随EOI的变化

3.3 燃料喷射时间对排放的影响

环境污染已成为当今世界共同面临的难题，而汽车排放污染是环境污染的主要来源之一。我国汽车保有量不断增加，控制汽车排放是重中之重。在汽车发动机设计初期将发动机的原始排放作为重点考查对象，可有效减小排放后处理的压力。

THC排放随EOI的变化如图6所示。从图6可看出，随着燃料喷射时间的增大，THC排放出现先减小后增加的趋势，且在喷射时间为360~450°CA时出现THC最低排放值。

图6 THC排放随EOI的变化

EOI在360°CA之前，由于CNG气体在进气行程前就已完成喷射。CNG气体和空气在进气歧管内混合，由于CNG为气态，占据一定的体积，导致进气歧管压力增加。进气行程前期，存在一定的气门重叠角，出现严重的扫气现象，增加了THC排放。

随着喷射时刻的延后，进气门开启时，CNG气体同新鲜空气一起被吸入气缸内，不存在CNG气体占据进气歧管体积的现象，扫气现象减缓。同时，在气体流动过程中，CNG气体和新鲜空气充分混合，使燃烧更充分。

但是燃料喷射过晚，使进气门关闭前没有足够的喷射持续时间，导致CNG气体难以进入气缸内，部分CNG气体积存在进气歧管内，出现与过早喷射类似的现象。

NOx排放随EOI的变化如图7所示。

图7 NO x排放随EOI的变化

从图7可看出，NOx排放随燃料喷射时间的变化较小。EOI在360～450°CA之间，NOx的排放值相对较小。

从图6、图7所反映的各排放物随燃料喷射时间的变化趋势可知，合理调整控制参数，可实现最佳的排放水平。

4 结论

1）通过对CNG发动机不同燃料喷射时间燃油经济性和排放的研究可知，在2 000 r/min、1MPa工况下，最佳EOI为400°CA。根据CNG发动机喷嘴的喷射特性，可将喷射脉宽定为10ms，燃料喷射开始时刻定为280°CA，即将CNG发动机的主要燃料喷射时间定在进气门开启阶段内，此过程为开阀喷射。

2）CNG发动机燃料喷射时间对发动机的经济性、动力性、排放均有较大影响，标定过程中，确定最佳的喷射时间，不但能提高发动机性能，同时可降低发动机排放。

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

2 黄海波.燃气汽车结构原理与维修（第一版）[M].北京：机械工业出版社，2002

3 孙济美，郭英男，洪伟，等.代用燃料汽车技术（二）世界汽车技术发展跟踪研究（五）[J].汽车工艺与材料，2002（12）：1-5

4 姚勇.CNG发动机和汽油机燃烧的比较分析[J].车用发动机，2005（5）：31-33

5 卓斌.天然气发动机燃烧特征与功率恢复[J].车用发动机，1999（1）：11-17