冯仁华，罗 振，郭 栋，陈昆阳，孙旺兵，石来华

(1.重庆理工大学 车辆工程学院， 重庆 400054；2.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054；3.重庆车辆检测研究院， 重庆 401122)

能源危机和环境保护是21世纪人类面临的两大挑战，随着石油资源短缺及环境保护法规的日趋严格，发展新的发动机技术和寻找清洁高效的发动机可替代能源非常重要[1]。天然气是汽车发动机中最清洁的替代能源。相对于传统的汽油燃料，天然气由于其辛烷值高、抗爆性好可以使发动机在更高的压缩比下工作，可以提高发动机的热效率和减少能源消耗[2]。另外，由于天然气发动机氮氧化物(NOx)的排放一般比汽油机低50%～80%，且颗粒(PM)和烟度可以实现零排放。同时，由于天然气中氢碳含量比例相对石油燃料较高，故其发动机燃烧物中二氧化碳的排放较低，可以减少温室效应。

1 试验

1.1 试验发动机

本次试验发动机为直列六缸、四冲程、两气门、增压水冷天然气发动机，具体参数如表1所示。该发动机原机压缩比为11.6，试验采用改变活塞顶部凹坑深度、保持活塞凹坑顶直径不变的方法改变压缩比，分别再加工了压缩比为13和14的活塞。活塞凹坑的深度由原来的25.2 mm变为22.5 mm和20.9 mm，具体尺寸如图1所示。

表1 试验研究发动机的基本参数

图1 活塞示意图

降低活塞凹坑深度的方案是该研究中提高压缩比最简单、直接的方案，可以缩短改变压缩比后活塞的设计时间、加工时间，并有效降低成本。然而，该方案降低了活塞凹坑的深度，对缸内混合气的组织、燃烧以及排放都会造成一定的影响，详细影响特性需要通过三维CFD缸内工作过程计算和分析。

1.2 试验设备

本次台架试验框图如图2所示，主要测试仪器如表2所示，试验现场如图3所示。

图2 发动机台架试验流程框图

表2 主要测试仪器

图3 发动机台架试验现场

1.3 试验过程及方案

分别在n=1 400 r/min(最大扭矩转速点)、n=2 000 r/min(额定功率转速点)2种转速及平均有效压力间隔0.1 MPa的所有负荷工况下进行了压缩比为11.6、13和14的对比性试验。试验过程中，天然气罐的压力保持在18 MPa，在天然气进入喷射器前，通过热交换过程将天然气温度控制到40 ℃，冷却水和润滑油的温度分别控制在80、90 ℃。每个工况连续采集180个循环缸内压力数据用于分析循环变动特征参数和燃烧情况，采用热膜式空气流量计测量发动机的循环进气流量和计算发动机的充量系数。发动机空燃比主要控制规则是在中低转速中高负荷时采用较稀的经济混合气，中高转速大负荷时采用较浓的混合气以保证其动力性。对不同转速、负荷、压缩比下的发动机相关参数及指标如进排气压力、缸压、温度、功率、扭矩、油耗、排放(HC、NOx、CO、CO2、O2)等进行了测试。

2 结果及分析

2.1 燃烧特性对比分析

燃烧特性对发动机的动力性、经济性和排放等有非常重要的影响。发动机的燃烧特性主要包括：缸内最大爆发压力、燃烧稳定性、点火时刻、滞燃期、速燃期等。本试验在n=1 400 r/min、n=2 000 r/min转速下，对不同压缩比及平均有效压力时的最大缸内压力、平均指示压力循环变动系数(COVIMEP)、点火提前角、0～10%的燃烧持续期、50%燃烧位置点、10%～90%的燃烧持续期等特性进行对比，结果分别如图4、5所示。

图4 n=1 400 r/min时不同压缩比下的燃烧特性曲线

图5 n=2 000 r/min时不同压缩比下的燃烧特性对比曲线

从图4、5中可以看出，同一转速、同一负荷下，缸内最大压力随着压缩比的增加而增加，而平均指示压力循环变动系数(COVIMEP)整体上在低负荷时随着压缩比的增加而增加，在中高负荷时随着压缩比的增加而减少，说明在较高压缩比时，发动机在中高负荷燃烧相对更加稳定。在n=1 400 r/min时，发动机的点火提前角随着压缩比的增加有略微降低，而在n=2 000 r/min时，发动机的点火提前角在中低负荷时，压缩比为13的点火提前角最大；在高负荷时，压缩比为11.6的点火提前角最大。在n=1 400 r/min和n=2 000 r/min转速下，发动机的滞燃期在压缩比为13时最短，着火性能较好，有利于保持燃烧温度和减少各循环中的压力波动。而50%燃烧位置点整体上随着压缩比的增加越接近上止点，发动机的燃烧速燃期随着压缩比的增加而增加，尤其是中低负荷时变化较明显，说明压缩比的增加使发动机燃烧中后期燃烧火焰传播速度降低，燃烧变慢。在该试验研究中，不同压缩比下，发动机在转速1 400 r/min和2 000 r/min时同一个负荷工况下的空燃比变化不大，燃烧中后期火焰速度的变化主要是由于点火提前角、缸内压力及因压缩比变化引起的燃烧室结构变化等影响，各因素具体影响特性需要通过三维CFD缸内工作过程详细计算和分析，可以在后续的研究中开展相关研究工作。

2.2 经济性和热效率对比分析

燃油消耗率及热效率是评价发动机性能的一个非常重要的指标，它们体现了燃料的利用效率[15]，也是本研究中的一个重要目标。在n=1 400 r/min、n=2 000 r/min两种转速、不同压缩比及平均有效压力下的发动机燃油消耗率和热效率分别如图6、7所示。从图6、7中可以看出，随着压缩比的增加，发动机的燃油消耗率降低，热效率提高，尤其是中高负荷较为明显。在n=1 400 r/min时，压缩比为13和14时发动机的热效率比压缩比为11.6时平均值分别提高了1.79%、4.16%，在n=2 000 r/min时，压缩比为13和14时发动机的热效率比压缩比为11.6时平均值分别提高了2.51%、5.75%。

图6 不同压缩比下燃油消耗率曲线

图7 不同压缩比下热效率曲线

2.3 排放物对比分析

排放是评价发动机性能的一个非常重要的指标，降低排放物是本研究中另外一个重要的目标。除了常规的氮氧化物(NOx)、碳氢(HC)和一氧化碳排放外，还测量了相关转速和负荷下二氧化碳和氧气的排放。在n=1 400 r/min、n=2 000 r/min两种转速、不同压缩比及平均有效压力下发动机氮氧化物、碳氢、一氧化碳、二氧化碳和氧气的排放特性分别如图8、9所示。

氮氧化物(NOx)的生成主要受到缸内氧含量、缸内温度和燃烧反应时间的影响[15-17]。图8(a)、图9(a)中，随着压缩比的增加，发动机氮氧化物(NOx)的排放增加，且在中大负荷下增加幅度较大，这主要是由于压缩比的增加导致缸内的压力和温度的增加，且缸内燃烧反应时间增大，燃烧反应时间在图4(f)、图5(f)中有所体现。碳氢(HC)的排放是燃料和空气混合物在发动机燃烧后剩余燃料的体现，碳氢(HC)排放低意味着燃料和空气混合得较充分且有充足的氧气来燃烧[18]。图8(b)、图9(b)中，在n=1 400 r/min、n=2 000 r/min 两种转速下发动机压缩比为13时的碳氢(HC)排放最低，说明在该压缩比下的燃料混合及燃烧都更加充分。一氧化碳是有毒气体，是碳氢燃料在燃烧过程中的中间产物。图8(c)、图9(c)中，压缩比为14的一氧化碳排放最低，而压缩比为13的一氧化碳排放较高。

图8 n=1 400 r/min时不同压缩比下的排放特性曲线

图9 n=2 000 r/min时不同压缩比下的排放特性曲线

二氧化碳虽然不是有害排放物，但它会引起温室效应，需尽量降低二氧化碳的排放[19]。图8(d)、图9(d)中，压缩比为13的二氧化碳排放最低，压缩比为14的二氧化碳排放最高，这与一氧化碳的排放特性和趋势相反。氧气虽然不是有害气体，但是氧气的排放可以在一定程度上反应出其他排放物的特性[20]。图8(e)、图9(e)中，氧气排放压缩比为13时最高，压缩比为14时最低，这与一氧化碳的排放趋势相同。

3 结论

1) 提高压缩比，有利于降低发动机的燃油消耗率，提高热效率。在n=1 400 r/min时，压缩比为13和14时发动机的热效率比压缩比为11.6时平均值分别提高了1.79%、4.16%，在n=2 000 r/min时，压缩比为13和14时发动机的热效率比压缩比为11.6时平均值分别提高了2.51%、5.75%。

2) 整体上看，随着压缩比的增加，发动机在中高负荷燃烧相对更加稳定。发动机在压缩比为13时最短，着火性能好，有利于保持燃烧温度和减少各循环中的压力波动。速燃期随着压缩比的增加而增加，尤其是中低负荷时的变化较明显，燃烧中后期燃烧火焰传播速度降低，燃烧变慢。

3) 随着压缩比的增加，发动机的氮氧化物(NOx)的排放增加，且在中大负荷下增加幅度较大，碳氢(HC)的排放在压缩比为13时的最低，说明在该压缩比下的混合及燃烧都更加充分。一氧化碳排放随着压缩比的增加先升高后降低，二氧化碳的排放特性和一氧化碳的趋势相反，氧气排放特性整体上与一氧化碳的排放趋势相同。

4) 从发动机燃烧、燃油消耗和排放等综合指标和特性上，发动机在压缩比为13时，整体特性最好。