天然氣發動機怠速燃燒排放特性試驗

何義團，蘇志凱，簡曉春，邵毅明

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶400074)

天然氣作為一種清潔能源，不僅能緩解未來的石油壓力，而且作為燃料也具備很好的排放特性，是未來代用燃料的最佳選擇之一［1－2］。相對于汽油機，火花點火式CNG發動機能夠降低CO、CO2和未燃碳氫的排放［3］。研究資料表明，在現代城市路況條件下，車輛運行時，發動機怠速的時間較長，以香港為例，怠速占車輛全部運行時間的30%左右［4］，上海高峰時間，車輛怠速占行車總時間的38%左右［5］。

怠速時，由于缸內殘余廢氣和混合氣的不均勻性增加，燃燒循環變大，不僅降低了車輛的舒適性，還限制了稀混合氣的使用［6－7］。因此，人們越來越重視提高發動機怠速性能的研究。

Jacek Czarnigowski［8］提出了一種基于點火提前角控制的發動機怠速穩定控制算法，該算法基于一個自適應模型，并采用人工神經網絡，能顯著降低怠速控制誤差，但會增加點火提前角的波動，并使有害排放增加。DaeEun Kim 和Jaehong Park［9］為了降低怠速波動，建立了兩套智能控制系統:基于遺傳算法的計算控制系統和基于Alopex算法的隨機控制系統。他們的研究結果表明，兩種控制器都能有效降低發動機怠速波動，且隨機控制系統的實用性更好。

為了研究過量空氣系數和點火提前角對發動機怠速燃燒排放性能的影響規律，筆者在一臺6缸單點噴射增壓CNG發動機上進行了怠速性能試驗研究。在每一固定過量空氣系數條件下，從大到小改變發動機的點火提前角，研究兩參數對CNG發動機的怠速燃燒排放性能。

1 試驗方案及數據處理

試驗機為EQD210－20單點電噴天然氣發動機，采用進氣道噴射，主要性能參數見表1。

測功機選用洛陽南峰的CW－260－1800/7500電渦流測功機，過量空氣系數和排放測量應用的是HORIBA公司生產的7100D－EGR排放儀。

表1 EQD210N－20天然氣發動機性能參數Table 1 EQD210N-20 engine specifications

壓力測量設備為Kistler公司的火花塞式壓力傳感器Kistler 6117B，以及配套的電荷放大器Kistler 5011B和曲軸轉角發生器Kistler 2613B。發動機進氣空氣流量采用上海同圓環保科技有限公司生產的熱式氣體質量流量計ToCeil20N100114LI流量，測量范圍0～1 000 N·m3/h，測量精度±1%，重復精度±0.24%，響應時間10 ms。天然氣流量采用高精度Micro-Motion科里奧利力質量流量計測量，該流量計不需考慮燃料密度和溫度、壓力的影響直接測量質量流量。

發動機怠速轉速為800 r/min。試驗工況為發動機節氣門全關。采用閉環控制，當發動機轉速隨著點火提前角和過量空氣系數變化時，步進電機自動調整步數，將發動機轉速控制在800 r/min。過量空氣系數 λ 范圍是 1.5 ～1.0，間隔為 0.1，點火提前角 θi為壓縮上止點前40 ～10°CA，間隔為2°CA。

缸壓信號每隔1°CA采集一次。試驗各個工況的示功圖由在該工況下連續采集136個循環的示功圖進行平均處理后得到。再由示功圖計算出循環指示功、放熱率以及循環變動的數據。循環變動系數定義為136個循環平均指示壓力的標準差與其平均值的比值。

2 試驗結果與分析

2.1 指示熱效率(ITE)

圖1為指示熱效率與不同過量空氣系數λ和點火提前角θi之間的關系?？梢钥闯?，相同點火提前角條件下，λ=1.1時，指示熱效率最高，而對于其他過量空氣系數所對應的曲線，發動機指示熱效率隨著λ增加而逐漸降低。隨著λ增加，最高指示熱效率所對應的點火提前角逐漸增大。

2.2 平均指示壓力循環變動(CoVimep)

從圖2可以看出，點火提前角過大或過小都會導致循環變動增加。點火提前角較大時，缸內溫度和壓力較低，可能造成失火。即使著火，火焰傳播速度慢，壓縮負功增加，這些因素都會導致循環變動增加。而點火提前角過小時，后燃增加，發動機功率降低，循環變動增加。

圖1 指示熱效率與λ和θi的關系Fig.1 ITE versus λ and θi

圖2 平均指示壓力循環變動與λ和θi的關系Fig.2 CoVimepversus λ and θi

將發動機循環變動為10%的工況定為發動機的稀燃極限。λ≤1.2時，循環變動較小。而當λ≥1.3，循環變動明顯增加，特別是當 λ=1.5時，稀燃極限以內所對應的點火提前角范圍更小(34～20°CA BTDC)，且循環變動都大于6%。

2.3 排 放

2.3.1 CO

圖3為過量空氣系數和點火提前角對CO排放的影響規律。

圖3 CO排放與λ和θi的關系Fig.3 CO emissions versus λ and θi

當λ=1.0，點火提前角較大時，CO排放較低，但隨著點火提前角逐漸減小，CO排放迅速增加。λ=1.1～1.4，隨著點火提前角逐漸減小，CO排放逐漸降低，但變化幅度非常小。λ=1.5時，CO排放隨點火提前角減小而逐漸上升，但其絕對值相對于λ=1.0時小很多。

對于λ=1.0的情況，雖然此時屬于理論空燃比燃燒，但由于是怠速，實際運行中，可能在局部形成更濃的混合氣，造成燃燒不完全。點火提前角較大的時候，缸內燃燒溫度高，相當一部分CO生成了CO2。而隨著點火提前角逐漸減小，燃燒主要發生在活塞下行階段，缸內燃燒溫度越來越低，導致了CO排放急劇增加。

λ=1.5時，CO排放隨點火角減小而增大。主要原因如下:對于CNG發動機的怠速工況而言，此時混合氣已經非常稀薄。當點火提前角較大時，由于缸內富氧，主要燃燒靠近上止點，燃燒溫度相對較高，能夠將部分CO氧化為CO2，而當點火提前角較小時，后燃增加，缸內溫度較低，增加了不完全燃燒的因素，導致CO排放增加。

2.3.2 總碳氫(THC)

圖4為THC隨過量空氣系數和點火提前角的變化關系?？梢钥闯觯^濃或過稀的混合氣都會導致HC排放增加。混合氣過濃時，氧氣不足，燃燒不完全會產生大量HC;混合氣過稀，缸內燃燒溫度低，壁面焠熄效應增加，同樣會導致HC排放增加。

圖4 THC排放與λ和θi的關系Fig.4 THC emissions versus λ and θi

各過量空氣系數條件下，隨著點火提前角逐漸減小，THC排放降低(除了λ=1.5)，點火提前角減小會導致后燃加重和排氣溫度上升，使得在排氣行程以及排氣管中的HC氧化反應加速，使最終排出的 HC 減少［10］。

但對于λ=1.5的情況，由于此時混合氣非常稀薄，即使后燃增加，但由于燃燒溫度低，排氣溫度上升得非常有限，不足以對HC進行氧化反應，因此當點火提前角過小時，THC排放會增加。

2.3.3 NOx

發動機內大量生成NOx需同時滿足以下3個條件:高溫、高溫持續時間及混合氣內富含氧氣。從圖5可以看出，相同點火提前角條件下，當λ=1.1時，NOx排放最高，因為上述生成NOx的3個條件同時滿足。λ=1.5時，NOx排放接近于0，主要是因為混合氣非常稀薄，缸內燃燒溫度很低，不足以產生一定量的NOx。固定λ，NOx排放隨點火提前角減小而降低，也主要是因為減小點火提前角，降低了缸內燃燒溫度，也就逐步失去了大量生成NOx的條件。

圖5 NOx排放與λ和θi的關系Fig.5 NOxemissions versus λ and θi

2.4 火焰發展期與快速燃燒期

定義火焰發展期為從發動機開始點火到累積放熱量10%所持續的曲軸轉角，快速燃燒期定義為累積放熱量10%到90%所持續的曲軸轉角［11］。

從圖6可以看出，點火提前角越大，火焰發展期越長，主要是因為點火提前角大時，活塞在壓縮沖程，距離上止點較遠，缸內溫度和壓力相對較低，燃燒速度降低。隨著點火越來越靠近上止點，缸內溫度壓力升高，混合氣燃燒速度快，火焰發展期逐漸縮短。

圖6 火焰發展期與λ和θi的關系Fig.6 Flame development angle versus λ and θi

從圖7可知，快速燃燒期隨著點火提前角增加而減小。點火提前角較大時，經過相對較長的火焰發展期之后，燃燒主要發生在上止點附近，缸內溫度壓力高，燃燒快，快速燃燒期短。相反，當點火提前角較小(點火靠近上止點)，雖然火焰發展期較短，但是經過火焰發展期之后，快速燃燒期內有相當一部分燃燒發生在活塞下行階段，導致快速燃燒期增加。

結合圖6和圖7可知，對于相同的點火提前角，λ=1.1所對應的混合氣燃燒速度最快。

圖7 快速燃燒期與λ和θi的關系Fig.7 Rapid combustion period versus λ and θi

3 結語

在一臺CNG發動機上研究怠速性能，主要討論過量空氣系數和點火提前角對發動機怠速燃燒排放的影響規律，得到以下結論:

1)怠速工況，點火提前角從40～10°CA BTDC變化，過量空氣系數為1.1時，指示熱效率最高，隨著過量空氣系數增加，指示熱效率逐漸降低。

2)隨著過量空氣系數增加，最高指示熱效率所對應的點火提前角越大。

3)點火提前角過大或過小，都會加劇循環變動，過量空氣系數大于1.3以后，循環變動明顯增加。

4)混合氣越稀薄，發動機稀燃極限以內的點火提前角范圍越窄。本文中，λ=1.5時，點火提前角只有在34～20°CA BTDC之間，循環變動才低于10%。

5)λ=1.1時，混合氣燃燒速度最快，NOx排放最高。

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