高效天然氣發動機

0 前言

天然氣是交通運輸領域“可持續交通”和“低碳化”的主要資源[1]。壓縮天然氣(CNG)是一種有效、經濟、可直接獲取的燃料，可以減輕城市的環境污染、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，對清潔環境和緩解氣候變化具有重要的作用。

此外，如果根據第三生物燃料規范[2]，通過生物質或液體肥料生產可再生的CNG，即所謂的生物甲烷，其能夠達到中碳燃料級別。

從20世紀90年代開始，CNG就凸顯出各種優勢：在各種替代燃料中成本最低，具有足夠的續航里程，加油站的數量也在持續增長[3]。

20多年的實踐經驗(圖1)證實了當前技術的穩定性[4]：(1)所有工況下都為奧托循環和化學當量燃燒；(2)特制的點火系統(火花塞/線圈)；(3)氣道燃料噴射(連續多點噴射)；(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供給和存儲系統。

圖1 CNG技術發展

借助以上技術，最新的歐6 CNG發動機具有以下優勢[5]：(1)通過全新的增壓系統改善性能；(2)可靠性和可維護性等同于汽油機；(3)CO2排放滿足歐盟2020排放目標；(4)達到至少300 km的續航里程，高于燃用汽油車的續航里程；(5)與汽油機相比，燃料箱容積不變。

當前的CNG技術已經成熟，下一代發動機的目標是開發一種能夠利用CNG的全部優勢， 并避免以下缺點的新技術[6]：(1)消除性能差距，達到類似汽油機的性能；(2)消除安裝影響，與現代直噴發動機相匹配；(3)提高發動機效率，滿足2020后CO2排放挑戰。

實現類似于汽油機性能的基本理念是采取通過在進氣閥關閉后直接將CNG噴入到燃燒室的技術手段，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直噴技術是在低壓工況下將燃料噴入燃燒室，避免采用昂貴的系統再次壓縮燃料[8]。

由于CNG的高辛烷值，采用高壓縮比以提高發動機效率[9]。

為定量評估上述技術，相關文獻通過模擬和試驗對其進行了研究[10]。本研究采用CNG側面直噴代替中部直噴，同時匹配高壓縮比、增壓和可變氣門驅動技術。為評估CNG直噴技術在空氣與燃氣混合、性能以及燃燒等方面改善的潛力，將CNG進氣道噴射技術作為一種參照。

1 試驗發動機和試驗設備

該研究所選用的發動機為1.4 L渦輪增壓發動機，主要參數列于表1。發動機供給100% 甲烷CH4燃料(低熱值50 MJ/kg)。

表1 CNG發動機參數

發動機裝有常用于汽油機的可變氣門驅動系統，進氣門通過獨特的電子—液壓驅動器驅動，其工作原理如圖2所示。凸輪作用于活塞，活塞通過液壓室與進氣門連接，液壓室充滿潤滑油，耦合或解耦凸輪型線與氣門運動。液壓室內的壓力通過電磁閥的開/關控制。氣門關閉行程通過精密的液壓制動器控制，確保氣門輕柔落座。設計特定的凸輪型線優化CNG燃燒。

圖2 可變氣門驅動系統

設計了一種安裝CNG側面直噴噴油器的新型結構(圖3)，代替了傳統的汽油直噴安裝結構，而且在發動機試驗臺架上進行了試驗研究。

圖3 CNG側面直噴安裝結構與傳統汽油直噴結構對比

試驗采用的CNG直噴噴油器由德爾福(Delphi)公司提供，其裝有由峰值和保持指令控制外置的開閥結構。主要特征參數見表2。

表2 CNG直噴噴油器參數

噴油器裝有電磁提升式針閥。噴射開始時，針閥提升，與針閥座分離，打開環形流通通道。環形通道與針閥周圍開口上游的部分噴油器內部通道成軸向對稱。

為精確計量通過噴油器的CNG量，通常采用節流結構。通過閥門的燃氣降低了暴露于燃燒室火焰的噴油器頭部的溫度。噴油器頭部的最大測量溫度低于150 ℃，遠低于其最大允許值。

噴油原理示于圖4。閥門關閉后，立即開始噴油，噴油必須在燃燒室壓力超過最大允許值(絕對壓力1.6 MPa)之前結束。

圖4 CNG直噴策略與進氣門早關耦合

為實現如圖5所示的高壓縮比13，對燃燒室活塞形狀進行修改。

圖5 高壓縮比CNG直噴發動機活塞形狀與 傳統汽油機活塞形狀對比

發動機氣缸蓋上裝有4個壓電傳感器和用于缸內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(圖6)。

圖6 CNG直噴控制系統

2 空氣/天然氣混合模擬

為了解全負荷和部分負荷工況下采用CNG側面直噴時空氣/天然氣的混合特性，并驗證氣缸蓋上噴油器安裝結構的設計，進行了CFD仿真分析。

基于有限元方法(具有雷諾平均N-S求解器的二階數值微分方案)和標準的k-ξ湍流子模型，采用商用CFD軟件模擬空氣/天然氣混合。活塞和氣門采用動態網格，進氣管和CGN噴油器采用靜態網格。

噴油器計算網格單元成軸向對稱分布，呈柱狀形。

本研究沒有考慮點火和燃燒子模型，僅進行了空氣/天然氣混合，主要是考慮到點火時刻前采用側面噴射時火花塞附近可燃混合氣的均勻性。

發動機計算點選擇了對空氣/天然氣混合最關鍵的工況，分別是掃氣階段(全負荷1 750 r/min)和低負荷(轉速2 000 r/min，BMEP 0.4 MPa)工況下(圖7)。

圖7 進氣閥和排氣閥升程曲線及噴射正時

CFD模擬證實，CNG側面直噴會在火花塞附近產生合適的可燃混合氣(圖8)。

圖8 空氣/天然氣混合過程的CFD預測(轉速2 000 r/min， BMEP 0.4 MPa(360°CA為燃燒上止點))

CFD預測表明，接近燃燒上止點和點火時刻前，火花塞附近混合氣的當量比等于1， 能夠實現穩定燃燒，減少了廢氣排放。

3 矩陣試驗

發動機在試驗臺上裝機后，采用矩陣試驗研究全負荷和部分負荷最佳噴射策略下，CNG直噴在實現最低燃料消耗方面相對氣道噴射的優勢。

在由50個發動機工況點組成的試驗矩陣下評估CNG直噴的優勢，發動機轉速在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 試驗研究的測試矩陣

針對發動機全負荷下的每一工況點，在不超過以下限值的情況下，研究發動機的有效熱效率優勢：(1)渦輪增壓器轉速：240 000 r/min；(2)增壓壓力絕對值：2.5 MPa；(3)缸內峰值壓力：10 MPa；(4)渦輪進口溫度：950 ℃；(5)中冷器出口溫度：固定值50 ℃；(6)λ：固定值為1(化學當量)，即空燃比為17.2。

由于100% CH4燃料的辛烷值高達130，可以進行點火提前優化。試驗過程中未出現爆燃現象。

此外，在部分負荷試驗時，節氣門開度為最大，可以通過合理調節渦輪增壓器廢氣閥的開度來調整增壓壓力，從而達到各工況下的BMEP目標。

4 結果與討論

圖10展示了CNG缸內直噴相對于氣道燃料噴射在性能提升方面的優勢。

在發動機低速、中速和全負荷下，采用CNG缸內直噴并且匹配可變氣門驅動系統時，性能顯著提升。發動機低速下，缸內直噴可以促進掃氣效果。

因此，標定扭矩曲線總體上與汽油直噴發動機可以實現重疊。

發動機轉速低于2 250 r/min時，盡管增壓壓力低，采用缸內直噴提升了容積效率，低速工況下可以實現良好的性能(圖11)。

圖11 CNG缸內直噴相對氣道噴射的容積效率(全負荷)

容積效率通過所測實際空氣流量與理論空氣流量之比計算。

相對氣道噴射，缸內直噴的另一優勢在于發動機任意轉速下燃燒速度更快，如圖12所示。

圖12 燃燒持續期量化為已燃質量平均百分比10%～ 90%(發動機轉速5 000 r/min，全負荷)

采用氣道噴射時，為實現理想的低速扭矩，需要減小點火提前角以輸出足夠的能量到渦輪，但其缺陷是燃燒持續期變長。

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

圖13 含噴射過程和燃燒持續期的工作循環過程 (發動機轉速5 000 r/min，全負荷)

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

圖14 CNG缸內直噴和氣道燃料噴射的低壓燃燒 循環(發動機轉速5 000 r/min，全負荷)

結合如下技術可以實現上述這些結果：(1)化學當量燃燒；(2)燃燒穩定性良好(平均指示壓力變動系數(COV IMEP)小于3%)；(3)無敲缸現象；(4)米勒循環。

如圖15所示，使用CNG燃料時，進氣門早關總是優于進氣門晚關，因為與傳統的奧托循環相比膨脹比更高，可以提高容積效率。

圖15 性能固定時進氣門早關減小增壓壓力

CNG直噴比氣道噴射燃燒速度更快，為解釋其物理原因，通過CFD仿真計算了燃燒室內的湍流動能(圖16)。相比氣道噴射，CNG缸內直噴點火時刻的湍流動能更高，燃燒速度更快。

研究了部分負荷工況下的CNG直噴，也掌握了噴油結束時刻的最佳噴射策略。為解釋CNG直噴特性，展示了一個發動機低負荷工況點：發動機轉速2 000 r/min，BMEP 0.4 MPa(圖17和圖18)。

圖18 發動機轉速2 000 r/min，BMEP 0.4 MPa工況下燃 燒持續期與噴油結束時刻的關系(參照燃燒上止點前60°CA)

CNG直噴發動機在三元催化器前排出的總碳氫是衡量空氣/燃料混合的一個可信指數。圖17證實，由于混合時間長，早噴可確保良好的混合特性(進氣門打開，噴射結束)。

相反，過度晚噴(氣門關閉后，掃氣需求)會使混合均勻性欠佳。盡管如此，預期增加的湍流會促進由噴射和點火時刻決定的燃燒進程。只要因掃氣而進行晚噴，則在湍流增加量和最終混合品質之間進行折中，從而確定合適的噴油正時。

對于空氣高速運動(滾流)的燃燒系統，燃氣噴射流對空氣運動的增強作用不大。這表明低負荷下，空氣運動弱(可變氣門驅動)，該燃燒系統對噴油器角度位置的敏感性不大，空氣/天然氣混合品質在燃燒過程中起到主要作用。除噴油器位置外，早噴策略是實現最終良好混合的關鍵因素。早噴結束時，可同時實現最佳的空氣/天然氣混合、穩定燃燒(通過平均指示壓力變動系數衡量)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)。

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

在發動機轉速2 000 r/min，BMEP 0.4 MPa工況點與其他部分負荷工況點(1 500～5 000 r/min、BMEP 0～1.0 MPa )所示的結果極其相似，證實了氣門早關為最佳選擇。

因此，只有在采用其他方式無法實現最佳容積效率時，才采用晚噴油。

為了利用CNG直噴、高壓縮比和可變氣門驅動使有效熱效率提高的優勢，在相同的發動機上進行了補充試驗。對氣道噴射、低壓縮比(10)和氣門機械配氣管理分別執行了相同的試驗矩陣。

為解釋上述優勢所實現的結果，在最為相關的發動機工況點中選擇了一對工況點(圖19)。

CNG直噴提高了發動機缸內燃燒速度，可以增大點火提前角，提高了有效熱效率。

圖19 CNG缸內直噴和氣道噴射之間有效熱效率的對比 (高壓縮比和可變氣門驅動固定條件下)

壓縮比13相對于壓縮比10，發動機效率提高3%～4%。由于CNG的辛烷值高，無爆燃敲缸現象(圖20)。

圖20 CNG直噴與氣道噴射之間有效熱效率的對比 (高壓縮比和可變氣門驅動固定)

通過進氣門早關和增壓技術，可變氣門驅動機構使發動機在每一工況點都具有高膨脹比的燃燒循環，采用機械配氣是不可能實現的。空氣通過進氣閥的膨脹，冷卻后進入燃燒室，可以增大點火提前角，提高有效熱效率(圖21)。

圖21 可變氣門驅動和機械配氣之間有效熱效率的對比 (CNG直噴和高壓縮比固定條件下)

為測試CNG噴射壓力對燃油消耗的影響，進行了相關試驗。試驗發現其對燃油消耗的影響非常有限。建議采用變噴射壓力管理以應對系統限制，即聲流量、噴射持續期和噴射穩定性。為實現汽車最大續航里程，首先選擇最低噴射壓力值(0.8 MPa絕對壓力)，但發動機的平均有效壓力大于1.0 MPa時，則要求具有較高的噴射壓力值(高達1.6 MPa絕對壓力)，以確保氣門關閉時有足夠的流量完成整個噴射過程。

5 結論

CFD仿真和試驗分析表明，CNG側面缸內直噴使點火前火花塞附近的空氣/天然氣混合良好，影響了滾流運動，提高了燃燒速度。

相對氣道燃料噴射，全負荷工況下，CNG缸內直噴完全消除了容積效率損失。發動機低轉速下，可變氣門驅動系統的協同作用能夠進行掃氣。額定工況下，CNG缸內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轉速，進一步降低了燃油消耗。

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

高效CNG發動機的設計秘訣在于匹配缸內直噴和高膨脹比循環，高膨脹比循環通過進氣門早關和高壓縮比實現。高辛烷值CNG消除了爆燃的限制，發動機在任何轉速和負荷下都可以實現高壓縮比。

與低壓縮比(適于汽油機工況)的傳統CNG氣道燃料噴射相比，這些技術的綜合優勢在于：(1)就低速/最大扭矩工況和標定工況而言，達到類似汽油機的性能；(2)缸內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缸內直噴噴油器相對于汽車標準的穩定性足夠強，CNG發動機上述獲得高效率的方法可簡便地用于現代直噴汽油機中。