替代燃料對發動機動力性及排放的影響*

侯獻軍 盧俊宇* 鄒 斌 劉志恩 程 財

(武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協同創新中心2) 武漢 430070)

0 引 言

天然氣燃料作為一種清潔的汽車替代能源日益受到重視，而且天然氣儲存量豐富，僅我國預測就多達12萬億m3[1].天然氣燃料的主要成分為甲烷，甲烷的辛烷值高，因而具有良好的抗爆性，使發動機可以采用更高的壓縮比，從而達到更高的動力性和經濟性[2].經過處理的天然氣可以降低其中硫等有害物質，從而有效降低燃料燃燒后污染物的排放，有效提高發動機的排放性能.

在天然氣作為汽車發動機替代燃料方面，專家學者們做了許多研究.劉欣等[3]對某兩款CNG發動機進行了穩態匹配實驗，并完成了點火提前角和噴氣時間標定，使發動機性能指標均達到使用要求，提出并證實了控制策略和元件選配對類似CNG機型的通用性.并對一款機型建立并校正了數值計算模型，進而對其配氣相位提出優化.許自順[4]利用GT-power軟件建立了高精度仿真模型，并根據三效催化器的空燃比特性試驗數據構建了針對天然氣燃燒污染物的化學機理，使得三效催化器所得數據相符.提出了仿真研究方案，將發動機的排放預測與三效催化器的轉化模擬結合起來，形成了完整的天然氣發動機低排放研究的數值計算流程.張寧等[5]通過建立三維計算流體動力學(CFD)柴油/天然氣雙燃料噴射模型，研究不同EGR率對高壓直噴(HPDI)發動機燃燒和排放特性的影響.結果表明:高溫區主要是由柴油引燃的天然氣射流燃燒形成，NO主要在天然氣射流燃燒產生的高溫區域產生;引燃柴油的燃燒對NO生成的貢獻較少.肖合林等[6]根據某款汽油機開發了一款渦輪增壓CNG發動機，并且充分利用壓縮天然氣的燃料特性，從降低爆震感度、適應壓縮比、提高燃燒效率等方面使CNG發動機的性能達到目標要求.開發的CNG發動機與汽油機相比，CO2排放減少24.2%，燃料消耗減少46.4%.

文中基于某型號兩用燃料發動機，建立發動機系統模型，對比分析了以汽油和CNG為燃料時和以天然氣Gr和G25為燃料時發動機的動力性和排放，并針對以CNG為燃料時發動機的動力性能提出優化方案.

1 發動機模型的建立與校準

1.1 發動機模型建立

研究對象為某型號兩用燃料發動機，通過臺架試驗得到分別使用兩種燃料時外特性數據，實驗儀器見圖1.其主要技術參數見表1.

圖1 發動機臺架試驗儀器

表1 發動機技術參數

運用GT-power軟件，建立發動機系統一維仿真模型，見圖2.對于已有的部分部件的三維數模，在GT中離散成相應的模型部件，尤其是發動機的進排氣系統.

圖2 發動機系統模型

1.2 發動機模型標定

將GT—維模型外特性各轉速下計算結果與臺架試驗的實測值進行對比，結果見圖3.

圖3 汽油機功率、轉矩校準

由圖3可知，在1 200 r/min時兩者的誤差最大，轉矩誤差為3.6%，功率誤差為3.47%.但均不超過5%，模型精確度較高，可用于后續的仿真優化分析.

2 不同燃料對發動機動力性和排放的影響

2.1 汽油和CNG燃料對發動機性能影響

2.1.1發動機動力性影響

對使用汽油和CNG燃料的發動機分別進行發動機臺架試驗，得到了發動機的動力性相關數據.實驗結果見圖4.

圖4 使用汽油/CNG時發動機的功率、轉矩對比

由圖4可知，相較于汽油機，CNG發動機的動力性能仍然存在差距.在功率和轉矩上，CNG發動機均低于汽油機實驗數據，在5 200 r/min時，轉矩的差距值最大，較汽油機降低21.93%，此轉速時的功率差距也最大，差距19.37%.

對比兩種燃料性質，雖然天然氣的燃燒熱值較高，但是天然氣與空氣形成的混合氣的熱值比汽油與空氣形成的混合氣熱值低，從而造成功率的損失.其次，天然氣燃燒的特點是著火溫度高，使得天然氣發動機總燃燒期延長，氣缸內氣體壓力峰值偏離上止點，從而造成氣缸內壓力和溫度上升緩慢.增加點火提前角，致使發動機動力下降.理論上單位質量天然氣燃燒需要比汽油多更多的空氣，對于同等排量的發動機，天然氣的燃燒質量比汽油低，造成天然氣發動機動力性下降[9-10].

2.1.2發動機排放影響

將發動機的一維仿真模型的燃料分別設置成汽油和CNG，得到排放性能相關數據，見圖5.

圖5 使用汽油/CNG時發動機排放對比

由圖5可知，在NOx排放中，使用CNG和汽油為燃料的排放變化趨勢一致，CNG的NOx排放在各轉速下，均低于汽油的排放，在1 600 r/min時的NOx排放減少最大，為81.66%.在CO排放中，兩種燃料使用時的變化趨勢也一致，除了在2 000 r/min和2 800 r/min的轉速下，其他轉速時CNG發動機的CO排放均低于汽油機，在3 200 r/min時減小最大，為26.67%.

分別燃用兩種燃料時發動機缸內燃燒溫度見圖6.

圖6 發動機缸內燃燒溫度

影響發動機NOx排放的主要因素是氧含量、燃燒溫度,以及燃燒產物在高溫中的停留時間等.由圖6可見，在各個轉速下使用汽油時的缸內燃燒溫度高于CNG的溫度.在氧含量足夠大的條件下，反應時間越長，溫度越高，則NOx排放量越大.NOx的排放整體隨轉速上升而升高，因為轉速的提高導致燃燒速度和燃燒溫度的提高，此時有利于NOx的產生.CNG發動機的NOx排放低于汽油機主要是因為天然氣以氣態方式進入缸內，占據了較大的工作容積，導致發動機的充氣量減少，并且CNG發動機的燃燒溫度低于汽油機.CO生成主要是因為局部缺氧導致烴的不完全燃燒，其主要影響因素是混合氣濃度.在中、高轉速時，CO的排放較高，主要是因為此時的滯燃期長，充量系數較低，故燃燒不充分，加劇CO的產生.天然氣與空氣同為氣相混合較均勻故燃燒更充分，所以比汽油的CO排放較少.此仿真結果與文獻[7]中實驗結果相符.

2.2 Gr和G25燃料對發動機動力性和排放的影響

根據《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國第六段)》中規定的基準燃料技術要求中的NG基準燃料的技術參數，要求的基準燃料為Gr和G25.兩者的天然氣燃料成分有差距，Gr的組分是87%的甲烷和13%的乙烷，G25的組分是84%的甲烷和16%的氮氣.基準燃料Gr和G25的發熱量是規定的發熱量范圍的兩個極端.

將發動機模型的燃料變更成基準燃料Gr和G25，仿真分析兩種不同燃料下的CNG發動機的動力性和排放性.

2.2.1動力性對比

功率和轉矩的仿真結果見圖7.由圖7可知，轉矩和功率隨轉速的變化趨勢基本一致，由于燃料的熱值差異，G25燃料的發動機性能在各個轉速工況下明顯均低于Gr.在轉矩和功率上，兩者都是在3 200 r/min時差距最大，差距值為29.24%.

圖7 使用Gr/G25時CNG發動機動力性對比

2.2.2排放對比

NOx和CO的仿真排放數據見圖8.

圖8 使用Gr/G25時CNG發動機排放對比

在排放方面，由于兩種不同燃料的組成成分差異，對排放的影響很大.Gr中的HC含量的明顯提高對發動機的排放影響明顯，兩種污染物的排放上Gr都明顯高于G25.在NOx的排放上，G25為燃料的發動機在1 600 r/min時較Gr下降最大，為66.75%.CO的排放上，G25為燃料的發動機在3 200 r/min時較Gr下降最大，為99.61%.

3 以CNG為燃料時發動機動力性優化

3.1 點火提前角對動力性的影響

設置不同點火提前角，3～36 (°)CA范圍內，設置間隔為3 (°)CA，分析其對發動機動力性的影響，仿真結果見圖9.

圖9 不同點火提前角下CNG發動機仿真結果

選取3 200，2 400和1 600 r/min高、中、低三個轉速.仿真結果顯示，最佳點火提前角隨轉速的增加而增大.在外特性曲線上1 600 r/min時18～20 (°)CA達到轉折點，2 400 r/min時24～26 (°)CA達到轉折點，3 200 r/min時26～28 (°)CA達到轉折點，轉矩和功率達到最大值.

當節氣門開度不變，隨著發動機轉速升高，單位時間內曲軸轉過的角度增大，所以最佳點火提前角隨發動機轉速升高而增大，模擬情況與實際相符.

3.2 進氣提前角對動力性的影響

在GT-power軟件模型中對于定義進氣門的開啟角度是利用 “ValveCamConn”模塊中的“Cam Timing Angle”參數，此參數確定氣門最大升程時對應的凸輪轉角，這一參數與凸輪升程曲線、氣門間隙共同決定了進氣門的開啟角度[8-9].將進氣門對應的這一參數稱為進氣正時角，通過計算原機配氣相位所對應值為470 (°)CA，調整這一參數可改變進氣提前角.以1 (°)CA為間隔，在458～477 (°)CA范圍內設置不同進氣正時角分析其對發動機動力性的影響，仿真結果見圖10.

圖10 不同進氣提前角下CNG發動機仿真結果

同樣選取3 200，2 400和1 600 r/min高、中、低三個轉速.仿真結果顯示，從設置的458～477 (°)CA范圍，進氣門開啟時刻推遲，進氣提前角減小，功率和轉矩呈先增大后減小趨勢，每個轉速下在凸輪型線不變的情況下對于動力性存在一個最佳進氣提前角，隨著轉速的增加，此進氣提前角越大，即進氣門開啟時刻越提前.在1 600,2 400,3 200 r/min時進氣門開啟最佳時刻即進氣正時角分別為475,465,461 (°)CA，分別為在原進氣門開啟時刻的基礎上推遲5 (°)CA、提前5 (°)CA、提前9 (°)CA.

3.3 動力性優化

以發動機轉矩為優化目標，利用GT-power軟件自帶的DoE模塊在1 600～4 000 r/min轉速范圍進行優化計算，得到的點火提前角和進氣提前角對轉矩的影響云圖見圖11.

圖11 點火提前角和進氣提前角對轉矩的影響

由圖11可知，隨著轉速從低到高，最大轉矩時的進氣正時角越小，進氣門開啟時刻越提前，進氣提前角越大.相較于進氣提前角，點火提前角的影響更大.各個轉速下優化方案見表2.

表2 發動機優化方案

優化前后發動機的轉矩對比見圖12.

圖12 優化前后轉矩對比

由圖12可知，各轉速優化后轉矩均有明顯提升，在3 200和4 000 r/min轉速下轉矩提高了4.8%.由仿真優化結果得出：對CNG發動機的點火提前角優化標定和采用可變氣門正時方案，可以有效提高發動機動力性能.

4 結 論

1) 和汽油燃料相比，以CNG為燃料時發動機的動力性較差，轉矩和功率的最大差值分別達21.9%和19.8%，但排放較好，仿真結果表明NOx的排放最高降低81.66%，CO的排放最高降低26.67%.

2) 天然氣成分對發動機的動力性和排放影響明顯，Gr相比G25，轉矩和功率的提高最大都達29.11%，而在排放方面，G25相比Gr在NOx排放上最大降低66.75%，CO的排放最大降低99.61%.更高的熱值即HC含量可以提高發動機動力性，卻加劇了污染物的排放.

3) 功率和轉矩的最佳點火提前角隨轉速的增加而提高，最佳進氣提前角隨轉速的升高而增大.以點火提前角和進氣提前角提出的動力性優化方案效果明顯，在3 200和4 000 r/min轉速下轉矩提高4.8%.