何義團(tuán)，蘇志凱，簡曉春，邵毅明

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)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(jī)，火花點(diǎn)火式CNG發(fā)動機(jī)能夠降低CO、CO2和未燃碳?xì)涞呐欧牛?］。研究資料表明，在現(xiàn)代城市路況條件下，車輛運(yùn)行時，發(fā)動機(jī)怠速的時間較長，以香港為例，怠速占車輛全部運(yùn)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(nèi)殘余廢氣和混合氣的不均勻性增加，燃燒循環(huán)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(fā)動機(jī)怠速性能的研究。

Jacek Czarnigowski［8］提出了一種基于點(diǎn)火提前角控制的發(fā)動機(jī)怠速穩(wěn)定控制算法，該算法基于一個自適應(yīng)模型，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能顯著降低怠速控制誤差，但會增加點(diǎn)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(tǒng):基于遺傳算法的計算控制系統(tǒng)和基于Alopex算法的隨機(jī)控制系統(tǒng)。他們的研究結(jié)果表明，兩種控制器都能有效降低發(fā)動機(jī)怠速波動，且隨機(jī)控制系統(tǒng)的實用性更好。

為了研究過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對發(fā)動機(jī)怠速燃燒排放性能的影響規(guī)律，筆者在一臺6缸單點(diǎn)噴射增壓CNG發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了怠速性能試驗研究。在每一固定過量空氣系數(shù)條件下，從大到小改變發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火提前角，研究兩參數(shù)對CNG發(fā)動機(jī)的怠速燃燒排放性能。

1 試驗方案及數(shù)據(jù)處理

試驗機(jī)為EQD210－20單點(diǎn)電噴天然氣發(fā)動機(jī)，采用進(jìn)氣道噴射，主要性能參數(shù)見表1。

測功機(jī)選用洛陽南峰的CW－260－1800/7500電渦流測功機(jī)，過量空氣系數(shù)和排放測量應(yīng)用的是HORIBA公司生產(chǎn)的7100D－EGR排放儀。

表1 EQD210N－20天然氣發(fā)動機(jī)性能參數(shù)Table 1 EQD210N-20 engine specifications

壓力測量設(shè)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(zhuǎn)角發(fā)生器Kistler 2613B。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣流量采用上海同圓環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的熱式氣體質(zhì)量流量計ToCeil20N100114LI流量，測量范圍0～1 000 N·m3/h，測量精度±1%，重復(fù)精度±0.24%，響應(yīng)時間10 ms。天然氣流量采用高精度Micro-Motion科里奧利力質(zhì)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(zhì)量流量。

發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為800 r/min。試驗工況為發(fā)動機(jī)節(jié)氣門全關(guān)。采用閉環(huán)控制，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨著點(diǎn)火提前角和過量空氣系數(shù)變化時，步進(jìn)電機(jī)自動調(diào)整步數(shù)，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制在800 r/min。過量空氣系數(shù) λ 范圍是 1.5 ～1.0，間隔為 0.1，點(diǎn)火提前角 θi為壓縮上止點(diǎn)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(xù)采集136個循環(huán)的示功圖進(jìn)行平均處理后得到。再由示功圖計算出循環(huán)指示功、放熱率以及循環(huán)變動的數(shù)據(jù)。循環(huán)變動系數(shù)定義為136個循環(huán)平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)差與其平均值的比值。

2 試驗結(jié)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(shù)λ和點(diǎn)火提前角θi之間的關(guān)系?？梢钥闯觯嗤c(diǎn)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(shù)所對應(yīng)的曲線，發(fā)動機(jī)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(yīng)的點(diǎn)火提前角逐漸增大。

2.2 平均指示壓力循環(huán)變動(CoVimep)

從圖2可以看出，點(diǎn)火提前角過大或過小都會導(dǎo)致循環(huán)變動增加。點(diǎn)火提前角較大時，缸內(nèi)溫度和壓力較低，可能造成失火。即使著火，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，壓縮負(fù)功增加，這些因素都會導(dǎo)致循環(huán)變動增加。而點(diǎn)火提前角過小時，后燃增加，發(fā)動機(jī)功率降低，循環(huán)變動增加。

圖1 指示熱效率與λ和θi的關(guān)系Fig.1 ITE versus λ and θi

圖2 平均指示壓力循環(huán)變動與λ和θi的關(guān)系Fig.2 CoVimepversus λ and θi

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

2.3 排 放

2.3.1 CO

圖3為過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對CO排放的影響規(guī)律。

圖3 CO排放與λ和θi的關(guān)系Fig.3 CO emissions versus λ and θi

當(dāng)λ=1.0，點(diǎn)火提前角較大時，CO排放較低，但隨著點(diǎn)火提前角逐漸減小，CO排放迅速增加。λ=1.1～1.4，隨著點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)行中，可能在局部形成更濃的混合氣，造成燃燒不完全。點(diǎn)火提前角較大的時候，缸內(nèi)燃燒溫度高，相當(dāng)一部分CO生成了CO2。而隨著點(diǎn)火提前角逐漸減小，燃燒主要發(fā)生在活塞下行階段，缸內(nèi)燃燒溫度越來越低，導(dǎo)致了CO排放急劇增加。

λ=1.5時，CO排放隨點(diǎn)火角減小而增大。主要原因如下:對于CNG發(fā)動機(jī)的怠速工況而言，此時混合氣已經(jīng)非常稀薄。當(dāng)點(diǎn)火提前角較大時，由于缸內(nèi)富氧，主要燃燒靠近上止點(diǎn)，燃燒溫度相對較高，能夠?qū)⒉糠諧O氧化為CO2，而當(dāng)點(diǎn)火提前角較小時，后燃增加，缸內(nèi)溫度較低，增加了不完全燃燒的因素，導(dǎo)致CO排放增加。

2.3.2 總碳?xì)?THC)

圖4為THC隨過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系。可以看出，過濃或過稀的混合氣都會導(dǎo)致HC排放增加?；旌蠚膺^濃時，氧氣不足，燃燒不完全會產(chǎn)生大量HC;混合氣過稀，缸內(nèi)燃燒溫度低，壁面焠熄效應(yīng)增加，同樣會導(dǎo)致HC排放增加。

圖4 THC排放與λ和θi的關(guān)系Fig.4 THC emissions versus λ and θi

各過量空氣系數(shù)條件下，隨著點(diǎn)火提前角逐漸減小，THC排放降低(除了λ=1.5)，點(diǎn)火提前角減小會導(dǎo)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(yīng)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(jìn)行氧化反應(yīng)，因此當(dāng)點(diǎn)火提前角過小時，THC排放會增加。

2.3.3 NOx

發(fā)動機(jī)內(nèi)大量生成NOx需同時滿足以下3個條件:高溫、高溫持續(xù)時間及混合氣內(nèi)富含氧氣。從圖5可以看出，相同點(diǎn)火提前角條件下，當(dāng)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(nèi)燃燒溫度很低，不足以產(chǎn)生一定量的NOx。固定λ，NOx排放隨點(diǎn)火提前角減小而降低，也主要是因為減小點(diǎn)火提前角，降低了缸內(nèi)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(guān)系Fig.5 NOxemissions versus λ and θi

2.4 火焰發(fā)展期與快速燃燒期

定義火焰發(fā)展期為從發(fā)動機(jī)開始點(diǎn)火到累積放熱量10%所持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角，快速燃燒期定義為累積放熱量10%到90%所持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角［11］。

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

圖6 火焰發(fā)展期與λ和θi的關(guān)系Fig.6 Flame development angle versus λ and θi

從圖7可知，快速燃燒期隨著點(diǎn)火提前角增加而減小。點(diǎn)火提前角較大時，經(jīng)過相對較長的火焰發(fā)展期之后，燃燒主要發(fā)生在上止點(diǎn)附近，缸內(nèi)溫度壓力高，燃燒快，快速燃燒期短。相反，當(dāng)點(diǎn)火提前角較小(點(diǎn)火靠近上止點(diǎn))，雖然火焰發(fā)展期較短，但是經(jīng)過火焰發(fā)展期之后，快速燃燒期內(nèi)有相當(dāng)一部分燃燒發(fā)生在活塞下行階段，導(dǎo)致快速燃燒期增加。

結(jié)合圖6和圖7可知，對于相同的點(diǎn)火提前角，λ=1.1所對應(yīng)的混合氣燃燒速度最快。

圖7 快速燃燒期與λ和θi的關(guān)系Fig.7 Rapid combustion period versus λ and θi

3 結(jié)語

在一臺CNG發(fā)動機(jī)上研究怠速性能，主要討論過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對發(fā)動機(jī)怠速燃燒排放的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論:

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

2)隨著過量空氣系數(shù)增加，最高指示熱效率所對應(yīng)的點(diǎn)火提前角越大。

3)點(diǎn)火提前角過大或過小，都會加劇循環(huán)變動，過量空氣系數(shù)大于1.3以后，循環(huán)變動明顯增加。

4)混合氣越稀薄，發(fā)動機(jī)稀燃極限以內(nèi)的點(diǎn)火提前角范圍越窄。本文中，λ=1.5時，點(diǎn)火提前角只有在34～20°CA BTDC之間，循環(huán)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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