張 文，李志軍，劉 磊，焦鵬昊，張 瀛

(1.天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072; 2.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

前言

天然氣作為一種清潔燃料，由于其在汽車上應(yīng)用具有成本低、效益高、無(wú)污染、使用安全便捷等特點(diǎn)，已經(jīng)成為替代傳統(tǒng)石油燃料技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1-3］。我國(guó)具有豐富的天然氣資源，為天然氣的開發(fā)利用提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文中在采用預(yù)混燃燒點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的乘用轎車上，通過(guò)加裝CNG燃料供給系統(tǒng)，在增加較低成本的情況下，實(shí)現(xiàn)CNG/汽油雙燃料工作，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 CNG/汽油雙燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在某款四缸16氣門電噴汽油機(jī)上加裝了自行研發(fā)的CNG燃料供給系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CNG氣罐放置在轎車后備箱，通過(guò)閥門控制其與整個(gè)氣路的通斷，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。在氣罐與CNG減壓器中間布置一個(gè)三通閥，通過(guò)該閥的開閉，實(shí)現(xiàn)加氣模式和供氣模式的切換。由于CNG減壓器在工作時(shí)大量吸熱，為保證其正常工作，將其與整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的循環(huán)水路連接，利用發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量對(duì)CNG減壓器進(jìn)行加熱。減壓后的CNG氣體，經(jīng)過(guò)濾清器之后進(jìn)入CNG氣軌，通過(guò)CNG噴射器調(diào)整噴射壓力，然后噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管，與通過(guò)原機(jī)氣路進(jìn)入進(jìn)氣歧管的空氣混合，最后進(jìn)入燃燒室燃燒做功。

為實(shí)現(xiàn)CNG工作模式下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的精確控制，自主研發(fā)了一套適用于車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括以下3個(gè)子系統(tǒng)。

1.1 怠速控制子系統(tǒng)

采用步進(jìn)電機(jī)式怠速控制閥實(shí)現(xiàn)對(duì)旁通空氣通道開度的控制，通過(guò)調(diào)節(jié)旁通空氣進(jìn)氣量，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到所要求的目標(biāo)值。在控制策略方面，采用PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制。通過(guò)PID控制器，可以得到怠速轉(zhuǎn)速偏差，進(jìn)而得出步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作步數(shù)和動(dòng)作方向信號(hào)。最終通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路改變旁通空氣進(jìn)氣量，控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速［4-5］。

1.2 點(diǎn)火控制子系統(tǒng)

點(diǎn)火控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角和點(diǎn)火能量。點(diǎn)火提前角的控制按脈譜圖進(jìn)行，根據(jù)實(shí)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量和進(jìn)氣壓力等，查取脈譜圖中對(duì)應(yīng)的基本點(diǎn)火提前角，然后根據(jù)冷卻水溫度、大氣壓力和燃料辛烷值等參數(shù)對(duì)基本點(diǎn)火提前角進(jìn)行修正，從而得到正確的點(diǎn)火時(shí)刻。

CNG的自燃溫度較高，需要較高的點(diǎn)火能量。通過(guò)控制點(diǎn)火線圈的閉合時(shí)間，主動(dòng)控制點(diǎn)火能量。針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難的問(wèn)題，在冷起動(dòng)階段，根據(jù)當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速值，采用多次點(diǎn)火策略，提高點(diǎn)火可靠性，從而有效緩解天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)困難的問(wèn)題［6-7］。

1.3 空燃比控制子系統(tǒng)

為了保證三效催化轉(zhuǎn)化器正常工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比應(yīng)該在當(dāng)量空燃比附近，故須對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比進(jìn)行精確控制。

按照發(fā)動(dòng)機(jī)在不同運(yùn)行工況對(duì)空燃比的要求，將控制過(guò)程劃分為冷機(jī)起動(dòng)、加速和勻速3種控制模式。針對(duì)不同模式之間的差異，采取不同的控制策略。

選取速度-密度法，通過(guò)進(jìn)氣歧管中空氣的溫度和壓力得出空氣進(jìn)氣量，進(jìn)而根據(jù)空氣進(jìn)氣量，調(diào)整燃?xì)獾墓┙o量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空燃比的控制。通過(guò)控制CNG噴射閥的噴射時(shí)間，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣量。為精確保證供氣量，還要根據(jù)水溫、電源電壓等參數(shù)對(duì)供氣量進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的精確控制［8-9］。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

在原機(jī)上增加CNG供給系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其CNG/汽油的雙燃料工作。

將試驗(yàn)車輛放置于環(huán)境模擬艙中，通過(guò)轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際道路運(yùn)行工況的模擬，通過(guò)排放分析儀測(cè)取相關(guān)尾氣排放數(shù)據(jù)。試驗(yàn)所用設(shè)備性能參數(shù)見表1。原發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)見表2。

表2 原發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)方法

采用GB18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)》［10］中規(guī)定的“常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)(Ⅰ型試驗(yàn))”方法進(jìn)行，包含市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)兩個(gè)部分。其中市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)按工況分解為6個(gè)部分，如表3所示;市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)按工況分解為6個(gè)部分，如表4所示。

表3 市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)工況分解

表4 市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)工況分解

試驗(yàn)使用的天然氣符合GB18352.3—2005中規(guī)定的基準(zhǔn)燃料技術(shù)要求。

3 結(jié)果分析

為了研究改裝后CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性，分別對(duì)原機(jī)和改裝后的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了排放特性試驗(yàn)，并記錄各項(xiàng)排放實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角，找出其影響CNG發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖10所示。

3.1 CO排放

由圖2可知，原機(jī)在第1個(gè)195s市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，CO排放較多，峰值達(dá)到706×10-6，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)剛開始工作，機(jī)體和機(jī)油等溫度較低，汽油蒸發(fā)不好。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，須增加供油量，使空燃比小于當(dāng)量空燃比，導(dǎo)致CO排放過(guò)高。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)之后運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)逐步平穩(wěn)，CO排放逐步降低并趨于穩(wěn)定。在市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)400s中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于中高負(fù)荷下，須加大供油量，導(dǎo)致CO排放較高。

圖3和圖4為不同點(diǎn)火提前角時(shí)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放情況。由圖可見:在點(diǎn)火提前角不變的情況下，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放變化趨勢(shì)與原機(jī)是一致的，但CNG發(fā)動(dòng)機(jī)CO的總體排放低于原機(jī);隨著點(diǎn)火提前角的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)循環(huán)和市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)中的CO排放有所下降，這是由于在冷起動(dòng)和中高負(fù)荷下，隨著點(diǎn)火提前角的增大，大量混合氣更接近于上止點(diǎn)附近燃燒，燃燒比較充分。

3.2 THC排放

由圖5可知，原機(jī)在第1個(gè)195s市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，THC排放較多，峰值達(dá)到了190×10-6，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)剛開始工作，冷激效應(yīng)十分強(qiáng)烈，同時(shí)由于燃油霧化混合不好，使燃燒不穩(wěn)定，從而造成較大的容積淬熄，導(dǎo)致HC排放激增。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的逐步平穩(wěn)，THC的排放在逐步降低并趨于穩(wěn)定。在市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)400s中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)處于中高負(fù)荷下加、減速瞬態(tài)工況，發(fā)生了容積淬熄，導(dǎo)致THC排放增加。

圖6和圖7為不同點(diǎn)火提前角時(shí)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的THC排放情況。由圖可見:在點(diǎn)火提前角不變的情況下，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的THC排放變化趨勢(shì)與原機(jī)是一致的;但CNG發(fā)動(dòng)機(jī)在市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)，其THC排放要優(yōu)于原機(jī);隨著點(diǎn)火提前角的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)測(cè)試循環(huán)中的THC排放有所上升，這是因?yàn)殡m然點(diǎn)火提前角增大，有利于CNG的快速燃燒，縮短燃燒持續(xù)期，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及時(shí)穩(wěn)定，但也使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程提前，后燃減弱，排溫降低，從而減少了排氣管內(nèi)未燃HC的氧化，最終導(dǎo)致THC的排放升高。

3.3 NOx排放

由圖8可知，原機(jī)在第1個(gè)195s市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，由于是冷機(jī)起動(dòng)，三效催化轉(zhuǎn)化器未能達(dá)到穩(wěn)定工作溫度，導(dǎo)致NOx排放較高。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的逐步平穩(wěn)，三效催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率提高，NOx的排放在逐步降低并趨于穩(wěn)定。

圖9和圖10為不同點(diǎn)火提前角時(shí)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放情況。由圖可見:CNG發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放水平要劣于原機(jī)，這是由于CNG無(wú)須像汽油在氣道內(nèi)汽化形成混合氣，減少了對(duì)汽化潛熱的吸收，因此CNG的燃燒溫度較高，有利于NOx生成;在整個(gè)測(cè)試循環(huán)中，隨著點(diǎn)火提前角的增大，燃燒趨近完全，使最高燃燒溫度增大，混合氣在高溫下滯留時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致NOx的排放增加。

4 結(jié)論

(1)研制的車用發(fā)動(dòng)機(jī)CNG電控系統(tǒng)，具有較好的控制精度和較快的響應(yīng)速度?？梢栽趯?duì)原機(jī)盡可能少改動(dòng)的前提下，實(shí)現(xiàn)低排放CNG/汽油雙燃料工作模式。

(2)試驗(yàn)車輛使用CNG與汽油相比，整體CO和THC排放下降，但NOx上升。為了滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，必須采取一定措施，降低CNG汽車NOx排放過(guò)高的問(wèn)題。

(3)點(diǎn)火提前角對(duì)CO、THC和NOx排放變化趨勢(shì)的影響各不相同，因此在制定CNG控制策略的時(shí)候，需要統(tǒng)籌兼顧，在三者之間找到最佳平衡點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)控制策略的最優(yōu)化。

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