劉 欣，蔣炎坤，張建平，萬里平，李 博

(華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074)

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2015167

CNG發(fā)動機穩(wěn)態(tài)匹配試驗與配氣相位優(yōu)化*

劉 欣，蔣炎坤，張建平，萬里平，李 博

(華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074)

對CA6SF2-23NE3和CY4102-N3C兩款CNG發(fā)動機進(jìn)行穩(wěn)態(tài)匹配試驗，在完成了點火提前角和噴氣時間標(biāo)定后，該兩種發(fā)動機性能指標(biāo)均達(dá)到使用要求，證實了控制策略和元件選配對于類似CNG機型的通用性。針對CA6SF2-23NE3機型，對供氣、冷卻、點火正時部分提出了部件替換方案，降低了整機成本，并根據(jù)使用要求將最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速調(diào)整至期望位置。對CY4102-N3C機型，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立并校驗了數(shù)值計算模型，進(jìn)而對配氣相位進(jìn)行了優(yōu)化。

CNG；發(fā)動機；標(biāo)定；外特性；配氣相位

前言

隨著能源與環(huán)境問題的凸顯，內(nèi)燃機研究者結(jié)合各自國情積極開展了多種替代燃料的研究。其中壓縮天然氣(CNG)是一種適用范圍極廣的替代方案[1]，相比石油燃料，使用壓縮天然氣的發(fā)動機具有著火界限寬、燃燒排放物較少等優(yōu)點。近年來我國探明的天然氣儲量持續(xù)增長，所以國內(nèi)已有多種型號的天然氣發(fā)動機投入市場，其相應(yīng)的標(biāo)定和外設(shè)部件匹配過程也得到了更多的關(guān)注[2-5]。本文中將主要介紹對CA6SF2-23NE3和CY4102-N3C兩款發(fā)動機相關(guān)部件的選替優(yōu)化及由此在性能和成本方面得到的改善。

1 試驗裝置

表1列出了試驗所用兩款CNG發(fā)動機的主要參數(shù)。其中CA6SF2-23NE3機型原配了WOODWARD的電控單點噴射系統(tǒng)，WOODWARD具有豐富的發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，其性能指標(biāo)滿足要求，但電控系統(tǒng)及相關(guān)外設(shè)價格過高，因此廠家希望開發(fā)更高性價比的電控系統(tǒng)方案。試驗中將WOODWARD系統(tǒng)作為參照對象，在更換了ECU、減壓器、混合器、點火線圈和控制模塊(其余部件保持不變)后進(jìn)行對比，第二臺發(fā)動機仍有待定型，最后匹配的是與第一臺機型相同的電控系統(tǒng)，考慮缸數(shù)不同，該機在點火相位判定部分有所調(diào)整。

表1 試驗機型技術(shù)參數(shù)

采用城邦ET2000測控系統(tǒng)配合DW400電渦流測功機進(jìn)行測試，試驗臺架與傳感器布置如圖1和圖2所示?？涩F(xiàn)場調(diào)整點火提前角、給氣量、節(jié)氣門開啟速度等參數(shù)，便于進(jìn)行在線標(biāo)定。

2 穩(wěn)態(tài)標(biāo)定策略

初始點火角和噴氣量MAP參考相近機型數(shù)據(jù)給出，圖3為CY4102-N3C標(biāo)定前的初始點火角MAP。從整體來看，點火角最小值出現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速高進(jìn)氣壓力處，最大值出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速低進(jìn)氣壓力處，隨進(jìn)氣壓力的升高而減小，隨轉(zhuǎn)速升高而增大。在汽油機初始點火角MAP中，通常隨著進(jìn)氣壓力的升高，點火角會有一段較小的增大，繼而減小，而在本次對天然氣發(fā)動機標(biāo)定試驗中并未發(fā)現(xiàn)這樣的趨勢。

初始噴氣時間相比原機數(shù)據(jù)取一個偏低的值，以防標(biāo)定過程調(diào)低轉(zhuǎn)矩時出現(xiàn)進(jìn)氣管回火的現(xiàn)象。保持點火角在爆燃線之下，對噴氣時間進(jìn)行調(diào)節(jié)。怠速和低速大轉(zhuǎn)矩工況下，保持后氧傳感器過量空氣系數(shù)λ=1以確保動力性，在希望得到的最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速處額外加大噴氣時間以取得更大轉(zhuǎn)矩。原機的設(shè)計采用了稀薄燃燒路線，對CNG發(fā)動機，稀燃極限λ在1.6左右，留有一定余量的情況下應(yīng)盡量靠近稀側(cè)，以降低燃燒溫度，改善NO排放和經(jīng)濟性[6]。故在高速段逐步調(diào)整過渡到λ=1.5的位置，完成后再進(jìn)入點火角的標(biāo)定過程。

經(jīng)過多輪對點火角和噴氣時間的交替標(biāo)定后得出合乎要求的數(shù)據(jù)。從1 000r/min開始每隔100r/min標(biāo)定一次，固定轉(zhuǎn)速視需要從外特性點往下標(biāo)定5～10個點，其余點按相鄰工況點參數(shù)插值計算得出。標(biāo)定后CA6SF2-23NE3的轉(zhuǎn)速取0～2 600r/min，進(jìn)氣壓力0～230kPa，點火角最小為25°CA，最大為60°CA。CY4102-N3C轉(zhuǎn)速為0～3 500r/min，進(jìn)氣壓力0～160kPa，點火角在17～35°CA間變化。

3 外設(shè)部件替換試驗方案設(shè)計與優(yōu)化

該兩型發(fā)動機都為柴油機型改造而來，相對于原機型，須要在外部增加天然氣瓶的減壓、噴射、混合氣路，并將發(fā)動機冷卻水導(dǎo)出一路對減壓器進(jìn)行熱交換，以滿足壓縮天然氣減壓時的吸熱要求。

本次試驗中對CA6SF2-23NE3的主要外設(shè)組件進(jìn)行了簡化或替換，并進(jìn)行了交叉對比試驗，最終確定匹配方案。

(1) 減壓器替換為某國產(chǎn)型號產(chǎn)品，相比WOODWARD系統(tǒng)，主要改變在于出口壓力由原來800～900kPa減為250～300kPa。更換后在大部分轉(zhuǎn)速下運行正常，接近最高轉(zhuǎn)速時會出現(xiàn)燃?xì)膺M(jìn)氣壓力波動的情況。

(2) WOODWARD系統(tǒng)采用兩個噴射閥為一組進(jìn)行控制，用3組噴射閥對應(yīng)6個缸循環(huán)噴氣，余下一組噴射閥在加速工況時輔噴。試驗中改為控制單個噴射閥，可使前述高速段時的燃?xì)膺M(jìn)氣壓力波動得到一定緩解。但燃?xì)鈬娚鋾r間變長，導(dǎo)致空燃比調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后。通過調(diào)整電控程序，在加速工況節(jié)氣門開度增大前先執(zhí)行一輪燃?xì)饧訚?，對此進(jìn)行彌補。

(3) 混合器采用重新設(shè)計的文丘里式混合器，中心部為帶噴孔十字交叉銅管式結(jié)構(gòu)，在更小的管徑下達(dá)到相當(dāng)?shù)幕旌闲?。更換后達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩時所需進(jìn)氣壓力峰值略有上升，對進(jìn)氣管道的密封性提出更高要求。同時稀燃極限由原機的λ=1.5變到1.4～1.5之間。

(4) 試驗中發(fā)現(xiàn)在冷卻水溫度偏高時CNG減壓器水管外壁仍出現(xiàn)了結(jié)霜現(xiàn)象，對導(dǎo)出至減壓器的這段循環(huán)水管口徑進(jìn)行調(diào)整，使之能更好地與發(fā)動機內(nèi)部冷卻狀況匹配。

(5) 采用DQR1235-D干式點火線圈，將電壓由24V改為12V，在電控程序中調(diào)整充電時間預(yù)設(shè)值后，對控制精度影響不大。

(6) 點火正時計算采用了一種較為簡便的方式，簡化了機械結(jié)構(gòu)。用一個有6個等分齒的定位盤和凸輪軸位置傳感器相配合，以額外的加齒a區(qū)分出第1缸，如圖4所示。定位盤每轉(zhuǎn)一圈測量一次第2缸和第3缸定位齒間的時間間隔，除以120得出每度曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的時間。排氣終了上止點時刻對應(yīng)兩等分齒正中，加上點火提前角和火花塞充電時間對應(yīng)角度可以得出一個特征時間b?？紤]到點火提前角較大時這個特征角度b可能大于120°CA，將b/120+1取整，所得值乘120后減b即可得出各缸在對應(yīng)等分齒沿信號后發(fā)出點火信號的時間間隔。

進(jìn)行了如上調(diào)整并完成標(biāo)定后，與原機的外特性曲線對比如圖5所示，可以認(rèn)為達(dá)到了與原機相當(dāng)?shù)乃?。而相關(guān)部件成本降低至原來的1/3。其中原機最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速接近2 000r/min，相對偏高。根據(jù)實際使用需求，將其調(diào)整至1 600r/min左右。

4 配氣相位優(yōu)化

在柴油機型基礎(chǔ)上改裝的天然氣發(fā)動機，配氣相位較原柴油機型變化較大，需要謹(jǐn)慎選擇。在試驗調(diào)整氣門間隙的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場測定的CA6SF2-23NE3配氣相位與廠商提供的有所偏差。考慮到這一變動對發(fā)動機運行過程的影響，并探求可能的優(yōu)化空間，使用GT-Power對待定型的第二臺發(fā)動機建模,在不改變凸輪型線的基礎(chǔ)上對該機的配氣相位進(jìn)行了計算與優(yōu)化。

模型結(jié)構(gòu)參數(shù)取自廠商數(shù)據(jù)，燃料成分比例根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的全國平均車用CNG燃料成分設(shè)定，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為甲烷76.3%、乙烷7.44%、丙烷14.26%、丁烷2%。其中缺少的乙烷、丁烷燃料特性參照文獻(xiàn)[8]中數(shù)據(jù)給出。在現(xiàn)場測定外特性工況條件下對配氣相位不同導(dǎo)致發(fā)動機性能變化的情況進(jìn)行計算分析。

將模型仿真計算得到的外特性曲線與臺架試驗結(jié)果作對比(圖6和圖7)，計算結(jié)果與試驗曲線發(fā)展趨勢一致，轉(zhuǎn)矩與燃油消耗率平均誤差均低于5%，說明該計算模型結(jié)果可靠，精度較高，可用于配氣相位優(yōu)化計算。

根據(jù)廠商提供的數(shù)據(jù)，CY4102-N3C發(fā)動機的原始配氣相位如表2所示。

模型中采用“ValveCamConn”模塊定義進(jìn)排氣門，該模塊通過“Cam Timing Angle”參數(shù)指定氣門最大升程時對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，這一參數(shù)與凸輪升程曲線、氣門間隙共同決定了進(jìn)排氣門的開啟關(guān)閉角度。將進(jìn)(排)氣門對應(yīng)的“Cam Timing Angle”分別稱為進(jìn)(排)氣門正時角，通過計算原機配氣相位所對應(yīng)值分別為231°和123°(凸輪軸轉(zhuǎn)角)，在不改變凸輪升程曲線的情況下通過調(diào)整這一參數(shù)即可對配氣相位進(jìn)行優(yōu)化。

表2 CY4102-N3C發(fā)動機原機配氣相位

以各轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩最大值和對應(yīng)的燃油消耗率為優(yōu)化目標(biāo)，以1°凸輪轉(zhuǎn)角為間隔在原機正時角度前后各自再取5個角度，這樣進(jìn)排氣閥的正時角共有121種組合方案，在800～2 800r/min等分的11個工況下分別考察這些組合的效果，從中尋找最優(yōu)的組合。圖8和圖9為1 600r/min時的配氣相位尋優(yōu)結(jié)果。

綜合考慮高中低速段的轉(zhuǎn)矩和油耗特性，最后將進(jìn)(排)氣門正時角調(diào)整為232°和125°，對應(yīng)的配氣相位方案如表3所示。

在改進(jìn)配氣方案下運行得出的外特性轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率與原機數(shù)據(jù)對比如表4和表5所示。

表3 CY4102-N3C發(fā)動機優(yōu)化配氣相位

表4 外特性轉(zhuǎn)矩對比

表5 外特性燃油消耗率對比

由表4和表5可以看出，原機配氣相位比較理想，對其進(jìn)行小幅調(diào)整后，低中速段性能參數(shù)相當(dāng)，額定轉(zhuǎn)速下的油耗有小幅度改善，且改進(jìn)方案的氣門重疊角與原機接近，保證了掃氣效果。

5 結(jié)論

(1) 進(jìn)行CA6SF2-23NE3和CY4102-N3C兩款發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)匹配試驗，完成了點火提前角和噴氣時間的標(biāo)定。標(biāo)定后，發(fā)動機在外特性上與原機相當(dāng)，且最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)轉(zhuǎn)速更為合理。

(2) 在穩(wěn)態(tài)試驗數(shù)據(jù)保持基本不變的情況下，對比得出了部分部件的替換方案，降低了整機的成本，為企業(yè)提供了更多選擇。

(3) 針對CY4102-N3C進(jìn)行建模仿真，在不改變凸輪型線基礎(chǔ)上，對配氣相位進(jìn)行了調(diào)整，改善了額定轉(zhuǎn)速下的油耗。

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Steady-state Matching Test and Valve Timing Optimization for CNG Engines

Liu Xin, Jiang Yankun, Zhang Jianping, Wan Liping & Li Bo

SchoolofEnergyandPowerEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074

The steady state matching test on both CA6SF2-23NE3 and CY4102-N3C CNG engines are conducted. After the calibration of their ignition timing and gas injection duration，the performance indicators of two engines meet the requirements, verifying the commonality of control strategy and component selection for similar CNG engines. For CA6SF2-23NE3, some replacement schemes for fuel supply，cooling and ignition timing are put forward to reduce engine costs, with the peak torque speed adjusted to desired point. For CY4102-N3C, a numerical simulation model is set up and verified according to test data, with its valve timing optimized.

CNG; engine; calibration; external characteristics; valve timing

*留學(xué)回國人員科研啟動基金(教外司留[2011]1139號)資助。

原稿收到日期為2013年7月5日，修改稿收到日期為2014年3月7日。