【奧】 P.Hofmann T.Hofherr G.Hoffmann J.F.Preuhs

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壓縮天然氣缸內(nèi)直噴用于小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力

【奧】 P.Hofmann T.Hofherr G.Hoffmann J.F.Preuhs

天然氣汽車不僅具有生態(tài)學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)，而且更易于滿足未來的燃油耗法規(guī)。采用天然氣缸內(nèi)直接噴射能夠顯著改善低速扭矩下的動(dòng)力特性曲線，從而能獲得更好的行駛性能，奧地利維也納理工大學(xué)汽車驅(qū)動(dòng)和汽車技術(shù)研究所與Delphi公司在1臺(tái)3缸發(fā)動(dòng)機(jī)上證實(shí)了這一點(diǎn)，從而成功地大幅度提高了壓縮天然氣(CNG)汽車的駕駛樂趣。

壓縮天然氣 缸內(nèi)直噴 高壓縮比 低油耗

1 獲得更好的全負(fù)荷性能

盡管天然氣因其燃料成分能降低更多的CO2排放和燃料成本，但是迄今使用天然氣運(yùn)行的汽車數(shù)量并不多。采用天然氣直接噴射對(duì)提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能有顯著作用。壓縮天然氣(CNG)直接噴入(DI)燃燒室能使充氣狀況比進(jìn)氣道噴射(PFI)大大改善，并在發(fā)動(dòng)機(jī)低速高負(fù)荷情況下對(duì)掃氣換氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)采取這兩種措施就能達(dá)到與汽油缸內(nèi)直噴一樣的動(dòng)態(tài)性能[1]。此外，CNG抗爆性高，可以持續(xù)地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和低速化設(shè)計(jì)，從而降低燃油耗。

天然氣缸內(nèi)直噴的另一個(gè)特點(diǎn)是能在膨脹行程完成后進(jìn)行后噴射。通過天然氣在稀薄廢氣中的氧化燃燒提高廢氣溫度，從而加快催化轉(zhuǎn)化器的加熱[1]。本文介紹用于超輕型汽車(CULT)的CNG缸內(nèi)直噴小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)[2]。

2 系統(tǒng)描述

采用1臺(tái)排量為0.66 L的量產(chǎn)3缸渦輪增壓汽油機(jī)作為動(dòng)力裝置的基礎(chǔ)，并按照純天然氣運(yùn)行進(jìn)行匹配和優(yōu)化。該機(jī)搭載于1輛超輕型汽車，并滿足了其對(duì)尺寸、質(zhì)量和功率方面的要求[3]。

為了采用純天然氣缸內(nèi)直噴運(yùn)行并充分利用其特定的燃料性能(如高的抗爆性)，因而提高壓縮比具有十分重要的意義。對(duì)壓縮比分別為8.8、12.0和13.6時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并更換了加強(qiáng)型活塞和連桿。為了在全負(fù)荷時(shí)實(shí)現(xiàn)掃氣換氣，匹配了進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器。為了能滿足天然氣運(yùn)行時(shí)更高的點(diǎn)火能量需求，使用了最大點(diǎn)火能量為65 mJ的點(diǎn)火模塊。

天然氣缸內(nèi)直接噴射器可直接在汽油缸內(nèi)直噴時(shí)使用。但是，考慮到噴射閥范圍內(nèi)缺乏冷卻和潤(rùn)滑，所以天然氣直噴對(duì)噴射器的耐久性提出了更高的要求。天然氣直接噴射器采用Delphi公司的電磁噴油器[4]。這種噴油器是根據(jù)負(fù)荷在0.6～1.6 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行壓力設(shè)計(jì)的，在1.6 MPa壓力下的最大靜態(tài)流量為7 g/s，該值是相互矛盾的因素之間折中的結(jié)果，即高壓力有利于達(dá)到高功率，而低壓力則有利于降低燃油耗，以及提高噴油器的密封性。而這種3缸發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壓力范圍設(shè)定為0.7～1.6 MPa。

目前，天然氣噴射器硬件與標(biāo)準(zhǔn)的汽油高壓噴油器(圖1)是通用的，是在計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和有限元法(FEM)，以及機(jī)電一體化模擬輔助下不斷優(yōu)化的結(jié)果，開發(fā)工作包括了對(duì)閥組件和密封界面幾何形狀等方面進(jìn)行的材料和表面特性優(yōu)化，以及設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖1 Delphi公司生產(chǎn)的CNG直接噴射器樣品

這種噴射器的流量(圖2)足以滿足現(xiàn)代高增壓小型化發(fā)動(dòng)機(jī)的高要求，通過運(yùn)行壓力的可變調(diào)節(jié)，不僅能精確地計(jì)量怠速運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的噴射量，而且也能滿足全負(fù)荷時(shí)的天然氣噴射量。

圖2 在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)的CNG噴射器流量特性曲線

這種CNG直接噴射器經(jīng)受了1.5倍使用壽命的耐久性試驗(yàn)考核[5]，而且7 ms噴射持續(xù)期的流量和閥密封性都保持在最初值的規(guī)定極限之內(nèi)(圖3)。

圖3 噴射器流量和泄漏量的使用壽命耐久性和穩(wěn)定性示意圖

CNG直接噴射器側(cè)面布置在氣缸蓋上，火花塞是中央布置的(圖4)。通過天然氣法蘭供應(yīng)最大運(yùn)行壓力為20 MPa的天然氣，并由1個(gè)電控壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)運(yùn)行工況點(diǎn)調(diào)節(jié)共軌壓力。包括控制噴射器和壓力調(diào)節(jié)器在內(nèi)的整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能都是由1個(gè)可自由編程的開發(fā)用電控單元(AFT Protronic)承擔(dān)的。由于能夠以模型為基礎(chǔ)進(jìn)行軟件和功能開發(fā)，因而不僅能在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)汽油缸內(nèi)直噴、天然氣進(jìn)氣管噴射和天然氣缸內(nèi)直噴，而且能同時(shí)完成用于汽車行駛的所有重要的控制和調(diào)節(jié)功能。為了充分顯示出天然氣缸內(nèi)直接噴射的優(yōu)勢(shì)，每個(gè)氣缸還配備了1個(gè)布置在進(jìn)氣管內(nèi)的低壓天然氣噴射器，這樣就能直接將天然氣進(jìn)氣管噴射和天然氣直接噴入燃燒室進(jìn)行比較，從而就能證實(shí)催化轉(zhuǎn)化器加熱和掃氣等的效果。表1列出了這種發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。

圖4 包括發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)在內(nèi)的空氣和燃料途經(jīng)示意圖

項(xiàng)目參數(shù)氣缸數(shù)3每缸氣門數(shù)4氣門機(jī)構(gòu)雙頂置凸輪軸,進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器排量/L0.658缸徑/mm68活塞行程/mm60.4壓縮比13.6/12.0/8.8混合氣準(zhǔn)備CNG缸內(nèi)直接噴射

3 優(yōu)化部分負(fù)荷和全負(fù)荷的噴射策略

天然氣噴射定時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能具有重大影響。部分負(fù)荷時(shí)天然氣提早噴射，噴入氣缸的天然氣需要一定的充氣容積，因而會(huì)排擠新鮮空氣，從而能達(dá)到消除節(jié)流和良好的均質(zhì)化效果。而全負(fù)荷時(shí)，則不希望出現(xiàn)天然氣的排擠效應(yīng)，因此應(yīng)促使天然氣晚噴射。圖5(a)示出了天然氣噴射終點(diǎn)對(duì)充氣效率的影響，在進(jìn)氣門關(guān)閉后噴射天然氣能顯著提高充氣效率，圖5中也示出了氣門升程曲線和轉(zhuǎn)速為2 000 r/min全負(fù)荷工況點(diǎn)時(shí)的噴射持續(xù)期。

需要注意的是，天然氣噴射壓力與氣缸壓力之間必須存在足夠的壓力差，以便能在可供使用的時(shí)間內(nèi)將所需的天然氣質(zhì)量噴入燃燒室中，而且只有在超臨界狀態(tài)下才能獲得與氣缸壓力無關(guān)的噴射器流量。在噴射壓力為1.6 MPa時(shí)，氣缸壓力最高可達(dá)到0.8 MPa，因而噴射終點(diǎn)約為點(diǎn)火上止點(diǎn)后-70°CA(圖5(b))。而對(duì)于0.8 MPa噴射壓力而言，在0.4 MPa氣缸壓力時(shí)就已達(dá)到臨界壓力狀態(tài)了，從而盡可能晚的噴射終點(diǎn)就移動(dòng)到點(diǎn)火上止點(diǎn)后-105°CA。

圖5 2 000 r/min轉(zhuǎn)速和全負(fù)荷時(shí)噴射定時(shí)的極限和效果

天然氣直接噴入燃燒室提供了實(shí)現(xiàn)掃氣換氣的可能性，而不會(huì)如進(jìn)氣管噴射那樣有較高天然氣損失。圖6示出了在轉(zhuǎn)速2 250 r/min全負(fù)荷時(shí)，進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)早對(duì)平均有效壓力和CH4排放量的影響。

圖6 平均有效壓力和CH4排放量與進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)角的關(guān)系(2 250 r/min，全負(fù)荷)

因存在掃氣壓差，隨著氣門重疊度的增大，通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)的流量，廢氣渦輪增壓器建立起更高的增壓壓力，從而能達(dá)到更高的平均壓力。當(dāng)進(jìn)氣門關(guān)閉得過早時(shí)(凸輪軸相位調(diào)節(jié)角大于40°CA)，活塞行程不再被完全利用，從而使充氣效率和平均壓力降低。在進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)到最佳的情況下，平均壓力比初始無氣門重疊時(shí)提高0.7 MPa。在天然氣缸內(nèi)直接噴射的情況下，在整個(gè)進(jìn)氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)范圍內(nèi)CH4排放量始終保持不變，而在天然氣進(jìn)氣管噴射情況下，CH4排放量隨著氣門重疊的增大而急劇增加。圖6表明了天然氣缸內(nèi)直接噴射因避免了排擠新鮮空氣而顯示出相對(duì)于進(jìn)氣管噴射的扭矩優(yōu)勢(shì)。

4 全負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

圖7示出了所列舉方案的試驗(yàn)結(jié)果，比較的基礎(chǔ)是壓縮比為8.8的汽油缸內(nèi)直接噴射，該發(fā)動(dòng)機(jī)搭載于配備日本連續(xù)可變傳動(dòng)變速器(CVT)的Kei-Car微型汽車上，因而設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較高，因此低速扭矩相對(duì)較小，在轉(zhuǎn)速3 000～4 000 r/min之間達(dá)到最大平均壓力為2 MPa，而目標(biāo)車輛則選擇了低轉(zhuǎn)速方案，最高轉(zhuǎn)速僅考察到5 000 r/min。因受到爆燃極限、活塞，以及連桿容許最大峰值壓力8 MPa的限制，因此燃燒不得不相對(duì)推遲，這樣廢氣溫度就會(huì)大大提高。由于廢氣渦輪是僅按最高溫度900 ℃設(shè)計(jì)的，出于保護(hù)零件的原因，從轉(zhuǎn)速2 000 r/min開始就必須加濃混合氣,以降低最高燃燒溫度。

在換用CNG運(yùn)行的情況下，考慮到CNG具有高的抗爆性，不僅壓縮比提高到13.6，而且加強(qiáng)的活塞和連桿容許使用10 MPa的中等峰值壓力。但是，采用進(jìn)氣管噴射，即從高轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)就能達(dá)到與使用汽油運(yùn)行時(shí)相同的扭矩特性曲線，因此能達(dá)到的平均壓力值較低，其原因在于一方面進(jìn)氣管噴射時(shí)存在排擠新鮮空氣效應(yīng)，另一方面無掃氣的換氣無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。

而采用CNG缸內(nèi)直接噴射時(shí)的情況就大大改善了，不僅能獲得與基本型汽油運(yùn)行方案相似的扭矩特性曲線，而且即使壓縮比非常高，也不會(huì)像進(jìn)氣管噴射那樣因爆燃或燃燒過程無法調(diào)節(jié)而受到限制，在轉(zhuǎn)速超過3 000 r/min時(shí)也必須推遲點(diǎn)火，以便不超過平均容許的10 MPa峰值壓力限值。

在該范圍內(nèi)高壓縮比有助于燃燒氣體充分膨脹，以至于即使燃燒延遲也不會(huì)超過容許的廢氣溫度。在使用天然氣運(yùn)行的情況下，為降低最高燃燒溫度而加濃混合氣并不適用。由于取消了混合氣加濃，所以與使用汽油方案相比，不僅節(jié)油高達(dá)30%，而且與此相關(guān)的CO和碳?xì)渑欧乓泊蟠蠼档停@對(duì)于高負(fù)荷運(yùn)行占比較大的小型汽車而言非常重要。值得一提的是，其顆粒物排放也處于非臨界水平之上。

如圖7中的特性曲線(壓縮比13.6， CNG-DI-TC優(yōu)化)表明，通過廢氣渦輪增壓器的匹配能改善低下扭矩特性[6]。使用CNG運(yùn)行時(shí)因較高的壓縮比和較早的燃燒位置，其廢氣溫度降低了100～200 ℃。通過廢氣渦輪增壓器的適當(dāng)匹配，減小渦輪和壓氣機(jī)葉輪，能在額定功率相同的情況下提前500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)就達(dá)到最大扭矩。

5 壓縮比的試驗(yàn)研究

正如試驗(yàn)結(jié)果所表明的那樣，因CNG高的抗爆性，為了提高熱效率可將壓縮比提高到13.6而不會(huì)出現(xiàn)爆燃等方面的問題。大幅度提高壓縮比的缺點(diǎn)是在汽油機(jī)燃燒過程中，屋頂型燃燒室的屋頂部分要向圓盤形部分方向壓扁，產(chǎn)生較大的面積/容積比(圖8)，導(dǎo)致壁面熱損失和燃油不完全燃燒的份額增加，從而會(huì)部分抵消較高壓縮比，提高效率(圖9)。對(duì)于這種發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮比12.0時(shí)，可使效率達(dá)到最佳的折中。

圖8 壓縮比提高情況下的燃燒室形狀

圖9 各種不同壓縮比情況下的損失分析

6 催化轉(zhuǎn)化器的加熱

除了改善低轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩特性之外，CNG缸內(nèi)直接噴射還能采用加速催化轉(zhuǎn)化器加熱的策略[7]。此時(shí)，用進(jìn)氣行程階段的主噴射來調(diào)節(jié)形成稀薄混合氣的條件，并推遲點(diǎn)火，以便在較低的氣缸壓力值的情況下達(dá)到高的廢氣溫度和滯后的燃燒終點(diǎn),并在膨脹行程階段燃燒將近結(jié)束時(shí)進(jìn)行后噴射，將天然氣噴入燃燒氣體中(圖10)，其中尚有適當(dāng)?shù)难鹾?，附加的后燃燒能使廢氣溫度也就是催化轉(zhuǎn)化器溫度顯著提高(圖11)，能使有害物的凈化大大提高。

圖10 后噴射加熱催化轉(zhuǎn)化器時(shí)的噴射策略

圖11 單次噴射后噴射時(shí)的CH4轉(zhuǎn)化率和廢氣溫度

7 結(jié)論

在1臺(tái)用于小型汽車的3缸動(dòng)力裝置上，通過匹配CNG缸內(nèi)直接噴射達(dá)到了如汽油缸內(nèi)直接噴射一樣的扭矩特性。進(jìn)氣管噴射CNG發(fā)動(dòng)機(jī)因充氣量較少以及沒有可利用的掃氣，特別是在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩特性受到限制，而用于掃氣換氣的配氣定時(shí)調(diào)節(jié)卻能避免甲烷損失。

相對(duì)于甲烷高的抗爆性，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比已被提高，而在這方面受限制的并非是非正規(guī)的燃燒現(xiàn)象，而是由于面容比增大、較高的壁面熱損失，以及燃料不完全燃燒所引起的損失。并在壓縮比12.0時(shí)達(dá)到到了最佳的折中。

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后催化轉(zhuǎn)化器快速加熱，CNG缸內(nèi)直接噴射容許在膨脹行程期間進(jìn)行后噴射，通過后反應(yīng)燃燒能顯著提高廢氣溫度，從而能使催化轉(zhuǎn)化器提前達(dá)到起燃溫度。

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范明強(qiáng) 譯自 MTZ， 2016， 77(7-8)

何丹妮 編輯

2016-08-17)