朱云峰 史程中 楊 陳 尹建東 沈 源 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315000 2-浙江吉利羅佑發(fā)動機(jī)有限公司）

引言

研究表明[1]，在氣道多點(diǎn)噴射的天然氣（CNG）發(fā)動機(jī)工作過程中，燃料噴射時(shí)間對發(fā)動機(jī)的性能、燃油消耗率以及排放均有較大的影響。

在發(fā)動機(jī)運(yùn)行的每個(gè)工況匹配最佳的燃料噴射時(shí)間，可有效抑制爆震發(fā)生，從而使點(diǎn)火角大幅度提前，使燃油經(jīng)濟(jì)性提高。同時(shí)，合適的燃料噴射時(shí)間可降低天然氣發(fā)動機(jī)的HC、NOx排放，為滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)提供最初始的排放控制手段。

本文采用一臺3缸1.0T渦輪增壓天然氣（CNG）發(fā)動機(jī)，針對不同燃料噴射時(shí)間對發(fā)動機(jī)運(yùn)行情況的影響進(jìn)行了深入分析。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)臺架

發(fā)動機(jī)的性能試驗(yàn)臺架如圖1所示。

圖1 性能試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用主要測試設(shè)備見表2。

表2 試驗(yàn)所用主要設(shè)備

2 試驗(yàn)方法及條件

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為一臺3缸1.0T渦輪增壓天然氣（CNG）發(fā)動機(jī)，空燃比控制采用閉環(huán)控制，過量空氣系數(shù)為1。

控制點(diǎn)火提前角，使AI50的對應(yīng)轉(zhuǎn)角在7～8°CA之間[2]。天然氣具有較強(qiáng)的抗爆性[3]，辛烷值達(dá)到110以上，理論上不存在爆震現(xiàn)象[4]。但由于是增壓發(fā)動機(jī)，過大的點(diǎn)火提前角會導(dǎo)致缸內(nèi)爆發(fā)壓力超過設(shè)計(jì)限值[5]，為了使最大爆發(fā)壓力不超過設(shè)計(jì)限值，點(diǎn)火提前角不宜過大。

通過調(diào)節(jié)增壓器電子放氣閥的占空比來精確控制增壓壓力，以達(dá)到各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)。

本文采用轉(zhuǎn)速2000 r/min、平均有效壓力（BMEP）1MPa作為試驗(yàn)工況，調(diào)整燃料噴射時(shí)間，將步長設(shè)為20°CA，觀察不同噴射時(shí)間轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率、各排放指標(biāo)的變化趨勢。

試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速與選定轉(zhuǎn)速2000 r/min相差不超過1%，或誤差在±10 r/min之間，待轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及排氣溫度穩(wěn)定1min后，方可進(jìn)行測量，測量時(shí)間不少于15 s。

2.2 試驗(yàn)邊界條件

試驗(yàn)所用燃?xì)饨M分見表3，其甲烷成分達(dá)到96%以上。

考慮到燃燒噪聲、機(jī)械負(fù)荷等設(shè)計(jì)限值，發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)邊界條件見表4。

表3 試驗(yàn)用壓縮天然氣燃料組分及特性

表4 發(fā)動機(jī)燃燒邊界控制限制

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 燃料噴射時(shí)間對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩不變，平均有效壓力保持在1MPa，對比不同燃料噴射時(shí)間對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，針對不同的燃料噴射時(shí)間，利用燃料噴射終了時(shí)刻（EOI）為表征。不同EOI下的燃油消耗率如圖2所示。

圖2 不同EOI下的燃油消耗率

從圖2可以看出，隨著燃料噴射時(shí)間的增大，燃油消耗率出現(xiàn)先下降后升高的趨勢。在360~450°CA區(qū)間內(nèi)，即在氣門開啟階段進(jìn)行噴射，燃油經(jīng)濟(jì)性較好。由于是氣道燃料噴射，在掃氣過程中，過早的燃料噴射會使燃油消耗率增加。反之，若燃料噴射過晚，燃燒滯后并延伸到膨脹過程中進(jìn)行，燃燒效率下降，燃油消耗率增加。

3.2 燃料噴射時(shí)間對燃燒的影響

燃料噴射時(shí)刻直接關(guān)系到氣缸內(nèi)可燃?xì)怏w混合的效果，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)燃燒特性。不同EOI下的點(diǎn)火提前角變化如圖3所示。從圖3可以看出，隨著燃料噴射時(shí)間的增大，點(diǎn)火提前角變化并不大。

圖3 不同EOI下的點(diǎn)火提前角

不同EOI下的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力平均值變化如圖4所示。從圖4可以看出，隨著燃料噴射時(shí)間的增大，最大爆發(fā)壓力呈逐漸減小的趨勢，最大變化幅度約為0.3MPa左右。爆發(fā)壓力的變化體現(xiàn)了發(fā)動機(jī)燃燒效率的變化。

圖4 不同EOI下的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力平均值

燃燒始點(diǎn)定義為燃燒10%燃料所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；燃燒終點(diǎn)定義為燃燒90%燃料所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角；AI50是燃燒50%燃料所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。AI50是評價(jià)發(fā)動機(jī)燃燒狀態(tài)的重要指標(biāo)，理論上，AI50值在8°CA左右時(shí)，燃料的燃燒效率最高。AI50隨EOI的變化如圖5所示。從圖5可以看出，AI50隨燃料噴射時(shí)間的增加而逐漸增大，燃燒效率逐漸變差。

圖5 AI50隨EOI的變化

3.3 燃料噴射時(shí)間對排放的影響

環(huán)境污染已成為當(dāng)今世界共同面臨的難題，而汽車排放污染是環(huán)境污染的主要來源之一。我國汽車保有量不斷增加，控制汽車排放是重中之重。在汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)初期將發(fā)動機(jī)的原始排放作為重點(diǎn)考查對象，可有效減小排放后處理的壓力。

THC排放隨EOI的變化如圖6所示。從圖6可看出，隨著燃料噴射時(shí)間的增大，THC排放出現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且在噴射時(shí)間為360~450°CA時(shí)出現(xiàn)THC最低排放值。

圖6 THC排放隨EOI的變化

EOI在360°CA之前，由于CNG氣體在進(jìn)氣行程前就已完成噴射。CNG氣體和空氣在進(jìn)氣歧管內(nèi)混合，由于CNG為氣態(tài)，占據(jù)一定的體積，導(dǎo)致進(jìn)氣歧管壓力增加。進(jìn)氣行程前期，存在一定的氣門重疊角，出現(xiàn)嚴(yán)重的掃氣現(xiàn)象，增加了THC排放。

隨著噴射時(shí)刻的延后，進(jìn)氣門開啟時(shí)，CNG氣體同新鮮空氣一起被吸入氣缸內(nèi)，不存在CNG氣體占據(jù)進(jìn)氣歧管體積的現(xiàn)象，掃氣現(xiàn)象減緩。同時(shí)，在氣體流動過程中，CNG氣體和新鮮空氣充分混合，使燃燒更充分。

但是燃料噴射過晚，使進(jìn)氣門關(guān)閉前沒有足夠的噴射持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致CNG氣體難以進(jìn)入氣缸內(nèi)，部分CNG氣體積存在進(jìn)氣歧管內(nèi)，出現(xiàn)與過早噴射類似的現(xiàn)象。

NOx排放隨EOI的變化如圖7所示。

圖7 NO x排放隨EOI的變化

從圖7可看出，NOx排放隨燃料噴射時(shí)間的變化較小。EOI在360～450°CA之間，NOx的排放值相對較小。

從圖6、圖7所反映的各排放物隨燃料噴射時(shí)間的變化趨勢可知，合理調(diào)整控制參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)最佳的排放水平。

4 結(jié)論

1）通過對CNG發(fā)動機(jī)不同燃料噴射時(shí)間燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的研究可知，在2 000 r/min、1MPa工況下，最佳EOI為400°CA。根據(jù)CNG發(fā)動機(jī)噴嘴的噴射特性，可將噴射脈寬定為10ms，燃料噴射開始時(shí)刻定為280°CA，即將CNG發(fā)動機(jī)的主要燃料噴射時(shí)間定在進(jìn)氣門開啟階段內(nèi)，此過程為開閥噴射。

2）CNG發(fā)動機(jī)燃料噴射時(shí)間對發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性、排放均有較大影響，標(biāo)定過程中，確定最佳的噴射時(shí)間，不但能提高發(fā)動機(jī)性能，同時(shí)可降低發(fā)動機(jī)排放。

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