侯獻(xiàn)軍 盧俊宇* 鄒 斌 劉志恩 程 財(cái)

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

0 引 言

天然氣燃料作為一種清潔的汽車替代能源日益受到重視，而且天然氣儲存量豐富，僅我國預(yù)測就多達(dá)12萬億m3[1].天然氣燃料的主要成分為甲烷，甲烷的辛烷值高，因而具有良好的抗爆性，使發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更高的壓縮比，從而達(dá)到更高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[2].經(jīng)過處理的天然氣可以降低其中硫等有害物質(zhì)，從而有效降低燃料燃燒后污染物的排放，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能.

在天然氣作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料方面，專家學(xué)者們做了許多研究.劉欣等[3]對某兩款CNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)匹配實(shí)驗(yàn)，并完成了點(diǎn)火提前角和噴氣時(shí)間標(biāo)定，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)均達(dá)到使用要求，提出并證實(shí)了控制策略和元件選配對類似CNG機(jī)型的通用性.并對一款機(jī)型建立并校正了數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)而對其配氣相位提出優(yōu)化.許自順[4]利用GT-power軟件建立了高精度仿真模型，并根據(jù)三效催化器的空燃比特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了針對天然氣燃燒污染物的化學(xué)機(jī)理，使得三效催化器所得數(shù)據(jù)相符.提出了仿真研究方案，將發(fā)動(dòng)機(jī)的排放預(yù)測與三效催化器的轉(zhuǎn)化模擬結(jié)合起來，形成了完整的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)低排放研究的數(shù)值計(jì)算流程.張寧等[5]通過建立三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)柴油/天然氣雙燃料噴射模型，研究不同EGR率對高壓直噴(HPDI)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響.結(jié)果表明:高溫區(qū)主要是由柴油引燃的天然氣射流燃燒形成，NO主要在天然氣射流燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)域產(chǎn)生;引燃柴油的燃燒對NO生成的貢獻(xiàn)較少.肖合林等[6]根據(jù)某款汽油機(jī)開發(fā)了一款渦輪增壓CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，并且充分利用壓縮天然氣的燃料特性，從降低爆震感度、適應(yīng)壓縮比、提高燃燒效率等方面使CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的性能達(dá)到目標(biāo)要求.開發(fā)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)相比，CO2排放減少24.2%，燃料消耗減少46.4%.

文中基于某型號兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型，對比分析了以汽油和CNG為燃料時(shí)和以天然氣Gr和G25為燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和排放，并針對以CNG為燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能提出優(yōu)化方案.

1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立與校準(zhǔn)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型建立

研究對象為某型號兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，通過臺架試驗(yàn)得到分別使用兩種燃料時(shí)外特性數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)儀器見圖1.其主要技術(shù)參數(shù)見表1.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)儀器

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

運(yùn)用GT-power軟件，建立發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一維仿真模型，見圖2.對于已有的部分部件的三維數(shù)模，在GT中離散成相應(yīng)的模型部件，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng).

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型標(biāo)定

將GT—維模型外特性各轉(zhuǎn)速下計(jì)算結(jié)果與臺架試驗(yàn)的實(shí)測值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖3.

圖3 汽油機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩校準(zhǔn)

由圖3可知，在1 200 r/min時(shí)兩者的誤差最大，轉(zhuǎn)矩誤差為3.6%，功率誤差為3.47%.但均不超過5%，模型精確度較高，可用于后續(xù)的仿真優(yōu)化分析.

2 不同燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和排放的影響

2.1 汽油和CNG燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響

2.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性影響

對使用汽油和CNG燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性相關(guān)數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4.

圖4 使用汽油/CNG時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩對比

由圖4可知，相較于汽油機(jī)，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能仍然存在差距.在功率和轉(zhuǎn)矩上，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)均低于汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在5 200 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩的差距值最大，較汽油機(jī)降低21.93%，此轉(zhuǎn)速時(shí)的功率差距也最大，差距19.37%.

對比兩種燃料性質(zhì)，雖然天然氣的燃燒熱值較高，但是天然氣與空氣形成的混合氣的熱值比汽油與空氣形成的混合氣熱值低，從而造成功率的損失.其次，天然氣燃燒的特點(diǎn)是著火溫度高，使得天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)總?cè)紵谘娱L，氣缸內(nèi)氣體壓力峰值偏離上止點(diǎn)，從而造成氣缸內(nèi)壓力和溫度上升緩慢.增加點(diǎn)火提前角，致使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降.理論上單位質(zhì)量天然氣燃燒需要比汽油多更多的空氣，對于同等排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，天然氣的燃燒質(zhì)量比汽油低，造成天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降[9-10].

2.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)排放影響

將發(fā)動(dòng)機(jī)的一維仿真模型的燃料分別設(shè)置成汽油和CNG，得到排放性能相關(guān)數(shù)據(jù)，見圖5.

圖5 使用汽油/CNG時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排放對比

由圖5可知，在NOx排放中，使用CNG和汽油為燃料的排放變化趨勢一致，CNG的NOx排放在各轉(zhuǎn)速下，均低于汽油的排放，在1 600 r/min時(shí)的NOx排放減少最大，為81.66%.在CO排放中，兩種燃料使用時(shí)的變化趨勢也一致，除了在2 000 r/min和2 800 r/min的轉(zhuǎn)速下，其他轉(zhuǎn)速時(shí)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放均低于汽油機(jī)，在3 200 r/min時(shí)減小最大，為26.67%.

分別燃用兩種燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度見圖6.

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度

影響發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的主要因素是氧含量、燃燒溫度,以及燃燒產(chǎn)物在高溫中的停留時(shí)間等.由圖6可見，在各個(gè)轉(zhuǎn)速下使用汽油時(shí)的缸內(nèi)燃燒溫度高于CNG的溫度.在氧含量足夠大的條件下，反應(yīng)時(shí)間越長，溫度越高，則NOx排放量越大.NOx的排放整體隨轉(zhuǎn)速上升而升高，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的提高導(dǎo)致燃燒速度和燃燒溫度的提高，此時(shí)有利于NOx的產(chǎn)生.CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放低于汽油機(jī)主要是因?yàn)樘烊粴庖詺鈶B(tài)方式進(jìn)入缸內(nèi)，占據(jù)了較大的工作容積，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣量減少，并且CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度低于汽油機(jī).CO生成主要是因?yàn)榫植咳毖鯇?dǎo)致烴的不完全燃燒，其主要影響因素是混合氣濃度.在中、高轉(zhuǎn)速時(shí)，CO的排放較高，主要是因?yàn)榇藭r(shí)的滯燃期長，充量系數(shù)較低，故燃燒不充分，加劇CO的產(chǎn)生.天然氣與空氣同為氣相混合較均勻故燃燒更充分，所以比汽油的CO排放較少.此仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[7]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符.

2.2 Gr和G25燃料對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和排放的影響

根據(jù)《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國第六段)》中規(guī)定的基準(zhǔn)燃料技術(shù)要求中的NG基準(zhǔn)燃料的技術(shù)參數(shù)，要求的基準(zhǔn)燃料為Gr和G25.兩者的天然氣燃料成分有差距，Gr的組分是87%的甲烷和13%的乙烷，G25的組分是84%的甲烷和16%的氮?dú)?基準(zhǔn)燃料Gr和G25的發(fā)熱量是規(guī)定的發(fā)熱量范圍的兩個(gè)極端.

將發(fā)動(dòng)機(jī)模型的燃料變更成基準(zhǔn)燃料Gr和G25，仿真分析兩種不同燃料下的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和排放性.

2.2.1動(dòng)力性對比

功率和轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果見圖7.由圖7可知，轉(zhuǎn)矩和功率隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本一致，由于燃料的熱值差異，G25燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)性能在各個(gè)轉(zhuǎn)速工況下明顯均低于Gr.在轉(zhuǎn)矩和功率上，兩者都是在3 200 r/min時(shí)差距最大，差距值為29.24%.

圖7 使用Gr/G25時(shí)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性對比

2.2.2排放對比

NOx和CO的仿真排放數(shù)據(jù)見圖8.

圖8 使用Gr/G25時(shí)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)排放對比

在排放方面，由于兩種不同燃料的組成成分差異，對排放的影響很大.Gr中的HC含量的明顯提高對發(fā)動(dòng)機(jī)的排放影響明顯，兩種污染物的排放上Gr都明顯高于G25.在NOx的排放上，G25為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在1 600 r/min時(shí)較Gr下降最大，為66.75%.CO的排放上，G25為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在3 200 r/min時(shí)較Gr下降最大，為99.61%.

3 以CNG為燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性優(yōu)化

3.1 點(diǎn)火提前角對動(dòng)力性的影響

設(shè)置不同點(diǎn)火提前角，3～36 (°)CA范圍內(nèi)，設(shè)置間隔為3 (°)CA，分析其對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響，仿真結(jié)果見圖9.

圖9 不同點(diǎn)火提前角下CNG發(fā)動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果

選取3 200，2 400和1 600 r/min高、中、低三個(gè)轉(zhuǎn)速.仿真結(jié)果顯示，最佳點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速的增加而增大.在外特性曲線上1 600 r/min時(shí)18～20 (°)CA達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2 400 r/min時(shí)24～26 (°)CA達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)，3 200 r/min時(shí)26～28 (°)CA達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩和功率達(dá)到最大值.

當(dāng)節(jié)氣門開度不變，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，單位時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度增大，所以最佳點(diǎn)火提前角隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而增大，模擬情況與實(shí)際相符.

3.2 進(jìn)氣提前角對動(dòng)力性的影響

在GT-power軟件模型中對于定義進(jìn)氣門的開啟角度是利用 “ValveCamConn”模塊中的“Cam Timing Angle”參數(shù)，此參數(shù)確定氣門最大升程時(shí)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)氣門的開啟角度[8-9].將進(jìn)氣門對應(yīng)的這一參數(shù)稱為進(jìn)氣正時(shí)角，通過計(jì)算原機(jī)配氣相位所對應(yīng)值為470 (°)CA，調(diào)整這一參數(shù)可改變進(jìn)氣提前角.以1 (°)CA為間隔，在458～477 (°)CA范圍內(nèi)設(shè)置不同進(jìn)氣正時(shí)角分析其對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響，仿真結(jié)果見圖10.

圖10 不同進(jìn)氣提前角下CNG發(fā)動(dòng)機(jī)仿真結(jié)果

同樣選取3 200，2 400和1 600 r/min高、中、低三個(gè)轉(zhuǎn)速.仿真結(jié)果顯示，從設(shè)置的458～477 (°)CA范圍，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻推遲，進(jìn)氣提前角減小，功率和轉(zhuǎn)矩呈先增大后減小趨勢，每個(gè)轉(zhuǎn)速下在凸輪型線不變的情況下對于動(dòng)力性存在一個(gè)最佳進(jìn)氣提前角，隨著轉(zhuǎn)速的增加，此進(jìn)氣提前角越大，即進(jìn)氣門開啟時(shí)刻越提前.在1 600,2 400,3 200 r/min時(shí)進(jìn)氣門開啟最佳時(shí)刻即進(jìn)氣正時(shí)角分別為475,465,461 (°)CA，分別為在原進(jìn)氣門開啟時(shí)刻的基礎(chǔ)上推遲5 (°)CA、提前5 (°)CA、提前9 (°)CA.

3.3 動(dòng)力性優(yōu)化

以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，利用GT-power軟件自帶的DoE模塊在1 600～4 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到的點(diǎn)火提前角和進(jìn)氣提前角對轉(zhuǎn)矩的影響云圖見圖11.

圖11 點(diǎn)火提前角和進(jìn)氣提前角對轉(zhuǎn)矩的影響

由圖11可知，隨著轉(zhuǎn)速從低到高，最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的進(jìn)氣正時(shí)角越小，進(jìn)氣門開啟時(shí)刻越提前，進(jìn)氣提前角越大.相較于進(jìn)氣提前角，點(diǎn)火提前角的影響更大.各個(gè)轉(zhuǎn)速下優(yōu)化方案見表2.

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化方案

優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩對比見圖12.

圖12 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)矩對比

由圖12可知，各轉(zhuǎn)速優(yōu)化后轉(zhuǎn)矩均有明顯提升，在3 200和4 000 r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩提高了4.8%.由仿真優(yōu)化結(jié)果得出：對CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角優(yōu)化標(biāo)定和采用可變氣門正時(shí)方案，可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能.

4 結(jié) 論

1) 和汽油燃料相比，以CNG為燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性較差，轉(zhuǎn)矩和功率的最大差值分別達(dá)21.9%和19.8%，但排放較好，仿真結(jié)果表明NOx的排放最高降低81.66%，CO的排放最高降低26.67%.

2) 天然氣成分對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和排放影響明顯，Gr相比G25，轉(zhuǎn)矩和功率的提高最大都達(dá)29.11%，而在排放方面，G25相比Gr在NOx排放上最大降低66.75%，CO的排放最大降低99.61%.更高的熱值即HC含量可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，卻加劇了污染物的排放.

3) 功率和轉(zhuǎn)矩的最佳點(diǎn)火提前角隨轉(zhuǎn)速的增加而提高，最佳進(jìn)氣提前角隨轉(zhuǎn)速的升高而增大.以點(diǎn)火提前角和進(jìn)氣提前角提出的動(dòng)力性優(yōu)化方案效果明顯，在3 200和4 000 r/min轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩提高4.8%.