凌中水, 劉 彥, 李陶勝, 趙 妞

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,安徽 安慶 246003;2.安徽皖博機(jī)器人有限公司技術(shù)部,安徽 蕪湖 243031;3.皖江工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243031)

0 引 言

能源和環(huán)保是發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)研究領(lǐng)域內(nèi)一直關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。天然氣具有儲(chǔ)量豐富、成本低廉、燃燒效率高的優(yōu)點(diǎn),在發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)性和排放性目標(biāo)[1-3]。

國(guó)內(nèi)外近年來(lái)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究主要集中在燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、供氣系統(tǒng)、EGR 系統(tǒng)以及天然氣摻燒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響方面。周洋,等[4]應(yīng)用AVL Fire軟件對(duì)一臺(tái)LNG/CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模與仿真,分析了四種燃燒室的燃燒過(guò)程,考慮壓縮比、點(diǎn)火穩(wěn)定性、NOx排放量等因素影響選擇了最佳設(shè)計(jì)方案。施東曉,等[5]考慮缸內(nèi)氣門和活塞運(yùn)動(dòng),基于CONVERGE 軟件采用多缸法計(jì)算了某型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣均勻性,并通過(guò)仿真和臺(tái)架驗(yàn)證了多缸法的可行性。張韋,等[6]基于CFD 耦合包括天然氣在內(nèi)的三燃料化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理,采用CHEMKIN 分析手段,詳細(xì)研究了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的摻燒特性,分析了摻燒對(duì)CH4氧化速率、CH2O 和CO 生成速率和峰值濃度等的影響。在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)改裝設(shè)計(jì)方面也有相關(guān)報(bào)道[7-9]。然而,對(duì)于點(diǎn)火系統(tǒng)參數(shù)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)怠速排放和催化器起燃工況排放的研究相對(duì)較少。因此,本文在一臺(tái)壓縮天然氣CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)上開(kāi)展了點(diǎn)火能量、點(diǎn)火提前角對(duì)怠速排放、催化器起燃工況瞬態(tài)排放和排氣能量變化影響規(guī)律的研究,以探索CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)降低排放、達(dá)到更低排放標(biāo)準(zhǔn)的潛能。

1 試驗(yàn)裝置與環(huán)境

試驗(yàn)研究采用一款1.5 L 電控多點(diǎn)噴射、直列、自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī),主要參數(shù)如表1所示。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備:AVL PUMA 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng),AMK ACNA 160 型電力測(cè)功機(jī),HORIBA MEXA- 7100DEGR 型直采式廢氣分析儀,GH0563型油耗儀,發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架用592型ETAS系統(tǒng)和汽車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)等。試驗(yàn)環(huán)境大氣壓力為101 k Pa,溫度為25 ℃。試驗(yàn)為對(duì)比試驗(yàn)研究,未對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

表1 1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)主要基本參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 點(diǎn)火能量對(duì)怠速排放影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上,保持天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況運(yùn)行,將過(guò)量空氣系數(shù)控制在1附近,設(shè)定怠速工況點(diǎn)火提前角為10°CA,分別進(jìn)行了點(diǎn)火線圈充電時(shí)間為3 ms,4 ms和5 ms的HC,CO 排放特性對(duì)比試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 怠速下不同充電時(shí)間的HC排放

圖2 怠速下不同充電時(shí)間的CO 排放

從圖1可以看出,隨著點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火線圈充電時(shí)間的增加,HC排放呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì);而CO排放量隨點(diǎn)火線圈充電時(shí)間的變化不敏感。HC下降是因?yàn)殡S著點(diǎn)火線圈充電時(shí)間增加,點(diǎn)火能量逐漸增大,點(diǎn)火時(shí)刻后形成的火核變大,加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣?導(dǎo)致燃燒時(shí)間縮短,缸內(nèi)燃燒溫度和壓力升高,有利于HC 的氧化;而發(fā)動(dòng)機(jī)的CO 產(chǎn)生主要受制于過(guò)量空氣系數(shù),與點(diǎn)火能量的大小沒(méi)有直接關(guān)系?？梢哉J(rèn)為,當(dāng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況運(yùn)行時(shí),可以通過(guò)增大線圈充電時(shí)間,加大點(diǎn)火能量,促進(jìn)快速燃燒,達(dá)到降低HC排放的目標(biāo)。

2.2 點(diǎn)火提前角對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)排放影響

分別進(jìn)行了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性工況下運(yùn)行時(shí),將各個(gè)工況點(diǎn)的點(diǎn)火角在原點(diǎn)火角基礎(chǔ)上提前6°CA,9°CA,12°CA 和15°CA,試驗(yàn)研究HC,CO,NOx以及扭矩的變化。試驗(yàn)結(jié)果如圖3,圖4,圖5和圖6所示。

從圖3,圖4和圖5可以看出,隨著點(diǎn)火角提前幅度的增加,HC呈現(xiàn)逐漸上升的規(guī)律,CO 基本維持不變,NOx則大幅增加。分析認(rèn)為,點(diǎn)火提前角的增加,使得活塞上止點(diǎn)前的燃燒時(shí)間增加,上止點(diǎn)后的燃燒時(shí)間縮短;活塞從上止點(diǎn)下行后,由于燃燒時(shí)間的縮短,從狹縫中析出的HC難以被氧化,因此HC排放上升;而CO 的排放基本決定于過(guò)量空氣系數(shù),因此基本維持不變;NOx生成的主要條件是高溫、高溫富氧和高溫持續(xù)時(shí)間[10],點(diǎn)火角提前,使得最高燃燒溫度上升,因此NOx 排放大幅增加。

圖3 HC排放隨點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系

圖4 CO 排放隨點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系

圖5 NOx排放隨點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系

圖6展示的扭矩變化規(guī)律表明,扭矩隨著點(diǎn)火提前角的增大先上升,然后略有下降。這是由于點(diǎn)火角的過(guò)分提前會(huì)導(dǎo)致峰值燃燒壓力出現(xiàn)在上止點(diǎn)前,影響發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的輸出。綜合考慮選取將點(diǎn)火角提前12°CA,可實(shí)現(xiàn)HC,CO,NOx排放物和扭矩輸出的優(yōu)化折中。

圖6 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系

2.3 點(diǎn)火提前角對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)排放影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)原始點(diǎn)火提前角的基礎(chǔ)上,推遲點(diǎn)火角5°CA,試驗(yàn)研究70 km/h～100 km/h瞬態(tài)加速時(shí)的催化轉(zhuǎn)換器后的HC 和NOx排放,試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 70km/h～100km/h瞬態(tài)加速HC峰值排放

圖7的數(shù)據(jù)表明,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)點(diǎn)火角的推遲會(huì)導(dǎo)致HC排放峰值略有升高,發(fā)動(dòng)瞬態(tài)HC排放的影響因素比較復(fù)雜,主要受制于過(guò)量空氣系數(shù)控制、催化時(shí)間窗口和點(diǎn)火角控制下的原始排放等因素;而NOx 排放受燃燒溫度影響程度較大,所以點(diǎn)火角推遲導(dǎo)致最高燃燒溫度下降后,NOx排放減少,排放量呈現(xiàn)圖8的變化規(guī)律。

圖8 70km/h～100km/h瞬態(tài)加速NOx峰值排放

瞬態(tài)點(diǎn)火角的控制對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)駕駛性影響較大,所以在進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)標(biāo)定時(shí),在保證良好駕駛性的前提下可以通過(guò)減小點(diǎn)火角,有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。

2.4 點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)催化器起燃工況影響

圖9 給 出 了NEDC 循環(huán) 工 況,HC,CO 和NOx排放的累積排放量?？梢钥闯?NEDC 循環(huán)前100s,由于催化器溫度較低,三效催化轉(zhuǎn)換器沒(méi)有起燃,轉(zhuǎn)換效率低,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放值很高(特別是HC的排放值),所以提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)工況的排氣溫度,實(shí)現(xiàn)催化器快速起燃,是降低排放的關(guān)鍵措施。

圖9 NEDC循環(huán)工況下HC、CO 和NOx的累積排放量

2.5 點(diǎn)火提前角對(duì)排氣溫度的影響

將各個(gè)工況點(diǎn)的點(diǎn)火角在原點(diǎn)火角基礎(chǔ)上提前6°CA,9°CA,12°CA 和15°CA,進(jìn)行了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在催化器起燃工況下運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)催化器前排氣溫度測(cè)試的研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看出,在所試驗(yàn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工況范圍內(nèi),隨著點(diǎn)火角的提前,排氣溫度依次下降。點(diǎn)火提前角的增加會(huì)促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)化效率的增加,同時(shí)缸內(nèi)后燃情況減少,因此排氣溫度隨點(diǎn)火角的提前逐漸下降。

圖10 不同點(diǎn)火角下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度

圖11展示了在不同過(guò)量空氣系數(shù)和不同點(diǎn)火線圈充電時(shí)間條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)催化器前排溫變化。隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加,排溫呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì);而排溫隨點(diǎn)火充電線圈時(shí)間的增加而上升。分析認(rèn)為,過(guò)量空氣系數(shù)較小時(shí),天然氣燃燒不完全,排溫下降,當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)較大時(shí),火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?影響缸內(nèi)最高燃燒溫度,因此排氣溫度峰值出現(xiàn)在過(guò)量空氣系數(shù)為1.01～1.05附近,此時(shí)天然氣燃燒速度較快,燃燒完全。點(diǎn)火線圈充電時(shí)間的增加,加大了點(diǎn)火能量,點(diǎn)火時(shí)間窗口形成的火核較大,加快了燃燒速度,使得最高燃燒溫度升高,因此排氣溫度隨著點(diǎn)火線圈充電時(shí)間的增加而升高。

圖11 點(diǎn)火線圈不同充電時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度

綜合上述的試驗(yàn)結(jié)果和分析可以認(rèn)為,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在催化器起燃工況運(yùn)行時(shí),應(yīng)加大點(diǎn)火線圈充電時(shí)間,以增加點(diǎn)火能量,同時(shí)適當(dāng)推遲點(diǎn)火提前角,促使發(fā)動(dòng)機(jī)后燃,提高排氣溫度,從而使催化器快速到達(dá)起燃溫度,以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。

3 結(jié) 論

1)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下運(yùn)行時(shí),點(diǎn)火線圈充電時(shí)間增加可加大點(diǎn)火能量,獲得更低的HC排放性能。

2)在外特性工況下,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的HC 和NOx排放隨著點(diǎn)火提前角的加大而逐漸升高,而CO 排放量沒(méi)有明顯變化。

3)在保證良好駕駛性的前提下,減小點(diǎn)火角時(shí),HC排放略有增加,但瞬態(tài)NOx排放量大幅下降。

4)排氣溫度是催化器起燃和NEDC 前100 s污染物排放量的決定性因素;增加點(diǎn)火線圈充電時(shí)間,推遲點(diǎn)火角,可提升天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度,實(shí)現(xiàn)快速起燃,降低污染物排放。