李曉東，邰魯建，史艷軍，游凱

濰柴動力股份有限公司大缸徑發(fā)動機研究院，山東濰坊 261061

0 引言

天然氣的主要成分是甲烷(CH4)，相比傳統(tǒng)化石燃料，燃燒后基本沒有顆粒排放，且HC、CO、CO2等生成量少。一般大功率天然氣發(fā)動機缸內(nèi)平均有效壓力大于1.8 MPa，受爆震區(qū)和失火區(qū)的限制，其工作區(qū)域較小?？杖急葹?時天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s40 cm/s，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著空燃比的增加快速降低。一般大缸徑氣體機的缸徑在170 mm以上，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?，傳播過程容易中斷，出現(xiàn)不完全燃燒、循環(huán)波動大、失火率高等問題，降低了天然氣發(fā)動機功率，增大了HC排放[1-2]。

預(yù)燃室點火方式通過在預(yù)燃室內(nèi)使用火花塞點火或噴射高活性燃料引燃，燃燒后產(chǎn)生高溫高壓射流火焰進入主燃室，在主燃室內(nèi)形成大范圍多點點火，提高稀薄燃燒下火焰?zhèn)鞑ニ俣?，改善燃燒性能，提高點火能量[3-4]。預(yù)燃室內(nèi)的燃氣量影響點火能量，從而影響發(fā)動機性能。目前關(guān)于預(yù)燃室燃氣量對發(fā)動機性能影響的研究較少，本文中選取某大功率預(yù)燃室式天然氣發(fā)動機，調(diào)整預(yù)噴持續(xù)期，研究不同預(yù)噴持續(xù)期對發(fā)動機預(yù)燃室進氣量、預(yù)燃室氣管溫度、2個燃燒室(預(yù)燃室、主燃室)的著火時刻，2個燃燒室的缸壓、平均有效壓力波動、燃氣消耗率、氣體排放的影響。

1 試驗樣機及設(shè)備

試驗樣機為大缸徑4沖程、12缸、V型、增壓中冷、預(yù)燃室式天然氣發(fā)動機，額定功率為1800 kW，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，從氣源出來的1 MPa的燃氣分為2路：一路經(jīng)調(diào)壓閥1調(diào)整為10 kPa的低壓燃氣，根據(jù)電子控制單元(electronic control unit,ECU)內(nèi)設(shè)定空燃比與定量空氣混合成稀混合氣后經(jīng)增壓器、中冷器、節(jié)氣門、進氣總管和進氣歧管后進入主燃燒室；另一路燃氣經(jīng)調(diào)壓閥2調(diào)整為500 ～700 kPa的高壓燃氣，高壓燃氣臨時存放在氣軌內(nèi)確保供氣壓力穩(wěn)定，進氣沖程時，ECU控制電磁閥打開，高壓燃氣進入預(yù)燃室，電磁閥開啟持續(xù)時間(即預(yù)噴持續(xù)期)以曲軸轉(zhuǎn)角計算，不同的預(yù)噴持續(xù)期，進入預(yù)燃室內(nèi)的燃氣量不同[5-7]。

圖1 試驗樣機主要結(jié)構(gòu)

正常狀態(tài)下，純天然氣進入預(yù)燃室，按照空燃比設(shè)定的稀混合氣進入主燃室，但預(yù)燃室氣體容積僅為主燃室氣體容積的1.5%左右，壓縮沖程時主燃燒室內(nèi)部分稀混合氣進入預(yù)燃室，預(yù)燃室內(nèi)的燃氣由純天然氣稀釋為空燃比為1左右的混合氣，火花塞點火后引燃預(yù)燃室內(nèi)的混合氣，預(yù)燃室內(nèi)混合氣燃燒產(chǎn)生的火焰穿透預(yù)燃室周圍的噴孔引燃主燃燒室氣體[8-9]。ECU調(diào)整預(yù)噴持續(xù)期，在其他參數(shù)不變的前提下，通過控制預(yù)燃室內(nèi)的混合氣濃度，影響發(fā)動機性能。試驗設(shè)備主要有水力測功機、CMF050流量計、氣體分析儀、燃燒分析儀以及6052C缸壓傳感器。CMF050流量計裝在氣源出口2個調(diào)壓閥之前，氣體分析儀安裝在排氣總管上，缸壓傳感器安裝在缸蓋下部燃燒室上平面。

2 試驗方案及結(jié)果分析

試驗過程中保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、點火提前角、主燃室空燃比、水溫、中冷后溫度等參數(shù)不變，ECU通過控制電磁閥調(diào)整預(yù)噴持續(xù)期，以曲軸轉(zhuǎn)角50°作為預(yù)噴持續(xù)期始點，以曲軸轉(zhuǎn)角10°為步長進行測試，研究預(yù)噴持續(xù)期對預(yù)燃室進氣量、預(yù)燃室氣管溫度、2個燃燒室的著火時刻、2個燃燒室的缸壓、平均有效壓力波動、燃氣消耗率、氣體排放的影響。

2.1 預(yù)燃室進氣量

預(yù)燃室周圍有火焰噴孔，因此主燃室和預(yù)燃室是相通的，隨著曲軸轉(zhuǎn)角增大，預(yù)燃室缸壓和主燃室缸壓隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖2a)所示，預(yù)噴初始缸壓、預(yù)噴終止缸壓及預(yù)燃室進氣量隨預(yù)噴持續(xù)期的變化曲線如圖2b)、c)所示。由圖2a)可知：點火初期預(yù)燃室缸壓突增，明顯高于主燃室，其他時刻預(yù)燃室和主燃室的缸壓基本相同。由圖2b)可知：預(yù)噴初始缸壓維持不變，預(yù)噴終止缸壓先減小后增加，其原因主要是：隨著預(yù)噴持續(xù)期增加，活塞下行，預(yù)噴終止缸壓逐漸降低，預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為146°時活塞到達下止點，預(yù)噴終止缸壓達到最低，隨后活塞上行，預(yù)噴終止缸壓逐漸升高。由圖2c)可知：隨著預(yù)噴持續(xù)期增加，預(yù)燃室進氣量近似線性增長，但不同持續(xù)期斜率略有差異，預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為50°～80°時斜率約為0.021，預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為90°～160°時斜率約為0.035，預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為170°～200°時斜率約為0.028，后2段預(yù)噴終止缸壓略高，對預(yù)燃室的進氣量略有影響。

a)燃燒室缸壓 b)預(yù)燃室預(yù)噴初始缸壓和終止缸壓 c)預(yù)燃室進氣質(zhì)量流量

2.2 預(yù)燃室氣管溫度

預(yù)燃室氣管內(nèi)部裝有單向閥，開啟壓力約為20 kPa，打開單向閥氣軌內(nèi)的高壓燃氣，進入預(yù)燃室，ECU控制單向閥關(guān)閉，預(yù)燃室停止供氣。由于與預(yù)燃室直接接觸，預(yù)燃室內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫傳導(dǎo)到預(yù)燃室氣管，溫度達150 ℃以上。預(yù)噴持續(xù)期增加，流經(jīng)預(yù)燃室氣管的天然氣增多，可降低氣管溫度，提高預(yù)燃室氣管單向閥可靠性。預(yù)燃室氣管溫度隨預(yù)噴持續(xù)期的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，預(yù)燃室氣管溫度隨預(yù)噴持續(xù)期的增加逐漸降低。

圖3 預(yù)燃室氣管溫度隨預(yù)噴持續(xù)期變化曲線

2.3 著火時刻

預(yù)燃室、主燃室著火時刻隨預(yù)噴持續(xù)期的變化曲線如圖4所示。

圖4 2個燃燒室著火時刻隨預(yù)噴持續(xù)期變化曲線

由圖4a)可知，隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，預(yù)燃室著火時刻先提前后推遲；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角小于100°時，隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，預(yù)燃室內(nèi)燃氣量增加，主燃室的空燃比和燃氣量不變，壓縮沖程進入預(yù)燃室內(nèi)的混合氣量不變，預(yù)燃室內(nèi)純天然氣體積分數(shù)加大，空燃比接近1，預(yù)燃室著火性能提高，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤饡r刻提前；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時，預(yù)燃室內(nèi)燃氣量繼續(xù)增加，空燃比小于1，預(yù)燃室著火性能降低，混合氣過濃，著火時刻逐漸推遲，但推遲幅度較小。

由圖4b)可知，主燃室的發(fā)火時刻、燃燒完成50%著火時刻和燃燒完成90%著火時刻與預(yù)燃燒室變化規(guī)律相同；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角小于100°時，所有著火時刻相應(yīng)提前且幅度逐漸增大，整個燃燒持續(xù)期縮短；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時，隨著預(yù)噴持續(xù)期增加，主燃室的著火時刻、燃燒完成50%著火時刻和燃燒完成90%著火時刻均相應(yīng)推遲，燃燒放緩，燃燒持續(xù)期增加。

2.4 缸壓

2個燃燒室缸壓隨預(yù)噴持續(xù)期的變化曲線如圖5所示。由圖5可知：在預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為50°～100°時，預(yù)燃室缸壓增長5.4%，平均增長速度為22 kPa/(°)，在預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為100°～200°時，預(yù)燃室缸壓增長1.3%，平均增長速度為7 kPa/(°)；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為50°～100°時，主燃室缸壓增長5.3%，平均增長速度為17 kPa/(°)，預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為100°～200°時，主燃室缸壓降低1.8%，平均降低速度為6 kPa/(°)。主要原因是：預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角小于100°時，預(yù)燃室氣量持續(xù)增加，著火時刻提前，缸壓快速增加；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時，預(yù)燃室內(nèi)燃氣量增加，但著火時刻略有推遲，預(yù)燃室內(nèi)缸壓增加緩慢；主燃室內(nèi)的燃氣量和空燃比不變，缸壓主要受著火時刻影響，先增大后減小。

圖5 2個燃燒室缸壓隨預(yù)噴持續(xù)期變化曲線

2.5 平均有效壓力波動率

平均有效壓力是指單位氣缸工作容積發(fā)出的有效功，平均有效壓力波動率可用于評價發(fā)動機工作穩(wěn)定性，一般氣體機平均有效壓力波動率應(yīng)小于3%，波動率大說明每個循環(huán)內(nèi)氣缸工作容積發(fā)出的有效功變動大，發(fā)動機工作不穩(wěn)定[10-12]，平均有效壓力波動率隨預(yù)噴持續(xù)期的變化曲線如圖6所示。由圖6可知：預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為50°時平均有效壓力波動率最大；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為50°～100°時，隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，平均有效壓力波動率明顯降低；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時，隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，平均有效壓力波動率波動不大。主要原因是：隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，預(yù)燃室內(nèi)燃氣量增大，參與燃燒的燃氣增多，點火能量增強，主燃燒室內(nèi)稀混合氣的燃燒更加穩(wěn)定，波動率下降；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時，預(yù)燃室內(nèi)的燃氣量用于保證主燃燒室內(nèi)的混合氣正常燃燒，波動率不再明顯變化。

圖6 平均有效壓力波動率隨預(yù)噴持續(xù)期變化曲線

2.6 燃氣消耗率

燃氣消耗率(以下簡稱為“氣耗率”)隨預(yù)噴持續(xù)期的變化曲線如圖7所示。由圖7可知：氣耗率隨預(yù)噴持續(xù)期的增加先降低后增加，預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為50°～100°時，氣耗率降低1.7%，平均降低速度為0.063 g/(kW·h)；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角為100°～200°時，氣耗率升高0.4%，平均升高速度為0.015 g/(kW·h)。主要原因是：氣耗率受主燃室著火時刻影響，預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角小于100°時，隨預(yù)噴持續(xù)期增加主燃室著火時刻提前，燃燒速度加快，燃燒持續(xù)期縮短，氣耗率降低；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，主燃室著火時刻推遲，燃燒速度放緩，燃燒持續(xù)期增加，氣耗率增加。

圖7 氣耗率隨預(yù)噴持續(xù)期增加的變化曲線

2.7 氣體排放

NOx、CH4、HC、CO排放體積分數(shù)隨預(yù)噴持續(xù)期的變化曲線如圖8所示。由圖8a)可知，NOx體積分數(shù)隨持續(xù)期的增加先增加后降低。主要原因是：NOx受氧含量、燃燒溫度的影響，試驗過程中主燃室空燃比維持恒定，氧含量基本不變；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角小于100°時，隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，主燃室著火時刻提前，最大缸壓增加，燃燒室內(nèi)溫度增加，NOx排放增加；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時，隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，主燃室著火時刻推遲，最大缸壓降低，燃燒室內(nèi)溫度降低，NOx排放減少。由圖8b)、c)可知，CH4、HC和CO體積分數(shù)都隨預(yù)噴持續(xù)期增加先降低后增大，主要原因是：預(yù)噴持續(xù)期100°之前，隨著持續(xù)期的增加，主燃室著火時刻提前，燃燒更加充分，CH4、HC和CO的體積分數(shù)都降低；預(yù)噴持續(xù)期100°之后，隨著預(yù)噴持續(xù)期的增加，主燃室著火時刻推遲，CH4、HC和CO的體積分數(shù)都增加。

a)NOx b)CH4和HC c)CO

3 結(jié)論

1)隨預(yù)噴持續(xù)期增加，預(yù)燃室進氣量呈近似線性增長，預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角小于100°時，預(yù)燃室內(nèi)的純天然氣體積分數(shù)逐漸增加，空燃比接近1，點火性能和點火能量都增強，著火時刻提前，帶動主燃室著火時刻提前；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時，預(yù)燃室內(nèi)燃氣繼續(xù)增長，燃氣過濃，空燃比小于1，點火性差，預(yù)燃室內(nèi)著火時刻滯后，主燃室著火時刻相應(yīng)推遲。

2)隨預(yù)噴持續(xù)期增加，預(yù)燃室缸壓增加，主燃室缸壓、NOx排放體積分數(shù)先增大后減小，氣耗率及CH4、HC、CO排放體積分數(shù)先減小后增大；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角小于100°時，主燃室缸壓、氣耗率、氣體體積分數(shù)均變化較大；預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時，各參數(shù)變化較小。

3)對預(yù)噴持續(xù)期的選擇，應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟性、排放性等各方面因素綜合考慮。以本樣機為例，如無排放要求，可選用曲軸轉(zhuǎn)角為100°時的預(yù)噴持續(xù)期確保發(fā)動機經(jīng)濟性達到最優(yōu)；如有排放要求，由于預(yù)噴持續(xù)期曲軸轉(zhuǎn)角大于100°時NOx體積分數(shù)低，CH4、HC、CO體積分數(shù)增長率較小，應(yīng)綜合考慮，選取最佳預(yù)噴持續(xù)期。