何義團(tuán)，蘇志凱，簡(jiǎn)曉春，邵毅明

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074)

天然氣作為一種清潔能源，不僅能緩解未來的石油壓力，而且作為燃料也具備很好的排放特性，是未來代用燃料的最佳選擇之一［1－2］。相對(duì)于汽油機(jī)，火花點(diǎn)火式CNG發(fā)動(dòng)機(jī)能夠降低CO、CO2和未燃碳?xì)涞呐欧牛?］。研究資料表明，在現(xiàn)代城市路況條件下，車輛運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的時(shí)間較長(zhǎng)，以香港為例，怠速占車輛全部運(yùn)行時(shí)間的30%左右［4］，上海高峰時(shí)間，車輛怠速占行車總時(shí)間的38%左右［5］。

怠速時(shí)，由于缸內(nèi)殘余廢氣和混合氣的不均勻性增加，燃燒循環(huán)變大，不僅降低了車輛的舒適性，還限制了稀混合氣的使用［6－7］。因此，人們?cè)絹碓街匾曁岣甙l(fā)動(dòng)機(jī)怠速性能的研究。

Jacek Czarnigowski［8］提出了一種基于點(diǎn)火提前角控制的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定控制算法，該算法基于一個(gè)自適應(yīng)模型，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能顯著降低怠速控制誤差，但會(huì)增加點(diǎn)火提前角的波動(dòng)，并使有害排放增加。DaeEun Kim 和Jaehong Park［9］為了降低怠速波動(dòng)，建立了兩套智能控制系統(tǒng):基于遺傳算法的計(jì)算控制系統(tǒng)和基于Alopex算法的隨機(jī)控制系統(tǒng)。他們的研究結(jié)果表明，兩種控制器都能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)怠速波動(dòng)，且隨機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)用性更好。

為了研究過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速燃燒排放性能的影響規(guī)律，筆者在一臺(tái)6缸單點(diǎn)噴射增壓CNG發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了怠速性能試驗(yàn)研究。在每一固定過量空氣系數(shù)條件下，從大到小改變發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角，研究?jī)蓞?shù)對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速燃燒排放性能。

1 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)機(jī)為EQD210－20單點(diǎn)電噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，采用進(jìn)氣道噴射，主要性能參數(shù)見表1。

測(cè)功機(jī)選用洛陽南峰的CW－260－1800/7500電渦流測(cè)功機(jī)，過量空氣系數(shù)和排放測(cè)量應(yīng)用的是HORIBA公司生產(chǎn)的7100D－EGR排放儀。

表1 EQD210N－20天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)Table 1 EQD210N-20 engine specifications

壓力測(cè)量設(shè)備為Kistler公司的火花塞式壓力傳感器Kistler 6117B，以及配套的電荷放大器Kistler 5011B和曲軸轉(zhuǎn)角發(fā)生器Kistler 2613B。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣流量采用上海同圓環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)ToCeil20N100114LI流量，測(cè)量范圍0～1 000 N·m3/h，測(cè)量精度±1%，重復(fù)精度±0.24%，響應(yīng)時(shí)間10 ms。天然氣流量采用高精度Micro-Motion科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量，該流量計(jì)不需考慮燃料密度和溫度、壓力的影響直接測(cè)量質(zhì)量流量。

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為800 r/min。試驗(yàn)工況為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門全關(guān)。采用閉環(huán)控制，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著點(diǎn)火提前角和過量空氣系數(shù)變化時(shí)，步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)整步數(shù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制在800 r/min。過量空氣系數(shù) λ 范圍是 1.5 ～1.0，間隔為 0.1，點(diǎn)火提前角 θi為壓縮上止點(diǎn)前40 ～10°CA，間隔為2°CA。

缸壓信號(hào)每隔1°CA采集一次。試驗(yàn)各個(gè)工況的示功圖由在該工況下連續(xù)采集136個(gè)循環(huán)的示功圖進(jìn)行平均處理后得到。再由示功圖計(jì)算出循環(huán)指示功、放熱率以及循環(huán)變動(dòng)的數(shù)據(jù)。循環(huán)變動(dòng)系數(shù)定義為136個(gè)循環(huán)平均指示壓力的標(biāo)準(zhǔn)差與其平均值的比值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 指示熱效率(ITE)

圖1為指示熱效率與不同過量空氣系數(shù)λ和點(diǎn)火提前角θi之間的關(guān)系?？梢钥闯?，相同點(diǎn)火提前角條件下，λ=1.1時(shí)，指示熱效率最高，而對(duì)于其他過量空氣系數(shù)所對(duì)應(yīng)的曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率隨著λ增加而逐漸降低。隨著λ增加，最高指示熱效率所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角逐漸增大。

2.2 平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)(CoVimep)

從圖2可以看出，點(diǎn)火提前角過大或過小都會(huì)導(dǎo)致循環(huán)變動(dòng)增加。點(diǎn)火提前角較大時(shí)，缸內(nèi)溫度和壓力較低，可能造成失火。即使著火，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷瑝嚎s負(fù)功增加，這些因素都會(huì)導(dǎo)致循環(huán)變動(dòng)增加。而點(diǎn)火提前角過小時(shí)，后燃增加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低，循環(huán)變動(dòng)增加。

圖1 指示熱效率與λ和θi的關(guān)系Fig.1 ITE versus λ and θi

圖2 平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)與λ和θi的關(guān)系Fig.2 CoVimepversus λ and θi

將發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)為10%的工況定為發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限。λ≤1.2時(shí)，循環(huán)變動(dòng)較小。而當(dāng)λ≥1.3，循環(huán)變動(dòng)明顯增加，特別是當(dāng) λ=1.5時(shí)，稀燃極限以內(nèi)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角范圍更小(34～20°CA BTDC)，且循環(huán)變動(dòng)都大于6%。

2.3 排 放

2.3.1 CO

圖3為過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對(duì)CO排放的影響規(guī)律。

圖3 CO排放與λ和θi的關(guān)系Fig.3 CO emissions versus λ and θi

當(dāng)λ=1.0，點(diǎn)火提前角較大時(shí)，CO排放較低，但隨著點(diǎn)火提前角逐漸減小，CO排放迅速增加。λ=1.1～1.4，隨著點(diǎn)火提前角逐漸減小，CO排放逐漸降低，但變化幅度非常小。λ=1.5時(shí)，CO排放隨點(diǎn)火提前角減小而逐漸上升，但其絕對(duì)值相對(duì)于λ=1.0時(shí)小很多。

對(duì)于λ=1.0的情況，雖然此時(shí)屬于理論空燃比燃燒，但由于是怠速，實(shí)際運(yùn)行中，可能在局部形成更濃的混合氣，造成燃燒不完全。點(diǎn)火提前角較大的時(shí)候，缸內(nèi)燃燒溫度高，相當(dāng)一部分CO生成了CO2。而隨著點(diǎn)火提前角逐漸減小，燃燒主要發(fā)生在活塞下行階段，缸內(nèi)燃燒溫度越來越低，導(dǎo)致了CO排放急劇增加。

λ=1.5時(shí)，CO排放隨點(diǎn)火角減小而增大。主要原因如下:對(duì)于CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速工況而言，此時(shí)混合氣已經(jīng)非常稀薄。當(dāng)點(diǎn)火提前角較大時(shí)，由于缸內(nèi)富氧，主要燃燒靠近上止點(diǎn)，燃燒溫度相對(duì)較高，能夠?qū)⒉糠諧O氧化為CO2，而當(dāng)點(diǎn)火提前角較小時(shí)，后燃增加，缸內(nèi)溫度較低，增加了不完全燃燒的因素，導(dǎo)致CO排放增加。

2.3.2 總碳?xì)?THC)

圖4為THC隨過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角的變化關(guān)系?？梢钥闯?，過濃或過稀的混合氣都會(huì)導(dǎo)致HC排放增加。混合氣過濃時(shí)，氧氣不足，燃燒不完全會(huì)產(chǎn)生大量HC;混合氣過稀，缸內(nèi)燃燒溫度低，壁面焠熄效應(yīng)增加，同樣會(huì)導(dǎo)致HC排放增加。

圖4 THC排放與λ和θi的關(guān)系Fig.4 THC emissions versus λ and θi

各過量空氣系數(shù)條件下，隨著點(diǎn)火提前角逐漸減小，THC排放降低(除了λ=1.5)，點(diǎn)火提前角減小會(huì)導(dǎo)致后燃加重和排氣溫度上升，使得在排氣行程以及排氣管中的HC氧化反應(yīng)加速，使最終排出的 HC 減少［10］。

但對(duì)于λ=1.5的情況，由于此時(shí)混合氣非常稀薄，即使后燃增加，但由于燃燒溫度低，排氣溫度上升得非常有限，不足以對(duì)HC進(jìn)行氧化反應(yīng)，因此當(dāng)點(diǎn)火提前角過小時(shí)，THC排放會(huì)增加。

2.3.3 NOx

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)大量生成NOx需同時(shí)滿足以下3個(gè)條件:高溫、高溫持續(xù)時(shí)間及混合氣內(nèi)富含氧氣。從圖5可以看出，相同點(diǎn)火提前角條件下，當(dāng)λ=1.1時(shí)，NOx排放最高，因?yàn)樯鲜錾蒒Ox的3個(gè)條件同時(shí)滿足。λ=1.5時(shí)，NOx排放接近于0，主要是因?yàn)榛旌蠚夥浅Ｏ”?，缸?nèi)燃燒溫度很低，不足以產(chǎn)生一定量的NOx。固定λ，NOx排放隨點(diǎn)火提前角減小而降低，也主要是因?yàn)闇p小點(diǎn)火提前角，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，也就逐步失去了大量生成NOx的條件。

圖5 NOx排放與λ和θi的關(guān)系Fig.5 NOxemissions versus λ and θi

2.4 火焰發(fā)展期與快速燃燒期

定義火焰發(fā)展期為從發(fā)動(dòng)機(jī)開始點(diǎn)火到累積放熱量10%所持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角，快速燃燒期定義為累積放熱量10%到90%所持續(xù)的曲軸轉(zhuǎn)角［11］。

從圖6可以看出，點(diǎn)火提前角越大，火焰發(fā)展期越長(zhǎng)，主要是因?yàn)辄c(diǎn)火提前角大時(shí)，活塞在壓縮沖程，距離上止點(diǎn)較遠(yuǎn)，缸內(nèi)溫度和壓力相對(duì)較低，燃燒速度降低。隨著點(diǎn)火越來越靠近上止點(diǎn)，缸內(nèi)溫度壓力升高，混合氣燃燒速度快，火焰發(fā)展期逐漸縮短。

圖6 火焰發(fā)展期與λ和θi的關(guān)系Fig.6 Flame development angle versus λ and θi

從圖7可知，快速燃燒期隨著點(diǎn)火提前角增加而減小。點(diǎn)火提前角較大時(shí)，經(jīng)過相對(duì)較長(zhǎng)的火焰發(fā)展期之后，燃燒主要發(fā)生在上止點(diǎn)附近，缸內(nèi)溫度壓力高，燃燒快，快速燃燒期短。相反，當(dāng)點(diǎn)火提前角較小(點(diǎn)火靠近上止點(diǎn))，雖然火焰發(fā)展期較短，但是經(jīng)過火焰發(fā)展期之后，快速燃燒期內(nèi)有相當(dāng)一部分燃燒發(fā)生在活塞下行階段，導(dǎo)致快速燃燒期增加。

結(jié)合圖6和圖7可知，對(duì)于相同的點(diǎn)火提前角，λ=1.1所對(duì)應(yīng)的混合氣燃燒速度最快。

圖7 快速燃燒期與λ和θi的關(guān)系Fig.7 Rapid combustion period versus λ and θi

3 結(jié)語

在一臺(tái)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)上研究怠速性能，主要討論過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速燃燒排放的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論:

1)怠速工況，點(diǎn)火提前角從40～10°CA BTDC變化，過量空氣系數(shù)為1.1時(shí)，指示熱效率最高，隨著過量空氣系數(shù)增加，指示熱效率逐漸降低。

2)隨著過量空氣系數(shù)增加，最高指示熱效率所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火提前角越大。

3)點(diǎn)火提前角過大或過小，都會(huì)加劇循環(huán)變動(dòng)，過量空氣系數(shù)大于1.3以后，循環(huán)變動(dòng)明顯增加。

4)混合氣越稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃極限以內(nèi)的點(diǎn)火提前角范圍越窄。本文中，λ=1.5時(shí)，點(diǎn)火提前角只有在34～20°CA BTDC之間，循環(huán)變動(dòng)才低于10%。

5)λ=1.1時(shí)，混合氣燃燒速度最快，NOx排放最高。

［1］Haeng Muk Cho，He Bangquan.Spark ignition natural gas engines-a review ［J］.Energy Conversion and Management，2007，48:608－618.

［2］Nwafor O M I.Effect of advanced injection timing on emission characteristics of diesel engine running on natural gas［J］.Renewable Energy，2007，32:2361－2368.

［3］Korakianitis T，Namasivayam A M，Crookes R J.Natural-gas fueled spark-ignition(SI)and compression-ignition(CI)engine performance and emissions［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2011，37:89 －112.

［4］Tong H Y，Hung W T，Cheung C S.Development of a driving cycle for HongKong ［J］.Atmospheric Environment，1999，33(15):2323－2335.

［5］Wang Qidong，Huo Hong，He Kebin，et al.Characterization of vehicle driving patterns and development of driving cycles in Chinese cities［J］.Transportation Research:Part D，2008，13:289－297.

［6］Johansson B.Influence of velocity near the spark plug on early flame development［C］.USA:SAE Paper No.930481，1993.

［7］Hinze P C，Cheng W K.Assessing the factors affecting SI engine cycle-to-cycle variation at idle［C］//27th Symposium on Combustion.Beijing:The Combustion Institute，1998:2119–2126.

［8］Czarnigowski J.A neural network model-based observer for idle speed control of ignition in SI engine［J］.Engineering Applications of Artificial Intelligence，2010，23:1－7.

［9］Kim D，Park J.Application of adaptive control to the fluctuation of engine speed at idle［J］.Information Sciences，2007，177:3341－3355.

［10］王建昕，帥石金.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［11］Ma Fanhua，He Yituan，Deng Jiao，et al.Idle characteristics of a hydrogen fueled SI engine［J］.Internal Journal of Hydrogen Energy，2011，36:4454－4460.