电控CNG发动机性能分析及试验研究
一、背景 . Z7 k9 r7 ~( n. G
为了解决由车用发动机排放造成的环境污染问题和日益严峻的能源问题，世界各国在制定各种严格的车辆排放法规来规范汽车生产和使用的同时，开始大力发展代用燃料汽车。由于天然气在资源和成本等方面的优势，所以天然气汽车迅速发展起来，汽车改装、天然气储存及加气站的全套技术也日趋成熟。与汽油相比，用天然气作为汽车发动机燃料，不仅可以节约石油资源，降低燃料费用，而且作为一种清洁燃料，可以大大降低环境污染。在天然气发动机中采用电子控制多点顺序喷射、稀燃闭环控制及高能电子点火等先进技术是天然气发动机技术的发展方向。其中燃料喷射、高能电子点火、稀燃技术和点火控制等方面是发动机研究的主要内容；是保证天然气发动机正常工作的基础和提高其各方面性能的关键，因此有必要对这方面进行研究。
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二、电控CNG发动机性能台架试验研究
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试验是发动机性能开发的重要手段，为了探索电控CNG发动机在燃料喷射和点火方面的控制规律、开发性能优良的稀燃系统，确定最优的控制参数等进行了大量的发动机台架对比试验。下面就电控CNG发动机性能的部分台架试验结果进行简单的分析。4 l$ @; }& J+ t4 U& W
1 K# f' k' j3 r; \5 B （一）试验发动机的主要性能参数: P) ]* A# m7 N
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试验机型是以潍坊柴油机厂生产的WT615型柴油机为基础研制的电控增压单一燃料压缩天然气发动机。该天然气发动机主要性能指标和结构参数见表1。5 B& V/ ^8 y# |. g
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' x* i8 b/ p9 D1 R5 I* F- p" o; i （二）喷射定时试验% f0 D' ^1 Z0 p! q
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电控天然气喷射系统所控制的参数有喷射提前角和喷射脉宽，喷射提前角是从喷射开始时刻到进气冲程上止点曲轴转过的角度，该参数的选择对发动机的性能有一定影响。/ S, m" V0 y% N
( f7 ~% r7 j F 本实验分别在1400r/min和1800r/min，调节喷射延迟角，测量发动机的功率、燃气消耗率，NOx和HC，结果如图1所示。, g/ v' j9 [0 O1 s
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1．喷射延迟角过大时，发动机的动力性、经济性和排放性都明显下降。在低速工况下，喷射延迟角过大时，发动机的经济性和动力性有所下降，经济性下降比较明显。/ b% G( \5 A( m5 W5 l
8 K7 m1 d2 Z9 V 2．低速工况下，在喷射延迟角400之后，HC排放量和燃油消耗率急剧增加，而NOx逐渐减小。这主要是因为喷射延迟角过大，燃料燃烧不完全，缸内温度低，功率低，所以，HC排放量和燃油消耗率急剧增加，NOx逐渐减小。高速工况下，NOx和HC的排放量在延迟角300左右达到最大。- j# z9 t4 t) O- O% Q2 N3 X' b4 [
: b7 J2 e5 Q6 |' R 3．在1400r/min同一转速下，喷射脉宽增加0.6ms时，如图1（b），NOx急剧增大，功率上升5kW，而其他性能参数变化较小，说明喷射脉宽较大时，混合气浓度较浓，燃烧温度急剧上升，从而生成大量的NOx。1 N1 d8 h$ e% x
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本天然气发动机是进气歧管喷射方式，由于存在一段进排气门同时开启的气门重叠角，如果喷射开始时刻过早，在扫气过程中有一部分混合气进人排气管，这不仅使天然气消耗量增加，还会导致发动机排放恶化，且进入炙热排气管的混合气还有可能在排气管内燃烧，使进人增压的废气温度增高。如果喷射停止时刻晚于进气门关闭时刻，则会在进气管中积存天然气，可能产生回火现象。本文所使用的发动机进气门开启时刻在上止点前2°，排气门关闭时刻在上止点后5°。根据实验结果分析和考虑喷射开启本身具有一定的时滞，所以将天然气进气时刻定位进气门开启时刻。/ }# q+ p( C! m; v$ ^: }9 u3 @
9 e z2 U1 M9 A9 e+ Z% [: r （三）点火能量的试验
, }- `) o& @+ | 在点火能量的试验中，分别选取1250r/min，1400r/min和1800r/min的转速，点火能量从41～400W，分析其对功率，HC和CO的影响情况，如图2所示，从图2中可以看出：+ V9 O/ k. T0 X% _: J
. H" K: o$ L! g/ X 1．对本文研究的天然气发动机，在点火能量大于41mJ以后，发动机能稳定工作，继续增大点火能量，在转速为1400r/min，节气门开度75%时，发动机的功率下降7kW，而HC急剧下降。在转速为1400r/min，节气门开度50%时，HC有上升的趋势。' q8 m) m( I. q2 e0 Z
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2．在各个工况下，点火能量的变化对CO的排放和功率的影响较小。
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3 c7 B( r- s5 @$ m! ? Z 3．在大负荷或高速工况下，点火能量较小时HC排放会上升。
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综合经济性、动力性和排放性，在低速或低负荷下，天然气发动机的较佳点火能量范围在41～84mJ；在大负荷下和高速工况下，较佳的点火能量范围为110～160mJ。在此基础上确定了各工况下点火初级线圈优化的通电时间。根据实验结果，本系统将初级线圈的通电时间控制在约5ms，从而保证发动机的点火能量E大于140mJ。" H7 \* n" m$ l9 a/ o9 f; E/ N1 u
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5 c! r" s9 p: ^+ t! _( O$ } （四）稀薄燃烧试验
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; n" p9 c) G" M. L2 @7 I 在稀薄燃烧的试验中，分别在1400r/min和1800r/min时，部分负荷时，过量空气系数（间从1.2变化到1.65时，分析其功率、燃气消耗率，NOx和HC的影响情况，如图3所示，从图3中可以看出：
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6 w. R( K8 L4 a 1．稀燃对于发动机经济性和动力性有明显影响。当过量空气系数为1.5时，燃料消耗量最低，发动机输出功率最大。2 A4 o9 R2 {4 _9 u
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2．NO二排放量最大值所对应的过量空气系数为1.3～1.4，并随着过量空气系数增加而降低，主要是过量空气系数增加，缸内燃烧的温度降低，进而NOx降低。% {- e& h/ C. w2 j' a6 N, b* Y$ A
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3．HC排放随着过量空气系数增大而增大，在过量空气系数大于1.5以后开始急剧增加，主要是因为稀燃，燃料燃烧不完全所致。研究表明，天然气发动机HC排放物的主要成分是未燃烧的甲烷，而甲烷燃烧温度高，很难氧化。
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三、小结
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1．从喷射定时试验的数据分析中可以看出，在喷射延迟角过大时，发动机的功率下降，HC的排放量升高，燃油消耗率升高，所以发动机的喷射延迟角应小些为宜。/ p0 I0 V- f! X4 H1 u
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2．综合经济性、动力性和排放性，在低速或低负荷下，满足发动机稳定工作的前提下，天然气发动机较佳的点火能量小些，在大负荷下和高速工况下，较佳的点火能量比较大些。
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3．从试验结果中可以看出，最佳的过量空气系数在约1.5。
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