天然气发动机怠速燃烧排放特性试验

何义团，苏志凯，简晓春，邵毅明

(重庆交通大学交通运输学院，重庆400074)

天然气作为一种清洁能源，不仅能缓解未来的石油压力，而且作为燃料也具备很好的排放特性，是未来代用燃料的最佳选择之一［1－2］。相对于汽油机，火花点火式CNG发动机能够降低CO、CO2和未燃碳氢的排放［3］。研究资料表明，在现代城市路况条件下，车辆运行时，发动机怠速的时间较长，以香港为例，怠速占车辆全部运行时间的30%左右［4］，上海高峰时间，车辆怠速占行车总时间的38%左右［5］。

怠速时，由于缸内残余废气和混合气的不均匀性增加，燃烧循环变大，不仅降低了车辆的舒适性，还限制了稀混合气的使用［6－7］。因此，人们越来越重视提高发动机怠速性能的研究。

Jacek Czarnigowski［8］提出了一种基于点火提前角控制的发动机怠速稳定控制算法，该算法基于一个自适应模型，并采用人工神经网络，能显著降低怠速控制误差，但会增加点火提前角的波动，并使有害排放增加。DaeEun Kim 和Jaehong Park［9］为了降低怠速波动，建立了两套智能控制系统:基于遗传算法的计算控制系统和基于Alopex算法的随机控制系统。他们的研究结果表明，两种控制器都能有效降低发动机怠速波动，且随机控制系统的实用性更好。

为了研究过量空气系数和点火提前角对发动机怠速燃烧排放性能的影响规律，笔者在一台6缸单点喷射增压CNG发动机上进行了怠速性能试验研究。在每一固定过量空气系数条件下，从大到小改变发动机的点火提前角，研究两参数对CNG发动机的怠速燃烧排放性能。

1 试验方案及数据处理

试验机为EQD210－20单点电喷天然气发动机，采用进气道喷射，主要性能参数见表1。

测功机选用洛阳南峰的CW－260－1800/7500电涡流测功机，过量空气系数和排放测量应用的是HORIBA公司生产的7100D－EGR排放仪。

表1 EQD210N－20天然气发动机性能参数Table 1 EQD210N-20 engine specifications

压力测量设备为Kistler公司的火花塞式压力传感器Kistler 6117B，以及配套的电荷放大器Kistler 5011B和曲轴转角发生器Kistler 2613B。发动机进气空气流量采用上海同圆环保科技有限公司生产的热式气体质量流量计ToCeil20N100114LI流量，测量范围0～1 000 N·m3/h，测量精度±1%，重复精度±0.24%，响应时间10 ms。天然气流量采用高精度Micro-Motion科里奥利力质量流量计测量，该流量计不需考虑燃料密度和温度、压力的影响直接测量质量流量。

发动机怠速转速为800 r/min。试验工况为发动机节气门全关。采用闭环控制，当发动机转速随着点火提前角和过量空气系数变化时，步进电机自动调整步数，将发动机转速控制在800 r/min。过量空气系数 λ 范围是 1.5 ～1.0，间隔为 0.1，点火提前角 θi为压缩上止点前40 ～10°CA，间隔为2°CA。

缸压信号每隔1°CA采集一次。试验各个工况的示功图由在该工况下连续采集136个循环的示功图进行平均处理后得到。再由示功图计算出循环指示功、放热率以及循环变动的数据。循环变动系数定义为136个循环平均指示压力的标准差与其平均值的比值。

2 试验结果与分析

2.1 指示热效率(ITE)

图1为指示热效率与不同过量空气系数λ和点火提前角θi之间的关系。可以看出，相同点火提前角条件下，λ=1.1时，指示热效率最高，而对于其他过量空气系数所对应的曲线，发动机指示热效率随着λ增加而逐渐降低。随着λ增加，最高指示热效率所对应的点火提前角逐渐增大。

2.2 平均指示压力循环变动(CoVimep)

从图2可以看出，点火提前角过大或过小都会导致循环变动增加。点火提前角较大时，缸内温度和压力较低，可能造成失火。即使着火，火焰传播速度慢，压缩负功增加，这些因素都会导致循环变动增加。而点火提前角过小时，后燃增加，发动机功率降低，循环变动增加。

图1 指示热效率与λ和θi的关系Fig.1 ITE versus λ and θi

图2 平均指示压力循环变动与λ和θi的关系Fig.2 CoVimepversus λ and θi

将发动机循环变动为10%的工况定为发动机的稀燃极限。λ≤1.2时，循环变动较小。而当λ≥1.3，循环变动明显增加，特别是当 λ=1.5时，稀燃极限以内所对应的点火提前角范围更小(34～20°CA BTDC)，且循环变动都大于6%。

2.3 排 放

2.3.1 CO

图3为过量空气系数和点火提前角对CO排放的影响规律。

图3 CO排放与λ和θi的关系Fig.3 CO emissions versus λ and θi

当λ=1.0，点火提前角较大时，CO排放较低，但随着点火提前角逐渐减小，CO排放迅速增加。λ=1.1～1.4，随着点火提前角逐渐减小，CO排放逐渐降低，但变化幅度非常小。λ=1.5时，CO排放随点火提前角减小而逐渐上升，但其绝对值相对于λ=1.0时小很多。

对于λ=1.0的情况，虽然此时属于理论空燃比燃烧，但由于是怠速，实际运行中，可能在局部形成更浓的混合气，造成燃烧不完全。点火提前角较大的时候，缸内燃烧温度高，相当一部分CO生成了CO2。而随着点火提前角逐渐减小，燃烧主要发生在活塞下行阶段，缸内燃烧温度越来越低，导致了CO排放急剧增加。

λ=1.5时，CO排放随点火角减小而增大。主要原因如下:对于CNG发动机的怠速工况而言，此时混合气已经非常稀薄。当点火提前角较大时，由于缸内富氧，主要燃烧靠近上止点，燃烧温度相对较高，能够将部分CO氧化为CO2，而当点火提前角较小时，后燃增加，缸内温度较低，增加了不完全燃烧的因素，导致CO排放增加。

2.3.2 总碳氢(THC)

图4为THC随过量空气系数和点火提前角的变化关系。可以看出，过浓或过稀的混合气都会导致HC排放增加。混合气过浓时，氧气不足，燃烧不完全会产生大量HC;混合气过稀，缸内燃烧温度低，壁面焠熄效应增加，同样会导致HC排放增加。

图4 THC排放与λ和θi的关系Fig.4 THC emissions versus λ and θi

各过量空气系数条件下，随着点火提前角逐渐减小，THC排放降低(除了λ=1.5)，点火提前角减小会导致后燃加重和排气温度上升，使得在排气行程以及排气管中的HC氧化反应加速，使最终排出的 HC 减少［10］。

但对于λ=1.5的情况，由于此时混合气非常稀薄，即使后燃增加，但由于燃烧温度低，排气温度上升得非常有限，不足以对HC进行氧化反应，因此当点火提前角过小时，THC排放会增加。

2.3.3 NOx

发动机内大量生成NOx需同时满足以下3个条件:高温、高温持续时间及混合气内富含氧气。从图5可以看出，相同点火提前角条件下，当λ=1.1时，NOx排放最高，因为上述生成NOx的3个条件同时满足。λ=1.5时，NOx排放接近于0，主要是因为混合气非常稀薄，缸内燃烧温度很低，不足以产生一定量的NOx。固定λ，NOx排放随点火提前角减小而降低，也主要是因为减小点火提前角，降低了缸内燃烧温度，也就逐步失去了大量生成NOx的条件。

图5 NOx排放与λ和θi的关系Fig.5 NOxemissions versus λ and θi

2.4 火焰发展期与快速燃烧期

定义火焰发展期为从发动机开始点火到累积放热量10%所持续的曲轴转角，快速燃烧期定义为累积放热量10%到90%所持续的曲轴转角［11］。

从图6可以看出，点火提前角越大，火焰发展期越长，主要是因为点火提前角大时，活塞在压缩冲程，距离上止点较远，缸内温度和压力相对较低，燃烧速度降低。随着点火越来越靠近上止点，缸内温度压力升高，混合气燃烧速度快，火焰发展期逐渐缩短。

图6 火焰发展期与λ和θi的关系Fig.6 Flame development angle versus λ and θi

从图7可知，快速燃烧期随着点火提前角增加而减小。点火提前角较大时，经过相对较长的火焰发展期之后，燃烧主要发生在上止点附近，缸内温度压力高，燃烧快，快速燃烧期短。相反，当点火提前角较小(点火靠近上止点)，虽然火焰发展期较短，但是经过火焰发展期之后，快速燃烧期内有相当一部分燃烧发生在活塞下行阶段，导致快速燃烧期增加。

结合图6和图7可知，对于相同的点火提前角，λ=1.1所对应的混合气燃烧速度最快。

图7 快速燃烧期与λ和θi的关系Fig.7 Rapid combustion period versus λ and θi

3 结语

在一台CNG发动机上研究怠速性能，主要讨论过量空气系数和点火提前角对发动机怠速燃烧排放的影响规律，得到以下结论:

1)怠速工况，点火提前角从40～10°CA BTDC变化，过量空气系数为1.1时，指示热效率最高，随着过量空气系数增加，指示热效率逐渐降低。

2)随着过量空气系数增加，最高指示热效率所对应的点火提前角越大。

3)点火提前角过大或过小，都会加剧循环变动，过量空气系数大于1.3以后，循环变动明显增加。

4)混合气越稀薄，发动机稀燃极限以内的点火提前角范围越窄。本文中，λ=1.5时，点火提前角只有在34～20°CA BTDC之间，循环变动才低于10%。

5)λ=1.1时，混合气燃烧速度最快，NOx排放最高。

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