压缩天然气缸内直喷用于小型化发动机的潜力

【奥】 P.Hofmann T.Hofherr G.Hoffmann J.F.Preuhs

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压缩天然气缸内直喷用于小型化发动机的潜力

【奥】 P.Hofmann T.Hofherr G.Hoffmann J.F.Preuhs

天然气汽车不仅具有生态学方面的优势，而且更易于满足未来的燃油耗法规。采用天然气缸内直接喷射能够显著改善低速扭矩下的动力特性曲线，从而能获得更好的行驶性能，奥地利维也纳理工大学汽车驱动和汽车技术研究所与Delphi公司在1台3缸发动机上证实了这一点，从而成功地大幅度提高了压缩天然气(CNG)汽车的驾驶乐趣。

压缩天然气 缸内直喷 高压缩比 低油耗

1 获得更好的全负荷性能

尽管天然气因其燃料成分能降低更多的CO2排放和燃料成本，但是迄今使用天然气运行的汽车数量并不多。采用天然气直接喷射对提高天然气发动机的动态性能有显著作用。压缩天然气(CNG)直接喷入(DI)燃烧室能使充气状况比进气道喷射(PFI)大大改善，并在发动机低速高负荷情况下对扫气换气进行调节，同时采取这两种措施就能达到与汽油缸内直喷一样的动态性能[1]。此外，CNG抗爆性高，可以持续地实现发动机小型化和低速化设计，从而降低燃油耗。

天然气缸内直喷的另一个特点是能在膨胀行程完成后进行后喷射。通过天然气在稀薄废气中的氧化燃烧提高废气温度，从而加快催化转化器的加热[1]。本文介绍用于超轻型汽车(CULT)的CNG缸内直喷小型化发动机的开发[2]。

2 系统描述

采用1台排量为0.66 L的量产3缸涡轮增压汽油机作为动力装置的基础，并按照纯天然气运行进行匹配和优化。该机搭载于1辆超轻型汽车，并满足了其对尺寸、质量和功率方面的要求[3]。

为了采用纯天然气缸内直喷运行并充分利用其特定的燃料性能(如高的抗爆性)，因而提高压缩比具有十分重要的意义。对压缩比分别为8.8、12.0和13.6时进行了试验研究，并更换了加强型活塞和连杆。为了在全负荷时实现扫气换气，匹配了进气凸轮轴相位调节器。为了能满足天然气运行时更高的点火能量需求，使用了最大点火能量为65 mJ的点火模块。

天然气缸内直接喷射器可直接在汽油缸内直喷时使用。但是，考虑到喷射阀范围内缺乏冷却和润滑，所以天然气直喷对喷射器的耐久性提出了更高的要求。天然气直接喷射器采用Delphi公司的电磁喷油器[4]。这种喷油器是根据负荷在0.6～1.6 MPa范围内调节运行压力设计的，在1.6 MPa压力下的最大静态流量为7 g/s，该值是相互矛盾的因素之间折中的结果，即高压力有利于达到高功率，而低压力则有利于降低燃油耗，以及提高喷油器的密封性。而这种3缸发动机的运行压力范围设定为0.7～1.6 MPa。

目前，天然气喷射器硬件与标准的汽油高压喷油器(图1)是通用的，是在计算流体力学(CFD)和有限元法(FEM)，以及机电一体化模拟辅助下不断优化的结果，开发工作包括了对阀组件和密封界面几何形状等方面进行的材料和表面特性优化，以及设计改进。

图1 Delphi公司生产的CNG直接喷射器样品

这种喷射器的流量(图2)足以满足现代高增压小型化发动机的高要求，通过运行压力的可变调节，不仅能精确地计量怠速运转范围内的喷射量，而且也能满足全负荷时的天然气喷射量。

图2 在整个发动机负荷范围内的CNG喷射器流量特性曲线

这种CNG直接喷射器经受了1.5倍使用寿命的耐久性试验考核[5]，而且7 ms喷射持续期的流量和阀密封性都保持在最初值的规定极限之内(图3)。

图3 喷射器流量和泄漏量的使用寿命耐久性和稳定性示意图

CNG直接喷射器侧面布置在气缸盖上，火花塞是中央布置的(图4)。通过天然气法兰供应最大运行压力为20 MPa的天然气，并由1个电控压力调节器根据运行工况点调节共轨压力。包括控制喷射器和压力调节器在内的整个发动机控制功能都是由1个可自由编程的开发用电控单元(AFT Protronic)承担的。由于能够以模型为基础进行软件和功能开发，因而不仅能在发动机试验台架上实现汽油缸内直喷、天然气进气管喷射和天然气缸内直喷，而且能同时完成用于汽车行驶的所有重要的控制和调节功能。为了充分显示出天然气缸内直接喷射的优势，每个气缸还配备了1个布置在进气管内的低压天然气喷射器，这样就能直接将天然气进气管喷射和天然气直接喷入燃烧室进行比较，从而就能证实催化转化器加热和扫气等的效果。表1列出了这种发动机最重要的技术数据。

图4 包括发动机电控系统在内的空气和燃料途经示意图

项目参数气缸数3每缸气门数4气门机构双顶置凸轮轴,进气凸轮轴相位调节器排量/L0.658缸径/mm68活塞行程/mm60.4压缩比13.6/12.0/8.8混合气准备CNG缸内直接喷射

3 优化部分负荷和全负荷的喷射策略

天然气喷射定时对发动机运行性能具有重大影响。部分负荷时天然气提早喷射，喷入气缸的天然气需要一定的充气容积，因而会排挤新鲜空气，从而能达到消除节流和良好的均质化效果。而全负荷时，则不希望出现天然气的排挤效应，因此应促使天然气晚喷射。图5(a)示出了天然气喷射终点对充气效率的影响，在进气门关闭后喷射天然气能显著提高充气效率，图5中也示出了气门升程曲线和转速为2 000 r/min全负荷工况点时的喷射持续期。

需要注意的是，天然气喷射压力与气缸压力之间必须存在足够的压力差，以便能在可供使用的时间内将所需的天然气质量喷入燃烧室中，而且只有在超临界状态下才能获得与气缸压力无关的喷射器流量。在喷射压力为1.6 MPa时，气缸压力最高可达到0.8 MPa，因而喷射终点约为点火上止点后-70°CA(图5(b))。而对于0.8 MPa喷射压力而言，在0.4 MPa气缸压力时就已达到临界压力状态了，从而尽可能晚的喷射终点就移动到点火上止点后-105°CA。

图5 2 000 r/min转速和全负荷时喷射定时的极限和效果

天然气直接喷入燃烧室提供了实现扫气换气的可能性，而不会如进气管喷射那样有较高天然气损失。图6示出了在转速2 250 r/min全负荷时，进气凸轮轴相位调早对平均有效压力和CH4排放量的影响。

图6 平均有效压力和CH4排放量与进气凸轮轴相位调节角的关系(2 250 r/min，全负荷)

因存在扫气压差，随着气门重叠度的增大，通过增加发动机的流量，废气涡轮增压器建立起更高的增压压力，从而能达到更高的平均压力。当进气门关闭得过早时(凸轮轴相位调节角大于40°CA)，活塞行程不再被完全利用，从而使充气效率和平均压力降低。在进气凸轮轴相位调节到最佳的情况下，平均压力比初始无气门重叠时提高0.7 MPa。在天然气缸内直接喷射的情况下，在整个进气凸轮轴相位调节范围内CH4排放量始终保持不变，而在天然气进气管喷射情况下，CH4排放量随着气门重叠的增大而急剧增加。图6表明了天然气缸内直接喷射因避免了排挤新鲜空气而显示出相对于进气管喷射的扭矩优势。

4 全负荷试验结果

图7示出了所列举方案的试验结果，比较的基础是压缩比为8.8的汽油缸内直接喷射，该发动机搭载于配备日本连续可变传动变速器(CVT)的Kei-Car微型汽车上，因而设计转速较高，因此低速扭矩相对较小，在转速3 000～4 000 r/min之间达到最大平均压力为2 MPa，而目标车辆则选择了低转速方案，最高转速仅考察到5 000 r/min。因受到爆燃极限、活塞，以及连杆容许最大峰值压力8 MPa的限制，因此燃烧不得不相对推迟，这样废气温度就会大大提高。由于废气涡轮是仅按最高温度900 ℃设计的，出于保护零件的原因，从转速2 000 r/min开始就必须加浓混合气,以降低最高燃烧温度。

在换用CNG运行的情况下，考虑到CNG具有高的抗爆性，不仅压缩比提高到13.6，而且加强的活塞和连杆容许使用10 MPa的中等峰值压力。但是，采用进气管喷射，即从高转速3 000 r/min时就能达到与使用汽油运行时相同的扭矩特性曲线，因此能达到的平均压力值较低，其原因在于一方面进气管喷射时存在排挤新鲜空气效应，另一方面无扫气的换气无法进行调节。

而采用CNG缸内直接喷射时的情况就大大改善了，不仅能获得与基本型汽油运行方案相似的扭矩特性曲线，而且即使压缩比非常高，也不会像进气管喷射那样因爆燃或燃烧过程无法调节而受到限制，在转速超过3 000 r/min时也必须推迟点火，以便不超过平均容许的10 MPa峰值压力限值。

在该范围内高压缩比有助于燃烧气体充分膨胀，以至于即使燃烧延迟也不会超过容许的废气温度。在使用天然气运行的情况下，为降低最高燃烧温度而加浓混合气并不适用。由于取消了混合气加浓，所以与使用汽油方案相比，不仅节油高达30%，而且与此相关的CO和碳氢排放也大大降低，这对于高负荷运行占比较大的小型汽车而言非常重要。值得一提的是，其颗粒物排放也处于非临界水平之上。

如图7中的特性曲线(压缩比13.6， CNG-DI-TC优化)表明，通过废气涡轮增压器的匹配能改善低下扭矩特性[6]。使用CNG运行时因较高的压缩比和较早的燃烧位置，其废气温度降低了100～200 ℃。通过废气涡轮增压器的适当匹配，减小涡轮和压气机叶轮，能在额定功率相同的情况下提前500 r/min转速时就达到最大扭矩。

5 压缩比的试验研究

正如试验结果所表明的那样，因CNG高的抗爆性，为了提高热效率可将压缩比提高到13.6而不会出现爆燃等方面的问题。大幅度提高压缩比的缺点是在汽油机燃烧过程中，屋顶型燃烧室的屋顶部分要向圆盘形部分方向压扁，产生较大的面积/容积比(图8)，导致壁面热损失和燃油不完全燃烧的份额增加，从而会部分抵消较高压缩比，提高效率(图9)。对于这种发动机在压缩比12.0时，可使效率达到最佳的折中。

图8 压缩比提高情况下的燃烧室形状

图9 各种不同压缩比情况下的损失分析

6 催化转化器的加热

除了改善低转速时扭矩特性之外，CNG缸内直接喷射还能采用加速催化转化器加热的策略[7]。此时，用进气行程阶段的主喷射来调节形成稀薄混合气的条件，并推迟点火，以便在较低的气缸压力值的情况下达到高的废气温度和滞后的燃烧终点,并在膨胀行程阶段燃烧将近结束时进行后喷射，将天然气喷入燃烧气体中(图10)，其中尚有适当的氧含量，附加的后燃烧能使废气温度也就是催化转化器温度显著提高(图11)，能使有害物的净化大大提高。

图10 后喷射加热催化转化器时的喷射策略

图11 单次喷射后喷射时的CH4转化率和废气温度

7 结论

在1台用于小型汽车的3缸动力装置上，通过匹配CNG缸内直接喷射达到了如汽油缸内直接喷射一样的扭矩特性。进气管喷射CNG发动机因充气量较少以及没有可利用的扫气，特别是在低转速范围内扭矩特性受到限制，而用于扫气换气的配气定时调节却能避免甲烷损失。

相对于甲烷高的抗爆性，试验发动机的压缩比已被提高，而在这方面受限制的并非是非正规的燃烧现象，而是由于面容比增大、较高的壁面热损失，以及燃料不完全燃烧所引起的损失。并在压缩比12.0时达到到了最佳的折中。

为了使发动机冷起动后催化转化器快速加热，CNG缸内直接喷射容许在膨胀行程期间进行后喷射，通过后反应燃烧能显著提高废气温度，从而能使催化转化器提前达到起燃温度。

[1] Fürhapter A, Rõssle K, Schüle, u.a. Potenziale von CNG-direkteinblasung im PKW antriet[C]. 5. Tagung Gasfahrzeuge-Die Alternative zur E-Mobilität?,Berlin,2010.

[2] Fritz W, Kampelmühler F, Hofmann P,u.a. 49 g CO2/km-ein modernes, effizientes, minimalistisches lifestyle fahrzeug[C]. 24. Internationale AVL-Tagung Motor und Umwelt, Graz,2012.

[3] Hofmann P, Hofherr T, Damböck M,u.a. Der cult antrieb: hocheffizienter CNG motor mit direkteinblasung[C]. 34. Internationales Wiener Motorenymposium, 2013.

[4] Röbßler K, Otto F, Preuhs J-F,u.a. Direct injection of natural gas for passenger cars-prospects and challenges[C]. 7. IAV-Konferenz Gas-fahrzeuge,Potsdam,2012.

[5] Husted H, Kart G, Schilling S,u.a. Direct injection of CNG for driving performance with low CO2[C]. 23.Aachener Kolloquium Fahrzeugund Motorentechnik, Aachen,2015.

[6] Friedrich C, Grebe U D. Effizienie ottomotoren durch erdgas und aufladung[C]. 9. Tagung Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors des Instituls für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, Graz, 2003.

[7] Hofherr T. Potenzialbetrachtung effzienz-steigender maßnahmen sowie abgasnachbehand-lungsmõglichkeiten eines direkteinblasenden erdgasmotors für die PKW-anwendung[C]. Wien, Technische Universität , Disseration,2015.

范明强 译自 MTZ， 2016， 77(7-8)

何丹妮 编辑

2016-08-17)