点火系统参数对天然气发动机排放影响的试验研究①

凌中水, 刘 彦, 李陶胜, 赵 妞

(1.安庆职业技术学院机电工程学院,安徽 安庆 246003;2.安徽皖博机器人有限公司技术部,安徽 芜湖 243031;3.皖江工学院机械工程学院,安徽 马鞍山 243031)

0 引 言

能源和环保是发动机开发研究领域内一直关注的热点问题。天然气具有储量丰富、成本低廉、燃烧效率高的优点,在发动机上燃用能够取得良好的经济性和排放性目标[1-3]。

国内外近年来对天然气发动机的研究主要集中在燃烧系统结构、供气系统、EGR 系统以及天然气掺烧对发动机性能影响方面。周洋,等[4]应用AVL Fire软件对一台LNG/CNG 发动机燃烧系统结构进行建模与仿真,分析了四种燃烧室的燃烧过程,考虑压缩比、点火稳定性、NOx排放量等因素影响选择了最佳设计方案。施东晓,等[5]考虑缸内气门和活塞运动,基于CONVERGE 软件采用多缸法计算了某型天然气发动机的进气均匀性,并通过仿真和台架验证了多缸法的可行性。张韦,等[6]基于CFD 耦合包括天然气在内的三燃料化学动力学机理,采用CHEMKIN 分析手段,详细研究了双燃料发动机的掺烧特性,分析了掺烧对CH4氧化速率、CH2O 和CO 生成速率和峰值浓度等的影响。在天然气发动机改装设计方面也有相关报道[7-9]。然而,对于点火系统参数对天然气发动机怠速排放和催化器起燃工况排放的研究相对较少。因此,本文在一台压缩天然气CNG 发动机上开展了点火能量、点火提前角对怠速排放、催化器起燃工况瞬态排放和排气能量变化影响规律的研究,以探索CNG 发动机降低排放、达到更低排放标准的潜能。

1 试验装置与环境

试验研究采用一款1.5 L 电控多点喷射、直列、自然吸气发动机,主要参数如表1所示。主要实验设备:AVL PUMA 发动机台架测控系统,AMK ACNA 160 型电力测功机,HORIBA MEXA- 7100DEGR 型直采式废气分析仪,GH0563型油耗仪,发动机台架用592型ETAS系统和汽车转鼓试验台等。试验环境大气压力为101 k Pa,温度为25 ℃。试验为对比试验研究,未对测试数据进行修正。

表1 1.5L发动机主要基本参数

2 试验结果和分析

2.1 点火能量对怠速排放影响

在发动机试验台架上,保持天然气发动机怠速工况运行,将过量空气系数控制在1附近,设定怠速工况点火提前角为10°CA,分别进行了点火线圈充电时间为3 ms,4 ms和5 ms的HC,CO 排放特性对比试验研究,试验结果如图1和图2所示。

图1 怠速下不同充电时间的HC排放

图2 怠速下不同充电时间的CO 排放

从图1可以看出,随着点火系统点火线圈充电时间的增加,HC排放呈现明显的下降趋势;而CO排放量随点火线圈充电时间的变化不敏感。HC下降是因为随着点火线圈充电时间增加,点火能量逐渐增大,点火时刻后形成的火核变大,加快了火焰传播速度,导致燃烧时间缩短,缸内燃烧温度和压力升高,有利于HC 的氧化;而发动机的CO 产生主要受制于过量空气系数,与点火能量的大小没有直接关系。可以认为,当天然气发动机在怠速工况运行时,可以通过增大线圈充电时间,加大点火能量,促进快速燃烧,达到降低HC排放的目标。

2.2 点火提前角对天然气发动机稳态排放影响

分别进行了天然气发动机在外特性工况下运行时,将各个工况点的点火角在原点火角基础上提前6°CA,9°CA,12°CA 和15°CA,试验研究HC,CO,NOx以及扭矩的变化。试验结果如图3,图4,图5和图6所示。

从图3,图4和图5可以看出,随着点火角提前幅度的增加,HC呈现逐渐上升的规律,CO 基本维持不变,NOx则大幅增加。分析认为,点火提前角的增加,使得活塞上止点前的燃烧时间增加,上止点后的燃烧时间缩短;活塞从上止点下行后,由于燃烧时间的缩短,从狭缝中析出的HC难以被氧化,因此HC排放上升;而CO 的排放基本决定于过量空气系数,因此基本维持不变;NOx生成的主要条件是高温、高温富氧和高温持续时间[10],点火角提前,使得最高燃烧温度上升,因此NOx 排放大幅增加。

图3 HC排放随点火提前角的变化关系

图4 CO 排放随点火提前角的变化关系

图5 NOx排放随点火提前角的变化关系

图6展示的扭矩变化规律表明,扭矩随着点火提前角的增大先上升,然后略有下降。这是由于点火角的过分提前会导致峰值燃烧压力出现在上止点前,影响发动机扭矩的输出。综合考虑选取将点火角提前12°CA,可实现HC,CO,NOx排放物和扭矩输出的优化折中。

图6 天然气发动机扭矩随点火提前角的变化关系

2.3 点火提前角对天然气发动机瞬态排放影响

在发动机原始点火提前角的基础上,推迟点火角5°CA,试验研究70 km/h～100 km/h瞬态加速时的催化转换器后的HC 和NOx排放,试验结果如图7和图8所示。

图7 70km/h～100km/h瞬态加速HC峰值排放

图7的数据表明,天然气发动机瞬态点火角的推迟会导致HC排放峰值略有升高,发动瞬态HC排放的影响因素比较复杂,主要受制于过量空气系数控制、催化时间窗口和点火角控制下的原始排放等因素;而NOx 排放受燃烧温度影响程度较大,所以点火角推迟导致最高燃烧温度下降后,NOx排放减少,排放量呈现图8的变化规律。

图8 70km/h～100km/h瞬态加速NOx峰值排放

瞬态点火角的控制对发动机驾驶性影响较大,所以在进发动机瞬态标定时,在保证良好驾驶性的前提下可以通过减小点火角,有效减少发动机的NOx排放。

2.4 点火系统对催化器起燃工况影响

图9 给 出 了NEDC 循环 工 况,HC,CO 和NOx排放的累积排放量。可以看出,NEDC 循环前100s,由于催化器温度较低,三效催化转换器没有起燃,转换效率低,导致发动机排放值很高(特别是HC的排放值),所以提高天然气发动机在起动工况的排气温度,实现催化器快速起燃,是降低排放的关键措施。

图9 NEDC循环工况下HC、CO 和NOx的累积排放量

2.5 点火提前角对排气温度的影响

将各个工况点的点火角在原点火角基础上提前6°CA,9°CA,12°CA 和15°CA,进行了天然气发动机在催化器起燃工况下运行时,发动机催化器前排气温度测试的研究。试验结果如图10所示。

由图10可以看出,在所试验的天然气发动机工况范围内,随着点火角的提前,排气温度依次下降。点火提前角的增加会促进发动机缸内热功转化效率的增加,同时缸内后燃情况减少,因此排气温度随点火角的提前逐渐下降。

图10 不同点火角下发动机排气温度

图11展示了在不同过量空气系数和不同点火线圈充电时间条件下的发动机催化器前排温变化。随着过量空气系数的增加,排温呈现先升高后下降的趋势;而排温随点火充电线圈时间的增加而上升。分析认为,过量空气系数较小时,天然气燃烧不完全,排温下降,当过量空气系数较大时,火焰传播速度下降,影响缸内最高燃烧温度,因此排气温度峰值出现在过量空气系数为1.01～1.05附近,此时天然气燃烧速度较快,燃烧完全。点火线圈充电时间的增加,加大了点火能量,点火时间窗口形成的火核较大,加快了燃烧速度,使得最高燃烧温度升高,因此排气温度随着点火线圈充电时间的增加而升高。

图11 点火线圈不同充电时间发动机排气温度

综合上述的试验结果和分析可以认为,天然气发动机在催化器起燃工况运行时,应加大点火线圈充电时间,以增加点火能量,同时适当推迟点火提前角,促使发动机后燃,提高排气温度,从而使催化器快速到达起燃温度,以降低发动机的排放。

3 结 论

1)天然气发动机怠速工况下运行时,点火线圈充电时间增加可加大点火能量,获得更低的HC排放性能。

2)在外特性工况下,天然气发动机的HC 和NOx排放随着点火提前角的加大而逐渐升高,而CO 排放量没有明显变化。

3)在保证良好驾驶性的前提下,减小点火角时,HC排放略有增加,但瞬态NOx排放量大幅下降。

4)排气温度是催化器起燃和NEDC 前100 s污染物排放量的决定性因素;增加点火线圈充电时间,推迟点火角,可提升天然气发动机排气温度,实现快速起燃,降低污染物排放。