壓縮天然氣缸內(nèi)直噴用于小型化發(fā)動機的潛力

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

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壓縮天然氣缸內(nèi)直噴用于小型化發(fā)動機的潛力

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

天然氣汽車不僅具有生態(tài)學(xué)方面的優(yōu)勢，而且更易于滿足未來的燃油耗法規(guī)。采用天然氣缸內(nèi)直接噴射能夠顯著改善低速扭矩下的動力特性曲線，從而能獲得更好的行駛性能，奧地利維也納理工大學(xué)汽車驅(qū)動和汽車技術(shù)研究所與Delphi公司在1臺3缸發(fā)動機上證實了這一點，從而成功地大幅度提高了壓縮天然氣(CNG)汽車的駕駛樂趣。

壓縮天然氣 缸內(nèi)直噴 高壓縮比 低油耗

1 獲得更好的全負(fù)荷性能

盡管天然氣因其燃料成分能降低更多的CO2排放和燃料成本，但是迄今使用天然氣運行的汽車數(shù)量并不多。采用天然氣直接噴射對提高天然氣發(fā)動機的動態(tài)性能有顯著作用。壓縮天然氣(CNG)直接噴入(DI)燃燒室能使充氣狀況比進氣道噴射(PFI)大大改善，并在發(fā)動機低速高負(fù)荷情況下對掃氣換氣進行調(diào)節(jié)，同時采取這兩種措施就能達(dá)到與汽油缸內(nèi)直噴一樣的動態(tài)性能[1]。此外，CNG抗爆性高，可以持續(xù)地實現(xiàn)發(fā)動機小型化和低速化設(shè)計，從而降低燃油耗。

天然氣缸內(nèi)直噴的另一個特點是能在膨脹行程完成后進行后噴射。通過天然氣在稀薄廢氣中的氧化燃燒提高廢氣溫度，從而加快催化轉(zhuǎn)化器的加熱[1]。本文介紹用于超輕型汽車(CULT)的CNG缸內(nèi)直噴小型化發(fā)動機的開發(fā)[2]。

2 系統(tǒng)描述

采用1臺排量為0.66 L的量產(chǎn)3缸渦輪增壓汽油機作為動力裝置的基礎(chǔ)，并按照純天然氣運行進行匹配和優(yōu)化。該機搭載于1輛超輕型汽車，并滿足了其對尺寸、質(zhì)量和功率方面的要求[3]。

為了采用純天然氣缸內(nèi)直噴運行并充分利用其特定的燃料性能(如高的抗爆性)，因而提高壓縮比具有十分重要的意義。對壓縮比分別為8.8、12.0和13.6時進行了試驗研究，并更換了加強型活塞和連桿。為了在全負(fù)荷時實現(xiàn)掃氣換氣，匹配了進氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器。為了能滿足天然氣運行時更高的點火能量需求，使用了最大點火能量為65 mJ的點火模塊。

天然氣缸內(nèi)直接噴射器可直接在汽油缸內(nèi)直噴時使用。但是，考慮到噴射閥范圍內(nèi)缺乏冷卻和潤滑，所以天然氣直噴對噴射器的耐久性提出了更高的要求。天然氣直接噴射器采用Delphi公司的電磁噴油器[4]。這種噴油器是根據(jù)負(fù)荷在0.6～1.6 MPa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運行壓力設(shè)計的，在1.6 MPa壓力下的最大靜態(tài)流量為7 g/s，該值是相互矛盾的因素之間折中的結(jié)果，即高壓力有利于達(dá)到高功率，而低壓力則有利于降低燃油耗，以及提高噴油器的密封性。而這種3缸發(fā)動機的運行壓力范圍設(shè)定為0.7～1.6 MPa。

目前，天然氣噴射器硬件與標(biāo)準(zhǔn)的汽油高壓噴油器(圖1)是通用的，是在計算流體力學(xué)(CFD)和有限元法(FEM)，以及機電一體化模擬輔助下不斷優(yōu)化的結(jié)果，開發(fā)工作包括了對閥組件和密封界面幾何形狀等方面進行的材料和表面特性優(yōu)化，以及設(shè)計改進。

圖1 Delphi公司生產(chǎn)的CNG直接噴射器樣品

這種噴射器的流量(圖2)足以滿足現(xiàn)代高增壓小型化發(fā)動機的高要求，通過運行壓力的可變調(diào)節(jié)，不僅能精確地計量怠速運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的噴射量，而且也能滿足全負(fù)荷時的天然氣噴射量。

圖2 在整個發(fā)動機負(fù)荷范圍內(nèi)的CNG噴射器流量特性曲線

這種CNG直接噴射器經(jīng)受了1.5倍使用壽命的耐久性試驗考核[5]，而且7 ms噴射持續(xù)期的流量和閥密封性都保持在最初值的規(guī)定極限之內(nèi)(圖3)。

圖3 噴射器流量和泄漏量的使用壽命耐久性和穩(wěn)定性示意圖

CNG直接噴射器側(cè)面布置在氣缸蓋上，火花塞是中央布置的(圖4)。通過天然氣法蘭供應(yīng)最大運行壓力為20 MPa的天然氣，并由1個電控壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)運行工況點調(diào)節(jié)共軌壓力。包括控制噴射器和壓力調(diào)節(jié)器在內(nèi)的整個發(fā)動機控制功能都是由1個可自由編程的開發(fā)用電控單元(AFT Protronic)承擔(dān)的。由于能夠以模型為基礎(chǔ)進行軟件和功能開發(fā)，因而不僅能在發(fā)動機試驗臺架上實現(xiàn)汽油缸內(nèi)直噴、天然氣進氣管噴射和天然氣缸內(nèi)直噴，而且能同時完成用于汽車行駛的所有重要的控制和調(diào)節(jié)功能。為了充分顯示出天然氣缸內(nèi)直接噴射的優(yōu)勢，每個氣缸還配備了1個布置在進氣管內(nèi)的低壓天然氣噴射器，這樣就能直接將天然氣進氣管噴射和天然氣直接噴入燃燒室進行比較，從而就能證實催化轉(zhuǎn)化器加熱和掃氣等的效果。表1列出了這種發(fā)動機最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。

圖4 包括發(fā)動機電控系統(tǒng)在內(nèi)的空氣和燃料途經(jīng)示意圖

項目參數(shù)氣缸數(shù)3每缸氣門數(shù)4氣門機構(gòu)雙頂置凸輪軸,進氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)器排量/L0.658缸徑/mm68活塞行程/mm60.4壓縮比13.6/12.0/8.8混合氣準(zhǔn)備CNG缸內(nèi)直接噴射

3 優(yōu)化部分負(fù)荷和全負(fù)荷的噴射策略

天然氣噴射定時對發(fā)動機運行性能具有重大影響。部分負(fù)荷時天然氣提早噴射，噴入氣缸的天然氣需要一定的充氣容積，因而會排擠新鮮空氣，從而能達(dá)到消除節(jié)流和良好的均質(zhì)化效果。而全負(fù)荷時，則不希望出現(xiàn)天然氣的排擠效應(yīng)，因此應(yīng)促使天然氣晚噴射。圖5(a)示出了天然氣噴射終點對充氣效率的影響，在進氣門關(guān)閉后噴射天然氣能顯著提高充氣效率，圖5中也示出了氣門升程曲線和轉(zhuǎn)速為2 000 r/min全負(fù)荷工況點時的噴射持續(xù)期。

需要注意的是，天然氣噴射壓力與氣缸壓力之間必須存在足夠的壓力差，以便能在可供使用的時間內(nèi)將所需的天然氣質(zhì)量噴入燃燒室中，而且只有在超臨界狀態(tài)下才能獲得與氣缸壓力無關(guān)的噴射器流量。在噴射壓力為1.6 MPa時，氣缸壓力最高可達(dá)到0.8 MPa，因而噴射終點約為點火上止點后-70°CA(圖5(b))。而對于0.8 MPa噴射壓力而言，在0.4 MPa氣缸壓力時就已達(dá)到臨界壓力狀態(tài)了，從而盡可能晚的噴射終點就移動到點火上止點后-105°CA。

圖5 2 000 r/min轉(zhuǎn)速和全負(fù)荷時噴射定時的極限和效果

天然氣直接噴入燃燒室提供了實現(xiàn)掃氣換氣的可能性，而不會如進氣管噴射那樣有較高天然氣損失。圖6示出了在轉(zhuǎn)速2 250 r/min全負(fù)荷時，進氣凸輪軸相位調(diào)早對平均有效壓力和CH4排放量的影響。

圖6 平均有效壓力和CH4排放量與進氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)角的關(guān)系(2 250 r/min，全負(fù)荷)

因存在掃氣壓差，隨著氣門重疊度的增大，通過增加發(fā)動機的流量，廢氣渦輪增壓器建立起更高的增壓壓力，從而能達(dá)到更高的平均壓力。當(dāng)進氣門關(guān)閉得過早時(凸輪軸相位調(diào)節(jié)角大于40°CA)，活塞行程不再被完全利用，從而使充氣效率和平均壓力降低。在進氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)到最佳的情況下，平均壓力比初始無氣門重疊時提高0.7 MPa。在天然氣缸內(nèi)直接噴射的情況下，在整個進氣凸輪軸相位調(diào)節(jié)范圍內(nèi)CH4排放量始終保持不變，而在天然氣進氣管噴射情況下，CH4排放量隨著氣門重疊的增大而急劇增加。圖6表明了天然氣缸內(nèi)直接噴射因避免了排擠新鮮空氣而顯示出相對于進氣管噴射的扭矩優(yōu)勢。

4 全負(fù)荷試驗結(jié)果

圖7示出了所列舉方案的試驗結(jié)果，比較的基礎(chǔ)是壓縮比為8.8的汽油缸內(nèi)直接噴射，該發(fā)動機搭載于配備日本連續(xù)可變傳動變速器(CVT)的Kei-Car微型汽車上，因而設(shè)計轉(zhuǎn)速較高，因此低速扭矩相對較小，在轉(zhuǎn)速3 000～4 000 r/min之間達(dá)到最大平均壓力為2 MPa，而目標(biāo)車輛則選擇了低轉(zhuǎn)速方案，最高轉(zhuǎn)速僅考察到5 000 r/min。因受到爆燃極限、活塞，以及連桿容許最大峰值壓力8 MPa的限制，因此燃燒不得不相對推遲，這樣廢氣溫度就會大大提高。由于廢氣渦輪是僅按最高溫度900 ℃設(shè)計的，出于保護零件的原因，從轉(zhuǎn)速2 000 r/min開始就必須加濃混合氣,以降低最高燃燒溫度。

在換用CNG運行的情況下，考慮到CNG具有高的抗爆性，不僅壓縮比提高到13.6，而且加強的活塞和連桿容許使用10 MPa的中等峰值壓力。但是，采用進氣管噴射，即從高轉(zhuǎn)速3 000 r/min時就能達(dá)到與使用汽油運行時相同的扭矩特性曲線，因此能達(dá)到的平均壓力值較低，其原因在于一方面進氣管噴射時存在排擠新鮮空氣效應(yīng)，另一方面無掃氣的換氣無法進行調(diào)節(jié)。

而采用CNG缸內(nèi)直接噴射時的情況就大大改善了，不僅能獲得與基本型汽油運行方案相似的扭矩特性曲線，而且即使壓縮比非常高，也不會像進氣管噴射那樣因爆燃或燃燒過程無法調(diào)節(jié)而受到限制，在轉(zhuǎn)速超過3 000 r/min時也必須推遲點火，以便不超過平均容許的10 MPa峰值壓力限值。

在該范圍內(nèi)高壓縮比有助于燃燒氣體充分膨脹，以至于即使燃燒延遲也不會超過容許的廢氣溫度。在使用天然氣運行的情況下，為降低最高燃燒溫度而加濃混合氣并不適用。由于取消了混合氣加濃，所以與使用汽油方案相比，不僅節(jié)油高達(dá)30%，而且與此相關(guān)的CO和碳?xì)渑欧乓泊蟠蠼档?，這對于高負(fù)荷運行占比較大的小型汽車而言非常重要。值得一提的是，其顆粒物排放也處于非臨界水平之上。

如圖7中的特性曲線(壓縮比13.6， CNG-DI-TC優(yōu)化)表明，通過廢氣渦輪增壓器的匹配能改善低下扭矩特性[6]。使用CNG運行時因較高的壓縮比和較早的燃燒位置，其廢氣溫度降低了100～200 ℃。通過廢氣渦輪增壓器的適當(dāng)匹配，減小渦輪和壓氣機葉輪，能在額定功率相同的情況下提前500 r/min轉(zhuǎn)速時就達(dá)到最大扭矩。

5 壓縮比的試驗研究

正如試驗結(jié)果所表明的那樣，因CNG高的抗爆性，為了提高熱效率可將壓縮比提高到13.6而不會出現(xiàn)爆燃等方面的問題。大幅度提高壓縮比的缺點是在汽油機燃燒過程中，屋頂型燃燒室的屋頂部分要向圓盤形部分方向壓扁，產(chǎn)生較大的面積/容積比(圖8)，導(dǎo)致壁面熱損失和燃油不完全燃燒的份額增加，從而會部分抵消較高壓縮比，提高效率(圖9)。對于這種發(fā)動機在壓縮比12.0時，可使效率達(dá)到最佳的折中。

圖8 壓縮比提高情況下的燃燒室形狀

圖9 各種不同壓縮比情況下的損失分析

6 催化轉(zhuǎn)化器的加熱

除了改善低轉(zhuǎn)速時扭矩特性之外，CNG缸內(nèi)直接噴射還能采用加速催化轉(zhuǎn)化器加熱的策略[7]。此時，用進氣行程階段的主噴射來調(diào)節(jié)形成稀薄混合氣的條件，并推遲點火，以便在較低的氣缸壓力值的情況下達(dá)到高的廢氣溫度和滯后的燃燒終點,并在膨脹行程階段燃燒將近結(jié)束時進行后噴射，將天然氣噴入燃燒氣體中(圖10)，其中尚有適當(dāng)?shù)难鹾?，附加的后燃燒能使廢氣溫度也就是催化轉(zhuǎn)化器溫度顯著提高(圖11)，能使有害物的凈化大大提高。

圖10 后噴射加熱催化轉(zhuǎn)化器時的噴射策略

圖11 單次噴射后噴射時的CH4轉(zhuǎn)化率和廢氣溫度

7 結(jié)論

在1臺用于小型汽車的3缸動力裝置上，通過匹配CNG缸內(nèi)直接噴射達(dá)到了如汽油缸內(nèi)直接噴射一樣的扭矩特性。進氣管噴射CNG發(fā)動機因充氣量較少以及沒有可利用的掃氣，特別是在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩特性受到限制，而用于掃氣換氣的配氣定時調(diào)節(jié)卻能避免甲烷損失。

相對于甲烷高的抗爆性，試驗發(fā)動機的壓縮比已被提高，而在這方面受限制的并非是非正規(guī)的燃燒現(xiàn)象，而是由于面容比增大、較高的壁面熱損失，以及燃料不完全燃燒所引起的損失。并在壓縮比12.0時達(dá)到到了最佳的折中。

為了使發(fā)動機冷起動后催化轉(zhuǎn)化器快速加熱，CNG缸內(nèi)直接噴射容許在膨脹行程期間進行后噴射，通過后反應(yīng)燃燒能顯著提高廢氣溫度，從而能使催化轉(zhuǎn)化器提前達(dá)到起燃溫度。

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范明強 譯自 MTZ， 2016， 77(7-8)

何丹妮 編輯

2016-08-17)