壓縮比對天然氣發(fā)動機性能特性影響的試驗研究

馮仁華，羅 振，郭 棟，陳昆陽，孫旺兵，石來華

(1.重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院， 重慶 400054；2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054；3.重慶車輛檢測研究院， 重慶 401122)

能源危機和環(huán)境保護是21世紀(jì)人類面臨的兩大挑戰(zhàn)，隨著石油資源短缺及環(huán)境保護法規(guī)的日趨嚴(yán)格，發(fā)展新的發(fā)動機技術(shù)和尋找清潔高效的發(fā)動機可替代能源非常重要[1]。天然氣是汽車發(fā)動機中最清潔的替代能源。相對于傳統(tǒng)的汽油燃料，天然氣由于其辛烷值高、抗爆性好可以使發(fā)動機在更高的壓縮比下工作，可以提高發(fā)動機的熱效率和減少能源消耗[2]。另外，由于天然氣發(fā)動機氮氧化物(NOx)的排放一般比汽油機低50%～80%，且顆粒(PM)和煙度可以實現(xiàn)零排放。同時，由于天然氣中氫碳含量比例相對石油燃料較高，故其發(fā)動機燃燒物中二氧化碳的排放較低，可以減少溫室效應(yīng)。

1 試驗

1.1 試驗發(fā)動機

本次試驗發(fā)動機為直列六缸、四沖程、兩氣門、增壓水冷天然氣發(fā)動機，具體參數(shù)如表1所示。該發(fā)動機原機壓縮比為11.6，試驗采用改變活塞頂部凹坑深度、保持活塞凹坑頂直徑不變的方法改變壓縮比，分別再加工了壓縮比為13和14的活塞?；钊伎拥纳疃扔稍瓉淼?5.2 mm變?yōu)?2.5 mm和20.9 mm，具體尺寸如圖1所示。

表1 試驗研究發(fā)動機的基本參數(shù)

圖1 活塞示意圖

降低活塞凹坑深度的方案是該研究中提高壓縮比最簡單、直接的方案，可以縮短改變壓縮比后活塞的設(shè)計時間、加工時間，并有效降低成本。然而，該方案降低了活塞凹坑的深度，對缸內(nèi)混合氣的組織、燃燒以及排放都會造成一定的影響，詳細影響特性需要通過三維CFD缸內(nèi)工作過程計算和分析。

1.2 試驗設(shè)備

本次臺架試驗框圖如圖2所示，主要測試儀器如表2所示，試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖2 發(fā)動機臺架試驗流程框圖

表2 主要測試儀器

圖3 發(fā)動機臺架試驗現(xiàn)場

1.3 試驗過程及方案

分別在n=1 400 r/min(最大扭矩轉(zhuǎn)速點)、n=2 000 r/min(額定功率轉(zhuǎn)速點)2種轉(zhuǎn)速及平均有效壓力間隔0.1 MPa的所有負荷工況下進行了壓縮比為11.6、13和14的對比性試驗。試驗過程中，天然氣罐的壓力保持在18 MPa，在天然氣進入噴射器前，通過熱交換過程將天然氣溫度控制到40 ℃，冷卻水和潤滑油的溫度分別控制在80、90 ℃。每個工況連續(xù)采集180個循環(huán)缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)用于分析循環(huán)變動特征參數(shù)和燃燒情況，采用熱膜式空氣流量計測量發(fā)動機的循環(huán)進氣流量和計算發(fā)動機的充量系數(shù)。發(fā)動機空燃比主要控制規(guī)則是在中低轉(zhuǎn)速中高負荷時采用較稀的經(jīng)濟混合氣，中高轉(zhuǎn)速大負荷時采用較濃的混合氣以保證其動力性。對不同轉(zhuǎn)速、負荷、壓縮比下的發(fā)動機相關(guān)參數(shù)及指標(biāo)如進排氣壓力、缸壓、溫度、功率、扭矩、油耗、排放(HC、NOx、CO、CO2、O2)等進行了測試。

2 結(jié)果及分析

2.1 燃燒特性對比分析

燃燒特性對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放等有非常重要的影響。發(fā)動機的燃燒特性主要包括：缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力、燃燒穩(wěn)定性、點火時刻、滯燃期、速燃期等。本試驗在n=1 400 r/min、n=2 000 r/min轉(zhuǎn)速下，對不同壓縮比及平均有效壓力時的最大缸內(nèi)壓力、平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)(COVIMEP)、點火提前角、0～10%的燃燒持續(xù)期、50%燃燒位置點、10%～90%的燃燒持續(xù)期等特性進行對比，結(jié)果分別如圖4、5所示。

圖4 n=1 400 r/min時不同壓縮比下的燃燒特性曲線

圖5 n=2 000 r/min時不同壓縮比下的燃燒特性對比曲線

從圖4、5中可以看出，同一轉(zhuǎn)速、同一負荷下，缸內(nèi)最大壓力隨著壓縮比的增加而增加，而平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)(COVIMEP)整體上在低負荷時隨著壓縮比的增加而增加，在中高負荷時隨著壓縮比的增加而減少，說明在較高壓縮比時，發(fā)動機在中高負荷燃燒相對更加穩(wěn)定。在n=1 400 r/min時，發(fā)動機的點火提前角隨著壓縮比的增加有略微降低，而在n=2 000 r/min時，發(fā)動機的點火提前角在中低負荷時，壓縮比為13的點火提前角最大；在高負荷時，壓縮比為11.6的點火提前角最大。在n=1 400 r/min和n=2 000 r/min轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機的滯燃期在壓縮比為13時最短，著火性能較好，有利于保持燃燒溫度和減少各循環(huán)中的壓力波動。而50%燃燒位置點整體上隨著壓縮比的增加越接近上止點，發(fā)動機的燃燒速燃期隨著壓縮比的增加而增加，尤其是中低負荷時變化較明顯，說明壓縮比的增加使發(fā)動機燃燒中后期燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，燃燒變慢。在該試驗研究中，不同壓縮比下，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速1 400 r/min和2 000 r/min時同一個負荷工況下的空燃比變化不大，燃燒中后期火焰速度的變化主要是由于點火提前角、缸內(nèi)壓力及因壓縮比變化引起的燃燒室結(jié)構(gòu)變化等影響，各因素具體影響特性需要通過三維CFD缸內(nèi)工作過程詳細計算和分析，可以在后續(xù)的研究中開展相關(guān)研究工作。

2.2 經(jīng)濟性和熱效率對比分析

燃油消耗率及熱效率是評價發(fā)動機性能的一個非常重要的指標(biāo)，它們體現(xiàn)了燃料的利用效率[15]，也是本研究中的一個重要目標(biāo)。在n=1 400 r/min、n=2 000 r/min兩種轉(zhuǎn)速、不同壓縮比及平均有效壓力下的發(fā)動機燃油消耗率和熱效率分別如圖6、7所示。從圖6、7中可以看出，隨著壓縮比的增加，發(fā)動機的燃油消耗率降低，熱效率提高，尤其是中高負荷較為明顯。在n=1 400 r/min時，壓縮比為13和14時發(fā)動機的熱效率比壓縮比為11.6時平均值分別提高了1.79%、4.16%，在n=2 000 r/min時，壓縮比為13和14時發(fā)動機的熱效率比壓縮比為11.6時平均值分別提高了2.51%、5.75%。

圖6 不同壓縮比下燃油消耗率曲線

圖7 不同壓縮比下熱效率曲線

2.3 排放物對比分析

排放是評價發(fā)動機性能的一個非常重要的指標(biāo)，降低排放物是本研究中另外一個重要的目標(biāo)。除了常規(guī)的氮氧化物(NOx)、碳氫(HC)和一氧化碳排放外，還測量了相關(guān)轉(zhuǎn)速和負荷下二氧化碳和氧氣的排放。在n=1 400 r/min、n=2 000 r/min兩種轉(zhuǎn)速、不同壓縮比及平均有效壓力下發(fā)動機氮氧化物、碳氫、一氧化碳、二氧化碳和氧氣的排放特性分別如圖8、9所示。

氮氧化物(NOx)的生成主要受到缸內(nèi)氧含量、缸內(nèi)溫度和燃燒反應(yīng)時間的影響[15-17]。圖8(a)、圖9(a)中，隨著壓縮比的增加，發(fā)動機氮氧化物(NOx)的排放增加，且在中大負荷下增加幅度較大，這主要是由于壓縮比的增加導(dǎo)致缸內(nèi)的壓力和溫度的增加，且缸內(nèi)燃燒反應(yīng)時間增大，燃燒反應(yīng)時間在圖4(f)、圖5(f)中有所體現(xiàn)。碳氫(HC)的排放是燃料和空氣混合物在發(fā)動機燃燒后剩余燃料的體現(xiàn)，碳氫(HC)排放低意味著燃料和空氣混合得較充分且有充足的氧氣來燃燒[18]。圖8(b)、圖9(b)中，在n=1 400 r/min、n=2 000 r/min 兩種轉(zhuǎn)速下發(fā)動機壓縮比為13時的碳氫(HC)排放最低，說明在該壓縮比下的燃料混合及燃燒都更加充分。一氧化碳是有毒氣體，是碳氫燃料在燃燒過程中的中間產(chǎn)物。圖8(c)、圖9(c)中，壓縮比為14的一氧化碳排放最低，而壓縮比為13的一氧化碳排放較高。

圖8 n=1 400 r/min時不同壓縮比下的排放特性曲線

圖9 n=2 000 r/min時不同壓縮比下的排放特性曲線

二氧化碳雖然不是有害排放物，但它會引起溫室效應(yīng)，需盡量降低二氧化碳的排放[19]。圖8(d)、圖9(d)中，壓縮比為13的二氧化碳排放最低，壓縮比為14的二氧化碳排放最高，這與一氧化碳的排放特性和趨勢相反。氧氣雖然不是有害氣體，但是氧氣的排放可以在一定程度上反應(yīng)出其他排放物的特性[20]。圖8(e)、圖9(e)中，氧氣排放壓縮比為13時最高，壓縮比為14時最低，這與一氧化碳的排放趨勢相同。

3 結(jié)論

1) 提高壓縮比，有利于降低發(fā)動機的燃油消耗率，提高熱效率。在n=1 400 r/min時，壓縮比為13和14時發(fā)動機的熱效率比壓縮比為11.6時平均值分別提高了1.79%、4.16%，在n=2 000 r/min時，壓縮比為13和14時發(fā)動機的熱效率比壓縮比為11.6時平均值分別提高了2.51%、5.75%。

2) 整體上看，隨著壓縮比的增加，發(fā)動機在中高負荷燃燒相對更加穩(wěn)定。發(fā)動機在壓縮比為13時最短，著火性能好，有利于保持燃燒溫度和減少各循環(huán)中的壓力波動。速燃期隨著壓縮比的增加而增加，尤其是中低負荷時的變化較明顯，燃燒中后期燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停紵兟?/p>

3) 隨著壓縮比的增加，發(fā)動機的氮氧化物(NOx)的排放增加，且在中大負荷下增加幅度較大，碳氫(HC)的排放在壓縮比為13時的最低，說明在該壓縮比下的混合及燃燒都更加充分。一氧化碳排放隨著壓縮比的增加先升高后降低，二氧化碳的排放特性和一氧化碳的趨勢相反，氧氣排放特性整體上與一氧化碳的排放趨勢相同。

4) 從發(fā)動機燃燒、燃油消耗和排放等綜合指標(biāo)和特性上，發(fā)動機在壓縮比為13時，整體特性最好。