缸內直噴CNG發動機燃燒過程測量分析

周立迎，徐富水，羅福強

（1.貴陽學院機械工程學院，貴州 貴 陽 550005；2.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮 江 212013）

隨著排放法規的日益嚴格，能源安全和環境問題的日益突出，開發車用代用燃料成為發展趨勢。天然氣具有經濟性好、抗爆性好、排污少、資源豐富等特點，成為一種極具發展潛力的代用燃料［1－3］。

目前，在原有汽油機或柴油機基礎上改裝而成的雙燃料發動機并沒有表現出良好的性能，隨著缸內直噴燃燒技術的發展，天然氣和缸內直噴技術相結合可提高天然氣發動機的經濟性和動力性［4－5］。

針對1臺缸內直噴CNG發動機進行臺架試驗，測量發動機缸內壓力，分析缸內壓力升高率、放熱率及缸內溫度等隨轉速、負荷和點火提前角的變化。

1 試驗裝置及過程

在不改變原機結構的基礎上，將1臺4缸、四沖程、四氣門、水冷汽油機改制為1臺缸內直噴CNG發動機，其中CNG噴嘴布置在2個進氣門之間，噴射壓力為1.8MPa，壓縮比為12∶1，排量為2L，最大扭矩轉速為3 800r／min。發動機試驗臺架見圖1。采用自行開發設計的內燃機工作過程測量分析系統測量發動機氣缸壓力，并根據氣缸壓力計算分析放熱規律［6－7］，A／D 為12通道，采樣角度可設置為1°，0.5°，0.25°曲軸轉角。氣缸壓力傳感器采用火花塞式壓電壓力傳感器。

2 試驗結果分析

2.1 轉速對缸內直噴CNG發動機燃燒過程的影響

圖2示出在平均有效壓力pme＝0.75MPa、不同轉速下缸內壓力隨曲軸轉角的變化。圖3示出在不同轉速下最大氣缸壓力及其對應的曲軸轉角。在所試驗的轉速范圍內，隨著轉速的升高，缸內壓力逐漸減小，最大缸內壓力基本呈減小趨勢，且其對應的曲軸轉角向上止點后方向推移。

圖4示出在0.75MPa、不同轉速下壓力升高率隨曲軸轉角的變化，圖5示出在0.75MPa、不同轉速下最大壓力升高率及其對應的曲軸轉角。從圖中可以看出，在上止點附近，隨轉速的升高，最大壓力升高率逐漸減小，其對應的曲軸轉角向上止點后方向移動，與缸內壓力的變化趨勢一致。

圖6示出0.75MPa、不同轉速下放熱率隨曲軸轉角的變化，圖7示出在0.75MPa、不同轉速下最大放熱率及其對應的曲軸轉角。由圖可以看出，隨轉速的升高，燃燒始點推遲，單位曲軸轉角對應時間減少，以曲軸轉角計放熱率及最大放熱率減小。這是因為隨轉速的增加，以曲軸轉角計的燃燒滯燃期增加，此外，單位曲軸轉角對應的時間減少，也是造成放熱率峰值下降的一個重要原因。隨著轉速的增加，最大放熱率對應的曲軸轉角向上止點后方向移動。

圖8示出在0.75MPa、不同轉速下發動機缸內溫度隨曲軸轉角的變化，圖9示出在0.75MPa、不同轉速下缸內最高溫度及其對應的曲軸轉角。由于轉速升高，燃燒始點推遲，使得缸內溫度曲線向遠離上止點后方向平移；且缸內最高溫度逐漸減小，而其對應的曲軸轉角隨轉速的升高而延后。這是因為，轉速增加，著火延遲，最高燃燒溫度下降，其相位遠離上止點。

2.2 負荷對CNG發動機燃燒過程的影響

圖10示出發動機在3 600r／min、不同負荷下的缸內壓力隨曲軸轉角的變化，圖11示出在不同負荷下缸內最高壓力及其對應的曲軸轉角。轉速一定時，隨著負荷增加，最大缸內壓力增加。這是因為，隨負荷的增加，進入缸內的燃料和新鮮空氣增加，但留在氣缸內的殘余廢氣量不變，使殘余廢氣系數下降；另一方面，負荷增加，燃燒滯燃期減小，火焰傳播速率加快，氣缸壁傳熱損失相對減少，發動機的熱狀態提高。最大缸內壓力對應的曲軸轉角與負荷之間沒有很明確的對應關系。

圖12示出在3 600r／min、不同負荷下缸內壓力升高率隨曲軸轉角的變化，圖13示出在3 600r／min、不同負荷下最大壓力升高率及其對應的曲軸轉角。隨負荷的增加，最大壓力升高率逐漸增大。這說明負荷增加，缸內的熱狀態提高，燃燒速率加快。最大壓力升高率到達時刻與負荷之間沒有很明確的對應關系。

圖14示出在3 600r／min、不同負荷下放熱率隨曲軸轉角的變化，圖15示出在3 600r／min、不同負荷下最大放熱率及其對應的曲軸轉角。由圖可以看出，不同負荷下的放熱率曲線始點沒有很明顯的區別，但是進入急燃期以后，隨著負荷的增加，燃燒放熱率及最大放熱率增加。這是因為隨負荷的增加，噴入氣缸的CNG燃料增加，相對傳熱損失減少，缸內的熱狀態提高，火焰傳播速率增加，單位時間燃燒的燃料量增加，放熱率提高。不同負荷下的放熱率曲線終點沒有很明顯的區別，這說明負荷對燃燒持續期沒有顯著的影響。小負荷工況下熱效率較低，大負荷時這種情況會得到改善［8］。最大放熱率到達時刻與負荷之間沒有很明確的對應關系。

圖16示出在3 600r／min、不同負荷下缸內溫度隨曲軸轉角的變化，圖17示出在3 600r／min、不同負荷下缸內最高溫度及其對應的曲軸轉角。由圖可知，轉速一定時，隨負荷增加，缸內最高溫度逐漸增加，這是因為隨負荷的增加，充量增加，噴入氣缸的CNG燃料增加，殘余廢氣系數下降，缸內的熱狀態提高［9］，火焰傳播速率增加，缸內最高溫度增加。燃燒進入后燃期后，溫度開始下降，但是下降都比較緩慢，因為在后燃期內還有較多的燃料在燃燒，由于此時活塞已經下行，放出的熱量沒有得到充分利用，熱效率降低。隨負荷的增加，缸內最高溫度對應的曲軸轉角向偏離上止點后方向移動。

2.3 點火提前角對CNG發動機燃燒過程的影響

圖18示出3 800r／min、全負荷時點火提前角對發動機動力性能及經濟性能的影響。由圖可以看出，隨著點火提前角的增加，有效功率先增加后減小，當點火提前角為34°曲軸轉角時達到峰值；而有效燃氣消耗率則是先下降后上升，在點火提前角為34°曲軸轉角時達到最低值。顯然，轉速為3 800r／min、全負荷時，最佳點火提前角在34°曲軸轉角附近。

圖19示出在轉速為3 800r／min、全負荷時，不同點火提前角下的缸內壓力。由圖可以看出，隨點火提前角的減小，最大缸內壓力減小，其對應的燃燒相位推遲，燃燒持續期延長。當點火提前角超過最佳時刻繼續變大時，缸內的壓力值仍繼續升高，這說明缸內的火焰傳播速率及燃燒速率對點火提前角很敏感。因為點火提前角增大后，燃燒始點提前，在燃料燃燒和活塞壓縮壓力的共同作用下，缸內壓力峰值增加，缸內燃燒更加劇烈以至于壓力升高率增加。隨著點火提前角的增大，最高氣缸壓力對應的曲軸轉角不斷向上止點靠近。

圖20示出在轉速為3 800r／min、全負荷時，不同點火提前角下的壓力升高率。隨著點火提前角的增大，壓力升高加快；最大壓力升高率也隨著點火提前角的增大而增加，其對應的曲軸轉角也不斷向前移，這說明隨著點火提前角的不斷增大，發動機的爆燃傾向加大，所以應當控制發動機的點火提前角在合適的范圍內。

圖21示出在3 800r／min、不同點火提前角下放熱率隨曲軸轉角的變化。從放熱率曲線可知，隨著點火提前角的增大，放熱率到達峰值的時間逐漸縮短，發動機的熱效率得到提高。隨著點火提前角向最佳值靠近，放熱率峰值不斷增大且其對應的曲軸轉角不斷向上止點靠近，火焰傳播速度較快，燃燒速度增加；當點火提前角超過最佳點火提前角后，放熱率峰值有所下降。結合圖19可以看出，隨著點火提前角的增加，后燃期不斷縮短，即在后燃期燃燒的燃料減少，這在一定程度上提高了缸內直噴CNG發動機的動力性和經濟性。但是當點火提前角超過最佳值而進一步增大時，壓縮負功增加，且后燃期縮短的趨勢越來越小，說明單純依靠增大點火提前角是無法徹底改善CNG發動機后燃期長這一缺點的［10］。

圖22示出在3 800r／min、不同點火提前角時缸內溫度的變化曲線。由圖可知，隨著點火提前角的增大，燃燒溫度峰值增大且其對應的曲軸轉角靠近上止點，說明點火提前角對急燃期的影響顯著。

3 結論

a）在負荷一定時，隨著轉速的升高，最大缸內壓力、最大缸內壓力升高率、最大放熱率及缸內最高溫度都減小；

b）在轉速一定時，隨負荷的增加，最大缸內壓力、最大缸內壓力升高率、最大放熱率及缸內最高溫度逐漸增加；

c）點火提前角對缸內直噴CNG發動機的壓力、溫度等參數影響顯著，存在一最佳點火提前角，此時發動機動力性、經濟性最佳。

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