汽油改天然氣發動機燃燒特性研究

張 林

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州545005）

隨著世界經濟的快速發展，石油資源的消耗量不斷增加。汽車是石油資源的消耗大戶，它會排出大量的有害物和溫室氣體CO2，污染大氣環境質量，并在一定程度上改變氣候環境。因此，提高汽車發動機的熱效率，減少其有害排放物已成為今后相當長的時間內汽車發動機要解決的難題。在這種形勢下，合理的利用礦物資源、開發“清潔燃料”將是人類實現可持續發展的重要保證。在今后相當長的時間內，汽車發動機燃用氣體燃料（如天然氣、液化石油氣）將是最為現實而且技術相當成熟的方案之一[1]。

天然氣發動機有著很多突出優點，例如有害排放物少，屬于清潔能源；辛烷值高，約為130，這為增加天然氣發動機的壓縮比，提高熱效率，降低CO2排放提供了條件。對于火花點火天然氣發動機來說，天然氣的著火溫度比汽油機高，所以點火系統必須采用高能點火系統；由于天然氣發動機缸內燃燒溫度比較高，為防止火花塞過熱，設計時選擇冷型火花塞。天然氣作為發動機燃料帶來的主要問題是功率的下降。天然氣是一種氣體燃料，若采用進氣管或進氣道方式供氣，則會減少進氣缸的空氣量，發動機的容積效率會降低，導致內燃機的功率和動力性有一定程度的下降[2]。本文研究的是天然氣發動機的供氣控制方式和進氣提前角度對發動機燃燒的影響。

1 試驗裝置及方法

試驗是在一臺由4缸汽油機改裝而成的天然氣發動機上進行的。由于通道采集設備的有限，本次試驗只能采集一個缸的數據。先對氣缸進行缸壓測量，得到每個缸的缸壓接近，所以就選擇了采集第一缸的氣缸壓力信號，每個轉速共采集100到200個循環。

試驗時，先將發動機熱機至水溫為（85±3）℃、機油溫度為（90±3）℃，然后進行外特性試驗。試驗過程中先進行進氣VVT角度不變改變混合氣混合方式的對比試驗，即天然氣節氣門前單點預混合和進氣道多點噴射；再進行混合氣混合方式不變，改變進氣VVT角度的對比試驗。數據采集設備為DEWETRON燃燒分析儀。

2 試驗結果及分析

2.1 不同混合方式天然氣發動機燃燒特性對比

由平均有效壓力變化圖（圖1）和燃燒持續期變化圖（圖2）可以看出，在高速（3 200 r/min以上）下，兩種混合方式對天然氣發動機燃燒影響不大，但是在3 200 r/min以下，多點混合方式下發動機燃燒更好，燃燒持續期更短，IMEP更高[3]，說明低速下，單點預混合方式天然氣對進氣充量影響更大，這主要是因為單點預混合是靠進氣負壓吸入天然氣，低速時過量空氣系數過大導致燃燒熱效率下降，而多點噴射方式是靠ECU控制進氣，可以更好的調整噴氣量。

圖1 不同混合方式下IMEP隨轉速變化圖

圖2 不同混合方式下燃燒持續期隨轉速變化

從燃燒循環變動率變化圖（圖3）可以得知多點噴射方式下氣缸燃燒的穩定性更好，天然氣由ECU控制噴射系統噴射，混合氣分配更均勻；而單點預混合時混合氣的濃度容易波動，單缸進氣濃度無法調控，不能形成穩定的燃燒。

圖3 不同混合方式下循環變動率隨轉速變化圖

2.2 不同進氣VVT提前角天然氣發動機燃燒特性對比

由平均有效壓力圖（圖4）和最大壓力變化圖（圖5）可以看出，在全負荷工況轉速為1 400 r/min~2 400 r/min下，進氣VVT提前角在20 deg時是最佳提前角，這時進氣充量大，換氣效率好，配合點火，可以得到很好的燃燒效率和爆發壓力。而過于提前會造成廢氣排不凈，影響燃燒；過于滯后則會進氣不足，后兩者燃燒效率都會下降，爆發壓力較小[3]。

圖4 不同進氣VVT提前角下全負荷平均有效壓力隨轉速變化圖

圖5 不同進氣VVT提前角下全負荷最大壓力隨轉速變化圖

3 結束語

本文通過分析平均有效壓力，燃燒持續期，最大壓力和循環波動等數據來研究天然氣發動機在不同混合氣混合方式和不同進氣VVT提前角下缸內燃燒情況。研究表明進氣道多點噴射方式下，天然氣發動機燃燒效率更高，燃燒更穩定，燃氣控制更精確均勻[4]；發動機存在最佳進氣提前角，使進氣更充分，換氣更好，燃燒更快。

[1]孫濟美.代用燃料汽車技術[J].汽車工藝與材料，2002，（11）：33-36.

[2]施國林.壓縮天然氣發動機的開發[J].小型內燃機，1997，（4）：66-69.

[3]蔣德明.內燃機燃燒與排放學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[4]Simon KC，et al.Gas engine combustion principle and applications[J].SAE paper，2001-01-2489.