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直喷式CNG发动机燃烧过程的控制技术


2000 年第 4 期

车 辆 与 动 力 技 术
V eh icle & Pow er T echno logy

总第 80 期

文章编号: 1009 4687 ( 2000) 04 0012 05

直喷式 CN G 发动机燃烧过程的控制技术
林学东1 ,  袁兆

成1 ,  王 霆2 ,  小野 信辅3
大学)
( 11 吉林工业大学内燃机系, 长春 130025; 21 吉林工学院, 长春 130012; 31 日本九州

摘 要: 在点燃式单缸直喷式天然气发动机上, 通过喷射及点火方式的适当调整, 实现对

1 前 言

目前已投入市场的天然气汽车多数都是配置外部混合方式 ( 预混合) 发动机 1 这种发动机 在低中负荷时热效率低, 所以二氧化碳排放量的降低效果不明显[ 1 ] 1 随着天然气等代用燃料

发动机及其车辆的发展, 国外正致力于研究开发将天然气燃料直接喷入气缸的燃烧过程控制 技术, 如天然气发动机稀薄混合气燃烧过程的研究[ 1 ] , 采用二次喷射方式控制直喷式天然气发 动机燃烧过程的研究[ 2 ] , 改善天然气 柴油双燃料发动机燃烧?排放特性的研究[ 3 ] 等, 以达到 提高天然气发动机热效率, 进一步改善其排放特性的目的 1 这也代表着天然气等代用燃料发 动机的发展趋势 1 我国近年来虽然也在积极开发研究天然气、L PG 等代用燃料汽车, 但对天 然气发动机燃烧过程的控制及改善等方面的研究资料还不多 1 本文在气缸内直接喷入天然气的点燃式发动机上, 分析研究了不同喷射方式、 不同喷射 时刻以及不同点火方式对天然气发动机火焰传播过程的影响, 同时制取示功图分析研究了不 同条件对放热规律及循环变动的影响 1

2 实验设备及条件

试验用样机是单缸四冲程点燃式发动机, 气缸直径 D = 135 mm , 活塞行程 S = 280 mm , 压缩比 Ε 6113, 排量 V h = 41006 L 1 为了观测燃烧过程中火焰的举动, 采用加长活塞, 并在 = 活塞顶部设置观察孔进行高速摄影 1 实验台架布置及其光学系统如图 1 所示 1 燃烧室的可视
收稿日期: 2000 02 17 作者简介: 林学东 (1959 ) , 男, 吉林和龙人, 副教授, 主要从事汽车发动机电控及排放技术研究 1

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燃烧过程控制的目的 1 用高速摄影方法观测分析了不同的喷射方式及点火方式对火焰传 播过程的影响; 制取示功图分析研究了对放热规律的影响 1 研究结果表明, 在较稀薄的混 合气下, 喷射方式及点火方式可以有效地控制放热规律, 由此可控制天然气发动机排放特 性, 有效地改善循环变动量 1 关键词: 天然气发动机; 燃烧过程; NO x; 循环变动 中图分类号: T K43   文献标识码: A

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m in 以内 1 排气中的 NO x 排放量

域约为气缸直径的 67% 1 图 2 表示 燃烧室截面以及喷射器、 火花塞等
85145% , C 2H 6 3139% , C 4H 10 3171% , N 2 2194% 1

布置情况 1 试验中, 如图 2 所示位 置上设置 2 个火花塞进行双点点 火, 各火花塞的点火时刻由控制装 置任意调整; 在气缸顶上设置 2 个 喷射器, 将天然气燃料按设定的喷 射方式和时刻直接喷入气缸 1 缸内 的进气涡流强度通过进气口入口方 向调整, 试验中将进气涡流比调整 到 n = 200 r m in 时 SW = 6101 所 用 天 然 气 燃 料 的 成 分 是 CH 4 为了保证发动机转速稳定, 在曲轴 上安装大惯性飞轮, 并用电机驱动, 使发动机转速波动控制在± 5 r 通过排气采样阀的控制进行定量采 样分析, 所用测量设备是日本岛津 制造所生产的 NDA - 7000 型 NO x 测量仪 1 混合气的浓度用当量比 Υ 表

示, 所谓当量比就是理论空燃比和 实际空燃比之比 1 试验中混合气的浓度通过喷射器开启时间控制 1 燃烧过程的控制通过不同 的喷射方式及点火方式实现, 并采用 CCD 高速摄影机进行连续拍摄, 观察不同燃烧条件下的 火焰传播过程, 同时制取示功图对燃烧过程进行对比分析, 以探讨用这种方式控制燃烧过程 的具体效果 1

3 实验结果及分析

当混合气浓度 ( 当量比) Υ 0170, 双点点火的点火时期为 ( Η1 , Η2 ) = ( - 4, - 3) ℃A , 发动 = i i 机转速 200 r m in, 喷射时期 Η j= 180℃A 时, 不同喷射方式对火焰传播过程的影响如图 3 所 in 示 1 由于总喷射量一定, 所以当 2 个喷射器同时喷射 ( in j1&2) 时的喷射时间比 2 个喷射器单
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独喷射时短, 在缸内混合气形成时间变长, 喷雾扩散相对充分, 因此缸内混合气浓度梯度较 小, 可形成相对较均匀的混合气, 但此时火焰传播速度却缓慢 1 当由一个喷射器单独喷射时, 喷射器相对火花塞的安装位置不同对火焰传播过程也有影响, 即由离火花塞较远的喷射器 in j1 喷射时, 其火焰传播速度比离火花塞较近的喷射器 in j2 喷射时缓慢 1 当 2 个喷射器同时 喷射只改变喷射时刻时, 随着喷射时期的迟后, 混合气形成时间缩短, 在缸内形成较大的混

4151% ,

表 1 实验台及光学系统

C 3H 8

图 2 燃烧室截面积

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合气浓度梯度分布, 这种混合气浓度分布 形成分层燃烧, 促进扩散燃烧速度, 火焰 传播速度加快 1 图 4 表示在较稀薄的混合气浓度 ( 当 量比 Υ 0170) 下, 不同喷射方式以及喷射 = 时期对示功图及放热规律的影响 1 由图 4 可知, 在相同喷射时期, 不同的喷射方式 对示功图的影响是很明显的 1 当设置在火 花塞附近的喷射器 in j2 单独喷射时, 在火 花塞附近形成较大的混合气浓度梯度, 由 此促进火焰传播速度, 所以提高了放热速 率和压力升高率; 当远离火花塞的喷射器
in j1 单独喷射时, 虽喷射时间与 in j2 时相

图 3 喷射方式对火焰传播过程的影响 同, 但其远离火花塞, 因此影响了点火时 刻火花塞附近混合气浓度的分布; 特别是对相同喷射量用 2 个喷射器同时喷射 ( in j2&in j2) 时, 形成可燃混合气的时间比较充分, 所以在点火时火花塞附近混合气浓度差偏小, 影响火焰传 播速度, 使得放热速率及气缸压力变化比较缓慢 1 另一方面, 在相同混合气浓度 ( 当量比 Υ = 0170) , 2 个喷射器同时喷射的条件下, 喷射时期越迟后 ( 如 Η j= 90℃A ) , 喷射终了点到火花 in

塞跳火时刻的时间越短, 即混合气形成时间变短, 所以同样在火花塞附近形成较大的混合气 浓度差分布, 提高了火焰的扩散速度, 使燃烧放热速率及气缸压力变化加快 1 由此可见, 通 过喷射方式可以有效地控制放热规律 1 图 5 表示上述喷射方式及喷射时刻对 NO x 排放特性及循环变动的影响 1 随着
图 4 喷射方式对示功图及放热规律的影响

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喷射时期的迟后及放热速率的提高, NO x 的排放量有所提高, 但循环变动得到明显 改善 1 平均指示压力 P m i 基本不变的原因 是随喷射时期迟后混合气形成时间缩短, 缸内形成较大的混合气浓度差分布, 这虽 形成较大的混合气浓度差分布, 由此改善 了放热速率, NO x 排放量有增加的倾向, 但循环变动却有明显的改善 1 特别是离火 花塞较近的喷射器 in j2 单独喷射时, 与 2 个喷射器同时喷射时相比, 循环变动量改 善约 50% 左右 1

促进火焰的传播速度, 但同时使燃烧热效 率有所降低 1 当喷射时期及总喷射量一 定, 用相对火花塞位置不同的 2 个喷射器 单独喷射时, 由于喷射时间相对 2 个喷射 器同时喷射时延长, 因此在火花塞附近可

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  图 6 表示当当量比 Υ 0170 的较 = 稀薄混合气下, 采用双点点火方式时 点火时期对燃烧过程的影响 1 当单点 点 火 且 其 点 火 时 期 为 Η1 = - 7℃A t 时, 放热率的变化比较缓慢 1 与此相 比采用双点点火时明显改善了放热速 率, 而且通过调整双点点火时期可以 有效地控制放热规律的变化 1 但是, 如图 7 所示平均指示压力 p m i 和 NO x 排放量的变化却并不明显 1 这是因为 对缸内直喷式天然气发动机, 喷射量 和喷射时期点火时期的变化, 直接影

响缸内混合气浓度梯度的分布, 由此 影响燃烧热效率, 但循环变动量与单 图 5 不同喷射方式对 NO x 排放特性及循环变动的影响 点点火相比却得到了明显的改善 1 随 着双点点火时期的迟后如 ( Η1 , Η2 ) = ( - 2, - 2) ℃A 时, 喷注的分散越充分, 不仅在点火时刻火 t t 花塞附近形成的混合气浓度梯度变小, 而且混合气也趋于均匀而稀薄, 所以循环变动量有上 升的趋势 1 以上结果表明, 适当调整双点点火的点火时期, 可以有效地改善放热规律, 由此 也可控制燃烧过程的稳定 1
   图 6 点火方式对燃烧过程的影响       图 7 点火方式对NO x 排放特性的影响

4 结 论

① 缸内直喷式天然气发动机, 在点火时刻火花塞附近形成适当的混合气浓度梯度, 对火
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焰的扩散速度影响很大, 由此可以有效地控制燃烧过程 1

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车辆与动力技术

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Abstract: In th is p ap er the p u rpo se to con t ro l com bu st ion p rocesses w a s ach ieved by m ean s of

u ra l ga s eng ine. T he influences of d ifferen t in ject app roaches and ign it ion t im ing s on the re2 lea se of hea ter ra te w ere stud ied. T he resu lt show s tha t in leaner m ixed ga s, the relea se of the ga s exhau st ion p erfo rm ance can be con t ro lled and cycle behavio r is im p roved. hea ter ra te is con t ro lled effect ivelly th rough d ifferen t in ject app roach and ign it ion t im ing s, so Key words: na tu ra l ga s eng ine, com bu st ion p rocess, NO x, cycle- behavio r
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behavio r in d ifferen t in ject app roaches and ign it ion t im ing s w ere done w ith h igh sp eed p ho 2

② 通过控制喷射方式及喷射时刻可改善气缸内特别是火花塞附近混合气浓度梯度的分 布, 由此实现分层燃烧, 有利于控制燃烧放热规律及 NO x 的排放特性 1 ③ 在较稀薄的混合气浓度范围内, 通过双点点火方式并控制其点火时刻, 也可控制缸内 混合气浓度梯度分布, 由此可以明显改善循环变动量, 保证燃烧过程的稳定 1
参考文献:
stitu te of T echno logy, chang chun 130012, Ch ina; 31kyu shyu un iversity J ap an )

in ject ion s and tw o d ifferen t ign it ion t im ing s, and ob serva t ion and com p a rison s tow a rd flam e

tog rap hy w hen the fuel of na tu ra l ga s is d irect ly in jected in to the cylinder on the ign it ion na t 2

[1 ]  山根公高等 1 天然 [ 3 ]  草鹿仁等 1 天然

の稀薄混合气

[2 ]  后藤雄一等 1 二段喷射による直接喷射式天然

The Study on Techn iques of Com bustion Processes Con trol on the D I Na tura l Ga s Eng ine
1 1 2 3 L I Xue 2dong ,  Yuan Zhao 2cheng ,   AN G T ing ,  O no sh in suke N W

( 11 ICE Engineering D ep a rtm en t, J ilin U n iversity of T echno logy, chang chun 130025, Ch ina; 21J ilin In 2

集 9939776 [C ] 1 日本东京: 社团法人自动车技术会, 1999, 72 991 の筒内直喷射による

集 (B 编) 65 卷 630 号 [C ], 日本东京: 社团法人日本机械学会, 19991

本机械学会论文集 (B 编) 65 卷 631 号 [C ], 日本东京: 社团法人日本机械学会, 19991

に关する研究 [A ] 1 日本自动车技术会学术讲演会前刷 の燃烧、排出

机关の制御に关する研究 [A ] 1 日本机械学会论文

特性 [A ]. 日

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