付建勤 劉敬平?┭艋雜? 徐偉 廖誠(chéng)

摘要：對(duì)一臺(tái)增壓、液化天然氣（LNG）發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況下的瞬態(tài)過程進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，將實(shí)測(cè)的瞬態(tài)缸壓曲線進(jìn)行二次處理，得出表征缸內(nèi)燃燒過程的特征參數(shù)，在此基礎(chǔ)上剖析了諸多瞬態(tài)燃燒特征參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系以及對(duì)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.結(jié)果表明，50%燃燒點(diǎn)位置隨循環(huán)數(shù)變動(dòng)范圍約為5°CA，其波動(dòng)主要是由燃燒始點(diǎn)的變化引起的，50%燃燒點(diǎn)和燃燒始點(diǎn)的峰值（或谷值）相互對(duì)應(yīng)；50%燃燒點(diǎn)的峰值對(duì)應(yīng)著最高壓力升高率和最高爆發(fā)壓力的谷值，反之則相反.10%～90%燃燒持續(xù)期的變化范圍為30～45°CA，它隨循環(huán)數(shù)上升是導(dǎo)致LNG發(fā)動(dòng)機(jī)IMEP和NMEP下降的主要原因之一.燃燒特征參數(shù)的波動(dòng)，主要?dú)w咎于燃燒始點(diǎn)的不穩(wěn)定.實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒始點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，是保證LNG發(fā)動(dòng)機(jī)在低速高增壓瞬態(tài)過程具有較好工作穩(wěn)定性的前提.

關(guān)鍵詞：天然氣；發(fā)動(dòng)機(jī)；瞬態(tài)工況；燃燒；臺(tái)架試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TK411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）02-0064-06

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)面臨的能源和環(huán)境問題愈來愈嚴(yán)重.我國(guó)原油對(duì)外依存度高，能源供應(yīng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn).同時(shí)，由于汽車保有量的持續(xù)劇增，我國(guó)當(dāng)前已成為CO2排放第一大國(guó)，這將導(dǎo)致我國(guó)承擔(dān)CO2減排義務(wù)的壓力不斷增大.此外，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的有害氣體排放量，占全球有害氣體排放總量的50%以上，不僅對(duì)人體健康造成直接危害，還會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生破壞作用[1].

發(fā)展清潔、高效的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料是緩解我國(guó)當(dāng)前能源危機(jī)與環(huán)境污染問題的一條直接、有效的途徑[2].天然氣因其資源豐富、價(jià)格低廉、污染低、辛烷值高等特點(diǎn)，一直被認(rèn)為是具有很好發(fā)展前景的汽車代用燃料.許多大中城市都把發(fā)展天然氣公交車作為治理大氣污染的重要舉措之一[3].

天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料帶來的主要問題是功率下降.通常，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)改用天然氣后，功率會(huì)下降20%～25%，而壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)下降10%～15%，這將引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的惡化[4]，進(jìn)而使其熱功轉(zhuǎn)換效率有所降低.因此，恢復(fù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、改善其熱效率，是實(shí)現(xiàn)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)推廣和應(yīng)用的重要途徑.雖然目前已有許多學(xué)者開展了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能研究[5]，例如采用增壓、提高壓縮比來恢復(fù)其動(dòng)力性能，但對(duì)于低速工況，受限于渦輪增壓系統(tǒng)的工作特性，增壓壓力無法達(dá)到理想值，因此導(dǎo)致低速下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不能達(dá)到滿意值.此外，對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)工作過程，尤其是燃燒特征參數(shù)的變化規(guī)律研究甚少.為此，本文以提升重型LNG發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩為目的，采用額外補(bǔ)氣來提升低速時(shí)的進(jìn)氣壓力，并且研究由于進(jìn)氣壓力波動(dòng)引起的燃燒特征參數(shù)的變化規(guī)律，為研究天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1LNG發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程試驗(yàn)

汽車在道路工況行駛時(shí)，60%～80%的時(shí)間處于過渡工況，在過渡工況時(shí)前后進(jìn)氣壓力的波動(dòng)引起循環(huán)進(jìn)氣量有非常大的變化.進(jìn)氣壓力波動(dòng)，瞬時(shí)空燃比，尤其是點(diǎn)火提前角控制不準(zhǔn)等因素，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程的工作性能.因此，研究瞬態(tài)燃燒過程參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系及其相互影響，對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能具有重要意義[6-7].

本文的研究對(duì)象為一臺(tái)由重型柴油機(jī)改裝的氣道噴射LNG發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，其主要參數(shù)見表1.由于該發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)增壓壓力相對(duì)較低而導(dǎo)致爬坡工況時(shí)扭矩不夠.為了解決這一問題，在爬坡工況時(shí)由備用的壓縮空氣瓶向進(jìn)氣系統(tǒng)（中冷器后）額外“補(bǔ)氣”，相當(dāng)于額外增壓的效果，等效于提升了進(jìn)氣系統(tǒng)的增壓壓力（由于天然氣的辛烷值較高，可以采用更高的增壓壓力），從而使低速扭矩得到提升.方案示意圖如圖1所示.

選定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，目標(biāo)增壓壓力（補(bǔ)氣后）0.2 MPa為研究工況點(diǎn).補(bǔ)氣后，由于改變了壓氣機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)，使壓氣機(jī)工作時(shí)有輕微的“喘振”，從而導(dǎo)致進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力不穩(wěn)定（產(chǎn)生波動(dòng)）.雖然發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為定值，實(shí)際上由于進(jìn)氣壓力等參數(shù)的波動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)具有明顯的循環(huán)差異性（隨著循環(huán)產(chǎn)生波動(dòng)），這樣就使LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作循環(huán)為瞬變狀態(tài).為了研究實(shí)際過程（瞬態(tài)過程）LNG發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過程參數(shù)的變化情況，基于AVL試驗(yàn)臺(tái)架以及瞬態(tài)缸壓傳感器、氧傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器等，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)工作過程進(jìn)行連續(xù)測(cè)試.其中，測(cè)試時(shí)各種傳感器布置方式如圖2所示.發(fā)動(dòng)機(jī)的氧傳感器位于渦輪出口，Lambda儀位于渦輪出口下游.

將測(cè)得的每循環(huán)瞬態(tài)缸壓曲線與瞬時(shí)氣缸容積變化率進(jìn)行積分（瞬時(shí)氣缸容積由測(cè)得的曲軸轉(zhuǎn)角位置和已知的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如缸徑、行程、連桿長(zhǎng)度等計(jì)算得到），得到活塞的瞬時(shí)做功量；對(duì)換氣過程和整個(gè)循環(huán)過程積分可分別得到泵氣功與循環(huán)指示功[8].對(duì)實(shí)測(cè)缸壓曲線進(jìn)行二次處理，通過聯(lián)立求解缸內(nèi)的質(zhì)量守恒、能量守恒以及氣體狀態(tài)方程可以計(jì)算得出缸內(nèi)的瞬時(shí)放熱率和各種表征缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的參數(shù)，如燃燒始點(diǎn)位置、50%燃燒點(diǎn)位置、10%～90%燃燒持續(xù)期、最高爆發(fā)壓力、最大壓力升高率等[9].

2發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)參數(shù)

3瞬態(tài)過程試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1動(dòng)力性能參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化

圖3所示為L(zhǎng)NG發(fā)動(dòng)機(jī)在低速工況（目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min）“補(bǔ)氣后”轉(zhuǎn)速隨循環(huán)數(shù)的變化.可以看到，轉(zhuǎn)速在目標(biāo)值1 200 r/min附近有輕微的波動(dòng)，這是由于進(jìn)氣壓力等參數(shù)的波動(dòng)引起的.圖4給出了LNG發(fā)動(dòng)機(jī)高壓循環(huán)IMEP隨循環(huán)的變化.由圖可見，相比于轉(zhuǎn)速，高壓循環(huán)IMEP的波動(dòng)幅度更為明顯，并且從大約第90個(gè)循環(huán)后，高壓循環(huán)IMEP開始下降，然后趨于一個(gè)穩(wěn)定值.從穩(wěn)態(tài)研究結(jié)果可知，高壓循環(huán)IMEP主要受充氣效率、過量空氣系數(shù)以及燃燒過程參數(shù)（如點(diǎn)火提前角、燃燒持續(xù)期、50%燃燒點(diǎn)位置等）影響.為了分析高壓循環(huán)IMEP的變化原因，圖5給出了LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣平均壓力隨循環(huán)數(shù)的變化關(guān)系.可以看到，在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，采用“補(bǔ)氣”后進(jìn)氣壓力變化范圍為0.193～0.201 MPa，在第30個(gè)循環(huán)附近有一個(gè)較大幅度的波動(dòng)，之后波動(dòng)幅度很小，總體趨勢(shì)是進(jìn)氣壓力隨循環(huán)稍稍下降.進(jìn)氣壓力下降導(dǎo)致每循環(huán)進(jìn)入缸內(nèi)的燃?xì)饪諝饣旌蠚鉁p少，這是引起高壓循環(huán)IMEP下降的一個(gè)重要因素.圖6給出了過量空氣系數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化關(guān)系.由于在第30個(gè)循環(huán)進(jìn)氣壓力突然下降，相應(yīng)地過量空氣系數(shù)也出現(xiàn)輕微下降，這表明前后循環(huán)之間天然氣（LNG）的噴射量基本上不變.之后，過量空氣系數(shù)隨循環(huán)數(shù)變化基本保持平穩(wěn).綜合圖4， 圖5和圖6可知，進(jìn)氣壓力和過量空氣系數(shù)的變化幅度極其微小，但是高壓循環(huán)IMEP隨循環(huán)卻變化較大.由此可見，高壓循環(huán)IMEP的下降還受缸內(nèi)燃燒過程（具體體現(xiàn)在燃燒特征參數(shù)的變化）的影響.

循環(huán)數(shù)

圖7給出了轉(zhuǎn)速1 200 r/min、進(jìn)氣壓力0.193～0.201 MPa時(shí)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的PMEP隨循環(huán)數(shù)的變化關(guān)系.從圖中可以看到，在第45個(gè)循環(huán)附近，PMEP開始下降，之后雖然PMEP波動(dòng)幅度較大，但基本上在一個(gè)恒定值附近波動(dòng)（沒有明顯的上升或下降趨勢(shì)）.由圖5可知，雖然進(jìn)氣平均壓力隨循環(huán)數(shù)有輕微的下降，但是PMEP沒有上升反而下降.這是因?yàn)樵谒沧儬顟B(tài)下PMEP的主要影響因素是進(jìn)氣壓力波動(dòng)而不是進(jìn)氣平均壓力，此外RGF的影響也不容忽視.高壓循環(huán)IMEP和PMEP隨循環(huán)數(shù)的變化規(guī)律，直接決定了NMEP隨循環(huán)數(shù)的變化趨勢(shì)（如圖8所示）.由于PMEP有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)，因此在一定程度上減緩了NMEP隨循環(huán)數(shù)的下降程度.

3.2燃燒特征參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化

圖9所示為轉(zhuǎn)速1 200 r/min、進(jìn)氣壓力0.193～0.201 MPa時(shí)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的10%～90%燃燒持續(xù)期隨循環(huán)數(shù)的變化關(guān)系.可以看到，10%～90%燃燒持續(xù)期隨循環(huán)數(shù)產(chǎn)生明顯波動(dòng).特別是從第115個(gè)循環(huán)開始，10%～ 90%燃燒持續(xù)期急劇上升，大約從30oCA上升到45oCA.10%～90%燃燒持續(xù)期的上升，是高壓循環(huán)IMEP出現(xiàn)下降的又一個(gè)重要原因.

Heywood[10]指出，缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)層流火焰速度的影響遠(yuǎn)甚于空氣過量的稀釋.文獻(xiàn)[8]指出，僅約0.18 mol份額的殘余廢氣就能使層流火焰速度減半.據(jù)此可知，該LNG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒持續(xù)期的增加很大可能是歸咎于缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)（RGF）的上升.從前期研究可知，缸內(nèi)殘余廢氣的存在可以在一定程度上降低PMEP，這也可以解釋圖7中PMEP隨循環(huán)數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)的原因.由于很難對(duì)瞬態(tài)缸內(nèi)RGF進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，故難以獲得隨循環(huán)數(shù)變化的缸內(nèi)RGF，該問題還有待進(jìn)一步深入研究.

圖10所示為轉(zhuǎn)速1 200 r/min、進(jìn)氣壓力0.193～ 0.201 MPa時(shí)50%燃燒點(diǎn)位置隨循環(huán)數(shù)的變化.由圖可見，50%燃燒點(diǎn)位置隨循環(huán)數(shù)沒有明顯的上升或下降趨勢(shì)，但是波動(dòng)幅度比較大，變化范圍約為5°CA.與此同時(shí)，圖11給出了最高爆發(fā)壓力隨循環(huán)數(shù)的變化規(guī)律.可以看到，該LNG發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下最高爆發(fā)壓力隨循環(huán)數(shù)出現(xiàn)較大波動(dòng)，變化范圍接近2.0 MPa（相對(duì)變化達(dá)到±10%）.對(duì)比圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，最高爆發(fā)壓力與50%燃燒點(diǎn)位置有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即：50%燃燒點(diǎn)位置的峰值對(duì)應(yīng)著最高爆發(fā)壓力的谷值（例如第46，56，99個(gè)循環(huán)），反之則相反（例如第90，122，144個(gè)循環(huán)）.從穩(wěn)態(tài)燃燒過程研究結(jié)果可知，50%燃燒點(diǎn)位置是衡量燃燒放熱率曲線相位的一個(gè)重要參數(shù)，50%燃燒點(diǎn)位置越小，表明燃燒越靠近上止點(diǎn)，從而導(dǎo)致最高爆發(fā)壓力越大[11].反之，50%燃燒點(diǎn)位置越遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，最高爆發(fā)壓力越小.從這點(diǎn)來看，瞬態(tài)過程遵循的規(guī)律與穩(wěn)態(tài)過程是一致的.最高爆發(fā)壓力的劇烈波動(dòng)，主要是由LNG發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)過程中50%燃燒點(diǎn)的不穩(wěn)定引起的.與此同時(shí)，給出了最高壓力升高率的瞬態(tài)變化歷程曲線，如圖12所示.與最高爆發(fā)壓力一樣，最高壓力升高率也隨循環(huán)數(shù)劇烈波動(dòng)，其變化范圍大約為0.15 MPa/deg.對(duì)照?qǐng)D11和圖12可以發(fā)現(xiàn)，最高爆發(fā)壓力和最高壓力升高率的變化規(guī)律是一致的，即二者的峰值（例如第120，132，144個(gè)循環(huán)）和谷值（例如第46，56，99個(gè)循環(huán)）同時(shí)出現(xiàn).

循環(huán)數(shù)

從圖13所示的燃燒始點(diǎn)隨循環(huán)數(shù)的變化關(guān)系可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作循環(huán)過程中，燃燒始點(diǎn)很難固定在一個(gè)穩(wěn)定值，而是隨工作循環(huán)產(chǎn)生較大波動(dòng)，變化范圍在0～6oCA（個(gè)別最大值達(dá)7oCA）.燃燒始點(diǎn)取決于點(diǎn)火提前角和燃燒初始條件（過量空氣系數(shù)和RGF等）.前者決定了缸內(nèi)的點(diǎn)火時(shí)刻，后者反映了混合氣的滯燃期.燃燒始點(diǎn)隨循環(huán)數(shù)的波動(dòng)，直接決定了50%燃燒點(diǎn)位置的變化.對(duì)比圖10和圖13可知，50%燃燒點(diǎn)位置和燃燒始點(diǎn)位置隨循環(huán)數(shù)的變化趨勢(shì)一致，即前者的峰值對(duì)應(yīng)后者的峰值（例如第44個(gè)循環(huán)，第99個(gè)循環(huán)，第105個(gè)循環(huán)），反之則相反（例如第90個(gè)循環(huán)，第122個(gè)循環(huán)，第144個(gè)循環(huán)）.由此可見，燃燒始點(diǎn)隨LNG發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)出現(xiàn)較大波動(dòng)，是引起50%燃燒點(diǎn)位置、最高爆發(fā)壓力、最高壓力升高率等燃燒特征參數(shù)波動(dòng)的重要原因.實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒始點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，是優(yōu)化瞬態(tài)燃燒做功循環(huán)過程、尤其是減少循環(huán)變動(dòng)的關(guān)鍵.

4結(jié)論

通過對(duì)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，展示了LNG發(fā)動(dòng)機(jī)在低速（1 200 r/min）、增壓（0.193～0.201 MPa）時(shí)各種燃燒特征參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化規(guī)律，為下一步的深入研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1） 在轉(zhuǎn)速1 200 r/min， 進(jìn)氣壓力0.193～0.201 MPa時(shí)，該LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的10%～90%燃燒持續(xù)期變化范圍為30～45oCA.10%～90%燃燒持續(xù)期的上升，是導(dǎo)致該LNG發(fā)動(dòng)機(jī)IMEP（以及NMEP）下降的重要原因之一.

2） 50%燃燒點(diǎn)位置變化范圍約為5oCA，它同時(shí)影響最高壓力升高率和最高爆發(fā)壓力.50%燃燒點(diǎn)位置越靠近上止點(diǎn)，最高壓力升高率和最高爆發(fā)壓力越大.最高爆發(fā)壓力變化范圍接近2.0 MPa，最高壓力升高率也隨著循環(huán)數(shù)劇烈波動(dòng)，其變化范圍大約為0.15 MPa/ oCA.

3） 通過對(duì)該LNG發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過程燃燒特征參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，引起該機(jī)循環(huán)波動(dòng)的一個(gè)重要原因是進(jìn)氣壓力的輕微波動(dòng)導(dǎo)致燃燒始點(diǎn)的較大波動(dòng).實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒始點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，是減小燃燒循環(huán)變動(dòng)量、保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定的關(guān)鍵.

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