（动力机械及工程专业论文）低压缸内直喷cng发动机燃烧特性的试验研究.pdf

摘要 面对当前日益严重的能源危机和环境污染状况，寻找清洁发动机代用燃料成 为当务之急。天然气以其丰富的资源和良好的排放特性在世界范围内得到了广泛 的重视和应用。 本文在对压缩天然气( c n g ) 发动机的研究现状及发展趋势研究的基础上， 开展了基于小缸径汽油机的低压缸内直喷单一燃料c n g 发动机的设计和燃烧性 能试验研究工作。本文的主要内容包括： 1 基于1 5 6 f m i 小缸径汽油机，开发研制了低压缸内直喷单一燃料c n g 发 动机，并在试验台架上成功实现了c n g 的缸内直接喷射和发动机的正常运转。 研制工作主要包括c n g 低压直接喷射及供气系统的设计，燃烧室结构的设计， 可变能量的高能点火系统的设计和c n g 直喷控制系统的设计。 2 开发并建立了c n g 直喷发动机参数标定系统及实时燃烧分析系统。该系 统可以在实时调整和标定缸内直喷c n g 发动机重要控制参数的同时，实时采集 和分析发动机燃烧压力等特性参数，通过计算模型可以得到气缸压力示功图、压 力升高率、放热率和累积放热率等反映发动机燃烧性能的主要参数。 3 开展了低压缸内直喷c n g 发动机燃烧性能的试验研究。并就缸内直喷c n g 发动机过量空气系数、喷气时刻、点火提前角及点火能量等重要参数对燃烧性能 的影响规律进行了分析研究。结果表明： ( 1 ) 本文所设计的低压缸内直喷c n g 发动机能够实现稀燃。随着过量空气 系数的增大，c n g 直喷发动机燃烧循环变动增大，燃烧性能变差。稀燃极限在 入= 1 3 附近，此时燃烧恶化，燃烧循环变动急剧增大、发动机不能正常工作。 ( 2 ) 喷气时刻对低压缸内直喷c n g 发动机的燃烧性能有很大影响，对于一 定的工况存在最佳喷气时刻，此时发动机燃烧最稳定，燃烧性能最佳。 ( 3 ) 随着点火的提前，最大缸内压力、最大压力升高率及放热率迅速增加， 所对应的燃烧相位提前，但平均指示压力存在先增大后减小的趋势。 ( 4 ) 增大点火能量有助于改善c n g 发动机的燃烧状况，提高燃烧稳定性。 但当点火能量增大到一定程度后，继续提高点火能量对发动机燃烧性能的影响不 再明显。 关键词：压缩天然气，发动机，缸内直喷，燃烧特性 a b s t r a c t f a c i n gt h ea g g r a v a t i n ge n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，t of i n dc l e a n a l t e r n a t i v ef u e li sa l lu r g e n tp r o b l e m n a t u r a lg a sh a sb e e ni n t e r n a t i o n a l l yu s e da n d a t t e n d e dd u et oi t sa b u n d a n tr e s e r v e sa n dl o we m i s s i o n b a s i n go nt h er e s e a r c hs t a t u s a n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ec o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ( c n g ) e n g i n e ，t h ec o m b u s t i o n p e r f o r m a n c ea n dt h ed e s i g no fas m a l lb o r el o wp r e s s u r ed i r e c ti n j e c t i o nm o n o f u e l c n ge n g i n ea r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r es h o w na s b e l o w 1 b a s i n go nt h e15 6 f m is m a l lg a s o l i n ee n g i n e ，al o wp r e s s u r ed im o n o - f u e l c n ge n g i n ei sd e s i g n e d t h i sn e w l yd e s i g n e de n g i n er e a l i z e st h ec n gd i r e c t i n j e c t i o na n dn o r m a lo p e r a t i o no na ne n g i n et e s tb e d t h em a i nd e s i g nj o b so ft h e r e s e a r c hi n c l u d ef o u rc o n t e n t s ：b u i l d i n go fd i r e c ti n j e c t i o nf u e ls y s t e m ，d e s i g no f c o m b u s t i o nc h a m b e ra r c h i t e c t u r e ，t h ee n e r g y - v a r i a b l eh i g he n e r g ys p a r ks y s t e ma n d b u i l d i n go fc n ge n g i n ec o n t r o ls y s t e m 2 ar e a l - t i m ec o m b u s t i o na n a l y s i sa n dc n g e n g i n ee c uc a l i b r a t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e da n de s t a b l i s h e d t h es y s t e mc a nm o d i f ye n g i n ec o n t r o lp a r a m e t e r si ne c u ， a n da tt h es a m et i m es y s t e mc a na c q u i r ei c e sc o m b u s t i o np r e s s u r ea n da n a l y z et h e c o m b u s t i o np r e s s u r ed a t a ，s u c ha s ，c y l i n d e rp r e s s u r e ，i n d i c a t o rd i a g r a m ，p r e s s u r e u p r a i s i n gr a t e ，h e a tr e l e a s er a t ea n da c c u m u l a t e dh e a tr e l e a s er a t e ，w h i c hc a nr e f l e c t t h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c e 3 t h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c eo ft h en e w l yd e s i g n e dl o wp r e s s u r ec n gd ie n g i n ei ss t u d i e d t h ei n f l u e n c e so nt h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c es e tb yt h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n t , i n j e c t i o nt i m e ， s p a r ka d v a n c ea n g l ea n ds p a r ke n e r g ya r es t u d i e da sw e l l t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ： ( 1 ) a se x c e s sa i rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s ，t h ec o m b u s t i o nc y c l e - t o c y c l ev a r i a t i o ni n c r e a s e s a n dt h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c ea g g r a v a t e s t h el e a nc o m b u s t i o nl i m i t so ft h en e w l yd e v e l o p e d d ic n ge n g i n ei s 入= 1 3 w h e n 入i sb i g g e rt h a n1 3 t h ee n g i n ec a l l tw o r kn o r m a l l yd u et ot h e c o m b u s t i o nc y c l e - t o - c y c l ev a r i a t i o nr a p i di n c r e a s e sa n dt h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c ea g g r a v a t i o n ( 2 ) t h ei n j e c t i o nt i m ei n f l u e n c e st h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y e v e r y w o r k i n gc o n d i t i o nh a so n eo p t i m u mi n j e c t i o nt i m e ，a n du n d e rt h i ss i t u a t i o nt h ee n g i n e c o m b u s t i o nh a sb e s ts t a b i l i z a t i o na n dp e r f o r m a n c e ( 3 ) a st h es p a r ka d v a n c ea n g l ei n c r e a s e s ，t h eh i g h e s ti n - c y l i n d e rp r e s s u r e ，t h el a r g e s t p r e s s u r er i s er a t ea n dt h eh e a tr e l e a s er a t ei n h e r er a p i d l y b u tt h ea v e r a g ei n d i c a t ep r e s s u r eh a sa i n v e r s evt r e n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es p a r ka d v a n c ea n g l e ( 4 ) i n c r e a s et h es p a r ke n e r g yc a ni m p r o v et h ec o m b u s t i o np e r f o r m a n c e a n ds t a b i l i t y b u tw h e nr e a c hac e r t a i nl i n e ，f u r t h e rs p a r ke n e r g y i n c r e a s ew i1 1n o ti m p r o v et h ec o m b u s t i o ns i g n i f i c a n t l y k e y w o r d s ：c n g , e n g i n e ，d i r e c ti n j e c t i o n ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得歪盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲莎馓 签字日期： 删年厂月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：如交锌 签字日期：卯。7 年厂月7 日 导师虢侈 签字日期：力哆年厂月夕日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机的历史可以追溯到1 9 世纪末期，1 8 7 6 年奥托首先发明了火花点火式 发动机，紧接着在l8 9 2 年狄塞尔发明了压燃式发动机。从那时起，内燃机就伴 随着对内燃机工作过程的了解，伴随着新技术的出现，伴随着对新机型的需求， 伴随着环境法规的出现和日益严格而不断获取发展1 。现在内燃机及其相关产 业，在能源动力领域己经占据了重要的地位，汽车制造业更成为世界第三大支柱 性产业。 随着世界经济的飞速发展，汽车保有量急剧增大，车用内燃机在给人们的生 活带来极大便利和巨大贡献的同时，也给人类社会带来了一些尖锐、不可回避的 问题：一方面，内燃机主要燃用石油燃料，而石油是一种无法短期再生的资源， 这使得全球范围内的能源危机问题日益突出。另一方面，现有内燃机的燃烧排气 中含有许多危害人类健康的有害成份，其中包括氮氧化物、未燃的碳氢化合物、 微粒物等，如今汽车内燃机排气中的有害排放物已经成为城市大气污染的元凶， 对人类居住的生存环境造成了极大的危害。为解决这两个问题，人们一直在思考 汽车工业的能源结构调整问题，积极寻求清洁燃料以减少环境污染，需求替代燃 料以缓解能源短缺1 。在这种形势下，清洁的、热值高的天然气能源正日益受到 重视，发展天然气工业成为世界各国改善环境和维持经济可持续发展的最佳选 择。天然气是2 l 世纪最重要的能源，它将带给人类清洁的环境和高品质的生活。 天然气是世界上继煤和石油之后的第三大天然能源。其主要成分是甲烷，燃 烧后生成二氧化碳和水，产生的温室气体只有煤炭的1 2 ，石油的2 3 ，对环境造 成的污染远远小于石油和煤炭；而且天然气的热值较高为3 3 4 4 - - 4 1 8 m j m 。( 而 焦炉煤气的热值仅为1 5 8 9 1 7 ，1 4 m j m ) ，是一种高效清洁能源p 1 。目前地球 上己探明的天然气地质储量超过2 0 0 万亿立方米，按目前消费水平来看，可供开 采6 8 年。天然气资源的探明量增长很快，据预测将在1 0 - - 2 0 年内超过石油，天 然气将成为2 l 世纪的主导能源，并在满足世界能源需求方面发挥越来越重要的 作用。 随着我国经济的快速增长，我国汽车工业进入高速发展时期，汽车保有量逐 年增加，车用汽、柴油消耗呈快速增长趋势，石油供需矛盾越来越大，从2 0 0 3 年我国就已发展成为世界上仅次于美国的第二大石油消费国。根据国际能源署预 第一章绪论 计，到2 0 1 0 年，我国的石油需求量为3 5 亿吨，原油产量为2 亿吨，原油缺口 达到1 5 亿吨，到2 0 2 0 年我国石油资源的对外依赖程度将增加到5 0 以上p 1 。 而我国天然气储量丰富，根据国土资源部2 0 0 8 年的统计，我国天然气远景资源 量为5 6 万亿立方米，可采资源量2 2 万亿立方米，占世界的1 1 。而且我国大部 分天然气甲烷含量均在9 0 以上，是优质、清洁的汽车代用燃料。因此，大力开 发天然气发动机，对于我国的能源安全、调整能源结构和环境质量的改善都有积 极意义。 1 2 天然气作为发动机燃料的特点 天然气是指自然生成，在一定压力下蕴藏于地下的混合气体。在石油工业中， 天然气通常是油田开采过程中的伴生气。其主要成份是甲烷( c h 。) ，含量通常 在8 3 - 9 6 以上，此外还有少量乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烃类气体，并可能 含有氮、硫化氢及水蒸气等非烃类气体以及少量氦、氩等惰性气体。天然气中不 含硫、苯、烯烃等有害成分，所以天然气燃烧不会生成多环芳烃。天然气与其它 常用燃料物化性质的区别如表1 1 所示1 6 j 。 表1 - 1c n g 与其它常用燃料的物理化学性质的比较 项目汽油柴油天然气液化霸油气乙醉 主要成分 c 5 c 1 1q 5 暑c l c 3 。主要是c 4c 3 c 4c 3 h 5 0 h 相对分了质馈1 1 41 7 01 6 4 44 6 埯，k g1 4 9 1 4 61 7 2 41 5 89 0 5 理论空 m 3 k g1 1 5 41 1 2 2 1 3 3 31 2 1 26 9 5 气量 k m o f 昭 o 5 1 50 50 5 9 50 5 4 10 3 1 自燃湓堑 2 2 0 2 5 0 6 3 25 0 44 2 0 燃料低热倪，k 了琢1 4 4 0 0 04 2 5 0 05 0 0 5 0 4 6 3 9 0 2 7 0 0 0 r o n9 0 1 0 61 3 0 9 6 1 1 11 0 6 辛烷值 m o n 8 l 移1 2 0 1 3 0 8 9 9 68 9 天然气的物理、化学特性决定了它不同于其它燃料，天然气是作为汽车发动 机燃料具有以下特点： 1 天然气的优点 ( 1 ) 清洁 天然气是一种理想的清洁燃料。天然气和石油的主要成份均为碳、氢，氢含 第一章绪论 量越多者，燃料燃烧产生的二氧化碳就越少，天然气的主要成分甲烷分子中碳、 氢原子数之比为1 ：4 ，是碳氢比最小的烃类化合物，在产生同样热量的情况下 甲烷所产生的c o ，比汽油要少2 5 ，有利于减少“温室气体 排放。 ( 2 ) 燃料经济 天然气储量丰富，开采运输方便，使用天然气的价格比汽油、柴油便宜。同 时从热能含量上看，l 立方米的天然气相当于1 1 3 升汽油的当量。根据目前市 场价格，天然气费用要低于汽油，使用经济性好。 ( 3 ) 安全性高 天然气易于扩散，在正常温度和压力下，比柴油、汽油更加安全。而且，天 然气的主要成分甲烷具有与其它烃类燃料不同的氧化特性，要破坏c h 4 中第一 个c h 键，所需能量大于其它氢的键能，故自燃着火温度高达5 3 7 - 7 3 0 ，在 空气中可燃极限范围很窄( 5 1 5 的体积比) 一1 。这一特性决定了当汽车发生碰 撞、翻车等事故时，燃料在容器内激烈震荡、摩擦、温度剧升，达到自燃点起火 爆炸的可能性要比汽油小得多。 ( 4 ) 能提高发动机寿命 天然气燃料比氢气以外的其它任何常规燃料更加清洁，燃烧中基本不产生积 碳，硫化物的含量和机械杂质也远低于汽油和柴油，所以对气缸、活塞、活塞环 等零部件的危害较小，同时气体燃料也不会对机油产生稀释，因此发动机的使用 寿命延长。试验证明，发动机的大修期可以延长3 0 - - 5 0 。 ( 5 ) 可以改善发动机效率 天然气的辛烷值( r o n ) 高达1 3 0 以上，而高级汽油的辛烷值仅为9 6 ，所以天 然气抗爆震能力强，不需要添加抗暴剂，故可大幅度提高发动机的压缩比。日本 曾试验把压缩比提高到1 2 5 ：l ，而美国又得出压缩比提高到巧1 5 5 ：1 时发动 机热效率最好的结果。 2 天然气的缺点 ( 1 ) 成分复杂 天然气中除甲烷外，还含有不等的乙、丙、丁烷及少量的c o ，、h ，等p 1 。 由于其成分波动很大，故对内燃机运行性能和排放都有很大影响。天然气的燃烧 速度比汽油慢，因此为提高热效率和减少后燃，应将天然气机点火提前角调整到 比汽油机大一些。 ( 2 ) 携带性差 由于天然气密度低，通常使用压缩天然气均采用高压( 2 0 m p a - - - - 3 0 m p a ) 存 储在高压气瓶内，这些气瓶导致汽车自重加大，空间减小，同时限制了车辆在每 次加气后的继驶里程。 第一章绪论 ( 3 ) 润滑性差 天然气无润滑性且排温较高，因此常常导致天然气发动机的气门、气门座等 磨损要比汽油机或柴油机的严重。 ( 4 ) 天然气在常压下的着火温度一般为6 0 0 7 3 0 ，而汽油为3 8 0 - 4 5 0 ， 柴油为2 6 0 - 3 5 0 。天然气与空气的混合气是否容易着火，取决于空燃比和燃 气的组分，并受气缸内诸多因素的影响。与汽油机相比，天然气需要较强的点火 能量。 由以上分析可见，天然气作为汽车发动机代用燃料优点多、缺点少，设计合 理、控制系统完善的天然气发动机将表现出良好地经济性、动力性、排放性能， 因此它被认为是当今最有发展前景的一种汽车燃料。当前，以天然气为燃料的汽 车由于其良好的燃料经济性与低污染性正得到越来越广泛的应用和更加迅速的 发展。 1 3 火花点燃式c n g 发动机的研究现状 目前应用的火花点燃式c n g 发动机大多是在原有汽油机或柴油机基础上改 装而成的。按燃料使用情况可分汽油c n g 两用燃料发动机和单一燃料天然气发 动机；按供气方式可分为缸外供气c n g 发动机和缸内直喷c n g 发动机。 1 3 1 按照燃料使用情况分类 1 汽油c n g 两用燃料发动机 天然气发动机发展初期，当时由于气体燃料尚未大范围应用，加上加气站稀 少，为保证车辆的正常行驶，开发和应用的天然气发动机以汽油c n g 两用发动 机为主。主要采用已定型的汽油机，保留原有的燃油供给系统，另外加装一套气 体燃料供给系统，这样发动机工作时利用选择开关既能实现发动机从一种燃料到 另一种燃料的转换【8 】。国外许多公司将微处理机用于转换系统，使全系统达到天 然气与空气最佳混合，以提高天然气发动机的性能，如美国的i m p c o t e c h n o l o g i e si n c 、e d o 、a n g i 等公司【9 】。 但由于为兼顾使用汽油时的性能，对发动机的燃烧室、压缩比、进排气道等 均未作改变，因此在使用天然气时，发动机的工作过程并非最佳f l 们。 2 单一燃料c n g 发动机 单一燃料c n g 发动机是是指仅使用天然气作燃料的发动机。这样就完全可 以根据天然气的燃料特性进行发动机的结构优化和设计，包括合理地选择压缩 比、优化点火控制并提高点火能量及采用增压技术等措施，改善天然气的燃烧过 4 第一章绪论 程，最终使发动机获得更好的动力性、经济性及排放性1 1 2 】，是目前的主要发展 方向。如本田公司在c i v i c1 6 l 汽油机基础上研制了专用c n g 汽车c i v i cg x ， 采用进气管多点顺序电控喷气技术，其最大功率比原机提高6 6 k w ，排放仅是美 国超低排放标准( u l e v ) 限制的1 0 t ”】。沃尔沃公司开发的t h g l 0 3 、康明斯 公司的b 5 9 1 9 5 g 、福特3 8 、卡特彼勒3 3 0 6 、日本的4 b e l 等产品由于良好的动 力性和低排放性能，都已经投放市场【1 4 1 。 我国东风汽车公司、玉柴机器股份有限公司、上海柴油机股份有限公司、山 东潍坊柴油机有限公司、以及天津大学、吉林大学、北京理工大学、北京交通大 学等单位也都进行了车用单一燃料火花点火式c n g 发动机的研制和开发，且有 多种机型已经在市场上出售和应用5 - 2 n 。 1 3 2 按供气方式分类【2 2 1 在发展和开发c n g 发动机的过程中，最关键技术是天然气供给方式，它在 很大程度上影响发动机的动力性、经济性、安全可靠性以及排放指标( 2 3 1 。目前 天然气供给形式有两大类：缸外供气方式和缸内供气方式。前者主要包括进气道 混合器预混合供气和缸外进气门处喷射供气；后者主要包括缸内高压直喷供气和 低压直喷供气。天然气燃料的供给方式经历了从混合器( 从机械控制到电控) 、 单点喷射、多点喷射( 从同时喷射到顺序喷射) 和缸内喷射的发展过程。 1 缸外供气方式 ( 1 ) 进气道混合器预混合供气方式 进气道混合器预混合供气方式， 器，天然气经减压阀等装置以一定 的压力进入混合器，由混合器对空 燃比进行控制，一般还设有空燃比 调节装置，如图1 1 。由节气门对 混合气进行量的控制。混合器是将 天然气和空气混合的装置，大体可 分为两种，即结构简单的文丘里管 混合器和功能较为完善的比例调节 混合器。 是指在进气管和空气滤清器之间安装混合 图1 1 进气道混合器预混合供气 第一代燃料供给系统采用机械控制式混合器。这种方式具有汽油机的供气特 征，供气装置简单可靠，是应用较早的方案，现在仍然被广泛应用。但是该供气方 式具有明显的不足之处：这种供气方式由于天然气占据空气充量的体积一般可达 1 0 - - - - 1 5 ，影响了发动机的输入功率；且要求气门重叠角小，排气温度高。 第一章绪论 到2 0 世纪9 0 年代初，国外开始采用电子控制技术，即在第一代机械控制式混 合器基础上，加装电控系统，进行闭环控制；并采用三元催化后处理器降低排放，即 所谓第二代燃料供给系统。这种供气方式较之第一代在最大功率和最大扭矩上都 有所提高，最明显的是废气排放指标得到大大的改善。如荷兰t n o 研究所开发的 e 2 8 6 6 d u h 型单燃料c n g 发动机采用闭环控制的燃料供给系统，具有良好的性 能2 4 1 。 进气道混合器预混合供气方式的优点是结构简单、价格低廉，但由于这种方 式难以精确控制空燃比，因而难以达到较高的排放水平，不能充分发挥天然气该 少排放性能的潜力，随着排放法规的越来越严格，这种方式正在逐渐被淘汰。 ( 2 ) 缸外进气门处喷射供气方式 缸外进气门处喷射是一种较进气道混合器预混合供气方式更进一步的供气 方式，主要有电控单点喷射方式电控多点喷射两种方式。 电控单点喷射 电控单点喷射方式是将一个大流量的c n g 喷射器安装在进气总管实现天然 气的供给。比较典型的是c u m m i n s 的c 系列电控进气道单点喷射增压中冷天 然气发动机，采用单点喷射( s i ) ，并结合氧传感器进行闭环控制，较精确地控 制了空燃比，从而使发动机具有较好的经济型和排放性能 2 5 1 。国内上海柴油机 厂开发的t 6 11 4 z l q 3 b 型c n g 发动机，采用单点喷射，可根据发动机工况变化 对空燃比和点火提前角等运行参数实现精确控制，具有良好的经济性( 最低气耗 1 9 2 9 ( k w h ) ) ，排放达到欧标准。 但由于单点喷射器和氧传感器之间有较长的距离，因而系统对空燃比的变化 相应较迟钝，难以依靠氧传感器信号实现快速闭环控制，尤其是在加减速时不能 迅速响应空燃比的变化，从而使混合气在较长时间内过浓或过稀，使这些工况下 的排放性能较差，影响整体排放性能。 电控多点喷射 电控多点喷射供气是将c n g 喷射器布置在各缸进气门前端，这种系统可以 实现对空燃比较为精确的控制，且具有良好的响应性，能实现精确地爆震控制， 从而可以采用较高的压缩比，因而排气污染少、动力性和经济性都有很大提高。 如本田公司研制的电控多点气体喷射系统( p g m g i ) ，c o 和h c 分别比燃用汽 油时下降了7 8 和8 0 ；b e n z 公司开发的o m 9 0 6 a l g 型c n g 稀燃发动机采用 电控多点喷射系统及变截面涡轮技术，发动机性能指标达到国际同类产品领先技 术。 2 缸内直接喷射供气方式 9 0 年代以来，伴随着g d i 技术的发展和成熟，人们开始研制开发c n g 缸 6 第一章绪论 内喷射供气方式。根据天然气喷射压力高低，缸内直喷供气c n g 发动机可分为 低压直喷和高压直喷两种。 ( 1 ) 低压直喷 低压直喷c n g 发动机( 如图1 2 ) 是在进气行程中或压缩行程早期将天然 气喷入气缸，在着火之前形成混合气并 采用电火花点燃使混合气燃烧。喷射压 力较低，通常在0 2 - 1 m p a 之间。这 种方式避免了由于天然气是气体燃料 而在进气混合时就占有一定体积的缺 陷，使进气充量提高，因而可以提高发 动机的功率。但是，这种发动机的由于 喷射压力较低，仍需采用节气门通过节 流作用调节发动机的充量，因此限制了 热效率的进一步提高。 ( 2 ) 高压直喷 图l 一2 低压缸内直喷供气方式 高压直喷供气是将气体燃料先压缩到规定压力( - 般为1 5 - - 2 0 m p a ) ，在压 缩行程中后期将高压天然气喷入气缸完成燃料混合，多用于压缩比较高的发动 机。由于压缩过程中不存在燃料和空气的预混合，消除了爆震的可能性，但是控制 n o x 排放比预混合充量双燃料发动机要困难 2 6 1 。从充气效率角度来看，缸内高压 喷射对于空气充量几乎没有影响，克服了缸外进气道喷射充气效率降低的缺点，为 进一步完善发动机的各项性能提供了极为有利的条件。 作为有良好前景的基础研究，缸内直喷引起了广泛的关注，但实现天然气缸 内直喷供气的技术难点在于供气系统的硬件设计及可靠性，特别是天然气高压直 喷喷射器、高压稳压装置以及天然气加压装置。目前该项技术还没能广泛应用于 汽车发动机上，国内外主要进行一些先期性的探索性、机理性研究。国外如 g p m c t a g a r t - c o w a n 、p h i l i ph i l l 对天然气缸内高压喷射和缸内扩散燃烧的理论进 行了较多研究1 2 7 , 2 8 】；d o u v i l l e 等人还开展了缸内直喷二冲程发动机的研究工作， 发现在所试验的负荷范围内，热效率未见损失【2 9 1 ；s h i g as 等人进行了缸内直接 喷射天然气发动机研究，研究结果表明稀薄燃烧的极限取决于燃料的喷气和点火 时刻1 3 0 1 。国内西安交通大学在快速压缩装置上和样机上进行了缸内直喷天然气 的基础性研究【3 2 1 ，吉林工业大学在火花点燃式单缸发动机上，对直喷c n g 发 动机的燃烧过程技术也进行了试验研究 3 3 1 。 综上所述，汽油一c n g 两用燃料天然气发动机因不能充分发挥天然气作为发 动机燃料的优越性无法获得良好的动力性、经济性及排放性，因此性能获得不断 第一章绪论 优化的单燃料c n g 发动机才是未来发展的方向。进气道混合器预混合供气方式 由于不能实现空燃比的精确控制，因此难以达到较高的排放水平。采用单点电控 喷射、多点电控喷射供气的单燃料c n g 发动机，尽管可以结合当前比较先进的 可变气门定时和升程技术、稀薄燃烧技术等措施来改善火花点火式c n g 发动机 的性能，但由于在缸外形成混合气，会造成发动机充气效率降低；部分负荷节气 门节流增大发动机的泵气损失，因此难以更进一步提高热效率。缸内直喷供气方 式能够避免c n g 占用一部分进气管容积而造成的充气效率下降的缺点，但直喷 供气系统由于结构复杂，特别是高压直喷供气技术难度大，实施比较困难，目前 该项技术还没能广泛应用于汽车发动机上。但从目前发动机的应用与发展来推 断，缸内直喷供气技术由于能够给c n g 发动机带来优良的工作性能和优越的排 放指标，随着技术的进步，必将随着汽车工业的发展而被c n g 发动机普遍应用。 1 4 本文的选题意义和内容 随着世界范围内汽车保有量的不断增加，全球石油供需矛盾及汽车尾气所造 成的环境污染问题都日益加剧。为解决节能与环保两方面问题的需要，推动了世 界范围内对c n g 发动机的开发及燃烧过程的研究。由于c n g 是一种气体，采 用缸外进气方式向c n g 发动机供气的过程中，天然气会占用一部分进气管容积， 导致天然气发动机进气量下降，造成发动机充气效率低，直接影响发动机的动力 性能。而采用缸内直喷供气方式能够避免这一缺点，提高c n g 发动机的充气效 率；同时缸内直喷供气方式也易于精确控制喷气时刻和喷气量，能够灵活控制混 合气的空燃比，因而在天然气发动机上的应用意义相当明显。 本文研究的主要内容如下： 1 基于1 5 6 f m i 小缸径汽油机，开发设计低压缸内直喷单一燃料c n g 发动机。 主要包括c n g 低压直接喷射及供气系统的设计，燃烧室结构的设计，可变能量 的高能点火系统的设计和c n g 直喷控制系统的设计。 2 开发并建立c n g 直喷发动机参数标定系统及实时燃烧分析系统。该系统可 以在实时调整和标定缸内直喷c n g 发动机重要控制参数的同时，实时分析c n g 直喷发动机的燃烧性能。 3 开展低压缸内直喷c n g 发动机燃烧性能的试验研究。研究过量空气系数、 喷气时刻、点火提前角及点火能量等重要参数对缸内直喷c n g 发动机燃烧性能的 影响规律。 第二章低压缸内直喷c n g 发动机的设计 第二章低压缸内直喷c n g 发动机的设计 2 1 低压缸内直喷c n g 发动机的设计原则 本文试验所用低压缸内直喷c n g 发动机是以15 6 f m i 小缸径汽油机为原机 改进设计而成，原机是单缸、四冲程、风冷汽油机，具有结构简单、性能优良、 环境适应能力强等特点。其主要技术参数如表2 1 所示。 表2 1 原机的技术参数 型式单缸、四冲程、风冷汽油机 缸径m m5 6 5 行程m m4 9 5 排量m l1 2 4 压缩比 9 ：1 燃烧室形状半球型 点火方式火花点火 额定功率( k w ) 转速( r m i n ) 7 5 8 0 0 0 士5 0 0 额定扭矩( n m ) 转速( r m i n ) 8 8 7 0 0 0 士5 0 0 最低空载稳定转速 1 4 0 0 a ：l0 0 改制c n g 发动机的主要设计过程应从降低改装成本并结合c n g 自身的燃料 特性的角度出发。尽管c n g 相对于汽油是一种清洁、经济性好的燃料，但没有 适当的技术措施，并非能够轻易实现高效清洁燃烧，反会造成动力性和排放性下 降等负面效果。 考虑到c n g 的以下特点： ( 1 ) c n g 的燃点比汽油高，火焰传播速度比汽油低，所以燃用c n g 时，发动 机点火系统应保证供应足够的点火能量，并适当加大点火提前角，以求可靠点火， 提高发动机的动力性和经济性。 ( 2 ) c n g 的燃点比汽油高，着火界限比汽油宽，比汽油更加安全，不易产生 火灾等事故。 9 第二章低压缸内直喷c n g 发动机的设计 ( 3 ) c n g 的辛烷值高，有较好的抗爆性，不需要添加剂抗爆剂，可以适当提 高发动机的压缩比，从而提高发动机的动力性、热效率和燃料经济性。 设计时遵循的原则是保持原机的基本结构保持不变，如曲柄连杆机构、配气 机构、机体、缸盖、冷却系统、润滑系统及发动机的主要配件等，通过合理设计 和选择改装的零部件，达到高性能、低成本的改装目的。所采取的主要技术措施 是去掉原机的汽油箱、汽油滤清器、汽油泵和电磁喷油器，设计了c n g 低压 直接喷射及供气系统，并对原机燃烧系统进行了改进，同时也开发了可变能量的 高能点火系统和控制系统，能够实现对喷气时刻、喷气脉宽、点火提前角、线圈 充磁时间等参数的灵活控制。 2 2c n g 低压直接喷射及供气系统的设计 c n g 供气系统的功能是将气瓶中的高压天然气的压力减到合适的范围，并在 合适的时间将c n g 喷入发动机内，是c n g 发动机正常工作的前提，对发动机的综 合性能起着到至关重要的作用，所以供气系统是c n g 发动机设计中最重要的环 节。由于c n g 是气体，采用缸外供气方式c n g 会占用一部分进气管容积从而造成 发动机充气效率下降、性能降低。为了提高c n g 发动机的综合性能，本文采用缸 内直喷供气方式，设计时首先确定两个关键参数： 1 。喷气压力的大小 高压直喷供气对c n g 发动机的性能提高最大，但是由于高压直喷供气系统 开发难度大，特别是天然气高压喷射器、高压稳压装置以及天然气加压装置等关 键部件由于设计、制造上的困难，目前尚处于试制阶段，而且成本较高，难以普 及，相比之下低压直喷供气较容易实现。因此本文从设计一种低成本、高性能 c n g 发动机方案的角度出发，在确保混合气形成质量的前提条件下选择最小的 喷气压力，这样一方面能够提高发动机的性能，另一方面又能够降低喷射系统的 成本，降低供气系统的密封性的要求，提高c n g 气瓶的利用率。经过试验，本 文确定采用0 6 m p a 的喷气压力。 2 天然气循环消耗量 每循环天然气的消耗量是供气系统各部件选型的依据，本文根据原机每循环 所消耗的汽油量和汽油、天然气的空燃比折算得出天然气消耗量，并由此计算对 减压调节器、c n g 直喷喷射器流量的要求，从而对减压调节器和c n g 直喷喷射 器进行合理的选型。 经过确定以上两个参数后，本文所设计的c n g 低压直接喷射及供气系统如 图2 1 所示。主要部件包括：气瓶、手动截止阀、开关电磁阀、压力表、高压精 第二章低压缸内直喷c n g 发动机的设计 滤器、减压调节器、压力传感器、连接管路和c n g 喷射器等。 天 然 气 气 瓶 t 图2 1c n g 低压缸内供气系统示意图 供给c n g 时，首先打开手动截止阀，随后通过电子控制单元( e c u ) 控制 c n g 开关电磁阀打开，储存在天然气气瓶内的高压天然气通过气瓶阀门向高压 组件提供压力为2 0 m p a 左右的c n g 压缩天然气，经过高压精滤器过滤掉天然气 中3 n m 以上的杂质，再经过减压调节器减到试验所需喷气压力，基本保持压力 恒定。根据发动机的转速和负荷大小，通过电控单元( e c u ) 控制c n g 直喷喷 射器的喷气时刻和喷气脉宽，将适量的天然气直接喷入发动机气缸内，实现缸内 直喷c n g 发动机的燃料供给。 本供气系统的设计能够实现高压天然气的可靠存储和供应。通过使用压力表 和压力传感器，可以实时监测c n g 储气瓶中的天然气储量和c n g 的喷射压力。 另外采用手动截止阀和c n g 开关电磁阀方式能够及时可靠地对燃气“供应”和 “切断”，当发动机停机或出现不正常运转情况时，即使手动截止阀打开，也能通 过c n g 开关电磁阀快速切断天然气供给，提高了系统的安全性。 本系统有以下主要技术环节： 1 储气瓶 为了在有限的容积内存储更多的气体，天然气气瓶的储气压力般为 2 0 m p a 。储气瓶的选型主要考虑安全性，在此前提下，质量应尽量小。目前，一 般采用高强度的钢材来做气瓶，为了减轻自身质量，也有用合金钢或用玻璃钢与 金属配合制成的气瓶及复合材料气瓶等。本文选用了工业专用的安全性高的 第= 章低缸自赢喷c n g 发动机的设计 c n g 储气瓶。 2 减压调节器 减压调节器是c n g 供给系统中的关键部件，它的功能是使天然气在进入 c n g 喷射嚣之前将储气瓶提供的高压天然气降低到所要求的喷射压力，其所调 节压力范围可虬根据需要有一定的调整范围。由于高压天然气流经减压调节器时 的节流减压作用，使出口温度降低尤其是发动机高速太负荷情况下较严重，甚 至会出现减压阀霜冻的现象，天然气中的水分会结冰堵塞减压调节器通道，从而 造成天然气气流断流现象，对发动机造成极大损害，所以要求减压阀上有加热通 道。 由于而目前国内市场没有适台本系统的减压调节器为此，根据本系统的要 求，本研究委托企业特制了减压调节器 如图2 - 2 所示。该减压调节器压力输出压力 稳定，调压范围为05 m p a 07 m p a ，减压 调节器出口设有安全周，当减压调节器出 现异常、出口压力高于设定的警戒值时， 安全阀关闭出口通道，防止高压天然气泄 漏，同时减压调节器体上也设有加热通道 结构。此外考虑到天然气在加压过程中会 或多或少带有部分腐蚀性物质，该减压调 节器在设计时采用了耐腐蚀、抗老化的高 压密封材抖。 3 c n g 直喷喷射器 圉2 - 2 减压谓节器 c n g 直喷喷射器是缸内直喷c n g 发动晟为关键的部件，其工作特性的好坏 直接影响燃气喷射质量，从而影响发动机的性能，它的选择要保证发动机在患速 及小负荷时e c u 对微小喷射量的控制精度和太负荷时的最大供气量。一般来说 c n g 喷射器应该满足以下要求脚】： ( 1 ) 能动态地调节喷气时间，根据发动机工况要求调节c n g 流量； 让) 在所控制的同样喷射时间内使各次喷射流量一致，量率保持恒定； ( 3 ) 能够适应车用天然气发动机转速及喷射频率高、喷射时间短的要求； ( 4 ) 能承受气缸内及喷射器内部最高压力，针阀不会自动开启； ( 5 ) 能在缸盖高温及燃料腐蚀条件下工作； ( 6 ) 密封性良好，不会泄露燃料； ( 7 ) 在外型尺寸及寿命上满足车用天然气发动机的要求。 为此本文准备了两套方案，第一套方案采用自主研发的c n g 直喷喷射器， 第= 章低e 缸自直喷c n g & 自机的* 计 主要结构如图2 - 3 所示，该喷射器主要由针阀、电磁线圈、衔铁等部件组成采 用脉宽调制控制方式，喷射流量控制具有良好的线性度，动作准确，在台架试验 国2 - 3 c n g 直喷喷射器 蔫一 圈2 4s v n e r i e c t 喷射器 中，该喷射器能够正常稳定工作。第二套方案采用o r b i t a l 公司的s y n e r j e c t 喷射 器，如图2 - 4 所示，该喷射器属于技术较为成熟产品，响应速度快、稳定性及重 复性好，耐用性好，抗污染能力强，利于精确控制c n g 喷射量。由于本文进行 的是初期研究，s y n e r j e c 喷射器技术比较成熟因此本文在试验时首先采用了第 二套方案，使用s y n e r j e e t 喷射器进行台架试验。 2 3 燃烧系统的设计 燃烧系统的结构对低压缸内直喷c n g 发动机的性