缸内直喷CNG发动机燃烧过程测量分析

周立迎，徐富水，罗福强

（1.贵阳学院机械工程学院，贵州 贵 阳 550005；2.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇 江 212013）

随着排放法规的日益严格，能源安全和环境问题的日益突出，开发车用代用燃料成为发展趋势。天然气具有经济性好、抗爆性好、排污少、资源丰富等特点，成为一种极具发展潜力的代用燃料［1－3］。

目前，在原有汽油机或柴油机基础上改装而成的双燃料发动机并没有表现出良好的性能，随着缸内直喷燃烧技术的发展，天然气和缸内直喷技术相结合可提高天然气发动机的经济性和动力性［4－5］。

针对1台缸内直喷CNG发动机进行台架试验，测量发动机缸内压力，分析缸内压力升高率、放热率及缸内温度等随转速、负荷和点火提前角的变化。

1 试验装置及过程

在不改变原机结构的基础上，将1台4缸、四冲程、四气门、水冷汽油机改制为1台缸内直喷CNG发动机，其中CNG喷嘴布置在2个进气门之间，喷射压力为1.8MPa，压缩比为12∶1，排量为2L，最大扭矩转速为3 800r／min。发动机试验台架见图1。采用自行开发设计的内燃机工作过程测量分析系统测量发动机气缸压力，并根据气缸压力计算分析放热规律［6－7］，A／D 为12通道，采样角度可设置为1°，0.5°，0.25°曲轴转角。气缸压力传感器采用火花塞式压电压力传感器。

2 试验结果分析

2.1 转速对缸内直喷CNG发动机燃烧过程的影响

图2示出在平均有效压力pme＝0.75MPa、不同转速下缸内压力随曲轴转角的变化。图3示出在不同转速下最大气缸压力及其对应的曲轴转角。在所试验的转速范围内，随着转速的升高，缸内压力逐渐减小，最大缸内压力基本呈减小趋势，且其对应的曲轴转角向上止点后方向推移。

图4示出在0.75MPa、不同转速下压力升高率随曲轴转角的变化，图5示出在0.75MPa、不同转速下最大压力升高率及其对应的曲轴转角。从图中可以看出，在上止点附近，随转速的升高，最大压力升高率逐渐减小，其对应的曲轴转角向上止点后方向移动，与缸内压力的变化趋势一致。

图6示出0.75MPa、不同转速下放热率随曲轴转角的变化，图7示出在0.75MPa、不同转速下最大放热率及其对应的曲轴转角。由图可以看出，随转速的升高，燃烧始点推迟，单位曲轴转角对应时间减少，以曲轴转角计放热率及最大放热率减小。这是因为随转速的增加，以曲轴转角计的燃烧滞燃期增加，此外，单位曲轴转角对应的时间减少，也是造成放热率峰值下降的一个重要原因。随着转速的增加，最大放热率对应的曲轴转角向上止点后方向移动。

图8示出在0.75MPa、不同转速下发动机缸内温度随曲轴转角的变化，图9示出在0.75MPa、不同转速下缸内最高温度及其对应的曲轴转角。由于转速升高，燃烧始点推迟，使得缸内温度曲线向远离上止点后方向平移；且缸内最高温度逐渐减小，而其对应的曲轴转角随转速的升高而延后。这是因为，转速增加，着火延迟，最高燃烧温度下降，其相位远离上止点。

2.2 负荷对CNG发动机燃烧过程的影响

图10示出发动机在3 600r／min、不同负荷下的缸内压力随曲轴转角的变化，图11示出在不同负荷下缸内最高压力及其对应的曲轴转角。转速一定时，随着负荷增加，最大缸内压力增加。这是因为，随负荷的增加，进入缸内的燃料和新鲜空气增加，但留在气缸内的残余废气量不变，使残余废气系数下降；另一方面，负荷增加，燃烧滞燃期减小，火焰传播速率加快，气缸壁传热损失相对减少，发动机的热状态提高。最大缸内压力对应的曲轴转角与负荷之间没有很明确的对应关系。

图12示出在3 600r／min、不同负荷下缸内压力升高率随曲轴转角的变化，图13示出在3 600r／min、不同负荷下最大压力升高率及其对应的曲轴转角。随负荷的增加，最大压力升高率逐渐增大。这说明负荷增加，缸内的热状态提高，燃烧速率加快。最大压力升高率到达时刻与负荷之间没有很明确的对应关系。

图14示出在3 600r／min、不同负荷下放热率随曲轴转角的变化，图15示出在3 600r／min、不同负荷下最大放热率及其对应的曲轴转角。由图可以看出，不同负荷下的放热率曲线始点没有很明显的区别，但是进入急燃期以后，随着负荷的增加，燃烧放热率及最大放热率增加。这是因为随负荷的增加，喷入气缸的CNG燃料增加，相对传热损失减少，缸内的热状态提高，火焰传播速率增加，单位时间燃烧的燃料量增加，放热率提高。不同负荷下的放热率曲线终点没有很明显的区别，这说明负荷对燃烧持续期没有显著的影响。小负荷工况下热效率较低，大负荷时这种情况会得到改善［8］。最大放热率到达时刻与负荷之间没有很明确的对应关系。

图16示出在3 600r／min、不同负荷下缸内温度随曲轴转角的变化，图17示出在3 600r／min、不同负荷下缸内最高温度及其对应的曲轴转角。由图可知，转速一定时，随负荷增加，缸内最高温度逐渐增加，这是因为随负荷的增加，充量增加，喷入气缸的CNG燃料增加，残余废气系数下降，缸内的热状态提高［9］，火焰传播速率增加，缸内最高温度增加。燃烧进入后燃期后，温度开始下降，但是下降都比较缓慢，因为在后燃期内还有较多的燃料在燃烧，由于此时活塞已经下行，放出的热量没有得到充分利用，热效率降低。随负荷的增加，缸内最高温度对应的曲轴转角向偏离上止点后方向移动。

2.3 点火提前角对CNG发动机燃烧过程的影响

图18示出3 800r／min、全负荷时点火提前角对发动机动力性能及经济性能的影响。由图可以看出，随着点火提前角的增加，有效功率先增加后减小，当点火提前角为34°曲轴转角时达到峰值；而有效燃气消耗率则是先下降后上升，在点火提前角为34°曲轴转角时达到最低值。显然，转速为3 800r／min、全负荷时，最佳点火提前角在34°曲轴转角附近。

图19示出在转速为3 800r／min、全负荷时，不同点火提前角下的缸内压力。由图可以看出，随点火提前角的减小，最大缸内压力减小，其对应的燃烧相位推迟，燃烧持续期延长。当点火提前角超过最佳时刻继续变大时，缸内的压力值仍继续升高，这说明缸内的火焰传播速率及燃烧速率对点火提前角很敏感。因为点火提前角增大后，燃烧始点提前，在燃料燃烧和活塞压缩压力的共同作用下，缸内压力峰值增加，缸内燃烧更加剧烈以至于压力升高率增加。随着点火提前角的增大，最高气缸压力对应的曲轴转角不断向上止点靠近。

图20示出在转速为3 800r／min、全负荷时，不同点火提前角下的压力升高率。随着点火提前角的增大，压力升高加快；最大压力升高率也随着点火提前角的增大而增加，其对应的曲轴转角也不断向前移，这说明随着点火提前角的不断增大，发动机的爆燃倾向加大，所以应当控制发动机的点火提前角在合适的范围内。

图21示出在3 800r／min、不同点火提前角下放热率随曲轴转角的变化。从放热率曲线可知，随着点火提前角的增大，放热率到达峰值的时间逐渐缩短，发动机的热效率得到提高。随着点火提前角向最佳值靠近，放热率峰值不断增大且其对应的曲轴转角不断向上止点靠近，火焰传播速度较快，燃烧速度增加；当点火提前角超过最佳点火提前角后，放热率峰值有所下降。结合图19可以看出，随着点火提前角的增加，后燃期不断缩短，即在后燃期燃烧的燃料减少，这在一定程度上提高了缸内直喷CNG发动机的动力性和经济性。但是当点火提前角超过最佳值而进一步增大时，压缩负功增加，且后燃期缩短的趋势越来越小，说明单纯依靠增大点火提前角是无法彻底改善CNG发动机后燃期长这一缺点的［10］。

图22示出在3 800r／min、不同点火提前角时缸内温度的变化曲线。由图可知，随着点火提前角的增大，燃烧温度峰值增大且其对应的曲轴转角靠近上止点，说明点火提前角对急燃期的影响显著。

3 结论

a）在负荷一定时，随着转速的升高，最大缸内压力、最大缸内压力升高率、最大放热率及缸内最高温度都减小；

b）在转速一定时，随负荷的增加，最大缸内压力、最大缸内压力升高率、最大放热率及缸内最高温度逐渐增加；

c）点火提前角对缸内直喷CNG发动机的压力、温度等参数影响显著，存在一最佳点火提前角，此时发动机动力性、经济性最佳。

［1］ 朱剑明，彭代勇.世界能源现状与内燃机的发展机遇［J］.内燃机工程，2011，32（3）：80－84.

［2］ 刘亮欣，黄佐华，蒋德明，等.天然气缸内直喷发动机燃烧循环变动特性研究［J］.内燃机学报，2005，23（1）：18－27.

［3］ 胡春明，侯圣智，赵文锋，等.低压缸内直喷CNG发动机燃烧特性的影响因素［J］.燃烧科学与技术，2010，16（5）：446－451.

［4］ 郑建军，黄佐华，王金华，等.直喷式天然气发动机不同压缩比下燃烧循环变动规律［J］.内燃机学报，2011，29（2）：97－104.

［5］ Meyers D P，Bourn G D，Kubesh J T，et al.Evaluation of six natural gas combustion systems for LNG loco－motive applications［C］.SAE Paper 972967，1997.

［6］ 罗福强，高宗英.柴油机瞬变工况瞬时转速及工作过程测量分析系统［J］.内燃机工程，1996，17（1）：13－17.

［7］ 罗福强，李小华，汤 东，等.生物制气－柴油双燃料发动机燃烧特性研究［J］.工程热物理，2004，25（5）：879－882.

［8］ 郭云杰.轿车用单一燃料电控喷射天然气发动机性能的试验与计算研究［D］.天津：天津大学，2010：10－14.

［9］ Payri F，Lujan J M，Martn J.Digital Signal Processing of in－cylinder Pressure for Combustion Diagnosis of Internal Combustion Engines［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2010，24：1767－1784.

［10］ 诸晓亮.液化石油气发动机燃烧特性的试验研究［D］.重庆：重庆大学，2008：43－48.