过量空气系数和点火提前角对CNG发动机NOX排放性能的影响

翟康，施崇槐，，韩志强，吴涛，王刚，罗修超，樊利康

（1.西华大学内燃机试验室，四川成都 610039；2.成都安美科燃气技术有限公司内燃机试验中心，四川成都611730)

过量空气系数和点火提前角对CNG发动机NOX排放性能的影响

翟康1，施崇槐1，2，韩志强1，吴涛1，王刚2，罗修超1，樊利康1

（1.西华大学内燃机试验室，四川成都 610039；2.成都安美科燃气技术有限公司内燃机试验中心，四川成都611730)

试验研究了过量空气系数和点火提前角对稀燃电控调压器式天然气发动机的燃烧以及排放的影响。试验过程对全工况的排放和动力进行了稳态优化。研究结果表明，在其他影响参数不变的情况下，随着点火提前角的减小和过量空气系数的增加，扭矩和NOX排放均降低。在匹配氧化型催化转化器后，各工况选取适当的点火提前角和过量空气系数可以满足国Ⅴ的排放标准。

点火提前角；过量空气系数；国Ⅴ；NOX排放；天然气发动机；稀燃；电控调压器

随着石油资源危机和环境污染的加重，天然气由于有储量丰富，燃烧清洁等特点，成为最有现实意义的替代燃料之一。开发高效，低排放的天然气发动机日益受到国内外的高度重视。本文中的研究目标是开发满足国Ⅴ排放法规的车用电控调压器控制天然气发动机，该机采用稀薄燃烧模式,并以高增压比，满足功率输出要求。围绕稀薄燃烧，对过量空气系数和点火提前角进行标定优化，并进行了增压器和二元催化转化器的匹配。［1-3］

CNG发动机的燃烧过程直接决定了其热效率及排放水平。国内外大量研究表明，CNG发动机的燃烧过程受控于燃烧边界条件,对燃烧边界条件进行优化控制可以有效地改善燃烧和排放条件。燃烧边界条件主要包括供气条件、燃料供给条件和结构参数等。其中供气条件包括进气压力、进气温度和EGR率等；燃料供给条件包括燃料的理化特性、供给压力、启喷压力、供给时刻和供给规律(含多次喷射及其策略)等;结构参数包括进气道、燃烧室和进排气门状态等。［4-5］

本次研究通过研究点火提前角和过量空气系数对发动机燃烧及排放的影响规律，通过氧化型催化转化器（DOC）来降低CO和HC排放，通过点火提前角和过量空气系数降低NOX。为实现CNG发动机清洁和高效燃烧提供试验数据。

1 试验装置及测试设备

本次项目试验采用中国重汽的WT61595天燃气发动机，其主要设计参数见表1。该发动机装备了涡轮增压和宽裕氧传感器反馈的稀燃技术，使用美国ECI公司的天然气电控标定系统。该系统能实时修改过程控制参数，其工作原理如图1所示。工作过程中，气瓶中高压天然气经过减压器减压后到电控调压器，ECM接受标定的过量空气系数对比氧传感器反馈计算值调整电控调压器出口压力。废气旁通控制阀接受ECM控制以调整旁通阀大小，增减进气量。环境传感器和水温传感器反馈大气温湿度和冷却水温度，以修正过量空气系数。进气涡轮增压后使用台架中冷器中冷。然后空气在混合器与调压器出口天然气混合进入进气歧管。ECM接受转速和节气门开度（负荷）等信号，根据该工况下空燃比MAP、点火MAP和进气压力MAP来控制天然气流量、点火时刻和空气量。［6-7］试验中在3缸安装了缸压传感器，台架仪器主要参数如表2所示。

表1 天然气发动机主要设计参数

图1 电控标定系统工作原理

表2 台架主要设备

2 试验方法

天然气发动机排放测试包含HC化合物、CO和NOX。而试验方案使用的是“稀燃+二元催化转化器”，其中通过催化器能够转化的有CO和HC。NOX采用机内净化。NOX的生成机理是高温富氧。因此，发动机燃烧过程中对NOX产生影响最大的就是过量空气系数和点火提前角。过量空气系数越大，混合器越“浓”，燃烧越剧烈，温度越高，越容易产生NOX。而天然气燃烧速度较慢，如果把点火提前角调小，可以增加后燃趋势，从而降低最高燃烧温度，减少NOX产生。试验优化过程以稳态标定过程为标准。［3］对每一个工况点以NOX国Ⅴ排放值为上限，失火极限为下限进行逐步优化。通过调整过量空气系数和点火提前角并记录下功率、缸压、气耗、涡前温度和排放。以刚刚达到排放要求（一般定10%的余量）的前提下，选取最佳的动力性（低速扭矩大、扭矩响应快）、经济性（气耗低）和可靠性（排温低）。

其中排放量的计算采用的是GB17691-2005中的计算公式。根据该国标，天然气发动机排放需要经过ETC循环测试。测试一共有1800 s的变工况分别模拟“城市街道”；“高速公路”和“乡间道路”。因此ETC测试需要在专门的ETC台架上进行。

测量在稳态工况下，使用ESC测试中的NOX计算公式。NOX的排放量与大气状态有关，根据国标应采用式（1）～（2）中的因子对NOX的浓度进行大气温度和湿度的校正。式（1）为NOX浓度计算公式。最终NOX的稳态计算结果如式（2）所示。

而在ETC循环中，整个循环内的稀释排气总流量（kg∕循环），应根据整个循环内的测量值和相应流量测量装置的标定值来进行计算。若稀释排气的温度在整个循环内用热交换器保持恒定（CFV-CVS），计算NOX的浓度修正公式如式（3）所示，NOX的瞬态计算结果如式（4）所示。

式中：

NONOXCONC为尾气分析仪NOX排放浓度，ppm；Ha为进气绝对湿度，g（水）∕kg（干空气）；Ta为进气绝对温度，K；Ra为进气相对湿度，%；Pa为发动机进气空气饱和蒸汽压，kPa；Pd为稀释空气的饱和蒸汽压，kPa；PB为当地标准大气压，kPa；t为循环时间，s；Kv为CFV标定函数；PA为文丘里管进口处的绝对压力，kPa；T为文丘里管进口处的绝对温度，K。

3 试验结果与分析

3.1 点火提前角及过量空气系数对NOX的影响

根据现阶段天然气发动机国Ⅴ排放法规，对测试结果进行稳态测试。

图2 1400r·min-1下过量空气系数和点火提前角NOX线簇图

在1400r·min-1中，以失火为下限，NOX排放为上限的工况中，随着过量空气系数的增大，混合气变得更稀，最高爆发压力降低，燃烧温度降低而导致各工况的扭矩均降低和NOX排放也随之降低，如图2 a所示。以75%负荷为例，点火提前角不变，过量空气系数从1.375时的扭矩1010 N·m和NOX4.3 g·（kW·h）-1降到了1.59时的700 N·m和NOX0.4 g·（kW·h）-1，同时非常接近失火界限。从图2 a中的箭头方向还可以看出在负荷较低的区域内通过增大过量空气系数降低NOX排放的趋势更加明显。

而随着点火提前角的增大，后燃加重，最高爆发压力有所降低，NOX排放也随之降低如图2 b所示。同样以75%负荷为例，过量空气系数不变，点火提前角从14°CA时的扭矩950 N·m和NOX2.7 g·（kW·h）-1降到了6°CA时的850N·m和1g·（kW·h）-1。在中高负荷区域内存在一个区域，通过减小点火提前角使NOX快速降低。

在2000r·min-1时，通过调整过量空气系数降低NOX的趋势明显，同时损失的功率也较大。在中低负荷存在着一个快速减少NOX的区域，与1400r·min-1情况相同，见图3a。在中低负荷减小点火提前角，NOX降低，见图3b。但与1400r·min-1的工况相比，中高负荷区域的NOX降低并不明显，而在低负荷区域的NOX梯度相比更加平缓。

因此在不同转速下，即使点火提前角造成缸内压力温度更加高，依然可以通过过量空气系数的调整有效的降低NOX排放。同时也可以看出，过量空气系数的变化也对扭矩的变化产生了更大的影响。而随着转速和负荷的增加，这样的趋势将更加明显。但是对比图2b和图3b的箭头和梯度，在低转速低负荷时，通过调整点火提前角降低NOX比高转速低负荷更加明显。

3.2 缸压曲线分析

从缸压曲线图4和表3可以看出：在1400r·min-1，100%负荷时，随着点火提前角的减小，虽然缸内最高燃烧压力增加有助于提高输出扭矩，但发动机压缩负功也在增加，再加上传热损失增加，使得发动机输出扭矩变化不大。而随着提前角的改变，最高压力循环波动率由7.8%升至9.7%，波峰前段的分化，后燃趋势越发明显。此时已经靠近该工况的失火界限了。继续减小点火提前角将是最高压力循环波动率快速增加。一般认为循环波动率不宜超过10%。因此，对点火提前角控制NOX时的优化应该以此为限值。

图4 1400 r·min-1负荷100%变点火提前角缸压

表3 点火提前角参数对比表

3.3 优化后的全工况排放测试结果

通过上述的点火提前角和过量空气系数与NOX之间的关系，优化后的NOX排放万有特性见图5。低转速大负荷部分的NOX排放较差，造成这样的原因主要是中低负荷时涡轮增压压力不够。除了低转速排放不佳之外，其他工况点的排放均在2.0 g·（kW·h）-1之下。最终ETC测试结果如表4所示。在中国重汽ETC台架上测试结果，由于在ETC测试过程中，存在城郊路况的突变区域，NOX加权结果为1.855g·（kW·h）-1。与稳态全工况测试结果相比非常接近，而其他组分包括CO和CH4均符合国Ⅴ排放标准。在ETC试验中，可以选择测量总碳氢化合物质量或者测量非甲烷碳氢化合物的质量。因此选择非甲烷碳氢化合物限值，满足国Ⅴ中NOX排放标准。

图5 稳态NOX排放测试图

表4 ETC试验限值与结果对比 g·（kW·h）-1

4 结论

其他外界条件和控制参数不变，NOX排放为法规上限的工况下，这个区间距爆燃区间还有较大余量，因此整个优化过程中并不担心爆燃的产生。

作为降低NOX排放的方案，在点火提前角合适的范围内，通过过量空气系数的调整降低NOX更明显，同时扭矩损失也较大。

通过减小点火提前角，最高压力循环波动率增加，并在靠近失火界限的区域快速增加。因此出于燃烧稳定性的考虑，在满足排放的前提下，有必要保证点火提前角的余量。

通过稳态的优化参数，即使小部分工况超出了国Ⅴ的NOX限值，依然可通过ETC瞬态测试的NOX国Ⅴ排放；CO和HC排放经过匹配合适的氧化型催化转化器，降低排放，最终满足国V排放标准。

［1］何畏，常海军，郭源君，唐海平.过量空气系数对CNG发动机燃烧过程及排放的影响［J］.内燃机，2006（6）: 31-33.

［2］何义团，安娜，邓姣，Nashay Naeve，马凡华.点火提前角对CNG发动机燃氢怠速性能的影响［J］.重庆交通大学学报，2011，30（2）：311-314．

［3］Piotr Bielaczyc,Joseph Woodburn,Andrzej Szczotka.An assessment of regulated emissions and CO2emissions from a European light-duty CNG-fueled vehicle in the context of Euro 6 emissions regulations［J］.Applied En⁃ergy,2014,117:134-141．

［4］葛思非，王忠恕，刘忠长，窦慧莉.点火正时对电控稀燃天然气发动机性能的影响［J］.车用发动机，2008, 179（6）：3-7．

［5］韩雪娇，姚宝峰，张红光，李国岫.不同点火时刻取值方式对CNG发动机燃烧循环变动的影响［J］.内燃机学报，2012,30（5）：446-450．

［6］郑尊清，尧命发，林志强，盛利，刘志治，朱坚.满足国-IV排放的电控稀燃天然气发动机燃烧系统开发［J］.内燃机工程，2009，30（5）：7-11.

［7］Maryam Hajbabaei,Georgios Karavalakis,Kent C.John⁃son,Linda Lee,Thomas D.Durbin.Impact of natural gas fuel compositon on criteria,toxic,and particle emissions from transit buses equipped with lean burn and stoichio⁃metric engines［J］.Energy,2013，62：425-434.

Impact of Excess Air Ratio and Ignition Timing on CNG Engine Emissions

Zhai Kang1,Shi Chonghuai1,2,Han Zhiqiang1，Wu Tao1, Wang Gang2,Luo Xiuchao1，Fan Likang1
（1.Engine Laboratory,Xihua University,Chengdu 610039,China;2.Engine Test Center,Chengdu AMICO Gas Technology Co.Ltd.,Chengdu 611730,China）

The impacts of excess air ratio and ignition timing on combustion and emissions of lean burn electronically controlled regulator natural gas engine were experimentally studied.The full steady-state conditions of emissions and power were optimized in the experimental process.The results show that un⁃der the other influence parameters being equal,with decrease of the ignition advance angle and in⁃crease of the excess air ratio,the torque and NOXemissions were reduced.After matching the oxidation catalyst,the appropriate ignition timing and excess air ratio can meet ChinaⅤemission standard in dif⁃ferent working conditions.

ignition advance angle;excess air ratio;ChinaⅤemission standard;NOXemission;natu⁃ral gas engine;lean burn;electronically controlled regulator

TK437

A

1008-5483（2014）04-0013-05

2014-10-30

翟康（1988-），男，广东珠海人，硕士，主要从事天然气发动机电控系统优化方面的研究。

10.3969∕j.issn.1008-5483.2014.04.004