替代燃料对发动机动力性及排放的影响*

侯献军 卢俊宇* 邹 斌 刘志恩 程 财

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1) 武汉 430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2) 武汉 430070)

0 引 言

天然气燃料作为一种清洁的汽车替代能源日益受到重视，而且天然气储存量丰富，仅我国预测就多达12万亿m3[1].天然气燃料的主要成分为甲烷，甲烷的辛烷值高，因而具有良好的抗爆性，使发动机可以采用更高的压缩比，从而达到更高的动力性和经济性[2].经过处理的天然气可以降低其中硫等有害物质，从而有效降低燃料燃烧后污染物的排放，有效提高发动机的排放性能.

在天然气作为汽车发动机替代燃料方面，专家学者们做了许多研究.刘欣等[3]对某两款CNG发动机进行了稳态匹配实验，并完成了点火提前角和喷气时间标定，使发动机性能指标均达到使用要求，提出并证实了控制策略和元件选配对类似CNG机型的通用性.并对一款机型建立并校正了数值计算模型，进而对其配气相位提出优化.许自顺[4]利用GT-power软件建立了高精度仿真模型，并根据三效催化器的空燃比特性试验数据构建了针对天然气燃烧污染物的化学机理，使得三效催化器所得数据相符.提出了仿真研究方案，将发动机的排放预测与三效催化器的转化模拟结合起来，形成了完整的天然气发动机低排放研究的数值计算流程.张宁等[5]通过建立三维计算流体动力学(CFD)柴油/天然气双燃料喷射模型，研究不同EGR率对高压直喷(HPDI)发动机燃烧和排放特性的影响.结果表明:高温区主要是由柴油引燃的天然气射流燃烧形成，NO主要在天然气射流燃烧产生的高温区域产生;引燃柴油的燃烧对NO生成的贡献较少.肖合林等[6]根据某款汽油机开发了一款涡轮增压CNG发动机，并且充分利用压缩天然气的燃料特性，从降低爆震感度、适应压缩比、提高燃烧效率等方面使CNG发动机的性能达到目标要求.开发的CNG发动机与汽油机相比，CO2排放减少24.2%，燃料消耗减少46.4%.

文中基于某型号两用燃料发动机，建立发动机系统模型，对比分析了以汽油和CNG为燃料时和以天然气Gr和G25为燃料时发动机的动力性和排放，并针对以CNG为燃料时发动机的动力性能提出优化方案.

1 发动机模型的建立与校准

1.1 发动机模型建立

研究对象为某型号两用燃料发动机，通过台架试验得到分别使用两种燃料时外特性数据，实验仪器见图1.其主要技术参数见表1.

图1 发动机台架试验仪器

表1 发动机技术参数

运用GT-power软件，建立发动机系统一维仿真模型，见图2.对于已有的部分部件的三维数模，在GT中离散成相应的模型部件，尤其是发动机的进排气系统.

图2 发动机系统模型

1.2 发动机模型标定

将GT—维模型外特性各转速下计算结果与台架试验的实测值进行对比，结果见图3.

图3 汽油机功率、转矩校准

由图3可知，在1 200 r/min时两者的误差最大，转矩误差为3.6%，功率误差为3.47%.但均不超过5%，模型精确度较高，可用于后续的仿真优化分析.

2 不同燃料对发动机动力性和排放的影响

2.1 汽油和CNG燃料对发动机性能影响

2.1.1发动机动力性影响

对使用汽油和CNG燃料的发动机分别进行发动机台架试验，得到了发动机的动力性相关数据.实验结果见图4.

图4 使用汽油/CNG时发动机的功率、转矩对比

由图4可知，相较于汽油机，CNG发动机的动力性能仍然存在差距.在功率和转矩上，CNG发动机均低于汽油机实验数据，在5 200 r/min时，转矩的差距值最大，较汽油机降低21.93%，此转速时的功率差距也最大，差距19.37%.

对比两种燃料性质，虽然天然气的燃烧热值较高，但是天然气与空气形成的混合气的热值比汽油与空气形成的混合气热值低，从而造成功率的损失.其次，天然气燃烧的特点是着火温度高，使得天然气发动机总燃烧期延长，气缸内气体压力峰值偏离上止点，从而造成气缸内压力和温度上升缓慢.增加点火提前角，致使发动机动力下降.理论上单位质量天然气燃烧需要比汽油多更多的空气，对于同等排量的发动机，天然气的燃烧质量比汽油低，造成天然气发动机动力性下降[9-10].

2.1.2发动机排放影响

将发动机的一维仿真模型的燃料分别设置成汽油和CNG，得到排放性能相关数据，见图5.

图5 使用汽油/CNG时发动机排放对比

由图5可知，在NOx排放中，使用CNG和汽油为燃料的排放变化趋势一致，CNG的NOx排放在各转速下，均低于汽油的排放，在1 600 r/min时的NOx排放减少最大，为81.66%.在CO排放中，两种燃料使用时的变化趋势也一致，除了在2 000 r/min和2 800 r/min的转速下，其他转速时CNG发动机的CO排放均低于汽油机，在3 200 r/min时减小最大，为26.67%.

分别燃用两种燃料时发动机缸内燃烧温度见图6.

图6 发动机缸内燃烧温度

影响发动机NOx排放的主要因素是氧含量、燃烧温度,以及燃烧产物在高温中的停留时间等.由图6可见，在各个转速下使用汽油时的缸内燃烧温度高于CNG的温度.在氧含量足够大的条件下，反应时间越长，温度越高，则NOx排放量越大.NOx的排放整体随转速上升而升高，因为转速的提高导致燃烧速度和燃烧温度的提高，此时有利于NOx的产生.CNG发动机的NOx排放低于汽油机主要是因为天然气以气态方式进入缸内，占据了较大的工作容积，导致发动机的充气量减少，并且CNG发动机的燃烧温度低于汽油机.CO生成主要是因为局部缺氧导致烃的不完全燃烧，其主要影响因素是混合气浓度.在中、高转速时，CO的排放较高，主要是因为此时的滞燃期长，充量系数较低，故燃烧不充分，加剧CO的产生.天然气与空气同为气相混合较均匀故燃烧更充分，所以比汽油的CO排放较少.此仿真结果与文献[7]中实验结果相符.

2.2 Gr和G25燃料对发动机动力性和排放的影响

根据《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六段)》中规定的基准燃料技术要求中的NG基准燃料的技术参数，要求的基准燃料为Gr和G25.两者的天然气燃料成分有差距，Gr的组分是87%的甲烷和13%的乙烷，G25的组分是84%的甲烷和16%的氮气.基准燃料Gr和G25的发热量是规定的发热量范围的两个极端.

将发动机模型的燃料变更成基准燃料Gr和G25，仿真分析两种不同燃料下的CNG发动机的动力性和排放性.

2.2.1动力性对比

功率和转矩的仿真结果见图7.由图7可知，转矩和功率随转速的变化趋势基本一致，由于燃料的热值差异，G25燃料的发动机性能在各个转速工况下明显均低于Gr.在转矩和功率上，两者都是在3 200 r/min时差距最大，差距值为29.24%.

图7 使用Gr/G25时CNG发动机动力性对比

2.2.2排放对比

NOx和CO的仿真排放数据见图8.

图8 使用Gr/G25时CNG发动机排放对比

在排放方面，由于两种不同燃料的组成成分差异，对排放的影响很大.Gr中的HC含量的明显提高对发动机的排放影响明显，两种污染物的排放上Gr都明显高于G25.在NOx的排放上，G25为燃料的发动机在1 600 r/min时较Gr下降最大，为66.75%.CO的排放上，G25为燃料的发动机在3 200 r/min时较Gr下降最大，为99.61%.

3 以CNG为燃料时发动机动力性优化

3.1 点火提前角对动力性的影响

设置不同点火提前角，3～36 (°)CA范围内，设置间隔为3 (°)CA，分析其对发动机动力性的影响，仿真结果见图9.

图9 不同点火提前角下CNG发动机仿真结果

选取3 200，2 400和1 600 r/min高、中、低三个转速.仿真结果显示，最佳点火提前角随转速的增加而增大.在外特性曲线上1 600 r/min时18～20 (°)CA达到转折点，2 400 r/min时24～26 (°)CA达到转折点，3 200 r/min时26～28 (°)CA达到转折点，转矩和功率达到最大值.

当节气门开度不变，随着发动机转速升高，单位时间内曲轴转过的角度增大，所以最佳点火提前角随发动机转速升高而增大，模拟情况与实际相符.

3.2 进气提前角对动力性的影响

在GT-power软件模型中对于定义进气门的开启角度是利用 “ValveCamConn”模块中的“Cam Timing Angle”参数，此参数确定气门最大升程时对应的凸轮转角，这一参数与凸轮升程曲线、气门间隙共同决定了进气门的开启角度[8-9].将进气门对应的这一参数称为进气正时角，通过计算原机配气相位所对应值为470 (°)CA，调整这一参数可改变进气提前角.以1 (°)CA为间隔，在458～477 (°)CA范围内设置不同进气正时角分析其对发动机动力性的影响，仿真结果见图10.

图10 不同进气提前角下CNG发动机仿真结果

同样选取3 200，2 400和1 600 r/min高、中、低三个转速.仿真结果显示，从设置的458～477 (°)CA范围，进气门开启时刻推迟，进气提前角减小，功率和转矩呈先增大后减小趋势，每个转速下在凸轮型线不变的情况下对于动力性存在一个最佳进气提前角，随着转速的增加，此进气提前角越大，即进气门开启时刻越提前.在1 600,2 400,3 200 r/min时进气门开启最佳时刻即进气正时角分别为475,465,461 (°)CA，分别为在原进气门开启时刻的基础上推迟5 (°)CA、提前5 (°)CA、提前9 (°)CA.

3.3 动力性优化

以发动机转矩为优化目标，利用GT-power软件自带的DoE模块在1 600～4 000 r/min转速范围进行优化计算，得到的点火提前角和进气提前角对转矩的影响云图见图11.

图11 点火提前角和进气提前角对转矩的影响

由图11可知，随着转速从低到高，最大转矩时的进气正时角越小，进气门开启时刻越提前，进气提前角越大.相较于进气提前角，点火提前角的影响更大.各个转速下优化方案见表2.

表2 发动机优化方案

优化前后发动机的转矩对比见图12.

图12 优化前后转矩对比

由图12可知，各转速优化后转矩均有明显提升，在3 200和4 000 r/min转速下转矩提高了4.8%.由仿真优化结果得出：对CNG发动机的点火提前角优化标定和采用可变气门正时方案，可以有效提高发动机动力性能.

4 结 论

1) 和汽油燃料相比，以CNG为燃料时发动机的动力性较差，转矩和功率的最大差值分别达21.9%和19.8%，但排放较好，仿真结果表明NOx的排放最高降低81.66%，CO的排放最高降低26.67%.

2) 天然气成分对发动机的动力性和排放影响明显，Gr相比G25，转矩和功率的提高最大都达29.11%，而在排放方面，G25相比Gr在NOx排放上最大降低66.75%，CO的排放最大降低99.61%.更高的热值即HC含量可以提高发动机动力性，却加剧了污染物的排放.

3) 功率和转矩的最佳点火提前角随转速的增加而提高，最佳进气提前角随转速的升高而增大.以点火提前角和进气提前角提出的动力性优化方案效果明显，在3 200和4 000 r/min转速下转矩提高4.8%.