02.09 壓縮天然氣缸內直噴用於小型化發動機的潛力

作者/P.Hofmann等

譯者/範明強

摘要：天然氣汽車不僅具有生態學方面的優勢，而且更易於滿足未來的燃油耗法規。採用天然氣缸內直接噴射能夠顯著改善低速扭矩下的動力特性曲線，從而能獲得更好的行駛性能，奧地利維也納理工大學汽車驅動和汽車技術研究所與Delphi公司在1臺3缸發動機上證實了這一點，從而成功地大幅度提高了壓縮天然氣(CNG)汽車的駕駛樂趣。

關鍵詞：壓縮天然氣 缸內直噴 高壓縮比 低油耗

1 獲得更好的全負荷性能

儘管天然氣因其燃料成分能降低更多的CO2排放和燃料成本，但是迄今使用天然氣運行的汽車數量並不多。採用天然氣直接噴射對提高天然氣發動機的動態性能有顯著作用。壓縮天然氣(CNG)直接噴入(DI)燃燒室能使充氣狀況比進氣道噴射(PFI)大大改善，並在發動機低速高負荷情況下對掃氣換氣進行調節，同時採取這兩種措施就能達到與汽油缸內直噴一樣的動態性能[1]。此外，CNG抗爆性高，可以持續地實現發動機小型化和低速化設計，從而降低燃油耗。

天然氣缸內直噴的另一個特點是能在膨脹行程完成後進行後噴射。通過天然氣在稀薄廢氣中的氧化燃燒提高廢氣溫度，從而加快催化轉化器的加熱[1]。本文介紹用於超輕型汽車(CULT)的CNG缸內直噴小型化發動機的開發。

2 系統描述

採用1臺排量為0.66 L的量產3缸渦輪增壓汽油機作為動力裝置的基礎，並按照純天然氣運行進行匹配和優化。該機搭載於1輛超輕型汽車，並滿足了其對尺寸、質量和功率方面的要求。

為了採用純天然氣缸內直噴運行並充分利用其特定的燃料性能(如高的抗爆性)，因而提高壓縮比具有十分重要的意義。對壓縮比分別為8.8、12.0和13.6時進行了試驗研究，並更換了加強型活塞和連桿。為了在全負荷時實現掃氣換氣，匹配了進氣凸輪軸相位調節器。為了能滿足天然氣運行時更高的點火能量需求，使用了最大點火能量為65 mJ的點火模塊。

天然氣缸內直接噴射器可直接在汽油缸內直噴時使用。但是，考慮到噴射閥範圍內缺乏冷卻和潤滑，所以天然氣直噴對噴射器的耐久性提出了更高的要求。天然氣直接噴射器採用Delphi公司的電磁噴油器。這種噴油器是根據負荷在0.6～1.6 MPa範圍內調節運行壓力設計的，在1.6 MPa壓力下的最大靜態流量為7 g/s，該值是相互矛盾的因素之間折中的結果，即高壓力有利於達到高功率，而低壓力則有利於降低燃油耗，以及提高噴油器的密封性。而這種3缸發動機的運行壓力範圍設定為0.7～1.6 MPa。

目前，天然氣噴射器硬件與標準的汽油高壓噴油器(圖1)是通用的，是在計算流體力學(CFD)和有限元法(FEM)，以及機電一體化模擬輔助下不斷優化的結果，開發工作包括了對閥組件和密封界面幾何形狀等方面進行的材料和表面特性優化，以及設計改進。

圖1 Delphi公司生產的CNG直接噴射器樣品

這種噴射器的流量(圖2)足以滿足現代高增壓小型化發動機的高要求，通過運行壓力的可變調節，不僅能精確地計量怠速運轉範圍內的噴射量，而且也能滿足全負荷時的天然氣噴射量。

圖2 在整個發動機負荷範圍內的CNG噴射器流量特性曲線

這種CNG直接噴射器經受了1.5倍使用壽命的耐久性試驗考核，而且7 ms噴射持續期的流量和閥密封性都保持在最初值的規定極限之內(圖3)。

圖3 噴射器流量和洩漏量的使用壽命耐久性和穩定性示意圖

CNG直接噴射器側面佈置在氣缸蓋上，火花塞是中央佈置的(圖4)。通過天然氣法蘭供應最大運行壓力為20 MPa的天然氣，並由1個電控壓力調節器根據運行工況點調節共軌壓力。包括控制噴射器和壓力調節器在內的整個發動機控制功能都是由1個可自由編程的開發用電控單元(AFT Protronic)承擔的。

由於能夠以模型為基礎進行軟件和功能開發，因而不僅能在發動機試驗檯架上實現汽油缸內直噴、天然氣進氣管噴射和天然氣缸內直噴，而且能同時完成用於汽車行駛的所有重要的控制和調節功能。為了充分顯示出天然氣缸內直接噴射的優勢，每個氣缸還配備了1個佈置在進氣管內的低壓天然氣噴射器，這樣就能直接將天然氣進氣管噴射和天然氣直接噴入燃燒室進行比較，從而就能證實催化轉化器加熱和掃氣等的效果。表1列出了這種發動機最重要的技術數據。

圖4 包括髮動機電控系統在內的空氣和燃料途經示意圖

表1 發動機主要技術規格

3 優化部分負荷和全負荷的噴射策略

天然氣噴射定時對發動機運行性能具有重大影響。部分負荷時天然氣提早噴射，噴入氣缸的天然氣需要一定的充氣容積，因而會排擠新鮮空氣，從而能達到消除節流和良好的均質化效果。而全負荷時，則不希望出現天然氣的排擠效應，因此應促使天然氣晚噴射。圖5(a)示出了天然氣噴射終點對充氣效率的影響，在進氣門關閉後噴射天然氣能顯著提高充氣效率，圖5中也示出了氣門升程曲線和轉速為2 000 r/min全負荷工況點時的噴射持續期。

需要注意的是，天然氣噴射壓力與氣缸壓力之間必須存在足夠的壓力差，以便能在可供使用的時間內將所需的天然氣質量噴入燃燒室中，而且只有在超臨界狀態下才能獲得與氣缸壓力無關的噴射器流量。在噴射壓力為1.6 MPa時，氣缸壓力最高可達到0.8 MPa，因而噴射終點約為點火上止點後-70°CA(圖5(b))。而對於0.8 MPa噴射壓力而言，在0.4 MPa氣缸壓力時就已達到臨界壓力狀態了，從而儘可能晚的噴射終點就移動到點火上止點後-105°CA。

圖5 2 000 r/min轉速和全負荷時噴射定時的極限和效果

天然氣直接噴入燃燒室提供了實現掃氣換氣的可能性，而不會如進氣管噴射那樣有較高天然氣損失。圖6示出了在轉速2 250 r/min全負荷時，進氣凸輪軸相位調早對平均有效壓力和CH4排放量的影響。

圖6 平均有效壓力和CH4排放量與進氣凸輪軸相位調節角的關係(2 250 r/min，全負荷)

因存在掃氣壓差，隨著氣門重疊度的增大，通過增加發動機的流量，廢氣渦輪增壓器建立起更高的增壓壓力，從而能達到更高的平均壓力。當進氣門關閉得過早時(凸輪軸相位調節角大於40°CA)，活塞行程不再被完全利用，從而使充氣效率和平均壓力降低。在進氣凸輪軸相位調節到最佳的情況下，平均壓力比初始無氣門重疊時提高0.7 MPa。

在天然氣缸內直接噴射的情況下，在整個進氣凸輪軸相位調節範圍內CH4排放量始終保持不變，而在天然氣進氣管噴射情況下，CH4排放量隨著氣門重疊的增大而急劇增加。圖6表明了天然氣缸內直接噴射因避免了排擠新鮮空氣而顯示出相對於進氣管噴射的扭矩優勢。

4 全負荷試驗結果

圖7示出了所列舉方案的試驗結果，比較的基礎是壓縮比為8.8的汽油缸內直接噴射，該發動機搭載於配備日本連續可變傳動變速器(CVT)的Kei-Car微型汽車上，因而設計轉速較高，因此低速扭矩相對較小，在轉速3 000～4 000 r/min之間達到最大平均壓力為2 MPa，而目標車輛則選擇了低轉速方案，最高轉速僅考察到5 000 r/min。

因受到爆燃極限、活塞，以及連桿容許最大峰值壓力8 MPa的限制，因此燃燒不得不相對推遲，這樣廢氣溫度就會大大提高。由於廢氣渦輪是僅按最高溫度900 ℃設計的，出於保護零件的原因，從轉速2 000 r/min開始就必須加濃混合氣,以降低最高燃燒溫度。

圖7 平均有效壓力、過量空氣係數、廢氣溫度和氣缸峰值壓力與轉速的聯繫

在換用CNG運行的情況下，考慮到CNG具有高的抗爆性，不僅壓縮比提高到13.6，而且加強的活塞和連桿容許使用10 MPa的中等峰值壓力。但是，採用進氣管噴射，即從高轉速3 000 r/min時就能達到與使用汽油運行時相同的扭矩特性曲線，因此能達到的平均壓力值較低，其原因在於一方面進氣管噴射時存在排擠新鮮空氣效應，另一方面無掃氣的換氣無法進行調節。

而採用CNG缸內直接噴射時的情況就大大改善了，不僅能獲得與基本型汽油運行方案相似的扭矩特性曲線，而且即使壓縮比非常高，也不會像進氣管噴射那樣因爆燃或燃燒過程無法調節而受到限制，在轉速超過3 000 r/min時也必須推遲點火，以便不超過平均容許的10 MPa峰值壓力限值。

在該範圍內高壓縮比有助於燃燒氣體充分膨脹，以至於即使燃燒延遲也不會超過容許的廢氣溫度。在使用天然氣運行的情況下，為降低最高燃燒溫度而加濃混合氣並不適用。由於取消了混合氣加濃，所以與使用汽油方案相比，不僅節油高達30%，而且與此相關的CO和碳氫排放也大大降低，這對於高負荷運行佔比較大的小型汽車而言非常重要。值得一提的是，其顆粒物排放也處於非臨界水平之上。

如圖7中的特性曲線(壓縮比13.6， CNG-DI-TC優化)表明，通過廢氣渦輪增壓器的匹配能改善低下扭矩特性[6]。使用CNG運行時因較高的壓縮比和較早的燃燒位置，其廢氣溫度降低了100～200 ℃。通過廢氣渦輪增壓器的適當匹配，減小渦輪和壓氣機葉輪，能在額定功率相同的情況下提前500 r/min轉速時就達到最大扭矩。

5 壓縮比的試驗研究

正如試驗結果所表明的那樣，因CNG高的抗爆性，為了提高熱效率可將壓縮比提高到13.6而不會出現爆燃等方面的問題。大幅度提高壓縮比的缺點是在汽油機燃燒過程中，屋頂型燃燒室的屋頂部分要向圓盤形部分方向壓扁，產生較大的面積/容積比(圖8)，導致壁面熱損失和燃油不完全燃燒的份額增加，從而會部分抵消較高壓縮比，提高效率(圖9)。對於這種發動機在壓縮比12.0時，可使效率達到最佳的折中。

圖8 壓縮比提高情況下的燃燒室形狀

圖9 各種不同壓縮比情況下的損失分析

6 催化轉化器的加熱

除了改善低轉速時扭矩特性之外，CNG缸內直接噴射還能採用加速催化轉化器加熱的策略[7]。此時，用進氣行程階段的主噴射來調節形成稀薄混合氣的條件，並推遲點火，以便在較低的氣缸壓力值的情況下達到高的廢氣溫度和滯後的燃燒終點,並在膨脹行程階段燃燒將近結束時進行後噴射，將天然氣噴入燃燒氣體中(圖10)，其中尚有適當的氧含量，附加的後燃燒能使廢氣溫度也就是催化轉化器溫度顯著提高(圖11)，能使有害物的淨化大大提高。

圖10 後噴射加熱催化轉化器時的噴射策略

圖11 單次噴射後噴射時的CH4轉化率和廢氣溫度

7 結論

在1臺用於小型汽車的3缸動力裝置上，通過匹配CNG缸內直接噴射達到了如汽油缸內直接噴射一樣的扭矩特性。進氣管噴射CNG發動機因充氣量較少以及沒有可利用的掃氣，特別是在低轉速範圍內扭矩特性受到限制，而用於掃氣換氣的配氣定時調節卻能避免甲烷損失。

相對於甲烷高的抗爆性，試驗發動機的壓縮比已被提高，而在這方面受限制的並非是非正規的燃燒現象，而是由於面容比增大、較高的壁面熱損失，以及燃料不完全燃燒所引起的損失。並在壓縮比12.0時達到到了最佳的折中。

為了使發動機冷起動後催化轉化器快速加熱，CNG缸內直接噴射容許在膨脹行程期間進行後噴射，通過後反應燃燒能顯著提高廢氣溫度，從而能使催化轉化器提前達到起燃溫度。