缸内直喷天然气发动机的开发.pdf

设计 计算 研究 缸内直喷天然气发动机的开发 邹博文 李静波 李开国 葛晓成 中国汽车工程研究院一 国家燃气汽车工程技术研究中心 ★ 【 摘要】 以一台四缸进气道多点顺序喷射式汽油机为原型， 开发了缸内直喷天然气发动机， 并进行了不同燃烧室 设计方案 的仿真对 比、 电控 系统和燃料供 给系统的设计 开发。对缸 内直喷天然气发动机 、 原汽油机和天然气进气道 喷射发动机进行 了台架试验对 比。结果表明 ． 缸内直喷天然气发动机在 中低转速 时与原汽 油机 动力 性相 同 ， 总功率 和最大扭矩仅分别下降 了 3 ． 8 ％和 2 ． 3 ％； 缸 内直喷天然气发动机较 天然 气进 气道喷射发动机总功率和最大扭矩分别 提高 了 7 ． 7 ％和 5 ． 2 ％。 主题词 天然气发动机缸内直接喷射开发 中图分类号 U 4 6 4 ． 1 7 4 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 1 0 5 0 0 0 1 0 4 D e v e l o p me n t o f Di r e c t I n j e c t i o n N a t u r a l Ga s E n g i n e Z o u B o we n ，L i J i n g b o，L i Ka i g u o ，Ge Xi a o c h e n g C h i n a Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e - Na t i o n a l NGV E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e r 【 A b s t r a c t ] B a s e d o n a 4 - c y l i n d e r mu l t i p l e - p o i n t s e q u e n t i a l p o r t - i n j e c t i o n P F I g a s o l i n e e n g i n e ， a n a t u r a l g a s d i r e c t - i n j e c t i o n N G - D I e n g i n e w a s d e v e l o p e d ． T h e c o m p a r i s o n o f d i f f e r e n t d e s i g n s f o r c o m b u s t i o n c h a m b e r w a s s t u d i e d b y s i mu l a t i o n ，t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m a n d f u e l s u p p l y s y s t e m w e r e a l s o d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d ．B e n c h t e s t wa s c a r r i e d o u t t o c o m p a r e p e rf o r m a n c e o f N G - D I e n g i n e ， b a s e g a s o l i n e e n g i n e a n d n a t u r a l g a s p o r t - i n j e c t i o n e n g i n e ． T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e p o we r a n d t o r q u e o f NG- DI e n g i n e i s v e r y c l o s e t o g a s o l i n e P F I a t l o w me d i u m e n g i n e s p e e d ． a n d t h e ma x i mu m p o we r a n d t o r q u e we r e r e d u c e d o n l y b y 3 ． 8 ％ a n d 2 - 3 ％ r e s p e c t i v e l y ． C o mp a r e d wi t h n a t u r M g a s P F I e n g i n e ． t h e ma x i mu m p o we r a n d t o r q u e o f NG- D I e n g i n e we r e i n c r e a s e d b y 7 ． 7 ％ a n d 5 ． 2 ％ r e s p e c t i v e l y ． Ke y wo r d s N a t u r a l g a s e n g i n e ， D i r e c t i n j e c t i o n， D e v e l o p me n t 1 前言 2 技术路线选取 与传统缸外预混合方式相 比． 燃气缸内直喷优 势在于 能显著减小或消除气体燃料所导致 的充量 效率损失 ； 避免扫气时的燃料损失 ； 有利 于抑 制爆 震 ， 可采用较高压缩 比； 能通过燃料喷射正时、 空燃 比和点火提前角等参数的协同优化匹配 ， 强化燃烧 过程控制 。 天然气缸 内直 喷技术是 目前的研究前沿和热 点 ， 但真正产品化开发也仅加拿大 We s t p o r t 公 司根 据 B r i t i s h C o l u mb i a大学的柴油微引燃天然气高压 缸内直喷 H P D I Ⅲ 技术开发出样机并示范应用 。国 内虽有研究l2 卅。 但均限于在单缸机上 的燃烧理论和 试验分析 ， 并未进行完整 的产品化设计开发。本文 在一 台四缸进气道多点顺序喷射式汽油机上 ， 采用 低压喷射 、 火花点火和均质当量 比燃烧的方案成功 开发了国内首款天然气缸 内直喷多缸发动机。 基金项 目 国家“ 8 6 3计划” 项 目 编号 2 0 0 8 A A1 1 A1 3 5 2 0 1 1 年第 5期 We s t p o rt公 司 H P D I 的技术方案为 采用两套 高压共轨系统 ， 在压缩 冲程后期 ， 通过喷人适量柴油 形成火核 ， 引燃随后喷射的高压天然气 喷射压力约 2 4 MP a 。整个燃烧过程类似柴油机扩散燃烧 ， 其优 点为 发动机压缩 比维持原柴油机状态 ， 热效率高 ， 因而燃料经济性好 ， 且动力性与原机相当。 本文没有采用 H P D I 技术 ，原因主要有 三 其 一 ．H P D I 技术需要柴油和天然气 两套 高压 共轨系 统 ， 成本很高 ， 零部件可靠性也要求很高 ， 难 于产业 化推广应用 ； 其二 ， 国内柴油油品不佳 ， 微量柴油喷 射极易造成喷嘴积碳和过热 ，影响可靠性 ；其三 ， H P D I 技术几乎全部被 We s t p o rt公 司所垄断 ，知识 产权突破困难。因此 ， 本文采用低压喷射、 火花点火 的技术路线 。此外 。 基础样机为 自然吸气式 ， 若采用 稀薄燃烧 ， 整机动力性下降将十分显著 ， 无法实际应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设计 计算 研究 用 ， 因此确定采用均质当量 比燃烧方案。开发的基 础汽油机参数见表 1 所列。 表 1 基础汽油机主要参数 缸 径 行程／ mm mm 8 6 x 8 6 缸数 4 单缸气 门数 4 排 量 ／ 1 ． 2 ． 0 压 缩 比 1 0 1 额定功率／ k W r ／ mi n l 1 2 6 0 0 0 最 大 扭 矩 ／ N m r ／ mi n 1 8 6 4 5 0 0 ～ 5 0 0 0 3 燃烧 系统开发 3 ． 1 燃 烧 室设计 天然气具有 良好 的抗暴性能 ， 因此可将原汽油 机压缩 比适当提高 ，以优化整机动力性和经济性 。 本 文通过 G T P o w e r 软件对原机改为天然气后压缩 比分别为 1 O 、 1 1 、 1 1 ． 5 、 1 2时进行 了性能预测 ，结果 分别如图 1和图 2所示。 暑 Z 7 5 7 0 董 篡 幽 5 5 5 0 3 5 3 0 1 0 0 0 20 0 0 3 0 0 0 40 0 O 5 0 0 0 60 0 0 发动机转 速／ r mi n 图 1 压缩 比对扭矩 的影 响 巾压缩 比为 1 O 压缩 比为 1 1 十压缩 比为 l 1 ．5 口 压缩 比为 1 2 O o 0 2 o 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 60 0 0 发动机转 速／ r mi n 图 2压 缩 比对 最 大 缸 压 的 影 响 由图 1可 以看 出 ． 改为天然气 发动机后 ， 压缩 比每增 大 1 ， 扭 矩约增大 2 ％～ 2 ． 5 ％， 同时考虑压缩 比为 1 2时 ， 最大缸压 7 4 MP a 与汽油时相 同。因 此从动力性 和发动机 可靠性综合考 虑 ，确定压缩 比为 1 2 。 确定提高压缩 比至 1 2后 ， 燃烧室设计可有加高 活塞顶面或削薄缸盖两种方案。由于削薄缸盖会影 一 2 一 响水套壁厚 ， 可能引起发动机热负荷性能下降， 因此 选取加高活塞顶面的方案 。另一方面 ， 由于开发样 机为单缸 4气 门结构 ， 十分紧凑 ， 加高活塞顶面将导 致气 门与活塞干涉 ， 因此通过三维数模分析 ， 在活塞 顶面设计 了气门避让坑， 如图 3所示 。 图 3高 压 缩 比 活塞 设 计 3 ． 2 直喷喷嘴布置方案 缸 内直喷喷嘴有顶置和侧置两种布置型式 ， 不 同的布置方案对燃料和空气的混合气浓度分布有很 大影 响， 进而直接影响燃烧质量。同时 。 布置方案也 需要结合具体发动机机型， 遵循设计变动少 、 生产装 配便利等多种实际工程设计原则。 方 案 1 喷嘴顶置 由于原基础汽 油机火花塞 为气缸 中心竖直布置， 为确保燃烧稳定 ． 点火时混合 气浓度分布要尽量均匀 ， 因而喷嘴布置时需要 和火 花塞保持一定夹角 ， 使燃料和空气充分混合 。通过 原机三维数模分析 ， 若夹角超过 1 5 。 时 ， 喷嘴和火花 塞缸线将发生干涉 ， 需要变更气门室罩设计 ， 变动很 大。同时缸盖上气 门鼻梁区的厚度也将减少到不足 2 mm， 将影 响整机 的热负荷性能。因此该方案确定 喷嘴和火花塞夹角为 1 5 。 。利用 S t a r C D进行 了仿 真分析 ，图 4是活塞运行到上止点前 4 5 。 时的仿真 结果。 结果显示该方案将造成混合气分布极不均匀， 会 导 致燃 烧恶 化 ， 严重 时甚 至失 火 。 图 4喷嘴 顶置时天然气密度分布 方案 2 喷嘴侧置 通过对缸盖 、 进气歧管的数 模分析 和反复设计 ， 最终确定喷嘴与火花塞夹角为 7 1 。 ， 如图 5 所示。 图 6是该侧置方案仿真结果 。 可以 看 出， 喷嘴侧置时混合气混合较为均匀 ， 因此确定实 施 该方 案 汽车技术 2∞ ∞ ∞ 如 加 ● 1 O 0 0 6 7 9 3 4 6 8 O 2 3 5 砉 墨 掰孺 搦 至 耋 密 目薯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设计 计算 研究 图 5喷嘴侧置方案设计 图 6喷 嘴侧 置 时 天然 气 密 度 分 布 4 燃料供 给系统设计 燃料供给系统设计如图 7所示 。 直喷发动机 中， 喷嘴工作允许时间随转速升高和负荷增大而减小 ， 例如转速为 6 0 0 0 r ／ mi n 、 全负荷时 ， 理论允许时间为 1 0 ms ， 实 际设计时需减去点火提前时间 ， 并考虑尽 量避免或减少进 、 排气门打开时喷射燃料 ， 实 际为 7 ～ 8 ms 。 此外 ， 为保证喷射末期喷嘴不会因缸内压力 升高而无法开启或流量太小 ， 因此必须设计较为合 适 的喷射压力。本文通过工程经验估算后确定了喷 射压力为 2 MP a 。 系统中减压器上 已集成 了过滤器 。 以保护喷嘴 。此外 。 所设计的燃气喷嘴气轨还集成 了压力与温度传感器 。 从而使控制系统 可对燃气密 度进行补偿 ， 确保空燃 比控制精确。 燃气 气轨和喷嘴 ， 各 零 部 件 间 采 用 高 压 压力 压缩天 充气 图 7燃气供 给系统示 意 5电控 系统开发 5 ． 1硬 件设 计 E C U主芯 片采用 F r e e s c a l e公 司的 高性 能 1 6 位 MC U产 品 MC 9 S 1 2 D P 5 1 2 。外 围电路设计上 ， 针 对不同的输入信号类型和执行器驱动模式 ． 大量采 用智能功率器件 以减少零件数 目， 并充分考虑了硬 件设计的安全保护和可靠性 。部分硬件设计如 图 8 所示 。 图 8 部分 E C U硬件设计 5 ． 2 控制软件开发 控制 软件采用 了基于模 型的前馈控 制和空燃 比非对称闭环控制策略与算法 图 9 。其 中 ， 前馈 2 0 1 1 年第 5 期 控 制采集 了发 动机 的进 气压力 、 进 气温度 、 转 速 、 油门位置等传感器信号 ，并通过发动机平 均值模 型对进气量进行实 时预估计算 。闭环控 制策略是 一 3 一 獬 蹋 獬至 堇 密 目譬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设计 计算 研究 通 过氧传感器获得过量空气系数值并采用 了 P I 非 对称控制算法。 图 9 软件控制框 图 同时。控制软件还通过采集气轨温度和气轨压 力信号对燃气密度进行了补偿 。此外 ，也对蓄电池 电压和发动机水温等进行 了补偿控制 。 图 1 1 天然气 直喷发动 机与 天然气进气道喷射发动机 性 能 对 比 6 台架试 验 7 结束语 通过台架试验 。进行了天然气缸内直喷发动机 性能测试 ，并与原汽油机和天然气进气道喷射发动 机 进行 了性能 对 比试验 ， 结 果如 图 1 0和图 1 1 所 示 。 从 图中可 以看 出 ， 与原 汽油 机相 比 ， 中低 转速 动力 性 相 同， 总功率下 降 3 ． 8 ％， 最大扭矩下降 2 ． 3 ％； 与天然 气进气 道喷射发动机相 比 ， 总功率 提高 7 ． 7 ％。 最大 扭矩提高 5 ． 2 ％。 图 1 0天 然 气 直 喷 发 动 机 与 原 汽 油 机 性 能 对 比 直 喷机性能提高得益 于高压缩 比燃烧室设计 和大幅减小甚至消除 了气体燃料 的充量效率损失 。 中高转速动力性较原汽油 机略低是 因为喷 嘴流量 的限制导致仍然有小部分 天然气在进气 门打开时 喷射 ， 同时 ， 另一个原 因是原汽油机通过 了加 浓混 合气的方式提高动力性 ， 但天然气加浓却对动力性 没有贡献 ， 反而会导致燃料 消耗 和排放增 加 ， 并 容 易引起失火。 1 ． 开发了国内首款天然气缸内直喷多缸发动机样 机 ， 通过技术分析 ， 确定 了低压 喷射 、 火花点火和均 质当量 比燃烧的技术方案 ； 通过仿真分析 ， 完成了燃 烧系统设计 ， 包括燃烧室设计和直喷喷嘴布置设计 ； 根据直喷发动机工作特性分析 ，设计了 3种天然气 燃料系统方案 ， 通过分析对 比， 选定 了设计方案 ； 开 发了发动机电控系统 ， 完成 了硬件设计和软件开发。 台架试验结果表明 该天然气直喷发动机与原汽油 机相 比， 在中低转速动力性相同 ， 总功率和最大扭矩 仅分别下降了 3 ． 8 ％和 2 ． 3 ％； 与天然气进气道喷射发 动机相 比，总功率和最 大扭矩分别提 高了 7 ． 7 ％和 5 ． 2 ％， 即缸内直喷技术 的优势较为明显 。 参考 文 献 1 S i l v i u D， e t a 1 ． E f f e c t s o f i n j e c t i o n c h a n g e s o n e ffic i e n c y a n d e m i s s i o n s o f a d i e s e l e n g i n e f u e l e d b y d i r e c t i n j e c t i o n o f n a t u r a l g a s ． S A E P a p e r 2 0 0 0 2 0 0 0 0 1 1 8 0 5 ． 2 刘亮欣 ， 黄佐华 ，蒋德明 ， 等 ． 不同喷射时刻下缸 内直 喷 天 然气 发 动机 的燃 烧特 性 ． 内燃机 学 报 ，2 0 0 5 ，2 3 5 46 9- 47 4． 3 孙 嗣炎 ， 张振东 ， 方祖华 ，等． 缸 内直喷式天 然气 发动机 的试验研究 ． 农 业机械学 报 ， 2 0 0 5 ， 3 6 1 0 1 3 ～ 1 5 ． 4 林学东 ， 袁 兆成 ，王霆 ，等． 直喷式 C N G发 动机燃烧 过 程的控制技 术． 车辆与动力技 术 ． 2 0 0 0 4 1 2 1 6 ． 责任编辑学林 修改稿收到 日期为 2 0 1 1 年 4月 1日。 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m