在强制点火天然气发动机中，跳循环方法的完美融合
文/观文史说
编辑/观文史说
在追求更清洁和高效能源的背景下，天然气作为一种环保燃料在内燃机领域逐渐受到重视。
但是在天然气发动机的运行过程中，尤其是在低负荷和低速工况下，可能会出现跳循环现象，这可能导致点火失火、燃烧不稳定等问题，从而影响发动机的性能和可靠性，为了克服这一挑战，研究人员正在积极探索各种强制点火方法。
跳循环是天然气发动机所面临的一个关键问题，尤其在部分负荷运行时更为突出，强制点火技术被广泛研究，旨在稳定燃烧过程并预防跳循环的发生。
通过调整点火时机、点火能量以及点火策略等参数，可以努力降低跳循环的风险，从而提高发动机的整体性能。
这些探索为天然气发动机的稳定运行和性能提升提供了重要方向，通过采用强制点火技术，研究人员有望有效地克服低负荷工况下的跳循环问题，改善燃烧过程的稳定性，并提高发动机的可靠性和燃烧效率。
01
材料与方法
在所进行的研究中，通过设计和研发工作，将一台气缸、机械燃油系统和一台压燃式发动机改造为电控正点火式发动机，并使用天然气发动机进行测试，试验发动机的性能。
虽然研究时发动机的压缩比为14.6，但通过调节气门提前量降低了实际压缩比，因此在实验过程中没有观察到爆震、回火或提前点火等发动机燃烧问题，测试系统示意图涡流式测功机和控制器已用于加载发动机。
测功机可以对发动机进行负载控制、扭矩控制、速度控制、负载控制，发动机的功率、扭矩、循环、冷却液温度、排气温度、机油压力等数据均由国家仪器数据采集系统和LabVIEW程序记录并进行了评估。
油耗测量采用新型Flow质量流量计，压力传感器和电荷放大器已用于缸内压力测量， 通道示波器用于测量上止点信号、压力信号和点火提前，气体分析仪已用于测量废气分析。
由于发动机是根据前面提到的发电机应用生产的，因此已根据标准进行了测试，发动机转速选择为 1500 rpm/分钟，首先确定100%工况下的扭矩，并根据该工况调整部分负荷工况，据观察，发动机在1560转/分钟时可保证70牛米的扭矩，根据 50% 部分负载的 35 Nm 扭矩和 1560 rpm/分钟进行安排。
当前的软件、电子控制单元和发动机的当前设计已经改变，因此当前的系统已准备好进行实验分析，然后在测试开始之前进行预实验并评估结果。
正如刚才提到的，电控发动机的正常循环已应用于3个正常1跳跃（3N1S）、2个正常1跳跃（2N1S）和1个正常1跳跃（1N1S）条件。
发动机转速和扭矩随着循环跳变而降低，因此燃油量发生了改变，循环和扭矩一直保持稳定，油门位置由 ECU 使用 PID 控制控制，并且发动机转速在实验过程中保持恒定。
在进行的研究中，根据最大制动扭矩原理选择最合适的点火提前值，并且这些提前值在研究期间保持恒定。
在正常、3N1S、2N1S 和 1N1S 操作条件下，点火提前角分别保持恒定为 19°CA、18°CA、17°CA 和 15°CA。
测试条件总结见和 1 个正常 1 跳跃 (1N1S) 条件，发动机转速和扭矩随着循环跳变而降低，因此燃油量发生了改变，循环和扭矩一直保持稳定。
油门位置由 ECU 使用 PID 控制控制，并且发动机转速在实验过程中保持恒定，在进行的研究中，根据最大制动扭矩原理选择最合适的点火提前值，并且这些提前值在研究期间保持恒定。
02
废气温度
各种周期性的跳跃模式已经得到了广泛尝试，并且每种模式都经过了详细的映射研究，在这些研究中，针对每种模式，特别是针对50%部分负荷条件下的1N2S（1个正常循环2个跳跃循环）模式，进行了评估。
然而，这项研究表明，1N2S模式无法实现在不同燃油量下进行独立负载调整的目标，因此已被排除在评估之外。
在进行1N1S（1个正常循环1个跳跃循环）工况下，发动机的负载功率为4.9kW，鉴于发动机功率下降是不可避免的，因此在所有排放和燃料消耗数据中，都采用了特定排放量和特定燃料消耗量。
废气温度的测量是通过PT100传感器实现的，这个传感器可以获得废气的平均温度，当50%部分负荷下的跳跃周期数量增加时，废气温度明显下降。
这种现象的原因在于，尽管每个正常循环中的排气温度升高，但排气冲程之间的时间间隔足够长，以降低总体排气温度，这说明了在周期性跳跃模式下，排气冲程之间的时间间隔对于调整废气温度具有重要作用。
03
燃料消耗率
通过调整喷油器的喷射量，研究人员进行了映射研究，旨在在相同的转速下根据跳跃周期模式获得相同的扭矩输出，为了实现这一目标，他们对不同的跳周期模式进行了详细的调整和比较。
在保持转速和功率不变的情况下，燃油喷射时间在不同跳周期模式下发生变化，具体来说，在正常模式下，燃油喷射时间为4.3毫秒，而在3N1S模式下为6毫秒，在2N1S模式下为7毫秒，在1N1S模式下为16毫秒，为了在1N1S模式下获得相同的功率输出，随着跳周期频率的增加，每个周期的喷油量逐渐增加，从而使燃油量增加到正常模式下的两倍。
3N1S和2N1S模式下燃油消耗量减少的原因在于，循环跳跃和正常循环之间的缸内残余气体量减少以及容积效率的提高，1N1S模式下的容积效率提高并未导致与燃油大幅增加的相应变化，导致单位燃料消耗的增加。
排放和压力数据也验证了这些结果，尤其是在50%部分负荷工况下，不同跳周期模式下的油耗变化数据，具体而言，相比正常循环模式，3N1S模式下的油耗减少了7.86%，2N1S模式下的油耗增加了11.19%，而1N1S模式下的油耗减少了9.17%，此外，将2N1S模式与1N1S模式相比，油耗增加了2.27%。
在50%部分负荷工况下，特定的CO排放量受周期跳跃模式的影响，具体来说，随着单位燃料消耗量的增加，CO排放量呈平行下降趋势，但在1N1S模式下略有增加。
3N1S模式下，CO排放量相较于正常循环模式减少了57.3%，而2N1S模式下降幅为61.89%，1N1S模式下，CO排放量比正常循环模式降低了55.48%，然而，2N1S模式下的CO排放量相对于1N1S模式则增加了16.8%，在点火不足的情况下，一氧化碳的生成减少，这在研究中得到了证实。
这些变化的原因可以通过如下解释：随着循环跳跃，气缸内残留的残余气体减少，新鲜空气燃料混合物在燃烧循环中更充分地燃烧，从而提高了气缸压力，改善了燃烧温度的形成。
至于1N1S模式中CO排放量的部分增加，这可以解释为尽管缸内压力因燃料量的增加而升高，但相对浓度较高的混合物未能完全燃烧。
这些CO排放量的变化与周期跳跃模式之间的密切联系突显了模式对发动机性能和排放特性的影响，这种分析为深入理解不同模式下燃烧过程提供了重要线索，有助于未来优化发动机设计和燃烧控制策略。
04
碳氢化合物排放量
在50%部分负荷工况下，随着跳跃周期频率的增加，碳氢化合物排放率逐渐增加，一直持续到2N1S模式，并在1N1S模式下显著增加。
从正常循环模式中的1.25g/kWh的排放率减少了60.8%，降至3N1S模式中的0.49g/kWh，与正常循环相比，2N1S模式下的排放率降低了60.8%，至0.43g/kWh，这些结果与碳氢化合物排放的主要形成机制——淬火机制——密切相关。
由于火焰的表面积相对较大，尝试穿透缝隙的火焰会熄灭，从而带走更多的热量，相比于在火焰的厚度内燃烧时释放的热量。
在膨胀冲程结束时，未燃烧的燃料通过缝隙流向气缸，大部分燃料在气缸内被氧化，但剩余部分会保留为残留碳氢化合物在气缸内，另一部分则进入排气系统。
怠速循环后，循环峰值压力的增加以及与之平行的氮氧化物排放增加，进一步证实了这一情况，与正常循环相比，1N1S模式下的碳氢化合物排放量增加了122.4%，达到2.78g/kWh。
这里燃料的过量供给导致火焰的熄灭增加，进而导致了碳氢化合物排放的增加。
跳跃周期频率的增加，与NOx排放相关的研究显示，在50%部分负荷下的排放在1N1S模式下显著增加和减少，而正常循环时的排放值为0.19g/kWh。
具体来说，在3N1S模式下，NOx排放增加了117倍，达到22.29g/kWh，与正常循环模式相比，2N1S模式下的排放值增加了243倍，达到46.18g/kWh。
这些发现需要考虑强制点火式发动机中NOx形成的机理，循环跳跃的增加残余气体的减少和温度的上升会影响NOx排放。
实际测试表明，在1N1S模式下，与2N1S模式相比，NOx排放量降低了40.73%，降至27.37g/kWh，这种现象可以归因于循环跳跃工况下，没有燃烧的循环中排气温度的降低，通常导致排气温度的下降。
然而，需要注意的是，由于为了在燃烧循环中获得相同的功率而向气缸注入更多燃油，缸内压力升高，进而导致缸内温度的升高，基于这些结果，可以得出结论，循环跳跃导致氮氧化物排放量显著增加。
05
压力和放热率
比较了普通模式、3N1S模式、2N1S模式和1N1S模式下的缸内压力形成情况，在这些模式下，缸内压力的平均变化被详细对比，揭示出循环跳跃对于缸内压力的影响。
在正常循环模式下，缸内压力的平均值为28 bar，然而，在1N1S模式下，这个值增加到了75 bar，同时最大放热率也随着循环跳跃的增加而上升。
分析所获得的缸内压力数据揭示，在1N1S工况（即1个正常循环1个跳跃循环）下，进气和压缩冲程期间观察到了一些压力增加。
这种现象的根本原因在于1N1S工况下发动机的工作特性发生了显著变化，同时缸内压力传感器安装在气缸盖上，垂直于缸体。
由于1N1S工况下发动机的运行特点的变化和传感器位置的设置，相对于燃烧和最大压力值，低压工况下的压力波动会出现周期性的不同，在1N1S工况下，进气和压缩冲程的压力数据相较于其他工况会更高。
燃烧特性进行检验，正如预期的结果，随着循环跳跃率的增加，每个循环中发送到燃烧室的燃料量增加，从SFC（比油耗）值可以看出，热效率在2N1S发动机工况下达到最高值。
尽管1N1S发动机工况下的热效率高于N（正常）发动机工况下的热效率，但已确定与2N1S值相比，其有所下降。
得出的结论是，最大放热率和最大气缸压力值随着循环跳跃率的增加而增加，CA10值随着周期跳跃量的增加而增加。
循环跳跃量的增加，由于燃烧效率和热效率的增加，CA90值降低，这是因为在循环跳跃期间，通过在每个单位循环输送更多燃料并去除残余气体，缸内压力值增加。
这些综合性的分析结果为深入了解不同工作模式下的燃烧特性提供了重要见解，燃烧效率、热效率以及气缸压力的变化随循环跳跃率的变化而变化，这对于发动机性能的优化和工作机制的探索具有深远的影响。