采用進(jìn)氣門二次開(kāi)啟控制策略實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR的研究*

孫賓賓，常思勤，劉 梁

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

前言

廢氣再循環(huán)(EGR) 已被證實(shí)是降低汽油機(jī)NOx排放的有效措施之一[1]。內(nèi)部EGR由于需要可變配氣機(jī)構(gòu)以及存在廢氣冷卻困難等問(wèn)題，目前應(yīng)用還較少。文獻(xiàn)[2]中研究了利用可變排氣正時(shí)(開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻) 實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)內(nèi)部EGR的技術(shù)方案，并通過(guò)多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法對(duì)排氣正時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化，取得NOx排放和有效燃油消耗率(BSFC)平均 分別降低71%和6%的結(jié)果。文獻(xiàn)[3]中在乘用車柴油機(jī)上研究了各種以降低NOx排放和BSFC為目的的內(nèi)部EGR方案，主要由于高溫廢氣難以冷卻的原因，內(nèi)部EGR未能取得滿意的效果。文獻(xiàn)[4]中通過(guò)“負(fù)氣門重疊角”(排氣門提前關(guān)閉，進(jìn)氣門延遲開(kāi)啟)技術(shù)，采用“廢氣滯留(exhaust gas trap, EGT)”方案來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR。在一臺(tái)直噴汽油機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用EGT方案時(shí)，由于缸內(nèi)壓力提高(主要在排氣行程后期和進(jìn)氣行程前期)、壓差減小和油門開(kāi)度加大，降低了部分負(fù)荷工況下的泵氣損失，使燃油經(jīng)濟(jì)性提高5%～16%，排放降低。尤其是由于最高燃燒溫度的降低，NOx排放下降了70%以上；但隨著EGT程度的提高，循環(huán)波動(dòng)加大，燃燒過(guò)程延長(zhǎng)，不過(guò)這可通過(guò)增加點(diǎn)火提前角等措施來(lái)改善。

另一方面，全柔性的可變配氣機(jī)構(gòu)是近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的前沿之一[5-7]，應(yīng)用全柔性的可變配氣機(jī)構(gòu)取代常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)每一氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行獨(dú)立、連續(xù)可變、實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)。充分利用全柔性的可變配氣機(jī)構(gòu)所提供的設(shè)計(jì)與控制的自由度和優(yōu)化空間，可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能與環(huán)保性能。

1 技術(shù)方案

自行研制的EMVT[8-9]是一種全柔性的可變配氣機(jī)構(gòu)(圖1)，已研制了多輪樣機(jī)并進(jìn)行了性能測(cè)試，具備了在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的基本條件。

本文中提出了一種應(yīng)用EMVT在排氣過(guò)程中通過(guò)單進(jìn)氣門二次開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部EGR的技術(shù)方案，并針對(duì)這一方案對(duì)進(jìn)氣門正時(shí)和升程進(jìn)行了試驗(yàn)調(diào)試(排氣門曲線采用原機(jī)數(shù)據(jù))。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于該EMVT的進(jìn)氣門可以滿足這一技術(shù)方案的調(diào)節(jié)需求，如圖2所示。

2 汽油機(jī)基本參數(shù)與仿真模型

所研究的汽油機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽油機(jī)主要參數(shù)

采用發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程一維數(shù)值仿真軟件AVL BOOST建立汽油機(jī)工作過(guò)程的仿真模型，缸內(nèi)傳熱采用Woschnil1978模型，摩擦損失壓力采用Chen-Flynn的關(guān)系式，燃燒模型采用Fractal準(zhǔn)維燃燒模型，并根據(jù)原機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(圖3)，模型的誤差可以控制在5%以內(nèi)。因此，可以利用該模型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部EGR的研究。

在上述模型的基礎(chǔ)上，將節(jié)氣門裝置拿掉，并將進(jìn)氣門的驅(qū)動(dòng)方式改為電磁驅(qū)動(dòng)形式，且保持第二次進(jìn)氣開(kāi)啟角為360°CA不變，排氣門仍采用凸輪驅(qū)動(dòng)，完成基于EMVT的內(nèi)部EGR仿真建模。由于進(jìn)氣門二次開(kāi)啟方案會(huì)使進(jìn)氣道的溫度提高，為保證模型的精度需要考慮進(jìn)氣道傳熱。

與韋伯燃燒模型相比，F(xiàn)ractal準(zhǔn)維燃燒模型可以通過(guò)一些影響燃燒過(guò)程的基本物理量來(lái)預(yù)測(cè)汽油機(jī)的燃燒規(guī)律而不是預(yù)先給定燃燒速率曲線[10-12]。該模型的燃燒速率公式如下：

dmb/dt=ρuATSL

(1)

式中:ρu為未燃混合物密度；AT為湍流火焰面積，它反映了湍流對(duì)燃燒速率的影響程度。有關(guān)湍流的產(chǎn)生和耗散參數(shù)參考文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了修正，該文獻(xiàn)研究了這款發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用EMVT后缸內(nèi)湍動(dòng)能較原機(jī)的變化情況。SL為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋捎谠撝蹬c殘余廢氣量、缸內(nèi)溫度和壓力直接相關(guān)，在進(jìn)行內(nèi)部EGR仿真分析時(shí)需要重點(diǎn)研究該值。

對(duì)于AVL BOOST程序，參考文獻(xiàn)[10]中的公式對(duì)層流火焰速度進(jìn)行了計(jì)算，即

SL=SL0(Tu/Tu.ref)γ(P/Pref)β(1-mfRG)d

(2)

式中：SL0為參考層流火焰速度，其值與燃料性質(zhì)有關(guān)；Tu.ref=298K和Pref=101.3kPa分別為參考溫度和參考?jí)毫?；γ和β分別為溫度和壓力指數(shù)；mfRG為殘余廢氣系數(shù)；d為殘余廢氣對(duì)層流火焰速度的影響參數(shù)(文獻(xiàn)[10]中推薦為2)。

文獻(xiàn)[14]中通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)了各種燃料-空氣混合物在內(nèi)燃機(jī)中的層流火焰速度經(jīng)驗(yàn)公式：

SL=SL0(Tu/Tu.ref)γ(P/Pref)β(1-2.1Ydil)

(3)

式中Ydil為殘余廢氣系數(shù)。

研究結(jié)果表明，當(dāng)EGR率較小時(shí)，式(2) 中d取2計(jì)算得到的層流火焰速度較式(3) 計(jì)算得到的值相差很小;但是當(dāng)EGR率較高時(shí)，若不對(duì)d值進(jìn)行修正，那么其計(jì)算得到的層流火焰速度要明顯高于式(3) 得到的值，而且EGR率越高，差值越大。這說(shuō)明在較高EGR率時(shí)取d為2實(shí)際是低估了廢氣對(duì)層流火焰速度的影響，需要參考式(3) 進(jìn)行修正以得到正確的層流火焰速度與殘余廢氣的關(guān)系。

仿真模型中的NOx計(jì)算模型服從于擴(kuò)展的Zeldovich機(jī)理：

N2+O=NO+N,R1=K1·[N2]e·[O]e

O2+N=NO+O,R2=K2·[N]e·[O2]e

N+OH=NO+H,R3=K3·[N]e·[OH]e

N2O+O=NO+NO,R4=K4·[N2O]e·[O]e

O2+N2=N2O+O,R5=K5·[N2]e·[O2]e

OH+N2=N2O+H,R6=K6·[N2]e·[OH]e

3 內(nèi)部EGR仿真方案的確定和分析

3.1 內(nèi)部EGR仿真方案的確定

在車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作的中低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷的典型工況下，與雙進(jìn)氣門模式相比，單進(jìn)氣門模式在泵氣損失增加不多的情況下可減少氣門驅(qū)動(dòng)功耗，并在一定程度上提高工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，見(jiàn)圖4和圖5。

表2給出了1 600r/min、30%負(fù)荷工況EGR率為20%時(shí)不同的單進(jìn)氣門第一次開(kāi)啟時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失、氣門開(kāi)啟背壓以及缸內(nèi)溫度的變化情況。進(jìn)氣門在190°CA第一次開(kāi)啟時(shí)(排氣門開(kāi)啟角為146°CA)泵氣損失相對(duì)較小，而且開(kāi)啟時(shí)缸內(nèi)的壓力和溫度都最小，這有利于降低EMVT自身的功率損耗，減少自身產(chǎn)生的熱量和高溫廢氣對(duì)其傳熱量，提高EMVT的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。

表2 不同進(jìn)氣門開(kāi)啟時(shí)刻的相關(guān)參數(shù)

綜上所述，選擇190°CA作為單進(jìn)氣門第一次開(kāi)啟時(shí)刻，通過(guò)調(diào)節(jié)第一次和第二次進(jìn)氣門開(kāi)啟持續(xù)期的大小，在保證新鮮充氣量與原機(jī)相同的條件下，得到不同的缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)不同的內(nèi)部EGR率。

3.2 基于仿真的內(nèi)部EGR對(duì)汽油機(jī)NOx生成量的影響

本文中所研究的原機(jī)在低轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷工況時(shí)通過(guò)VCT來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)/排氣門正時(shí)以獲得不同的氣門重疊角，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR以降低NOx的生成量(如圖10所示，1 600r/min、30%負(fù)荷工況時(shí)基于VCT的EGR率為12%)。但應(yīng)用VCT的內(nèi)部EGR方案面臨著在改善NOx排放的同時(shí)，會(huì)發(fā)生經(jīng)濟(jì)性惡化和NOx降低效果變差的矛盾。一是進(jìn)一步增大氣門重疊角會(huì)影響充氣效率；二是提高EGR率需要增大點(diǎn)火提前角，否則會(huì)造成失火現(xiàn)象，但是隨著EGR率的提高，廢氣對(duì)進(jìn)氣加熱作用會(huì)變得更強(qiáng)，此時(shí)若再增加點(diǎn)火提前角可能會(huì)引起爆燃；三是EGR率的提高會(huì)造成壓縮始點(diǎn)和燃燒溫度提高，導(dǎo)致降低NOx的效果變差。而應(yīng)用EMVT的內(nèi)部EGR方案可以有效地解決上述問(wèn)題。首先，對(duì)于所研究的部分負(fù)荷工況可利用進(jìn)氣門早關(guān)(EIVC) 技術(shù)，通過(guò)推遲進(jìn)氣早關(guān)角來(lái)增加充量體積以彌補(bǔ)其密度變小的問(wèn)題。其次，與原機(jī)相比，應(yīng)用EIVC技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)缸內(nèi)殘余廢氣量降低的同時(shí)NOx的生成量卻仍有不同程度下降的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谠摷夹g(shù)方案下，進(jìn)氣門在活塞還未到達(dá)進(jìn)氣下止點(diǎn)之前就已經(jīng)關(guān)閉了，在活塞隨后的下行過(guò)程中缸內(nèi)工質(zhì)對(duì)外膨脹做功，使進(jìn)氣、壓縮以及燃燒初期缸內(nèi)溫度下降(見(jiàn)圖6)，進(jìn)、而降低整個(gè)燃燒過(guò)程的溫度以及NOx的生成量。正是基于EIVC技術(shù)方案的降溫特點(diǎn)，所以能夠解決上述提到的由高溫引起的爆燃以及NOx降低效果變差的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上再通過(guò)進(jìn)氣門二次開(kāi)啟內(nèi)部EGR方案可以使NOx排放進(jìn)一步大幅下降。研究結(jié)果表明，1 600r/min、30%負(fù)荷工況，應(yīng)用EMVT的EGR方案在EGR率為20%時(shí)進(jìn)氣和壓縮沖程缸內(nèi)溫度才與原機(jī)相當(dāng)，而此時(shí)NOx的生成量和BSFC較原機(jī)分別下降了73.8%和13.6%(圖7和圖9)。由此可見(jiàn)，應(yīng)用EMVT 的內(nèi)部EGR方案可以有效解決上述提到的在改善NOx排放的同時(shí)，會(huì)發(fā)生經(jīng)濟(jì)性惡化以及NOx降低效果變差的矛盾。

3.3 基于仿真的內(nèi)部EGR對(duì)汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響

原機(jī)通過(guò)調(diào)整節(jié)氣門開(kāi)度的大小來(lái)控制氣量，進(jìn)而達(dá)到控制負(fù)荷的目的。部分負(fù)荷時(shí)，氣流通過(guò)非全開(kāi)的節(jié)氣門時(shí)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生局部壓力損失，造成較大的泵氣損失，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。在原機(jī)上應(yīng)用EMVT后，可以通過(guò)EIVC技術(shù)方案代替節(jié)氣門實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)。節(jié)氣門的取消會(huì)大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)的泵氣損失，見(jiàn)圖8和圖9，提高指示效率，使經(jīng)濟(jì)性得到大幅改善。

研究結(jié)果表明，1 600r/min、30%負(fù)荷工況下，與原機(jī)相比，應(yīng)用EIVC技術(shù)方案可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失降低高達(dá)81.3%,BSFC降低11.6%。此外，隨著EGR率的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失仍會(huì)有小幅度降低。這是因?yàn)殡S著EGR率的提高，進(jìn)氣門第二次開(kāi)啟過(guò)程進(jìn)入到缸內(nèi)的廢氣就越多，進(jìn)而提高進(jìn)氣過(guò)程缸內(nèi)的壓力，使發(fā)動(dòng)機(jī)P-V圖上換氣過(guò)程的負(fù)功面積減小，即泵氣損失降低。而且在1 600r/min、30%負(fù)荷工況下，應(yīng)用EMVT的內(nèi)部EGR率在20%范圍內(nèi)時(shí)，隨著EGR率的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的BSFC仍有較小幅度的改善，而在30%EGR率后該值則會(huì)出現(xiàn)急劇增大的問(wèn)題，這是因?yàn)椋阂环矫姹脷鈸p失會(huì)隨著EGR率的提高而降低；另一方面單純的EIVC技術(shù)會(huì)使進(jìn)氣、壓縮沖程以及燃燒初期的缸內(nèi)溫度降低，造成燃燒初期火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档膯?wèn)題，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)初期放熱率。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)引入適量的廢氣可以提升燃燒初期溫度，改善燃燒初期放熱率。但是，當(dāng)EGR率高于30%后，過(guò)度的殘余廢氣量會(huì)使燃燒急劇惡化，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，即應(yīng)用EMVT的內(nèi)部EGR方案在一定的EGR率后同樣會(huì)出現(xiàn)上面提到的在改善NOx排放的同時(shí)經(jīng)濟(jì)性會(huì)發(fā)生惡化的矛盾，不過(guò)該EGR率范圍實(shí)際應(yīng)用意義不大，可以忽略。

圖10給出了中低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷其他工況下應(yīng)用EMVT實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR后發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)性能的變化情況。研究結(jié)果表明，不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)BSFC所對(duì)應(yīng)的EGR率會(huì)有所改變，但NOx生成量和BSFC的整體變化趨勢(shì)相同。

4 結(jié)論

(1) 提出了一種應(yīng)用EMVT在排氣過(guò)程中通過(guò)單進(jìn)氣門二次開(kāi)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部EGR的技術(shù)方案。研究結(jié)果表明，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作的中低轉(zhuǎn)速、部分負(fù)荷的典型工況下，與應(yīng)用VCT的原機(jī)相比，在一定的EGR率范圍內(nèi)，該方案能有效解決原機(jī)在改善NOx排放的同時(shí)會(huì)發(fā)生經(jīng)濟(jì)性惡化以及NOx降低效果變差的矛盾，使NOx排放以及經(jīng)濟(jì)性均得到明顯改善。

(2) 與原機(jī)相比，應(yīng)用EIVC技術(shù)方案會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、壓縮以及燃燒初期缸內(nèi)溫度降低，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)缸內(nèi)殘余廢氣量降低的同時(shí)NOx的生成量卻仍有不同程度下降的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上通過(guò)進(jìn)氣門二次開(kāi)啟內(nèi)部EGR方案，可使NOx排放大幅下降。

(3) 應(yīng)用EMVT的內(nèi)部EGR方案，由于取消了節(jié)氣門可以使發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷的泵氣損失大幅下降，顯著改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，而且隨著內(nèi)部EGR率的提高，泵氣損失仍有所下降。此外，不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)有效燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的EGR率有所不同，但有效燃油消耗率的整體變化趨勢(shì)相同。

(4) 通過(guò)仿真分析得到了發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下最優(yōu)有效燃油消耗率所對(duì)應(yīng)的EGR率值及相應(yīng)的進(jìn)氣門控制參數(shù)，并依據(jù)這些參數(shù)對(duì)進(jìn)氣門進(jìn)行了試驗(yàn)調(diào)試。結(jié)果表明，基于EMVT的進(jìn)氣門可以滿足這一技術(shù)方案的調(diào)節(jié)需求，為下一步的裝機(jī)應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 常思勤. 汽車動(dòng)力裝置[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] Ali Mohammad Pourkhesalian, Amir Hossein Shamekhi, Farhad Salimi. NOxControl Using Variable Exhaust Valve Timing and Duration[C]. SAE Paper 2010 -01-1204.

[3] Carsten Kopp. Variable Ventilsteuerung für Pkw-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung[D]. Universit?t Magdeburg, 2006.

[4] Bai Yunlong, Wang Zhi, Wang Jianxin. Part-load Characteristics of Direct Injection Spark Ignition Engine Using Exhaust Gas Trap[J].Applied Energy, 2010,87:2640-2646.

[5] Picron V, Postel Y, Nicot E, et al.Electro-Magnetic Valve Actuation System: First Steps Toward Mass Production[C] . SAE Paper 2008-01-1360.

[6] Liu Liang, Chang Siqin. Motion Control of the Electromagnetic Valve Actuator Based on Inverse System Method[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, DOI: 10.1177/0954407011413033.

[7] 李子非，常思勤，劉梁.裝用電磁驅(qū)動(dòng)氣門的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位優(yōu)化[J].汽車工程，2011,33(1)：19-22.

[8] 常思勤，劉梁.高功率密度的動(dòng)圈式永磁直線電機(jī)[P].中國(guó)，200710132009.8. 2007-09-22.

[9] 劉梁，常思勤.一種動(dòng)圈式電磁驅(qū)動(dòng)氣門的分析與設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2009，31(8)：733-736.

[10] AVL LIST GmbH, AVL BOOST Users' Guide[M]. Austria, 2008.

[11] Bozza F, Gimell Ai, Siano D, et al. A Quasi-Dimensional Three-Zone Model for Performance and Combustion Noise Evaluation of a Twin-Spark High-EGR Engine[C]. SAE Paper 2004 -01-0619.

[12] Bozza F, Gimelli A, Merola S S, et al. Validation of a Fractal Combustion Model Through Flame Lmaging[C]. SAE Paper 2005 -01-1120.

[13] 田光明，常思勤.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣及壓縮過(guò)程工質(zhì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度度量的研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011(5)：38-42.

[14] Metghalchi M, Keck J C. Burning Velocity of Mixture of Air with Methanol, Isooctane, and Indolent at High Pressures and Temperatures[J]. Combustion and Flame, 1982, 48:191-210.