換氣可變性在轎車柴油機上的潛力

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換氣可變性在轎車柴油機上的潛力

【德】S.HonardarK.DeppenkemperM.NijsS.Pischinger

摘要：可用于轎車柴油機的可變氣門機構是全球熱議的能降低原始排放及滿足當今和未來廢氣排放限值要求的技術。在內燃機研究聯(lián)合會的研究計劃范圍內，RWTH Aachen大學對可變氣門機構在轎車柴油機上的潛力進行模擬和試驗研究，并最終對其作出評價，研究結果可用于進一步改善廢氣溫度管理和瞬態(tài)性能(加速響應性能和廢氣排放)。

關鍵詞：轎車柴油機可變氣門機構進排氣門升程顆粒物排放

1研究背景

當今發(fā)動機的開發(fā)要求是減少有害物和CO2排放,以滿足未來廢氣排放法規(guī)對公司平均限值的要求。因存在即將實施其他認證循環(huán)的可能性(例如全球統(tǒng)一的輕型載貨車試驗規(guī)范)，開發(fā)人員將面臨更大的挑戰(zhàn)。這種行駛循環(huán)要求進行持續(xù)的廢氣溫度管理，尤其是對于低部分負荷和冷起動運行工況，以便能使排氣后處理系統(tǒng)高效運行。

減少CO2排放會降低廢氣溫度，特別是在低部分負荷范圍內,會導致氧化催化轉化器(DOC)中碳氫化合物(HC)和CO的轉化率明顯降低，如廢氣溫度低于DOC的起燃溫度，那么，降低機內CO和HC排放就顯得更為重要。通過應用可變氣門機構開辟空氣系統(tǒng)新的自由度，以顯著提高廢氣溫度，同時不存在廢氣排放達到臨界范圍的重大缺陷，例如在維持燃燒穩(wěn)定性的同時，在低部分負荷范圍內進行柴油機顆粒捕集器(DPF)再生或降低氮氧化物(NOx)排放。此外，通過調整配氣正時,提高氣缸中的殘余廢氣含量，在低NOx水平下進行DPF再生，從而獲得低的再生系數(shù)(KI系數(shù))。通過使用可變氣門機構,影響氣缸中充量的流動特性和非穩(wěn)態(tài)運行性能。

2研究策略及實施

在單缸試驗機和部分整機上進行發(fā)動機試驗研究，單缸試驗機是從整機演變而來的。2種發(fā)動機均采用最高噴油壓力為200MPa的共軌噴油系統(tǒng)，為了確保獲得足夠的氣缸充氣和最佳的充量運動，進氣道被分別設計成充氣氣道和切向進氣道，而且2個進氣門上都有座面渦流倒棱，以優(yōu)化充量運動。通過減小壓縮比、提高最高氣缸壓力和噴油壓力，以及改善冷卻廢氣再循環(huán)(EGR),將顆粒(PM)排放降至最低，因而無須采取主動的降NOx措施，就能達到歐6排放標準要求。表1列出了這兩種發(fā)動機的特性參數(shù)。

表1　HECS燃燒過程的特性參數(shù)

將4個運行工況點作為試驗研究的基礎，其中,3個運行工況點位于慣性質量1590kg等級車輛在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)中具有重要意義的特性曲線場范圍內,各運行工況點的預噴射持續(xù)期、預噴射與主噴射之間的間距、進氣管壓力、增壓空氣中冷器后的溫度和燃燒重心保持不變,并按歐6排放標準進行標定，與主噴射的噴油量和噴油時刻相匹配，以調整到所需的負荷和燃燒重心，保持燃燒重心位置，避免因燃燒重心位置不同而使燃油耗發(fā)生變化，從而使廢氣排放的偏差直接與氣門機構的可變性相關，而不會導致不良的燃燒過程。表2列出了各負荷工況點的標定情況。

表2　各負荷工況點的標定

3氣門機構可變性的研究

采用模擬和試驗方法挖掘可變氣門機構的潛力，并對其結果進行評估。試驗研究的目標是使排氣后處理與低燃油耗之間達到最佳折中。試驗的氣門機構可變性方案示于圖1。圖1示出了包括進排氣門相位調整、可變氣門升程、開啟持續(xù)期及其組合在內的10種試驗方案。方案1示出了減小進氣門升程的情況；方案2和方案4示出了排氣門或進排氣門的相位調整情況；方案3試驗了排氣門附加凸輪的潛力;方案5示出了改變進氣門相位調整和排氣門關閉時間，而排氣門開啟時間保持不變的組合；方案6和方案7試驗了縮短氣門升程或開啟持續(xù)期對進排氣的影響；方案8、方案9和方案10則觀察了進氣、排氣或進排氣升程或開啟持續(xù)期變化的情況。

4一維換氣模擬

采用一維換氣過程模擬計算方法，設計轎車柴油機的氣門可變性。采用兩級增壓及高壓和低壓EGR,并基于調整部分負荷的模擬模型，運行工況點定義的邊界條件是穩(wěn)態(tài)負荷、增壓壓力和殘余廢氣量(各自進行調節(jié))，通過確定邊界條件，假定放熱率近似不變。

借助一維換氣過程計算，對進排氣側不同氣門升程曲線的配氣相位和長度(升程和開啟持續(xù)期)的應用范圍，對廢氣溫度升高和燃油耗增加進行逐點試驗。在用一維換氣計算進行分析時，應覆蓋寬廣的氣門機構可變性范圍。試驗結果表明，可通過3種途徑影響廢氣溫度: (1)通過增加換氣功來增大高壓功；(2)增加高壓曲線中的損失；(3)內部EGR。

排氣門早開方案(方案2或方案9)會顯著增大膨脹損失，而通過進氣門晚關減少氣缸充量對廢氣溫度的影響就較小。除了移動高壓過程的負荷工況點外，適度的熱EGR也能使廢氣溫度升高。在方案3或方案6中，采用這些方法甚至不會移動高壓過程的負荷工況點，因而有可能在燃油耗略有增加的情況下，使DOC前的最高溫度升高約20℃(圖2)。

借助一維模擬計算同時調整氣門相位的方案具有較大的加熱潛力,并且是試驗研究的基礎。尤其是方案6，在同時調節(jié)相位48°CA的情況下，因縮短了進排氣門的開啟持續(xù)期，在這個運行工況點并未產(chǎn)生因充量被推出氣缸而造成的損失，其中，進氣門在升程為零時關閉，與相位未調整的基準進氣門關閉時間基本相同。另外,因方案5、方案7、方案8和方案10呈現(xiàn)出較高的潛力，因而未對其進行詳細觀察。

5單缸機試驗研究

圖3示出了不同氣門機構可變性方案(方案2、方案4、方案6和方案9.2)對NOx排放達到歐6標準的柴油機負荷工況點(發(fā)動機轉速2000r/min，平均指示壓力0.3MPa)燃油耗的影響，并分別與進氣門升程為8.0mm的基準氣門正時進行比較。通過調整排氣門相位48°CA(方案2)，廢氣溫度升高約70℃，但因高壓和低壓曲線中的損失增大，導致燃油耗增加42g/(kW·h)。廢氣溫度升高將有利于HC和CO的后續(xù)氧化。排氣門早關導致內部EGR的份額增大，而循環(huán)溫度在進氣門關閉時已升高，因進氣門配氣正時并沒有變化，一部分殘余廢氣處于進氣管中，并被附加冷卻。

進排氣相位對稱移動(方案4)使殘余廢氣不僅在氣缸中被預壓縮，同時也進行膨脹，此外，延遲進氣門開啟會導致氣缸充量被進一步減少，并提高氣缸中充量的流動速度。因燃燒室與進氣管之間的壓差較大，因而獲得較高的流動速度。進氣門關閉時刻調晚又使部分新鮮充量回流到進氣道中，因而保留在氣缸中的充量被進一步減少。在氣缸充量減少和殘余廢氣量增加的同時，加大噴油量能提高廢氣溫度。為使氣缸中達到相同的氧濃度，隨著殘余廢氣量的增加，應逐步減少外部EGR率。如果采用方案4，使相位附加移動48°CA，在燃油耗增加26g/(kW·h)的情況下，廢氣溫度可提高34℃。

方案6顯示出不調整配氣相位在提高廢氣溫度方面的2種相反效果。一方面，即使不調整配氣相位，也已產(chǎn)生比基準方案高的內部EGR，提高了進氣門關閉時的廢氣溫度水平。另一方面，不調整配氣相位的方案6在其基本原理上相當于米勒循環(huán)，因此，進氣門在下止點前就已關閉，有效壓縮比(即壓縮終了溫度)降低。米勒循環(huán)過程是將燃油噴入壓縮較少且較冷的氣缸介質中，這會對HC和CO產(chǎn)生不利影響，而直到進排氣相位調整高達24°CA時，PM排放也不會有明顯增加。更早的排氣或更晚的進氣相位調整(方案6)會使內部EGR率明顯增大，因而在進氣門關閉時刻氣缸溫度隨之升高，不僅使壁面熱損失較高，而且因氣缸溫度提高使HC排放最多可降低70%。同時在殘余廢氣量增大的情況下，PM排放也會增加，因為充量流動速度較小使混合氣準備變差，著火滯后被縮短。因燃燒室中的充量流動速度較小，氣缸中的再循環(huán)廢氣出現(xiàn)分層現(xiàn)象，促進生成PM。方案6的總效果是在燃油耗增加20g/(kW·h)情況下，廢氣溫度最多提高100℃。

提高廢氣溫度的另一種方法是以膨脹行程損失的形式產(chǎn)生高壓曲線上的損失。通過延長排氣持續(xù)期(方案9.2)，即在保持排氣門關閉(氣門升程為零)時刻不變的情況下，提前開啟排氣門，產(chǎn)生附加的膨脹損失，與此同時，必須噴射更多的燃油，以便調節(jié)到所需負荷。這種方案的殘余廢氣量比基準方案的略高，因為其排氣門實際關閉得稍早。PM排放會略微增加，并且在燃油耗增加120g/(kW·h)情況下，廢氣溫度可提高125℃。

6三維計算流體力學(CFD)流動模擬

在單缸試驗機上的研究表明,HC和CO的機內后續(xù)氧化具有很大的潛力,并且廢氣溫度管理能對此產(chǎn)生有利影響。同時，在方案6配氣相位調整48°CA的情況下，PM排放過度增加,為此，利用三維CFD模擬來查明其原因。無須在光學試驗臺上進行昂貴的試驗，借助于三維CFD模擬，就能對燃燒室中的這一過程進行可視化觀察。

針對10°CA BTDC噴油，進行三維CFD流動模擬計算，評估配氣可變性對之后的混合氣形成和燃燒的影響。圖4示出了在流動方向軸向截面上，燃燒室中由外部EGR和沒有完全排出的廢氣組成的殘余廢氣量分布狀況，比較了方案6中進排氣門相位分別調整24°CA或48°CA，以及進排氣門相位調整48°CA/24°CA時與基準氣門正時的結果。由圖4可知，基準氣門正時燃燒室中的殘余廢氣近似均勻分布，這種良好的均勻分布應歸功于較大的外部EGR份額(37%)，以及EGR在新鮮充量中的完全均質化。與此相反，配氣相位調整的方案6在燃燒室中形成明顯的殘余廢氣分層，隨著配氣相位調整的增大，內部EGR增加，從氣缸蓋到活塞燃燒室凹坑底部的殘余廢氣分布梯度也隨之增大。進排氣門相位同時調整所引起的新鮮充量和殘余廢氣較大的不均勻性導致PM排放明顯增加(圖3)。通過進排氣門相位的不同步調整(例如進氣門調晚48°CA，而排氣門調早24°CA)，就能夠抑制這種現(xiàn)象，從而改善殘余廢氣在燃燒室中分布的均質化程度。

7結語

穩(wěn)態(tài)單缸機試驗研究表明，可變氣門機構和在部分負荷范圍內提高廢氣溫度具有降低有害物排放的優(yōu)勢，而延長排氣門開啟持續(xù)期、明顯縮短膨脹行程的策略，則在提高廢氣溫度方面顯示出巨大的潛力，并且不會顯著減少氣缸充量。采取縮短進排氣門開啟持續(xù)期與調整兩者相位相結合的方法同樣能明顯提高廢氣溫度，而燃油耗增加較少，同時能降低HC和CO原始排放達70%。三維CFD模擬計算能用于評估燃燒室內部充量的流動狀況。流動模擬結果表明，較高的內部EGR份額會引起氣缸中殘余廢氣分層，但通過氣門不同步開啟策略，仍能在達到足夠均質化的同時，獲得較高的充量渦流，對PM排放的形成產(chǎn)生直接的有利影響。

試驗研究的重點包括氣門機構可變性的設計，以及對穩(wěn)態(tài)運行工況點性能影響的分析和評估。試驗研究成果表明了轎車柴油機應用可變氣門機構在廢氣溫度管理和降低原始排放方面的潛力，因此，目前所實施的計劃能獲得最佳的進排氣門配氣正時，今后要在多缸機和整車上進行驗證，并進一步對燃燒和廢氣排放進行試驗研究。

范明強譯自MTZ， 2014, 75(9)

張慰編輯

材料工藝

收稿日期：( 2015-02-24)