渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)低辛烷值燃料的試驗(yàn)研究

戴曉旭，曹海波，谷家鑫，于洪濤，賀燕銘，田安民Dai Xiaoxu，Cao Haibo，Gu Jiaxin，Yu Hongtao，He Yanming，Tian Anmin（北京汽車動(dòng)力總成有限公司　技術(shù)中心，北京　101106）

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)低辛烷值燃料的試驗(yàn)研究

戴曉旭，曹海波，谷家鑫，于洪濤，賀燕銘，田安民
Dai Xiaoxu，Cao Haibo，Gu Jiaxin，Yu Hongtao，He Yanming，Tian Anmin
（北京汽車動(dòng)力總成有限公司技術(shù)中心，北京101106）

研究基于一臺(tái)2.3 L四缸的渦輪增壓汽油機(jī)，國(guó)內(nèi)的推薦燃油為RON95汽油。由于匹配該發(fā)動(dòng)機(jī)的車型要出口伊朗，當(dāng)?shù)氐娜加投酁镽ON85汽油；因此，需要在臺(tái)架上進(jìn)行低辛烷值燃料的性能開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。試驗(yàn)中需要綜合調(diào)整點(diǎn)火提前角（Spark advanced Angle，SA）、空燃比（Air Fuel Ratio，AFR）以及最大增壓壓力確保該發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下正常運(yùn)行，且不發(fā)生爆震現(xiàn)象。結(jié)果表明：由于使用燃料的辛烷值降低，點(diǎn)火提前角普遍減小。而點(diǎn)火提前角的降低又會(huì)引起排氣溫度的升高，降低空燃比進(jìn)行催化器保護(hù)。接近外特性工況下，通過(guò)降低最大增壓壓力，犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)的性能來(lái)確保其穩(wěn)定運(yùn)行。

辛烷值；點(diǎn)火提前角；空燃比；渦輪增壓；汽油機(jī)

0　引　言

B235R汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是引進(jìn)瑞典SAAB技術(shù)生產(chǎn)的第一代技術(shù)產(chǎn)品，其壓縮比為 10.5，在國(guó)內(nèi)使用的標(biāo)準(zhǔn)汽油是RON95。搭載該發(fā)動(dòng)機(jī)的整車出口伊朗，當(dāng)?shù)厥褂玫钠托镣橹刀酁镽ON85；因此，為滿足客戶的需求，發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)或標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)當(dāng)?shù)乜蛻糗囕v的運(yùn)行條件，當(dāng)然也包括低辛烷值汽油的適用性。

不同類型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)匹配燃料的核心依據(jù)是壓縮比，即發(fā)動(dòng)機(jī)總?cè)莘e和燃燒室容積的比值。一般而言，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比越高，燃燒效率也越高，但更容易產(chǎn)生爆震；因此，較高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的汽油應(yīng)該具有較強(qiáng)的抗爆性，而汽油的辛烷值是表征其抗爆性的指標(biāo)。如果將匹配好的汽油辛烷值降低，強(qiáng)烈的爆震會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不可逆轉(zhuǎn)的損害[1-2]。可以通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)幾何機(jī)構(gòu)，降低壓縮比，以適應(yīng)低辛烷值的汽油。但對(duì)于主機(jī)廠而言，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的變更并非易事。而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的控制參數(shù)，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定數(shù)據(jù)，可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)低辛烷值燃料的適應(yīng)。通過(guò)綜合調(diào)整SA、AFR和最大增壓壓力以確保發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下穩(wěn)定運(yùn)行，且不發(fā)生爆震現(xiàn)象[3-4]。

1　試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)是2.3 L直列四缸渦輪增壓汽油機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)主要包括：Schorch LN8250M-AZ89Z-Z型測(cè)功機(jī)，主要用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。恒溫進(jìn)氣系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的溫度和濕度。Emerson CMF010M300NWFZGZZZ型燃油流量計(jì)計(jì)算燃油消耗量，F(xiàn)EV G1 basic型燃油溫度、壓力控制裝置調(diào)節(jié)燃油溫度和壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度，F(xiàn)EV CoolSim KLQ6型溫控裝置調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)增壓進(jìn)氣的溫度，Hanwei ACS1500Ⅱ型溫控裝置調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度，ETAS ES630.1型空燃比分析儀通過(guò)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)原始尾氣的寬域氧傳感器測(cè)量實(shí)際的空燃比。通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)整電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）中的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SA、AFR和最大增壓壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在充分暖機(jī)后進(jìn)行，試驗(yàn)室的恒溫進(jìn)氣系統(tǒng)將進(jìn)氣和燃油溫度控制在25±1 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和機(jī)油的溫度為90±1 ℃；渦輪增壓器前端排溫限定在950 ℃，催化器排溫限定在850 ℃。通過(guò)臺(tái)架控制將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷調(diào)整到目標(biāo)值，該目標(biāo)值對(duì)應(yīng)的是原標(biāo)定數(shù)據(jù)中SA主表中的轉(zhuǎn)速和最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的平均指示壓力（Indicated Mean Effective Pressure_Maxium Brake Torque，IMEP_MBT）。由于試驗(yàn)所用汽油辛烷值為RON85，而原機(jī)匹配汽油的辛烷值為RON95，發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震傾向顯著提升。因此，首先要推遲點(diǎn)火，通過(guò)減小SA的方式來(lái)抑制爆震；但是，SA的減小會(huì)推遲缸內(nèi)混合物的燃燒，增加催化器的熱負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致渦輪增壓器的抱死以及催化器的燒結(jié)；因此需要對(duì)催化器進(jìn)行加濃保護(hù)，降低其熱負(fù)荷。但SA和AFR不能過(guò)大幅度地調(diào)整，SA過(guò)小，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，而AFR過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致油耗過(guò)高，甚至缸內(nèi)失火。因此，當(dāng)上述 2個(gè)參數(shù)的調(diào)整已經(jīng)觸及邊界時(shí)，則需要降低最大增壓壓力，犧牲部分性能來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用標(biāo)定軟件INCA，通過(guò)修改ECU中的標(biāo)定數(shù)據(jù)，綜合調(diào)整SA、AFR和渦輪增壓壓力，以適應(yīng)低辛烷值汽油的工作條件，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下可以穩(wěn)定運(yùn)行，并有效避免爆震的發(fā)生。

2.1SA分析

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)從點(diǎn)火時(shí)刻到活塞達(dá)到壓縮上止點(diǎn)這段時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為SA。在活塞到達(dá)上止點(diǎn)前就進(jìn)行點(diǎn)火是由于混合氣從火花塞點(diǎn)火到完全燃燒有一個(gè)時(shí)間過(guò)程。最佳SA的作用就是在各種不同工況下，使氣體膨脹趨勢(shì)最大時(shí)活塞做功下降，這樣效率最高、振動(dòng)最小。SA最重要的2個(gè)影響因素是轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，轉(zhuǎn)過(guò)同樣角度的時(shí)間變短，只有更大的提前角才能得到相應(yīng)的提前時(shí)間；而當(dāng)負(fù)荷升高時(shí)，混合氣則燃燒越快，SA就越小[5]。

SA過(guò)高會(huì)造成爆震，爆震是一種缸內(nèi)混合氣自燃的現(xiàn)象，即混合氣不是被點(diǎn)燃而是由于高溫、高壓而自燃。爆震會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。試驗(yàn)中將爆震傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)接至音箱，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體發(fā)出的聲音來(lái)鑒別是否發(fā)生爆震。由于試驗(yàn)中使用的汽油與標(biāo)準(zhǔn)匹配的汽油辛烷值相比降低，因此爆震傾向顯著，需要在爆震區(qū)域內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的SA進(jìn)行調(diào)整。如圖2所示，分別選取2000r/min，3600r/min和5200r/min3個(gè)轉(zhuǎn)速，在不同辛烷值汽油的前提下，對(duì)比B235R發(fā)動(dòng)機(jī)SA的變化?？梢钥闯?，切換到RON85號(hào)汽油之后，與其標(biāo)配RON95號(hào)汽油相比，隨著負(fù)荷的升高，IMEP_MBT的增大，SA也在減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速為5200r/min，IMEP_MBT為2000kPa時(shí)，二者的差距甚至達(dá)到了11°CA。由于RON85號(hào)汽油的辛烷值較低，抗爆性弱，缸內(nèi)混合氣燃燒時(shí)爆震傾向明顯；因此，切換RON85號(hào)汽油時(shí)，通過(guò)減小SA來(lái)抑制爆震的發(fā)生。

2.2AFR分析

可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比為空燃比，表示空氣和燃料的混合比。AFR是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及尾氣排放都有很大的影響[6]。試驗(yàn)中使用的汽油辛烷值有所降低，導(dǎo)致點(diǎn)火提前角減小，缸內(nèi)混合氣的燃燒速度降低，催化器的熱負(fù)荷加大；因此，需要通過(guò)加濃混合氣，降低AFR，從而防止催化器因溫度過(guò)高而燒結(jié)。加濃混合氣可以使更多的霧狀燃油進(jìn)入燃燒室，而燃油的蒸發(fā)需要吸收熱量，缸內(nèi)混合氣的燃燒溫度降低，通過(guò)催化器的排氣溫度也會(huì)隨之降低。如圖3所示，由于低轉(zhuǎn)速排氣系統(tǒng)的熱負(fù)荷不高，不需要進(jìn)行動(dòng)力加濃，因此選取2400r/min，4000r/min和5200r/min3個(gè)轉(zhuǎn)速，對(duì)比RON95和RON85號(hào)汽油對(duì)B235R發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的影響。可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷加大，進(jìn)氣歧管壓力升高，切換RON85號(hào)汽油，AFR有所降低，尤其是在較高轉(zhuǎn)速工況下。這是由于SA的減小，進(jìn)氣量的不斷加大，缸內(nèi)燃燒被推遲，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的熱負(fù)荷增大，需要更濃的混合氣對(duì)三元催化器進(jìn)行排溫保護(hù)。

2.3增壓壓力分析

發(fā)動(dòng)機(jī)是靠燃料在氣缸內(nèi)燃燒做功來(lái)產(chǎn)生功率的，由于輸入的燃料量受到吸入氣缸內(nèi)空氣量的限制，因此發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的功率也會(huì)受到限制。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能已處于最佳狀態(tài)，繼續(xù)增加輸出功率只能通過(guò)吸入更多的壓縮進(jìn)氣以及增加燃料量，來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的做功能力。因此，增壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前增壓技術(shù)的主要應(yīng)用形式有廢氣渦輪增壓和機(jī)械增壓；機(jī)械增壓的低速響應(yīng)性好，但需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸輸出的功；廢氣渦輪增壓，是一種利用內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的廢氣驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)的技術(shù)，它不用消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功，但由于渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，低速響應(yīng)性較差。對(duì)于廢氣渦輪增壓而言，增壓壓力是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)中，需要對(duì)SA和AFR進(jìn)行調(diào)整，以上2個(gè)參數(shù)的調(diào)整也有各自的邊界條件。因此，當(dāng)不能通過(guò)調(diào)整SA和AFR確保發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候，則需要降低最大增壓壓力，犧牲一部分發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。如圖4所示，切換RON85號(hào)汽油后，當(dāng)SA和AFR均達(dá)到各自的邊界條件后，則需要降低最大增壓壓力來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，B235R發(fā)動(dòng)機(jī)的最大增壓壓力與之前相比，在不同的轉(zhuǎn)速下，有著不同幅度的降低，尤其在靠近增壓器介入轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速附近明顯。

2.4外特性分析

汽油機(jī)節(jié)氣門完全開(kāi)啟的速度特性，稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，它表示發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最大動(dòng)力性能。從外特性曲線上可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)所能輸出的最大扭矩和最大功率等。圖5和圖6分別表示在不同辛烷值燃料條件下，B235R發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的外特性扭矩和功率?？梢钥闯觯捎赟A和最大增壓壓力的降低，以RON85號(hào)汽油為燃料時(shí)，B235R發(fā)動(dòng)機(jī)的性能受到很大程度的約束，扭矩輸出下降明顯。另外，轉(zhuǎn)速3200r/min是一個(gè)臨界點(diǎn)，低于該轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要受爆震制約；而高于該轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要受排溫制約。因此，原來(lái)的“扭矩平臺(tái)”被“峰狀”的外特性扭矩曲線取代。另外，受到SA、AFR和最大增壓壓力的邊界條件約束，發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒被推遲，燃燒效率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率降低，而且排氣系統(tǒng)的熱負(fù)荷增強(qiáng)，則需要通過(guò)加濃混合氣來(lái)進(jìn)行催化器排溫保護(hù)。

3　結(jié)　論

主要探究渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)B235R在低辛烷值燃料RON85號(hào)汽油的條件下，所需要調(diào)整的控制參數(shù)和性能輸出特性，并與標(biāo)配RON95號(hào)汽油的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，與RON95號(hào)汽油相比，RON85號(hào)汽油的抗爆性降低，SA減小。SA的減小推遲缸內(nèi)混合氣的燃燒，降低燃燒效率，并且會(huì)導(dǎo)致排氣系統(tǒng)中三元催化器的熱負(fù)荷增大。因此需要進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)力加濃，通過(guò)噴入更多的燃油降低缸內(nèi)燃燒溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)催化器的排溫保護(hù)。與此同時(shí)，加濃在一定程度上抑制爆震，也在一定程度上增加油耗。當(dāng)SA和AFR都已經(jīng)調(diào)整到各自的邊界值時(shí)，出于安全考慮，降低最大增壓壓力同時(shí)也限制了外特性工況下的扭矩和功率輸出。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠而言，這種調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)的方法是切換低辛烷值汽油，滿足整車出口最快捷的方法之一。

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