商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)氣的潛力

【德】　D.Kovcs　S.Gehrke　P.Eilts

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發(fā)展動(dòng)向

商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可變進(jìn)氣的潛力

柴油機(jī)可采用可變進(jìn)氣提高效率，并降低氣缸內(nèi)有害物質(zhì)的排放。在德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)的研究計(jì)劃范圍內(nèi)，德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)(TU Braunschweig)內(nèi)燃機(jī)研究所對(duì)符合商用車(chē)規(guī)格的試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展了可變進(jìn)氣的研究，分析它們的影響，并驗(yàn)證其減排增效潛力。

柴油機(jī)可變進(jìn)氣配氣相位米勒循環(huán)

0　前言

日益嚴(yán)格的排放法規(guī)及消費(fèi)者的低燃油耗訴求，迫使商用車(chē)柴油機(jī)需要尋求新的突破。此外，為了保證排氣后處理系統(tǒng)的功能性，通常需要采用主動(dòng)加熱措施。為了解決這些問(wèn)題，該研究項(xiàng)目對(duì)商用車(chē)柴油機(jī)可變進(jìn)氣的潛力進(jìn)行了研究。研究重點(diǎn)是分析和確定基本關(guān)系，研究策略如下： (1) 基于氣門(mén)正時(shí)的排氣管理；(2) 米勒循環(huán)的應(yīng)用；(3) 可變氣門(mén)正時(shí)與代用燃料的適用性。

基于氣門(mén)正時(shí)排氣管理的目標(biāo)是，在不利于排氣后處理的發(fā)動(dòng)機(jī)工況下優(yōu)化排氣后處理系統(tǒng)的排氣參數(shù)。過(guò)去的排氣管理研究主要針對(duì)乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]。然而，商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)方面的研究也取得了可喜的成果。例如，De Ojeda[3]提出，提前進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角(EIVC)會(huì)明顯提高排氣溫度，但需要考慮點(diǎn)火延遲和由此產(chǎn)生的壓力升高等問(wèn)題。Hermann等人[4]介紹了排氣相位調(diào)節(jié)器的商業(yè)應(yīng)用，它可以提高柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)主動(dòng)再生的排氣溫度。

第二項(xiàng)研究重點(diǎn)是米勒循環(huán)，米勒循環(huán)最先由R.H.Miller提出，用以提高輸出功率[5-6]。參考文獻(xiàn)[7]和[8]介紹了熱力學(xué)基礎(chǔ)和機(jī)理。綜其所述可發(fā)現(xiàn)，通過(guò)EIVC或延遲進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角(LIVC)，可保持氣缸充氣量不變，米勒循環(huán)可降低壓縮終了溫度和壓力水平，從而減少氮氧化物(NOx)排放。雖然對(duì)大型發(fā)動(dòng)機(jī)而言，米勒循環(huán)是最先進(jìn)的技術(shù)，但該技術(shù)在商用車(chē)柴油機(jī)上尚未實(shí)現(xiàn)系列應(yīng)用。

第三項(xiàng)研究重點(diǎn)是可變氣門(mén)正時(shí)與代用燃料的綜合影響。代用燃料有利于減少對(duì)化石能源的依賴，但它們的著火性往往與柴油不同。由于米勒正時(shí)通常會(huì)使點(diǎn)火條件更加惡劣[3]，同時(shí)增加壓力，以致運(yùn)行時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)低噪聲或?qū)C(jī)件的保護(hù)。

1　研究方法

采用1臺(tái)符合商用車(chē)規(guī)格的單缸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行研究(表1)。為了避免相互作用，在靈活可調(diào)的試驗(yàn)環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)該試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)環(huán)境的詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]。通過(guò)分開(kāi)調(diào)節(jié)不同參數(shù)，這種試驗(yàn)裝置能將可變氣門(mén)正時(shí)的影響與其他影響因素相隔離。

表1　試驗(yàn)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)

通過(guò)無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)氣門(mén)機(jī)構(gòu)控制進(jìn)排氣門(mén)[10]，這種氣門(mén)機(jī)構(gòu)可以靈活和實(shí)時(shí)地單獨(dú)調(diào)節(jié)各個(gè)氣門(mén)的正時(shí)。此外，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用高壓廢氣再循環(huán)、外源增壓系統(tǒng)和共軌噴油系統(tǒng)，最大噴油壓力為180 MPa。

圖1示出了無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)氣門(mén)機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)速1200 r/min時(shí)的典型氣門(mén)升程和基準(zhǔn)配氣相位策略。參考配氣相位來(lái)自目前生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，圖1還示出了基于進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉角(IVC)的壓縮比。表2列出了在所示工況點(diǎn)進(jìn)行研究的結(jié)果。

(a)

(b)

(c)

(d)

項(xiàng)目參數(shù)工況點(diǎn)1(OP1)工況點(diǎn)2(OP2)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)12001200平均有效指示壓力(IMEP)/MPa0.62.1研究重點(diǎn)排氣管理/代用燃料的適用性米勒循環(huán)/代用燃料的適用性

2　基于氣門(mén)正時(shí)的排氣管理

工況點(diǎn)1采用參考配氣相位的排氣道排氣溫度約為310℃(583 K)。而整機(jī)從增壓裝置到排氣后處理入口處的溫度下降約120 K[9]。為了保證排氣后處理的效率，上述工況點(diǎn)需要采用排氣管理。

根據(jù)圖1所示的配氣相位調(diào)整方案1～4研究排氣管理。與參考配氣相位的基準(zhǔn)點(diǎn)相同，調(diào)整配氣相位時(shí)，增壓壓力、排氣背壓、燃燒重心位置(通過(guò)調(diào)節(jié)噴油開(kāi)始)以及NOx排放(通過(guò)調(diào)整EGR率)保持不變。此外，還采用預(yù)噴、預(yù)噴的噴油量，以及預(yù)噴與主噴之間的間距保持不變。

圖2示出了研究結(jié)果。采用EIVC和LIVC策略，可減少氣缸充量和排氣質(zhì)量流量，并提高排氣溫度，這兩種策略的趨勢(shì)相似。雖然采用LIVC會(huì)更大程度地減少氣缸充量，但溫度更高。此外，這兩種配氣相位策略都在NOx不變的情況下增加了碳煙排放，燃油耗最多會(huì)增加2.5%。

圖2　基于氣門(mén)正時(shí)的排氣管理結(jié)果(VAT=配氣相位)

減小氣門(mén)重疊角會(huì)提高內(nèi)部EGR率，減少排氣質(zhì)量流量，并提高排氣溫度和PM排放，采用這種策略的燃油耗比采用VAT調(diào)節(jié)策略更高。

提前排氣門(mén)開(kāi)啟角(EEVO)，會(huì)因膨脹行程損失增大而降低高壓回路的效率，進(jìn)而增加燃油耗，并提高排氣溫度和PM排放，但不會(huì)減少排氣質(zhì)量流量。測(cè)量結(jié)果表明，所研究的每個(gè)策略都會(huì)使溫度大幅提高。此外，由于采用預(yù)噴，所以VAT調(diào)節(jié)時(shí)的壓力升高率始終低于0.6 MPa/℃A。

3　米勒循環(huán)

下文討論了對(duì)全負(fù)荷工況下的米勒循環(huán)應(yīng)用的研究。配氣相位調(diào)整策略采用圖1所示的方案3(EIVC)和方案4(LIVC)。第一步的重點(diǎn)是分析影響，為了避免交叉影響，IVC時(shí)的氣缸充氣或掃氣壓差等邊界條件基本保持不變。由于充氣的氧含量對(duì)NOx的形成至關(guān)重要，因而通過(guò)調(diào)節(jié)EGR率使氧含量保持不變。圖3介紹了工況點(diǎn)和研究結(jié)果。調(diào)整配氣相位時(shí)，預(yù)噴的噴油量以及預(yù)噴與主噴之間的間距仍保持不變。

圖3　米勒循環(huán)基礎(chǔ)研究

EIVC策略和LIVC策略繼續(xù)呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，因?yàn)榛贗VC調(diào)節(jié)的壓縮比會(huì)大幅減小，所以LIVC的變化更加明顯。在邊界條件不變的情況下采用米勒策略，可大幅降低NOx排放，但會(huì)增加PM和CO排放，壓力升高率和燃燒過(guò)程基本保持不變。米勒循環(huán)會(huì)使燃燒過(guò)程的溫度降低，進(jìn)而使排放發(fā)生變化。米勒循環(huán)引起的另一結(jié)果是，在IMEP不變的情況下使最高燃燒壓力降低。因而需采取其他措施： (1) 增大噴油量以提高功率；(2) 進(jìn)一步提高增壓壓力；(3) 前調(diào)燃燒重心。

圖4示出了功率升高的研究結(jié)果。通過(guò)氣缸充氣補(bǔ)償進(jìn)行試驗(yàn)，增大噴油量，直至達(dá)到參考工況點(diǎn)的最高燃燒壓力。采用這種策略，IMEP最多提高約0.2 MPa(約10%)，燃油消耗率提高0.5%。通過(guò)調(diào)節(jié)EGR使NOx排放保持不變，這會(huì)增加空氣流量，但增加的噴油量大于增加的空氣流量，從而降低空燃比，導(dǎo)致碳煙和CO排放增加。此外，壓力升高率增加至最高值1 MPa/℃A。

圖4　通過(guò)米勒循環(huán)提高功率

圖5示出了結(jié)合其他減排措施的米勒循環(huán)研究結(jié)果。首先，按參考順序延遲IVC，并改變?cè)鰤簤毫?。通過(guò)提高增壓壓力，使空氣流量、空燃比及最高燃燒壓力增大。壓縮終了壓力的提高改善了點(diǎn)火條件，從而減小壓力升高率。研究排放可明顯看出增壓壓力的影響。提高增壓壓力可改善PM-NOx折中及CO排放，這是因?yàn)槊桌昭h(huán)降低了燃燒過(guò)程的溫度，并在NOx排放量不變的情況下提高了空燃比。此外，燃油耗隨著增壓壓力的提高而降低。采用軟件Engine OS Tiger進(jìn)行的計(jì)算表明，效率提高主要?dú)w因于壁熱損失的降低、熱量特性的改善以及快速燃燒的組織。采用LIVC且增壓壓力為0.46 MPa 時(shí)，將燃燒重心前調(diào)1.5℃A， 可適度降低燃油耗，但壓力升高率明顯增加。污染物排放發(fā)生的變化較小。

圖5　通過(guò)米勒循環(huán)優(yōu)化排放

4　可變氣門(mén)正時(shí)與代用燃料的適用性

下列結(jié)果表明，采用米勒正時(shí)策略時(shí)不同著火性的燃料的適用性。參考燃料采用規(guī)格為CEC-RF-06-03(十六烷值約為52)的柴油(CEC)。此外，還研究體積混合比為70/30、十六烷值約為40的CEC和丁醇混合物(CECBUT)，以及十六烷值約為80純鏈烷烴結(jié)構(gòu)的氫化植物油(HVO)。CEC和HVO的氧含量(基于質(zhì)量)可忽略不計(jì)，含酒精的CECBUT的氧含量約為6%。根據(jù)之前的內(nèi)部研究選擇燃料。

低負(fù)荷范圍的研究結(jié)果表明，影響燃燒的決定性因素是著火性(圖6)。在基準(zhǔn)點(diǎn)，各種燃料的燃燒過(guò)程幾乎相同，因此，燃料本身的碳煙生成傾向決定了PM排放。HVO不含芳烴的結(jié)構(gòu)以及CECBUT的氧含量有利于減少碳煙生成。由于調(diào)整配氣相位，低十六烷值燃料(CEC和CECBUT)的燃燒過(guò)程發(fā)生劇烈變化。壓力升高率及相應(yīng)的預(yù)混合部分明顯增加，不存在預(yù)噴燃料的分離燃燒過(guò)程。采用CECBUT的優(yōu)點(diǎn)是PM排放大幅降低，很大程度上補(bǔ)償了空燃比減小所引起的碳煙排放增加等消極影響。

在采用氣缸充氣補(bǔ)償?shù)母哓?fù)荷范圍中，各種燃料的壓力升高率和燃燒過(guò)程在配氣相位調(diào)整時(shí)幾乎不變(圖7)。這主要?dú)w因于高負(fù)荷時(shí)良好的點(diǎn)火條件以及為實(shí)現(xiàn)充氣補(bǔ)償而提高的增壓壓力。因此，燃料本身的碳煙生成傾向使得這些工況點(diǎn)的PM排放有差異。采用米勒正時(shí)可降低PM排放，這是因?yàn)榭杖急仍龃?，進(jìn)而增加氣缸充氣的氧含量。

圖6　低負(fù)荷時(shí)采用不同著火性燃料的IVC變化

圖7　高負(fù)荷時(shí)采用不同著火性燃料的IVC變化

5　結(jié)語(yǔ)

在FVV研究計(jì)劃范圍內(nèi)進(jìn)行的研究項(xiàng)目，結(jié)果表明了商用車(chē)柴油機(jī)可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)的潛力。為了支

持排氣后處理系統(tǒng)，可通過(guò)配氣相位可變策略大幅提升排氣溫度。米勒循環(huán)可在適當(dāng)增加燃油耗的情況下最多提高功率10%，同時(shí)可改善PM-NOx折中和燃油耗，而增壓壓力的提升對(duì)改善起著至關(guān)重要的作用。此外，研究結(jié)果表明，結(jié)合采用代用燃料和米勒正時(shí)，對(duì)在低負(fù)荷范圍內(nèi)采用低十六烷值燃料尤為重要，因而也需要主動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)管理措施。

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2016-01-05)