殘余廢氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱-功轉(zhuǎn)換過(guò)程影響研究

尹東升 代國(guó)勇 劉長(zhǎng)峰 邵聰慧 馬喆

摘 要：為研究殘余廢氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱-功轉(zhuǎn)換過(guò)程影響，基于一臺(tái)1.5L的缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)工況為：n=1700r/min，BMEP=10bar、n=2200r/min，BMEP=10bar、n=3000r/min，BMEP=10bar;研究結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)臍堄鄰U氣系數(shù)可提前CA50位置、PCP位置，延長(zhǎng)燃燒持續(xù)期，增加COVIMEP，但均可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，與高轉(zhuǎn)速工況相比，低轉(zhuǎn)速工況熱效率改善效果更為明顯。

關(guān)鍵詞：殘余廢氣系數(shù);缸內(nèi)直噴型發(fā)動(dòng)機(jī);熱效率

中圖分類號(hào)：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-109-03

Abstract： In order to study the influence of residual exhaust gas coefficient on the heat-to-work conversion process of a direct-injection cylinder engine， based on a 1.5L direct-injection cylinder engine Conduct the test. The test conditions are： n=1700r/min， BMEP=10bar， n=2200r/min. BMEP=10bar， n=3000r/min， BMEP=10bar; the results of the study showed that the appropriate The residual exhaust gas factor can advance the CA50， PCP position， increase the combustion duration， COVIMEP， but can enhance the Engine thermal efficiency， Compared with the high speed condition， the thermal efficiency improvement is more obvious in the low speed condition.

Keywords： Residual exhaust gas coefficient; Direct injection engine; Thermal efficiency

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-109-03

1 引言

廢氣再循環(huán)技術(shù)最早應(yīng)用于柴油機(jī)，主要目的是為了降低排氣污染物中的NOx?，F(xiàn)如今，國(guó)家號(hào)召節(jié)能減排。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，廢氣再循環(huán)技術(shù)逐漸進(jìn)入汽油機(jī)開(kāi)發(fā)人員視野。

為研究殘余廢氣系數(shù)對(duì)汽油機(jī)性能的影響，研發(fā)人員已經(jīng)做了大量準(zhǔn)備工作。Konstantinos Siokos等人的研究表明：適當(dāng)?shù)臍堄鄰U氣系數(shù)可降低汽油機(jī)的節(jié)流損失，且EGR冷卻器具有不可替代的作用[1]。Kumano等人的研究表明：隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震傾向逐漸減弱，且發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度明顯降低[2]。Jinyoung Cha等人的研究表明：隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低和排放惡化[3]。Haiqiao Wei等人的研究結(jié)果表明：通過(guò)比較廢氣再循環(huán)技術(shù)在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)和傳統(tǒng)汽油機(jī)的性能影響，得出廢氣再循環(huán)技術(shù)和缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合是汽油機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[4]。

基于上述研究成果和理論的分析，本試驗(yàn)使用一臺(tái)排量為1.5L的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，以探究殘余廢氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)熱-功轉(zhuǎn)換過(guò)程影響。

2 試驗(yàn)

2.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為了探究殘余廢氣系數(shù)對(duì)高壓縮比缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱-功轉(zhuǎn)換過(guò)程的影響，基于一臺(tái)試制的高壓縮比缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展穩(wěn)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)。

在此次試驗(yàn)中，使用Hoffman臺(tái)架采集臺(tái)架數(shù)據(jù)，試驗(yàn)機(jī)帶有缸壓火花塞，通過(guò)AVL燃燒分析儀采集燃燒數(shù)據(jù)，以探究殘余廢氣系數(shù)對(duì)燃燒的影響，同時(shí)搭配HORIBA排放分析儀采集排放數(shù)據(jù)，以計(jì)算殘余廢氣系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)工況

在此試驗(yàn)中，通過(guò)改變EGR閥門開(kāi)度，以控制殘余廢氣系數(shù)。考慮到乘用車常用行駛工況，為了使試驗(yàn)結(jié)果更具有現(xiàn)實(shí)意義，在此試驗(yàn)中，選取以下工況為：n =1700r/min，BMEP =10bar;n=2200r/min，BMEP=10bar;n=3000r/min，BMEP=10bar。隨著閥值增加，殘余廢氣系數(shù)逐漸增加，直至循環(huán)變動(dòng)系數(shù)COV>3%，或發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)扭矩波動(dòng)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)殘余廢氣系數(shù)已經(jīng)達(dá)到最大。

3 殘余廢氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱-功轉(zhuǎn)換過(guò)程影響分析

3.1 放熱量50%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（CA50）

圖1顯示了殘余廢氣系數(shù)對(duì)放熱量50%對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（CA50）的影響。CA50是衡量缸內(nèi)混合氣燃燒時(shí)刻早晚的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，通常CA50處于上止點(diǎn)后6～8°之間，可認(rèn)為混合氣燃燒時(shí)刻較為合適。若混合氣提早或滯后燃燒，均會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

從圖中可以看出，對(duì)于n=1700r/min，BMEP=10bar;n=2200r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，CA50其更為靠近上止點(diǎn)。這可歸因于發(fā)動(dòng)機(jī)排放氣體中存在惰性燃燒反應(yīng)產(chǎn)物，當(dāng)與汽油混合氣混合時(shí)，降低了燃燒室內(nèi)O2的濃度，這將降低燃燒反應(yīng)速率。燃燒后氣體熱容較高，在燃燒反應(yīng)中可以吸收大量的熱量。隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，抑制了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的產(chǎn)生，使發(fā)動(dòng)機(jī)最佳點(diǎn)火角（MBT）提前。

但對(duì)于n=3000r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，從圖中可以看出，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，CA50基本無(wú)變化。這可歸因于缸內(nèi)著火延遲期僅與燃料本身物理性質(zhì)有關(guān)，不會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而改變。因此，MBT更為提前，通過(guò)增加MBT以減少燃燒生成物對(duì)燃燒的影響，因此，對(duì)于此工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，CA50基本無(wú)變化。

3.2 燃燒持續(xù)期（CA10-CA90）

圖2顯示了殘余廢氣系數(shù)對(duì)燃燒持續(xù)期的影響。通常，將CA10～CA90經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角定義為燃燒持續(xù)期。燃燒持續(xù)期是表征發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒快慢的關(guān)鍵參數(shù)。

從圖中可以看出，對(duì)于高轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，燃燒持續(xù)期增加，這可歸因于隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，惰性氣體成分降低了缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣?。因此?dǎo)致燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)。

但對(duì)于n=1700r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，燃燒持續(xù)期基本無(wú)變化。這可歸因于雖然廢氣中的惰性成分會(huì)降低缸內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣龋ㄟ^(guò)增加MBT或增加缸內(nèi)氣體密度等措施，提高發(fā)動(dòng)機(jī)火焰?zhèn)鞑ニ俣?。因此燃燒持續(xù)期基本沒(méi)有變化。

3.3 最大爆發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（PCP）

圖3顯示了殘余廢氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角（PCP）的影響。缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角是對(duì)燃燒時(shí)刻和燃燒速度的一種側(cè)面表征。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)PCP位置處于上止點(diǎn)后12～15°時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率最高。

從圖中可以看出，對(duì)于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，PCP位置從上止點(diǎn)后19°左右降低到14°左右。這可歸因于通過(guò)增加MBT或缸內(nèi)氣體密度等措施，較為明顯的改善其燃燒過(guò)程，使PCP位置更為靠近上止點(diǎn)。

但對(duì)于n=3000r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，PCP位置不變，且處在上止點(diǎn)后12～15°之間，這可歸因于其通過(guò)增加MBT或缸內(nèi)氣體密度等措施改善缸內(nèi)燃燒過(guò)程較為有限，無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化。因此，PCP位置基本不變。

3.4 指示平均有效壓力對(duì)應(yīng)的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（COVIMEP）

圖5顯示了殘余廢氣系數(shù)對(duì)指示平均有效壓力對(duì)應(yīng)的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)（COVIMEP）的影響。循環(huán)變動(dòng)系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)離散程度的重要指標(biāo)。理論上，COVIMEP越低，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性越小，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn)。

從圖中可以看出，對(duì)于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，COVIMEP略有增加。這可歸因于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，通過(guò)增加MBT或缸內(nèi)氣體密度等措施，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程優(yōu)化較為明顯，CA50、CA10～CA90、PCP處于較佳位置，因此COVIMEP略有增加，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較為穩(wěn)定。

但對(duì)于n=3000r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，COVIMEP呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。這可歸因于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，爆震傾向較低，通過(guò)增加MBT或缸內(nèi)氣體密度等措施對(duì)改善缸內(nèi)燃燒過(guò)程的作用較為有限，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，燃燒持續(xù)期增加，因此COVIMEP呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)波動(dòng)性較大。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)的熱-功轉(zhuǎn)換效率（η）

圖5顯示了殘余廢氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱-功轉(zhuǎn)換效率（η）的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)的熱-功轉(zhuǎn)換效率又稱熱效率，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率是發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)人員的最終目標(biāo)。一方面，提升熱-功轉(zhuǎn)換效率可以降低對(duì)石油等不可再生能源的依賴，另一方面，降低碳排放對(duì)于改善地球溫室效應(yīng)具有重要意義。

從圖中可以看出，對(duì)于n=1700r/min，BMEP=10bar;n= 2200r/min，BMEP=10bar;n=3000r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，熱效率均有改善。其中，n=1700r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)熱效率的改善最為明顯。這可歸因于通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行因素的干預(yù)，對(duì)CA50、CA10～CA90、PCP等參數(shù)改善較大，從而優(yōu)化缸內(nèi)燃燒過(guò)程，提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

對(duì)于n=3000r/min，BMEP=10bar工況點(diǎn)，隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，熱效率改善較小，這可歸因于雖然殘余廢氣系數(shù)系數(shù)的增加，延長(zhǎng)了燃燒持續(xù)期和COVIMEP，給燃燒帶來(lái)了不利的影響。但與此同時(shí)降低了缸內(nèi)燃燒溫度，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻損失和排氣損失，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率略有改善。

4 結(jié)論

（1）隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，對(duì)于低轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)，CA50%位置、PCP位置更為靠近上止點(diǎn)，燃燒持續(xù)期略有增加;對(duì)于高轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)，CA50%位置、PCP位置變化并不明顯，燃燒持續(xù)期明顯增加。

（2）隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，不同工況點(diǎn)的指示平均有效壓力對(duì)應(yīng)的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均有所增加。對(duì)于低轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)，增加趨勢(shì)較低。

（3）隨著殘余廢氣系數(shù)的增加，不同工況點(diǎn)的熱-功轉(zhuǎn)換效率均有所改善。對(duì)于低轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)，熱效率的改善更為明顯。

參考文獻(xiàn)

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[2] Kumano， K.and Yamaoka， S. Analysis of Knocking Suppression Effect of Cooled EGR in Turbo-Charged Gasoline Engine. SAE Technical Paper 2014-01-1217，2014.

[3] Jinyoung Cha， Junhong Kwon， Youngjin Cho & Simsoo Park. The effect of exhaust gas recirculation （EGR） on combustion stability， engine performance and exhaust emissions in a gasoline engine. KSME International Journal volume 15， pages 1442-1450（2001）.

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