停缸技術(shù)對增壓直噴汽油發(fā)動機的性能影響研究

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，汽車成為了千家萬戶的生活必需品。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，截止2019年末，全國民用汽車保有量26150萬輛(包括三輪汽車和低速貨車762萬輛)，比上年末增加2122萬輛。其中私人汽車保有量22635萬輛，增加1905萬輛。民用轎車保有量14644萬輛，增加1193萬輛，其中私人轎車保有量13701萬輛，增加1112萬輛。隨著汽車保有量的增加，同時也帶來了能源的大量消耗和環(huán)境的不斷惡劣的問題。為應對能源和環(huán)境的危機，國家出臺了一系列嚴苛的油耗、排放等標準法規(guī)并付諸實施。

當前，國內(nèi)各高校、研究機構(gòu)、主機廠都致力于研究高效的發(fā)動機節(jié)能減排技術(shù)，如進氣增壓技術(shù)、可變氣門控制系統(tǒng)、停缸技術(shù)等，以提高發(fā)動機的熱效率，降低發(fā)動機的燃油消耗和實現(xiàn)近零排放。停缸技術(shù)，又稱可變排量技術(shù)，是發(fā)動機在低負荷工況運行時，停止發(fā)動機其中幾個氣缸的工作，改變工作的氣缸數(shù)量，由剩余的工作氣缸提供發(fā)動機的動力的發(fā)動機節(jié)能減排技術(shù)。停缸技術(shù)主要通過斷油、停止氣門運動等方式，停止特定氣缸的工作，使工作氣缸運行在高負荷率和燃油經(jīng)濟性良好的區(qū)域，增大節(jié)氣門開度，降低泵氣損壞和摩擦損失，最終實現(xiàn)減少發(fā)動機的燃油消耗

。同時，停缸技術(shù)對發(fā)動機的進氣、排氣、燃燒、排放等有一定的影響

。進而，吉林大學的解方喜等人

通過仿真和試驗的方式，研究了停止工作氣缸氣門的不同關閉時刻對發(fā)動機性能的影響；南京理工大學的胡茂楊等

，研究了滯留廢氣、滯留空氣、排氣門常開3種停缸狀態(tài)下的循環(huán)功耗和摩擦功耗，確定最小功耗方式下的最大發(fā)動機性能。最后，吉林大學楊文海的碩士論文中

，通過仿真建模分析了不同參數(shù)下的油耗影響和停缸瞬時的扭矩波動；并開展試驗，分析不同停缸方案下的扭矩波動、轉(zhuǎn)速波動和扭矩振動等影響。

本文針對一款增壓直噴汽油發(fā)動機，研究發(fā)動機在應用停缸技術(shù)與未應用停缸技術(shù)下，其燃油消耗和排放的影響趨勢。

1 試驗資源

1.1 發(fā)動機主要參數(shù)

本試驗樣機的主要參數(shù)見表1。

自2016年下半年以來，在“防范重大系統(tǒng)性金融風險”的任務重壓之下，“降杠桿”成為中國經(jīng)濟最為重要的宏觀調(diào)控任務。從“緊信用”“強監(jiān)管”，再到控制貨幣供應量增長的“緊貨幣”，中央政府力圖通過“降杠桿”限制和降低金融機構(gòu)、地方政府以及非金融企業(yè)(主要是國企)等快速上升的債務率，以防控系統(tǒng)性危機的爆發(fā)，并保障經(jīng)濟的平穩(wěn)增長。然而，自2018年下半年開始，一方面，由美國挑起的貿(mào)易爭端既擾亂了全球貿(mào)易的復蘇進程，也阻礙了中國對外貿(mào)易的快速增長；另一方面，在中國各級政府繼續(xù)加強落實各項“降杠桿”措施，并嚴格整頓金融秩序的同時，家庭部門的債務卻在快速地擴張累積。

1.2 臺架布置及試驗設備

本文的試驗研究是在發(fā)動機測功機臺架上進行的，試驗樣機在臺架上的布置見圖1。

隨著企業(yè)規(guī)模的不斷擴大，網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，軟硬件設備都會面臨不斷被更新或淘汰。所以對于硬件資產(chǎn)，要詳細記錄用戶計算機的硬件配置，如內(nèi)存、處理器類型、處理器速度、處理器個數(shù)、數(shù)學協(xié)處理器、總線類型等參數(shù)，以方便管理員對內(nèi)網(wǎng)中計算機硬件資產(chǎn)進行統(tǒng)計歸檔。對于軟件資產(chǎn)，要詳細記錄用戶計算機上安裝的所有軟件，定時分析終端計算機安裝的軟件信息，并通過多種條件進行查詢和統(tǒng)計。由管理員對其審核，及時發(fā)現(xiàn)用戶安裝的不安全軟件，減少內(nèi)網(wǎng)中潛在的安全隱患，避免不必要的法律糾紛。

完成樁位放樣后，根據(jù)護樁情況確定導向架的位置，通過石灰撒線方式保證其精度。在導向架安裝完成后，參考樁中心在導向架周圍均勻焊接φ10mm的定位筋，定位筋與護筒間的距離應精確在50mm。在鋼護筒施工過程中，應定期對鋼護筒與定位筋間的距離進行測定，當偏差過大時進行及時糾正。鋼護筒施工采用的施工方法為壓入法，所用設備為DZ300振動錘。鋼護筒每打入3m需要利用水平尺對鋼護筒與定位筋間的距離進行測定，如果護筒垂直度與樁位偏移超過50mm，使用DZ90振動錘進行單邊振動打壓，實現(xiàn)對控制垂直度。通過鋼護筒垂直度與中心偏移量進行有效控制，為后續(xù)樁基開鉆奠定了良好的基礎。

圖7的結(jié)果表示，發(fā)動機應用停缸技術(shù)前后，其CO的排放量是相差不大的。

2 試驗工況及方法

2.1 停缸策略

本文中試驗結(jié)果中的節(jié)油率或減排率的計算公式如下：

本研究中，通過電控系統(tǒng)控制發(fā)動機停止缸的斷油操作。本發(fā)動機采用的滾子搖臂的氣門驅(qū)動機構(gòu)，實驗中通過電控系統(tǒng)控制挺住的升程，以控制氣門的開啟和關閉。

2.2 試驗工況

本研究中的發(fā)動機運行工況主要分布在1500-3000rpm的小負荷區(qū)域(BMEP≤0.5MPa)，具體的工況點見圖2。

The parameters used in the computational process are as follows[26]: nr = 3.2, Γ = 1/0.14 ps, and I = 4 MW/cm2, the others needed are shown in Table 1.

3 試驗結(jié)果及分析

本文通過開展工況點的萬有特性試驗，分別采集停缸和未停缸下的臺架測量數(shù)據(jù)、燃燒分析儀數(shù)據(jù)和排放相關的數(shù)據(jù)，來進行燃油消耗、排放特性的分析。

3.1 試驗結(jié)果的計算公式

本研究中選擇第2、3氣缸作為停止缸，第1、4缸作為工作缸；在2、3氣缸斷油的同時關閉2、3氣缸的進、排氣門。

3.2 燃油消耗結(jié)果分析

本試驗的停缸和未停缸下的燃油消耗對比如圖3所示。

廣泛性焦慮(generalized anxiety disorder,GAD)又稱慢性焦慮癥,主要表現(xiàn)為與現(xiàn)實不相符的持續(xù)痛苦、擔憂,患者警惕性增高易發(fā)脾氣,過分關注周圍環(huán)境或自身健康而不能放松下來。GAD的發(fā)病機制尚無確切的結(jié)論,遺傳因素可能是GAD的重要發(fā)病機制之一,有研究顯示廣泛性焦慮障礙患者和正常人的一級親屬患病風險率分別為19.5%和3.5%。對雙生子的研究也顯示,在同卵雙生子中,該病的共患率明顯高于異卵雙生子。

由圖3、圖4的結(jié)果可知，發(fā)動機應用停缸技術(shù)后，其燃油消耗量降低了。當BMEP=0.1MPa,轉(zhuǎn)速1500～3000rpm時，發(fā)動機的節(jié)油率在19%以上；在轉(zhuǎn)速2750rpm，BMEP=0.1MPa工況時，發(fā)動機達到了26.5%的最高節(jié)油率。

如今，我國的基本國策中包含了節(jié)約用水的相關內(nèi)容，節(jié)約用水是每個人需盡的義務。水資源不合理的使用以及對水資源的保護不夠重視等問題會加劇水資源的供需矛盾。在城市用水中，人占有主要地位，因此，要實現(xiàn)節(jié)約用水，其根源還是提升人的節(jié)水意識。在設計排水系統(tǒng)時，需著重關注人們的節(jié)水意識：

發(fā)動機應用停缸技術(shù)后，發(fā)動機燃燒效率提高，缸內(nèi)溫度提高，促進了燃料的燃料，進而降低了THC的生成。由此可知，發(fā)動機應用停缸技術(shù)，可以降低發(fā)動機的THC排放。

(1)相同轉(zhuǎn)速下，隨著負荷的提高，發(fā)動機在停缸狀態(tài)下的節(jié)油效果逐漸降低；

(2)相同負荷下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機在停缸狀態(tài)下的節(jié)油效果呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

由此可見，發(fā)動機在中低轉(zhuǎn)速低負荷工況應用停缸技術(shù)后，有明顯的節(jié)油效果。

3.3 排放結(jié)果分析

3.3.1 THC的排放結(jié)果

發(fā)動機燃燒效率的增加，消耗了氧含量，由于缺氧，抑制了CO的轉(zhuǎn)化，導致了CO生成量增加。

本工程涌水量大、水位降深大，所需水泵揚程高，水泵的外徑一般為250 mm。而井管內(nèi)徑至少需大于水泵外徑50 mm，故本次管內(nèi)徑按400 mm考慮，成孔直徑按700 mm進行實施。采用6 mm厚鋼管，濾管為橋式濾水管，濾管僅設置在粘土層中，防止抽取上部1～3卵石層地下水；濾管外包40目錦綸濾網(wǎng)，采用瓜子片濾料回填至濾管頂部以上，其上回填粘土球止水，防止1～3卵石層地下水進入降水井，詳見圖3。

同時發(fā)動機的燃油消耗降低呈現(xiàn)如下規(guī)律：

3.3.2 CO的排放結(jié)果

本試驗中，由臺架自帶油耗測量儀測量發(fā)動機的燃油消耗，由臺架的水恒溫系統(tǒng)控制發(fā)動機的水溫保持在90±5℃范圍內(nèi)。在排氣系統(tǒng)的三元催化器上游管路中取氣，通過氣體分析儀測量CO、NOx、THC等氣體污染物的體積流量；在三元催化器上游管路中加裝測量孔，由煙度測量儀測量排氣中的煙度值；同時在三元催化器的上游加裝安裝孔，連接ETAS 630測量過量空氣系數(shù)(λ值)；最后在顆粒捕集器的上游管路中加裝測量孔，測量發(fā)動機的排氣中的顆粒數(shù)量。發(fā)動機各氣缸安裝缸壓傳感器，在發(fā)動機曲軸皮帶輪除安裝角標儀，將缸壓信號和角標信號連入到燃燒分析儀中，測量發(fā)動機的燃燒參數(shù)。本試驗使用設備見表2。

3.3.4 PM的排放結(jié)果

由圖8的結(jié)果可知，當在轉(zhuǎn)速2000-3000rpm、BMEP=0.1-0.2MPa的工況區(qū)域內(nèi)，應用停缸技術(shù)后，其CO的排放是降低的；在本研究的其他區(qū)域內(nèi)，發(fā)動機應用停缸技術(shù)，其CO的排放量是增加的。

如圖5所示，發(fā)動機應用停缸技術(shù)后，其THC的排放量是呈現(xiàn)降低趨勢。由圖6可知，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速在小于2000rpm、BMEP大于0.3MPa的區(qū)域內(nèi)，THC的減排率能搞達到30-40%左右；在轉(zhuǎn)速1750rpm，BMEP=0.3MPa工況時，THC的減排率達到了最高點，為46.2%。

3.3.3 NOx的排放結(jié)果

圖9的結(jié)果顯示，發(fā)動機應用停缸技術(shù)前后，其NOx的排放量是呈現(xiàn)增高趨勢的。

由圖10可以看出，當負荷在0.1MPa的工況區(qū)域內(nèi)，應用停缸技術(shù)后，其NOx的排放量是降低的；在0.2-0.5MPa的工況區(qū)域內(nèi)，其CO的排放量是增加的。這是由于使用停缸技術(shù)后，發(fā)動機的缸內(nèi)溫度增加，這給NOx的生成創(chuàng)造了有利的條件，NOx的排放量增加。

其他危險貨物（帶包裝）裝卸采用起重機械進行吊裝（裝卸船），叉車搬運，危險貨物（包括包裝物）不在碼頭（港區(qū)）堆放停留。

由圖11可知，發(fā)動機的PM排放量變化在小于0.07mg/m

內(nèi)；由此可知，應用停缸技術(shù)，對PM的排放量影響不大。

3.3.5 PN的排放結(jié)果

據(jù)介紹，自3月起，中糧與黑龍江省牡丹江市寧安市共同推廣打造農(nóng)業(yè)綜合服務平臺。前期中糧8位小組成員4次赴寧安調(diào)研，歷時33天深入35個村、8個合作社、38個種植農(nóng)戶，實地考察、組織農(nóng)戶、訪談客戶，逐一落實合作社和土地面積。

由圖12可看出，應用停缸技術(shù)前后，發(fā)動機的PN排放量在10

#/cm

內(nèi)變化；由此可知，發(fā)動機應用停缸技術(shù)后，對PN的排放量影響不大。

對照組：男、女占比各為25:15；年齡段在46～66歲之間，經(jīng)計算后中位年齡為（56.03±1.24）歲。

4 結(jié)論

(1)發(fā)動機應用停缸技術(shù)，可有效降低發(fā)動機的燃油消耗，最高可以實現(xiàn)26.5%的節(jié)油率。

(2)發(fā)動機應用停缸技術(shù)，其燃油消耗降低有以下規(guī)律：相同轉(zhuǎn)速下，隨著負荷的提高，發(fā)動機在停缸狀態(tài)下的節(jié)油效果逐漸降低；相同負荷下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機在停缸狀態(tài)下的節(jié)油效果呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。

(3)發(fā)動機在使用停缸技術(shù)后，其THC的排放量總體呈現(xiàn)減少趨勢；在本試驗中，THC的減排率最大能到46.2%。

(4)對于CO和NOx的排放影響，應用停缸技術(shù)后，CO和NOx的排放結(jié)果是在絕大部門工況呈現(xiàn)增大趨勢的。

(5)發(fā)動機的停缸技術(shù)對顆粒物PM和PN是基本無影響的。

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