不同稀释燃烧技术对GDI 汽油机性能的影响

2020-07-03张振东朱海兵张继军黄建勋

汽车工程学报 2020年3期

常龙，沈凯，张振东，朱海兵，张继军，黄建勋

（1.上海理工大学机械工程学院，上海 200093；2.上汽大众汽车有限公司，上海 201804）

由于能源短缺、大气污染等问题越来越突出，国家制定了双积分和国VI 等更为严格的政策和排放法规来提升内燃机的节能环保水平，以期实现能源的可持续性利用与环境的可持续发展[1]。而汽油机稀薄燃烧技术由于更好的热效率和排放特性成为国内外研究机构关注的焦点，现在比较流行的稀薄燃烧方式有废气再循环稀燃和过量空气稀燃两种[2]。废气稀燃是在过量空气系数为1 的基础上，导入废气减缓燃烧，优化燃烧相位，降低泵气损失[3]。而过量空气稀燃更多的是增加混合气的空气比例，从而提高缸内多变指数，改善经济性[4]。

国内外很多科研院所和公司对两种稀燃技术已经进行了深入研究[3,5]，一些高校和企业利用试验和仿真技术研究了EGR 对增压汽油机经济性的优化，部分负荷的效果比较明显[5-6]，并且发现EGR对氮化物排放有较好的抑制作用[7-8]。而过量空气稀薄燃烧的研究发现，提高空燃比有可能突破节气门调节负荷的汽油机控制方式，从而减少泵气损失并提高多变指数，大幅度提高热效率[9-10]，同时在排放方面也有较好的效果[11-12]。

但是现在对两种稀燃技术在同一发动机上的对比资料和结论还比较少。为了更直接地研究两种稀燃方式的优缺点，本文拟在一台1.5 L 的四缸直喷涡轮增压汽油机上分别进行废气稀燃和过量空气稀燃的试验研究。通过对两种技术的整机性能、经济性和排放的对比分析探索两种稀燃技术的优缺点，从而为后期研究及工程应用提供参考。

1 试验系统和试验条件

1.1 试验用发动机和测试系统

本研究对象为一款1.5 L 缸内直喷汽油机，其基本参数见表1。主要测试装置有AVL PUMA 系统、发动机台架标定INCA 系统、AVL 602 燃烧分析仪、AVL 735s 油耗仪、AVL 753c 温控仪、AVL 电力测功机、Horiba 废气分析仪等。发动机试验台架组成如图1 所示。

表1 发动机主要技术参数

图1 发动机试验台架组成

1.2 试验条件

在发动机台架试验过程中，分别选择发动机不同的负荷工况运行点来进行对比试验，控制燃烧循环变动率COV 在3%以内，增压水冷中冷后的进气温度保持35℃，冷却水温度保持85℃±2℃，进气压力为0.1 MPa，燃油为92 号汽油，排放试验按照GB 17691—2005《车用点燃式汽油发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》进行。

1.3 研究方法

本研究将进行汽油发动机运行在不同工况点，分别采用EGR 废气再循环燃烧技术和增加新鲜空气量的稀薄燃烧技术时，汽油机经济性、排放特性的对比。

采用EGR 后，发动机的燃烧会发生变化，研究中将调整喷油、进气和点火提前角在最优化状态，记录并分析发动机的经济性和排放特性。试验中，EGR 率的计算方式如式（1）所示。

发动机稀薄燃烧时，由于缸内多变指数变化，在保证运行工况点的条件下，优化点火提前角、进气压力和燃油喷射脉宽，与采用EGR 燃烧技术的发动机在相同工况点，对比研究经济性和排放特性。稀薄燃烧稀释程度用过量空气系数lambda 进行度量。

定义原机的燃烧过程、过量空气稀薄燃烧过程和EGR 稀释燃烧过程为3 种不同燃烧技术方式。为了进行不同稀释燃烧技术对发动机性能影响的研究，将给出试验的各个工况点和采用的稀释技术种类和参数，见表2，表中各个工况下的EGR 率和过量空气系数为控制COV 在3%以内，优化得出稀释参数。原机采用化学计量比燃烧方式，保持EGR率为0，分别测试2 000 r/min 转速下，0.5 MPa、0.8 MPa、1.1 MPa、1.4 MPa、1.7 MPa 的负荷特性，以进行对比分析。

同时，为了对比分析不同稀释燃烧技术对发动机经济性的影响，定义了描述燃烧过程的参数如下：发动机压缩上止点为0°CA 曲轴转角；MFB10 定义为放热量达到10%的曲轴转角，也称为滞燃期；MFB50 为燃烧相位，定义为放热量达50%的曲轴转角；MFB90 定义为放热量达到90%的曲轴转角；MFB10-90 表示燃烧持续期，如式（2）所示。

表2 试验研究工况及采用稀释燃烧技术参数

4 2 000 1.4 0 0 5 2 000 1.7 0 0 6 2 000 0.5 0 1.40 7 2 000 0.8 0 1.40 8 2 000 1.1 0 1.40 9 2 000 1.4 0 1.35 10 2 000 1.7 0 1.25 11 2 000 0.5 14 1 12 2 000 0.8 15.5 1 13 2 000 1.1 16 1 14 2 000 1.4 20 1 15 2 000 1.7 16 1

2 试验研究结果及分析

2.1 不同稀释参数的发动机经济性对比

进行了原机2 000 r/min 转速下，0.5 MPa、0.8 MPa、1.1 MPa、1.4 MPa、1.7 MPa 的经济性测试，同时开展了在相同工况下，采用不同的、优化的稀释参数时发动机经济性的试验，结果如图2 所示。

图2 不同稀释燃烧技术时发动机比油耗

由图2 可以得出采用3 种不同燃烧技术时的发动机经济性变化规律：在所有试验工况范围内，过量空气稀释燃烧表现出最优的经济性，EGR 稀释燃烧相比于原机比油耗也呈现较大幅度下降。

为了全面、综合地分析3 种不同燃烧技术的燃烧过程和比油耗变化趋势，给出了点火提前角、滞燃期MFB10、燃烧相位MFB50 和燃烧持续期MFB10-90 等燃烧控制参数，如图3 和图4 所示。

图3 不同稀释燃烧的点火提前角和MFB10

图4 不同稀释燃烧的MFB50 和MFB10-90

相比于原机，EGR 和过量空气稀释燃烧都可以降低压缩终了混合气温度，因此发动机可以采用更为激进的点火提前角，以获得更好的燃烧相位。图3显示，EGR 稀释燃烧采用了最为提前的点火角，滞燃期MFB10 也最为提前，导致了EGR 稀释燃烧具有最提前的燃烧相位MFB50（图4），有利于改善发动机的经济性。但是，决定发动机比油耗的不仅仅有燃烧相位MFB50，多变指数也是重要影响因素。采用EGR 后，缸内多变指数相较于原机变化幅度较小，而采用过量空气稀释燃烧后，多变指数有较大增加，且在本研究中多变指数带来的经济性改善超过了燃烧相位MFB50 优化带来的效果，所以过量空气稀释燃烧获得了最优的经济性。此外，虽然稀释燃烧的点火提前角、滞燃期MFB10 和燃烧相位MFB50 均优于原机，但燃烧持续期MFB10-90 却长于原机，这表明稀释燃烧的燃烧火焰速度低于原机，且燃烧持续期对发动机经济性的影响较小。

综合上述分析可以认为，在本研究中所采用的EGR 和过量空气稀释参数下，多变指数的变化对经济性的改善起到了决定性作用，过量空气稀释的燃烧技术比油耗最低；EGR 稀释技术通过燃烧相位的提前，实现了经济性优于原机；而燃烧持续期对于发动机经济性的影响有限。

2.2 不同稀释参数的发动机排放特性对比

采用与发动机经济性对比研究时相同的运行工况点，进行不同负荷HC、CO 和NOx的排放特性测试，结果如图5 ～7 所示。

图5 不同稀释燃烧技术时发动机HC 排放

由图5 可知，EGR 稀释燃烧时的HC 排放量在所有试验工况点均高于原机和过量空气稀释燃烧；且发动机在中小负荷运行时，过量空气稀释燃烧的HC 高于原机；而随着负荷的增加，HC 排放量下降，低于原机排放水平。分析认为，汽油机形成HC 排放主要有3 个要素，狭缝效应、燃烧不完全性和后期氧化过程。采用EGR 稀释燃烧技术时，缸内燃烧温度大幅下降，火焰传播速度减慢，EGR 再循环废气的惰性加剧了燃烧的不完全性，因此其HC 排放最高；在中小负荷工况时，缸内燃烧温度普遍不高，过稀的混合气容易导致不完全燃烧的HC 量增加，因此其HC 排放较高；而随着负荷的增加，缸内燃烧的循环燃油量增加，HC 的后期氧化过程得到较大改善，且稀薄燃烧模式中氧含量充裕，大大促进了HC 的氧化过程，导致大负荷时过量空气稀释燃烧的HC 排放量低于原机。此外，缸内热负荷随着发动机负荷的增加而增加，改善了HC 后期氧化过程，这是采用3 种不同燃烧技术时HC 排放随着负荷的增加而均呈现下降趋势的原因。

图6 不同稀释燃烧技术时发动机CO 排放

图6 给出了采用3 种不同燃烧技术路线时发动机CO 排放量的变化趋势，可以知道过量空气稀薄燃烧的CO 排放量大大低于原机和EGR 稀释燃烧；而对比原机和EGR 稀释的CO 排放量，呈现不明显的变化规律。这主要是因为汽油发动机CO 排放量与过量空气系数强相关，在富氧的环境条件下，CO的排放会大幅下降，因此过量空气稀释燃烧的CO排放量远低于原机和EGR 稀释燃烧；而对于EGR稀释燃烧和原机燃烧过程，均以化学计量空燃比运行，因此CO 排放呈现不明显的变化规律。

图7 不同稀释燃烧技术时发动机NOx 排放

由图7 可知，除2 000 r/min 、1.7 MPa 全负荷工况外，分别采用原机燃烧过程、过量空气稀释燃烧和EGR 稀释燃烧时，NOx排放呈现依次下降的趋势。汽油发动机NOx生成的条件是高温、富氧和高温持续时间，改变任一条件将直接影响NOx量的生成。相比于原机，EGR 稀释燃烧和过量空气稀释燃烧的缸内燃烧温度均下降，因此NOx排放低于原机；而相比于EGR 稀释燃烧，过量空气稀释燃烧的氧化氛围更强，导致其NOx排放较高。此外，在2 000 r/min、1.7 MPa 工况下，此时发动机缸内热负荷很高，稀薄燃烧的富氧导致其NOx排放量超过了原机。