采用進氣門二次開啟控制策略實現(xiàn)內部EGR的研究*

孫賓賓，常思勤，劉 梁

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

前言

廢氣再循環(huán)(EGR) 已被證實是降低汽油機NOx排放的有效措施之一[1]。內部EGR由于需要可變配氣機構以及存在廢氣冷卻困難等問題，目前應用還較少。文獻[2]中研究了利用可變排氣正時(開啟和關閉時刻) 實現(xiàn)汽油機內部EGR的技術方案，并通過多目標遺傳優(yōu)化算法對排氣正時進行了優(yōu)化，取得NOx排放和有效燃油消耗率(BSFC)平均 分別降低71%和6%的結果。文獻[3]中在乘用車柴油機上研究了各種以降低NOx排放和BSFC為目的的內部EGR方案，主要由于高溫廢氣難以冷卻的原因，內部EGR未能取得滿意的效果。文獻[4]中通過“負氣門重疊角”(排氣門提前關閉，進氣門延遲開啟)技術，采用“廢氣滯留(exhaust gas trap, EGT)”方案來實現(xiàn)內部EGR。在一臺直噴汽油機上的試驗結果表明，采用EGT方案時，由于缸內壓力提高(主要在排氣行程后期和進氣行程前期)、壓差減小和油門開度加大，降低了部分負荷工況下的泵氣損失，使燃油經濟性提高5%～16%，排放降低。尤其是由于最高燃燒溫度的降低，NOx排放下降了70%以上；但隨著EGT程度的提高，循環(huán)波動加大，燃燒過程延長，不過這可通過增加點火提前角等措施來改善。

另一方面，全柔性的可變配氣機構是近年來發(fā)動機技術領域的前沿之一[5-7]，應用全柔性的可變配氣機構取代常規(guī)發(fā)動機中的凸輪驅動配氣機構，能夠實現(xiàn)根據(jù)工況對發(fā)動機每一氣門的運動規(guī)律進行獨立、連續(xù)可變、實時的調節(jié)。充分利用全柔性的可變配氣機構所提供的設計與控制的自由度和優(yōu)化空間，可以顯著提高發(fā)動機的節(jié)能與環(huán)保性能。

1 技術方案

自行研制的EMVT[8-9]是一種全柔性的可變配氣機構(圖1)，已研制了多輪樣機并進行了性能測試，具備了在發(fā)動機上應用的基本條件。

本文中提出了一種應用EMVT在排氣過程中通過單進氣門二次開啟來實現(xiàn)發(fā)動機內部EGR的技術方案，并針對這一方案對進氣門正時和升程進行了試驗調試(排氣門曲線采用原機數(shù)據(jù))。試驗結果表明，基于該EMVT的進氣門可以滿足這一技術方案的調節(jié)需求，如圖2所示。

2 汽油機基本參數(shù)與仿真模型

所研究的汽油機的主要參數(shù)見表1。

表1 汽油機主要參數(shù)

采用發(fā)動機工作過程一維數(shù)值仿真軟件AVL BOOST建立汽油機工作過程的仿真模型，缸內傳熱采用Woschnil1978模型，摩擦損失壓力采用Chen-Flynn的關系式，燃燒模型采用Fractal準維燃燒模型，并根據(jù)原機試驗數(shù)據(jù)進行驗證(圖3)，模型的誤差可以控制在5%以內。因此，可以利用該模型進行發(fā)動機內部EGR的研究。

在上述模型的基礎上，將節(jié)氣門裝置拿掉，并將進氣門的驅動方式改為電磁驅動形式，且保持第二次進氣開啟角為360°CA不變，排氣門仍采用凸輪驅動，完成基于EMVT的內部EGR仿真建模。由于進氣門二次開啟方案會使進氣道的溫度提高，為保證模型的精度需要考慮進氣道傳熱。

與韋伯燃燒模型相比，F(xiàn)ractal準維燃燒模型可以通過一些影響燃燒過程的基本物理量來預測汽油機的燃燒規(guī)律而不是預先給定燃燒速率曲線[10-12]。該模型的燃燒速率公式如下：

dmb/dt=ρuATSL

(1)

式中:ρu為未燃混合物密度；AT為湍流火焰面積，它反映了湍流對燃燒速率的影響程度。有關湍流的產生和耗散參數(shù)參考文獻[13]進行了修正，該文獻研究了這款發(fā)動機應用EMVT后缸內湍動能較原機的變化情況。SL為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，由于該值與殘余廢氣量、缸內溫度和壓力直接相關，在進行內部EGR仿真分析時需要重點研究該值。

對于AVL BOOST程序，參考文獻[10]中的公式對層流火焰速度進行了計算，即

SL=SL0(Tu/Tu.ref)γ(P/Pref)β(1-mfRG)d

(2)

式中：SL0為參考層流火焰速度，其值與燃料性質有關；Tu.ref=298K和Pref=101.3kPa分別為參考溫度和參考壓力；γ和β分別為溫度和壓力指數(shù)；mfRG為殘余廢氣系數(shù)；d為殘余廢氣對層流火焰速度的影響參數(shù)(文獻[10]中推薦為2)。

文獻[14]中通過試驗總結了各種燃料-空氣混合物在內燃機中的層流火焰速度經驗公式：

SL=SL0(Tu/Tu.ref)γ(P/Pref)β(1-2.1Ydil)

(3)

式中Ydil為殘余廢氣系數(shù)。

研究結果表明，當EGR率較小時，式(2) 中d取2計算得到的層流火焰速度較式(3) 計算得到的值相差很小;但是當EGR率較高時，若不對d值進行修正，那么其計算得到的層流火焰速度要明顯高于式(3) 得到的值，而且EGR率越高，差值越大。這說明在較高EGR率時取d為2實際是低估了廢氣對層流火焰速度的影響，需要參考式(3) 進行修正以得到正確的層流火焰速度與殘余廢氣的關系。

仿真模型中的NOx計算模型服從于擴展的Zeldovich機理：

N2+O=NO+N,R1=K1·[N2]e·[O]e

O2+N=NO+O,R2=K2·[N]e·[O2]e

N+OH=NO+H,R3=K3·[N]e·[OH]e

N2O+O=NO+NO,R4=K4·[N2O]e·[O]e

O2+N2=N2O+O,R5=K5·[N2]e·[O2]e

OH+N2=N2O+H,R6=K6·[N2]e·[OH]e

3 內部EGR仿真方案的確定和分析

3.1 內部EGR仿真方案的確定

在車用發(fā)動機工作的中低轉速、部分負荷的典型工況下，與雙進氣門模式相比，單進氣門模式在泵氣損失增加不多的情況下可減少氣門驅動功耗，并在一定程度上提高工質的運動強度，見圖4和圖5。

表2給出了1 600r/min、30%負荷工況EGR率為20%時不同的單進氣門第一次開啟時刻發(fā)動機的泵氣損失、氣門開啟背壓以及缸內溫度的變化情況。進氣門在190°CA第一次開啟時(排氣門開啟角為146°CA)泵氣損失相對較小，而且開啟時缸內的壓力和溫度都最小，這有利于降低EMVT自身的功率損耗，減少自身產生的熱量和高溫廢氣對其傳熱量，提高EMVT的可靠性，延長其使用壽命。

表2 不同進氣門開啟時刻的相關參數(shù)

綜上所述，選擇190°CA作為單進氣門第一次開啟時刻，通過調節(jié)第一次和第二次進氣門開啟持續(xù)期的大小，在保證新鮮充氣量與原機相同的條件下，得到不同的缸內殘余廢氣系數(shù)，最終實現(xiàn)不同的內部EGR率。

3.2 基于仿真的內部EGR對汽油機NOx生成量的影響

本文中所研究的原機在低轉速、中低負荷工況時通過VCT來調節(jié)進/排氣門正時以獲得不同的氣門重疊角，實現(xiàn)內部EGR以降低NOx的生成量(如圖10所示，1 600r/min、30%負荷工況時基于VCT的EGR率為12%)。但應用VCT的內部EGR方案面臨著在改善NOx排放的同時，會發(fā)生經濟性惡化和NOx降低效果變差的矛盾。一是進一步增大氣門重疊角會影響充氣效率；二是提高EGR率需要增大點火提前角，否則會造成失火現(xiàn)象，但是隨著EGR率的提高，廢氣對進氣加熱作用會變得更強，此時若再增加點火提前角可能會引起爆燃；三是EGR率的提高會造成壓縮始點和燃燒溫度提高，導致降低NOx的效果變差。而應用EMVT的內部EGR方案可以有效地解決上述問題。首先，對于所研究的部分負荷工況可利用進氣門早關(EIVC) 技術，通過推遲進氣早關角來增加充量體積以彌補其密度變小的問題。其次，與原機相比，應用EIVC技術的發(fā)動機會出現(xiàn)缸內殘余廢氣量降低的同時NOx的生成量卻仍有不同程度下降的現(xiàn)象。這是因為在該技術方案下，進氣門在活塞還未到達進氣下止點之前就已經關閉了，在活塞隨后的下行過程中缸內工質對外膨脹做功，使進氣、壓縮以及燃燒初期缸內溫度下降(見圖6)，進、而降低整個燃燒過程的溫度以及NOx的生成量。正是基于EIVC技術方案的降溫特點，所以能夠解決上述提到的由高溫引起的爆燃以及NOx降低效果變差的問題。在此基礎上再通過進氣門二次開啟內部EGR方案可以使NOx排放進一步大幅下降。研究結果表明，1 600r/min、30%負荷工況，應用EMVT的EGR方案在EGR率為20%時進氣和壓縮沖程缸內溫度才與原機相當，而此時NOx的生成量和BSFC較原機分別下降了73.8%和13.6%(圖7和圖9)。由此可見，應用EMVT 的內部EGR方案可以有效解決上述提到的在改善NOx排放的同時，會發(fā)生經濟性惡化以及NOx降低效果變差的矛盾。

3.3 基于仿真的內部EGR對汽油機經濟性影響

原機通過調整節(jié)氣門開度的大小來控制氣量，進而達到控制負荷的目的。部分負荷時，氣流通過非全開的節(jié)氣門時勢必會產生局部壓力損失，造成較大的泵氣損失，影響發(fā)動機的經濟性。在原機上應用EMVT后，可以通過EIVC技術方案代替節(jié)氣門實現(xiàn)發(fā)動機的負荷調節(jié)。節(jié)氣門的取消會大大降低發(fā)動機部分負荷時的泵氣損失，見圖8和圖9，提高指示效率，使經濟性得到大幅改善。

研究結果表明，1 600r/min、30%負荷工況下，與原機相比，應用EIVC技術方案可以使發(fā)動機的泵氣損失降低高達81.3%,BSFC降低11.6%。此外，隨著EGR率的提高，發(fā)動機的泵氣損失仍會有小幅度降低。這是因為隨著EGR率的提高，進氣門第二次開啟過程進入到缸內的廢氣就越多，進而提高進氣過程缸內的壓力，使發(fā)動機P-V圖上換氣過程的負功面積減小，即泵氣損失降低。而且在1 600r/min、30%負荷工況下，應用EMVT的內部EGR率在20%范圍內時，隨著EGR率的提高發(fā)動機的BSFC仍有較小幅度的改善，而在30%EGR率后該值則會出現(xiàn)急劇增大的問題，這是因為：一方面泵氣損失會隨著EGR率的提高而降低；另一方面單純的EIVC技術會使進氣、壓縮沖程以及燃燒初期的缸內溫度降低，造成燃燒初期火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档膯栴}，進而影響發(fā)動機初期放熱率。在此基礎上，通過引入適量的廢氣可以提升燃燒初期溫度，改善燃燒初期放熱率。但是，當EGR率高于30%后，過度的殘余廢氣量會使燃燒急劇惡化，嚴重影響發(fā)動機的經濟性，即應用EMVT的內部EGR方案在一定的EGR率后同樣會出現(xiàn)上面提到的在改善NOx排放的同時經濟性會發(fā)生惡化的矛盾，不過該EGR率范圍實際應用意義不大，可以忽略。

圖10給出了中低轉速、部分負荷其他工況下應用EMVT實現(xiàn)內部EGR后發(fā)動機相關性能的變化情況。研究結果表明，不同工況下發(fā)動機最優(yōu)BSFC所對應的EGR率會有所改變，但NOx生成量和BSFC的整體變化趨勢相同。

4 結論

(1) 提出了一種應用EMVT在排氣過程中通過單進氣門二次開啟來實現(xiàn)發(fā)動機內部EGR的技術方案。研究結果表明，在車用發(fā)動機工作的中低轉速、部分負荷的典型工況下，與應用VCT的原機相比，在一定的EGR率范圍內，該方案能有效解決原機在改善NOx排放的同時會發(fā)生經濟性惡化以及NOx降低效果變差的矛盾，使NOx排放以及經濟性均得到明顯改善。

(2) 與原機相比，應用EIVC技術方案會使發(fā)動機進氣、壓縮以及燃燒初期缸內溫度降低，進而會出現(xiàn)缸內殘余廢氣量降低的同時NOx的生成量卻仍有不同程度下降的現(xiàn)象。在此基礎上通過進氣門二次開啟內部EGR方案，可使NOx排放大幅下降。

(3) 應用EMVT的內部EGR方案，由于取消了節(jié)氣門可以使發(fā)動機部分負荷的泵氣損失大幅下降，顯著改善了發(fā)動機的經濟性，而且隨著內部EGR率的提高，泵氣損失仍有所下降。此外，不同工況下發(fā)動機最優(yōu)有效燃油消耗率所對應的EGR率有所不同，但有效燃油消耗率的整體變化趨勢相同。

(4) 通過仿真分析得到了發(fā)動機不同工況下最優(yōu)有效燃油消耗率所對應的EGR率值及相應的進氣門控制參數(shù)，并依據(jù)這些參數(shù)對進氣門進行了試驗調試。結果表明，基于EMVT的進氣門可以滿足這一技術方案的調節(jié)需求，為下一步的裝機應用打下了良好的基礎。

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