商用車發動機可變進氣的潛力

【德】　D.Kovcs　S.Gehrke　P.Eilts

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發展動向

商用車發動機可變進氣的潛力

柴油機可采用可變進氣提高效率，并降低氣缸內有害物質的排放。在德國內燃機研究聯合會的研究計劃范圍內，德國布倫瑞克工業大學(TU Braunschweig)內燃機研究所對符合商用車規格的試驗機開展了可變進氣的研究，分析它們的影響，并驗證其減排增效潛力。

柴油機可變進氣配氣相位米勒循環

0　前言

日益嚴格的排放法規及消費者的低燃油耗訴求，迫使商用車柴油機需要尋求新的突破。此外，為了保證排氣后處理系統的功能性，通常需要采用主動加熱措施。為了解決這些問題，該研究項目對商用車柴油機可變進氣的潛力進行了研究。研究重點是分析和確定基本關系，研究策略如下： (1) 基于氣門正時的排氣管理；(2) 米勒循環的應用；(3) 可變氣門正時與代用燃料的適用性。

基于氣門正時排氣管理的目標是，在不利于排氣后處理的發動機工況下優化排氣后處理系統的排氣參數。過去的排氣管理研究主要針對乘用車發動機[1-2]。然而，商用車發動機可變氣門驅動方面的研究也取得了可喜的成果。例如，De Ojeda[3]提出，提前進氣門關閉角(EIVC)會明顯提高排氣溫度，但需要考慮點火延遲和由此產生的壓力升高等問題。Hermann等人[4]介紹了排氣相位調節器的商業應用，它可以提高柴油機顆粒捕集器(DPF)主動再生的排氣溫度。

第二項研究重點是米勒循環，米勒循環最先由R.H.Miller提出，用以提高輸出功率[5-6]。參考文獻[7]和[8]介紹了熱力學基礎和機理。綜其所述可發現，通過EIVC或延遲進氣門關閉角(LIVC)，可保持氣缸充氣量不變，米勒循環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。雖然對大型發動機而言，米勒循環是最先進的技術，但該技術在商用車柴油機上尚未實現系列應用。

第三項研究重點是可變氣門正時與代用燃料的綜合影響。代用燃料有利于減少對化石能源的依賴，但它們的著火性往往與柴油不同。由于米勒正時通常會使點火條件更加惡劣[3]，同時增加壓力，以致運行時無法實現低噪聲或對機件的保護。

1　研究方法

采用1臺符合商用車規格的單缸試驗機進行研究(表1)。為了避免相互作用，在靈活可調的試驗環境下運轉該試驗發動機，試驗環境的詳細說明見參考文獻[9]。通過分開調節不同參數，這種試驗裝置能將可變氣門正時的影響與其他影響因素相隔離。

表1　試驗機技術數據

通過無凸輪電液驅動氣門機構控制進排氣門[10]，這種氣門機構可以靈活和實時地單獨調節各個氣門的正時。此外，試驗發動機采用高壓廢氣再循環、外源增壓系統和共軌噴油系統，最大噴油壓力為180 MPa。

圖1示出了無凸輪電液驅動氣門機構在轉速1200 r/min時的典型氣門升程和基準配氣相位策略。參考配氣相位來自目前生產的發動機。此外，圖1還示出了基于進氣門關閉角(IVC)的壓縮比。表2列出了在所示工況點進行研究的結果。

(a)

(b)

(c)

(d)

項目參數工況點1(OP1)工況點2(OP2)轉速/(r·min-1)12001200平均有效指示壓力(IMEP)/MPa0.62.1研究重點排氣管理/代用燃料的適用性米勒循環/代用燃料的適用性

2　基于氣門正時的排氣管理

工況點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，上述工況點需要采用排氣管理。

根據圖1所示的配氣相位調整方案1～4研究排氣管理。與參考配氣相位的基準點相同，調整配氣相位時，增壓壓力、排氣背壓、燃燒重心位置(通過調節噴油開始)以及NOx排放(通過調整EGR率)保持不變。此外，還采用預噴、預噴的噴油量，以及預噴與主噴之間的間距保持不變。

圖2示出了研究結果。采用EIVC和LIVC策略，可減少氣缸充量和排氣質量流量，并提高排氣溫度，這兩種策略的趨勢相似。雖然采用LIVC會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，燃油耗最多會增加2.5%。

圖2　基于氣門正時的排氣管理結果(VAT=配氣相位)

減小氣門重疊角會提高內部EGR率，減少排氣質量流量，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調節策略更高。

提前排氣門開啟角(EEVO)，會因膨脹行程損失增大而降低高壓回路的效率，進而增加燃油耗，并提高排氣溫度和PM排放，但不會減少排氣質量流量。測量結果表明，所研究的每個策略都會使溫度大幅提高。此外，由于采用預噴，所以VAT調節時的壓力升高率始終低于0.6 MPa/℃A。

3　米勒循環

下文討論了對全負荷工況下的米勒循環應用的研究。配氣相位調整策略采用圖1所示的方案3(EIVC)和方案4(LIVC)。第一步的重點是分析影響，為了避免交叉影響，IVC時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NOx的形成至關重要，因而通過調節EGR率使氧含量保持不變。圖3介紹了工況點和研究結果。調整配氣相位時，預噴的噴油量以及預噴與主噴之間的間距仍保持不變。

圖3　米勒循環基礎研究

EIVC策略和LIVC策略繼續呈現出相似的趨勢，因為基于IVC調節的壓縮比會大幅減小，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，但會增加PM和CO排放，壓力升高率和燃燒過程基本保持不變。米勒循環會使燃燒過程的溫度降低，進而使排放發生變化。米勒循環引起的另一結果是，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) 進一步提高增壓壓力；(3) 前調燃燒重心。

圖4示出了功率升高的研究結果。通過氣缸充氣補償進行試驗，增大噴油量，直至達到參考工況點的最高燃燒壓力。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%。通過調節EGR使NOx排放保持不變，這會增加空氣流量，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　通過米勒循環提高功率

圖5示出了結合其他減排措施的米勒循環研究結果。首先，按參考順序延遲IVC，并改變增壓壓力。通過提高增壓壓力，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，這是因為米勒循環降低了燃燒過程的溫度，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進行的計算表明，效率提高主要歸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，將燃燒重心前調1.5℃A， 可適度降低燃油耗，但壓力升高率明顯增加。污染物排放發生的變化較小。

圖5　通過米勒循環優化排放

4　可變氣門正時與代用燃料的適用性

下列結果表明，采用米勒正時策略時不同著火性的燃料的適用性。參考燃料采用規格為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純鏈烷烴結構的氫化植物油(HVO)。CEC和HVO的氧含量(基于質量)可忽略不計，含酒精的CECBUT的氧含量約為6%。根據之前的內部研究選擇燃料。

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

在采用氣缸充氣補償的高負荷范圍中，各種燃料的壓力升高率和燃燒過程在配氣相位調整時幾乎不變(圖7)。這主要歸因于高負荷時良好的點火條件以及為實現充氣補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的PM排放有差異。采用米勒正時可降低PM排放，這是因為空燃比增大，進而增加氣缸充氣的氧含量。

圖6　低負荷時采用不同著火性燃料的IVC變化

圖7　高負荷時采用不同著火性燃料的IVC變化

5　結語

在FVV研究計劃范圍內進行的研究項目，結果表明了商用車柴油機可變氣門驅動的潛力。為了支

持排氣后處理系統，可通過配氣相位可變策略大幅提升排氣溫度。米勒循環可在適當增加燃油耗的情況下最多提高功率10%，同時可改善PM-NOx折中和燃油耗，而增壓壓力的提升對改善起著至關重要的作用。此外，研究結果表明，結合采用代用燃料和米勒正時，對在低負荷范圍內采用低十六烷值燃料尤為重要，因而也需要主動的發動機管理措施。

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