某直噴發動機稀釋燃燒的試驗研究

吳銘淞

(同濟大學汽車學院,上海 200092)

0 前言

燃油經濟性是發動機性能的重要指標之一,根據輕型汽柴油車燃料消耗量測量方法提出實現2025年乘用車百公里油耗平均4.0 L 的目標,同時新能源車型也面臨著環境適應性的難題而無法實現大規模普及,常規發動機節能技術的應用再次受到關注。

汽油稀釋燃燒是指利用稀混合氣驅動發動機做功的一種技術。一般來說,發動機的空燃比大于18.0：1稱之為稀薄燃燒,空燃比介于14.7：1至20.0：1情況下稱之為稀釋燃燒。稀釋燃燒在中小負荷的燃油經濟性改進非常明顯。有研究顯示,在交通擁堵的情況下,發動機在低負荷工況運行的時間占總運行時間的比例甚至高于68%[1]。

稀薄燃燒技術理論上可以達到20%的燃油經濟性改善[2],但發動機開發的周期長、難度大,且對電控系統控制和模型算法要求較高,在實際應用中很難達到預期目標。而稀釋燃燒盡管在理論上的燃油經濟性改善效益較少,但應用該技術發動機硬件幾乎不用更改,且具有已逐漸成熟的排氣后處理技術等優勢條件。隨著近年來電控系統的處理能力和控制算法的日益強大,且常規低成本的節油技術逐漸開發完畢,稀釋燃燒應用的效益預期重新得到了關注。

本文通過臺架試驗方法,研究某直噴增壓發動機在稀釋燃燒情況下的燃油經濟性、原始排放和燃燒噪聲等特性。

1 研究裝置與設備

該研究的臺架試驗采用上汽集團研發的NLE 2.0T 直噴發動機。該發動機的技術參數如表1所示。主要試驗設備如表2所示。

表1 上汽NLE 2.0T發動機技術參數

表2 主要試驗設備列表

2 燃油經濟性

2.1 測試工況及測試數據

基于新歐洲標準行駛循環(NEDC)和全球輕型汽車測試循環(WLTC)公開選取轉速和扭矩范圍介于轉速2 500 r/min、扭矩200 N·m 以下的工況點,進行不同過量空氣系數(λ)工作點設定的測試,同時通過調整點火提前角找出當前工況下最大制動扭矩(MBT)或爆燃臨界點(KBL)的工作點,得出各工況點的比油耗(BSFC)數值、排放濃度和氣缸壓力數據。

如圖1所示,可以看出最佳BSFC 點的λ范圍,在低負荷工況點是1.15～1.20。隨著負荷上升,在中高負荷工況下λ上升至1.20～1.25。這個特性說明了在應用情況下可以采用變化的λ值來達到發動機最佳燃油經濟性、排放和穩定性的平衡。考慮到燃油控制目標的大幅變化在電控系統中會造成不穩定,這個變化的范圍不能太大。

圖1 不同負荷點BSFC受λ的影響關系

通過試驗測試,可以看出最佳范圍的λ處于1.15～1.25之間,控制的范圍還是易于實施的。如圖2所示,通過采用λ為1.0、1.2和1.2停掉1缸工作的3種設定,獲得在轉速1 500 r/min和2 000 r/min 2個工況點的對比。如圖3所示,可以看出,通過稀釋燃燒,BSFC可以獲得5%～10%的收益。在低負荷區域,采用停掉1缸工作,可以再增加2%～5%的BSFC收益。

2.2 結果分析

圖2 轉速1 500 r/min下稀釋燃燒燃油經濟性

圖3 轉速2 000 r/min下稀釋燃燒燃油經濟性

稀釋燃燒最直接的貢獻是減小泵氣損失。一般認為,低負荷區域主要受節氣門的節流損失的影響,高負荷區域主要受氣閥節流損失和渦輪后壓力損失的影響[3]。通過對燃燒氣缸壓力的數據分析,相比于理論空燃比燃燒,可以看出稀釋燃燒的泵氣損失在小負荷區域是有較大減小的。如圖4所示,隨著進氣平均壓力逐漸接近大氣壓,這個減小量逐漸變小,在超出大氣壓后泵氣損失開始增加但增幅不大。在中高負荷區域的氣缸壓力對比如圖5所示。

圖4 在70 N·m 負荷點的氣缸壓力示功圖(負功)

在不同的轉速下,通過試驗整理負荷(發動機輸出扭矩)和進氣平均壓力(進氣管真空度)之間的關系,可以看出進氣平均壓力僅與負荷成線性關系,與轉速關系不大。試驗結果如圖6所示。通過該關系可以確立泵氣損失變化的趨勢。

圖5 在200 N·m 負荷點缸壓示功圖(負功)

圖6 發動機負荷與進氣管真空度的關系測試

稀釋燃燒使缸內燃燒平均溫度降低,使發動機的爆燃傾向減弱,在原KBL區域的點火提前角設定更接近于MBT 工作點,發動機效率得以提高。從圖7可以看出,隨著負荷的上升,最大燃燒壓力和壓力上升率逐漸從降低變為升高。

稀釋燃燒的燃油經濟性提升機理如下：在小負荷區域,燃油經濟性的主要提升來源是泵氣損失功和熱散失的降低。隨著λ的加大,泵氣損失持續下降,同時燃燒速度變慢。最佳點火提前角設定提前,燃油經濟性持續提升。但隨著λ的進一步加大,燃燒速度過于緩慢且燃燒循環波動大幅增加,導致燃燒惡化而使燃油經濟性開始下降,同時排放廢氣量也開始出現上升。在高負荷區域,燃油經濟性的主要提升來自于稀釋燃燒爆燃傾向的降低,而點火角工作點的燃燒效率提升。隨著λ的增加,此時的泵氣損失不變或有小幅增加,同時燃燒速度并未出現明顯變化。稀釋燃燒使發動機在同等負荷下的爆燃傾向減弱,KBL 工作點更接近MBT 點火提前角,點火效率得到提升,燃油經濟性指標有所提升。隨著λ的進一步加大,燃燒速度開始減慢且燃燒循環波動開始大幅增加,燃燒效率開始下降,燃油經濟性指標開始下降。

圖7 不同負荷狀態下的缸壓曲線(正功)

3 排放性能特性

如圖8、圖9和圖10所示,在稀釋燃燒的λ參數采用固定值時,隨著負荷的上升,相對于理論空燃比燃燒,碳氫(HC)排放在極小負荷工況點有所增加,在大負荷工況點略有減少,氮氧化物(NOx)排放在中高負荷區域有一定增加,CO排放在整個區域內都有大幅下降。

圖8 相同λ工況下的NO x 排放特性

稀釋燃燒采用優化的λ 參數選擇,當其選擇在最優BSFC工況點時,與理論空燃比燃燒相比總體上可以大幅降低CO、HC 和PM 原排,在小負荷時NOx原排減少,但在中高負荷區域NOx原排隨負荷增高有一定幅度增加。同時,隨著稀釋燃燒λ增大至最優BSFC工況點之后,繼續增大可導致NOx排放大幅下降、BSFC上升及HC排放上升,NOx排放始終與BSFC和HC排放呈反向趨勢。

圖9 相同λ工況下HC排放特性

圖10 等λ工況CO 排放特性

4 燃燒噪聲特性

從圖11可以看出,燃燒噪聲差異主要集中在160～1 600 Hz的1/3倍頻程帶范圍內。隨著λ 的變大,燃燒噪聲出現了先上升再下降的過程,而不同工況的最大值出現的λ值是不同的,遵循負荷越大,這個噪聲最大值出現的λ越大。

圖11 轉速2 250 r/min,扭轉160 N·m 燃燒噪聲

基于圖11并比對燃油經濟性變λ 數據和分析結果,可以看出在中大負荷工況下,此趨勢與爆燃點火效率對BSFC改善的趨勢有一致性。而在中小負荷,這個最大值出現在λ=1.0附近,隨著負荷的增大這個最大值逐漸向高λ值處移動。

通過選擇相同λ工況可知,在小負荷時可以同時獲得優化的燃油經濟性和燃燒噪聲,在中高負荷時不能同時獲得這2個參數的同步優化,需基于開發目標進行平衡。

5 結論

稀釋燃燒可以有效降低發動機的燃油消耗率,結合停缸方式在中小負荷時,BSFC 可以達到5%～12%；在中高負荷時,BSFC 可以達到3%～8%的改進。中小負荷時的BSFC改進主要來自于泵氣損失的降低和傳熱損失的減小,中高負荷時的BSFC 改進主要來自于稀釋燃燒爆燃傾向減弱,點火效率得到提升。

稀釋燃燒的λ值選擇在最優BSFC 工況點,相對理論空燃比,燃燒總體上可以大幅降低CO、HC 和顆粒物(PM)排放。在小負荷時,NOx排放減少；在中高負荷區域時,NOx排放隨著負荷的增大有一定幅度的增加。同時,隨著稀釋燃燒λ值增大至最優BSFC 點之后,繼續增大λ值將導致NOx排放大幅下降、BSFC上升,以及HC 排放上升。NOx排放始終與BSFC 和HC排放呈反向趨勢。

相對于理論空燃比狀態,稀釋燃燒在中小負荷區域大幅降低了氣缸壓力的上升率,有效降低了燃燒噪聲；而在中高負荷區域,最優BSFC 點的燃燒噪聲反而有所上升。針對排放平衡優化點,燃燒噪聲可基本持平或略有降低。

通過選擇λ目標值,在小負荷時可以同時獲得優化的燃油經濟性、燃燒噪聲和排放的平衡,而在中高負荷時不能同時獲得燃油經濟性與其他2 個參數的優化,需基于開發目標進行平衡。