殘余廢氣系數對內燃機缸內熱功轉換性能影響的實驗

摘 要：為提高殘余廢氣系數對內燃機缸內熱功轉換性能影響的研究，利用1臺自然吸氣單缸機開展臺架測試，分析RGF引起的內燃機熱功轉換效果與排放特性變。研究結果表明：提高殘余廢氣系數后，燃燒階段快速單調升高。缸內殘余廢氣可以起到稀釋新鮮混合氣的效果，導致燃燒速率減小，從而引起燃燒持續期的快速升高。提高殘余廢氣系數的過程中，由初始點火時刻到50%燃燒點都保持單調遞增；當轉速提高時，從點火到50%燃燒點的曲軸轉角也明顯升高。提高殘余廢氣系數后，高壓循環指示熱效率表現為小幅升高。缸內燃燒溫度與殘余廢氣系數之間呈現負相關變化；50%燃燒點發生了燃燒惡化結果。本方法具有較高的預測精度，可大大降低傳感器成本，具有很高的實際應用價值。

關鍵詞：內燃機；殘余廢氣系數；燃燒；排放

中圖分類號：U467.2+1文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0109-04

Test on Effect of Residual Exhaust Gas Coefficient on Thermal Work Conversion Performance of Internal Combustion Engine Cylinder

Abstract：In order to study the effect of residual exhaust gas coefficient on the thermal power conversion performance of internal combustion engine cylinder， a naturally aspirated single cylinder machine was used to carry out bench test， and the thermal power conversion effect and emission characteristics of internal combustion engine caused by RGF were analyzed. The results show that the combustion phase increases rapidly and monotonic ally after increasing the residual gas coefficient. The residual exhaust gas in the cylinder can play the role of diluting the fresh mixture， resulting in a decrease in the combustion rate and a rapid increase in the combustion duration. In the process of increasing the residual gas coefficient， it keeps monotonically increasing from the initial ignition time to the 50% combustion point. When the speed increases， the crankshaft angle from ignition to 50% combustion point also increases significantly. After the residual gas coefficient is increased， the thermal efficiency of high pressure circulation indicates a small increase. There is a negative correlation between combustion temperature and residual gas coefficient in the cylinder. Combustion deterioration occurs at 50% of the combustion points. This method has high prediction accuracy， can greatly reduce the cost of sensor， and has high practical application value.

Keywords：gasoline engine; residual gas coefficient; combustion; emission

0 引言

發動機運行過程形成的殘余廢氣中主要為高溫混合氣，會對后續循環吸入的氣體發揮加熱效果，并且廢氣組分主要是由不燃成分組成，跟新鮮氣體發生混合時將會引起燃燒速率的變化，從而干擾發動機的熱量轉換與排放效果。

為深入分析發動機運行性能與殘余廢氣量的關系，有學者開發了廢氣再循環（EGR）方法來控制缸內的殘余廢氣量，由此判斷殘余廢氣量對發動機特性產生的影響［1-4］。李長錕等［5］通過設置排氣門的開閉時刻實現內部EGR率的調節效果，同時探討了柴油機處于低負荷狀態下的低溫燃燒與排放性能，結果顯示增大EGR率有助于獲得更高的排放量并提升熱效率。陳硯才等［6］對各類EGR廢氣組分下的顆粒開展熱重測試，對比了不同EGR廢氣組分下的顆粒物質差異性，結果顯示當EGR廢氣內存在CO2時將會對顆粒燃燒特性產生顯著作用。朱贊等［7］選擇高低壓燃料發動機作為測試對象，分析了EGR率在不同噴油提前角下引起雙燃料發動機特性的變化，結果顯示引入EGR的情況下，需設置較大的噴油提前角，從而有效控制NOX、HC與CO排放量并減少碳煙量。唐利綱等［8］同時運用動態壓力測試和數值分析方法分析內燃機處于瞬變工況下的RGF，同時確定了合適的參數范圍、變化特征與作用機制。

雖然到目前為此針對發動機缸內殘余廢氣進行預測的精度已滿足實際應用需求，但考慮需要通過一個或多個動態壓力傳感器進行精確測試的方式來獲得模型輸入［9］，導致成本偏高并且較易發生破壞失效，實際算法也較為復雜，并不適合對整車實際道路循環過程開展測試。根據以上研究結果，本文利用1臺自然吸氣單缸機開展臺架測試，同時分析了RGF引起的內燃機熱功轉換效果與排放特性的變化情況，選擇1臺增壓直噴4缸內燃機開展驗證分析。

1 試驗

1.1 臺架試驗

為分析內燃機特性與缸內殘余廢氣的關系，對1臺自然吸氣單缸機進行了穩態臺架測試。按照表1設定發動機的各項性能指標參數。圖1給出了單缸機臺架的結構圖。根據圖1可知，缸壓傳感器可以對缸壓信號進行實時測試，再將結果傳輸至燃燒分析儀，以此判斷殘余廢氣系數引起的燃燒特性差異［10］；同時，還在臺架中加入排放分析儀來實現發動機排氣成分的取樣過程，從而為分析缸內殘余廢氣系數引起的排放變化提供參考依據。表2為測試設備與裝置的具體結構參數，數據選用的是PUMA系統，測功機控制選用的是PUMA自帶的OPEN1.4.1系統。

1.2 試驗工況

以某臺4缸增壓缸內直噴乘用車為對象，單缸機利用EGR閥控制的方式來實現缸內殘余廢氣系數調控的功能。為臺架測試設定下述工況參數：轉速保持1 500r/min固定值，將指示壓力設定在0.36MPa；保持轉速2 000r/min以及指示壓力均值為0.32MPa，控制EGR率從0按照5%增長到不穩定燃燒狀態［12］。影響內燃機排氣性能的因素主要有轉速、壓力和閥門啟閉3個因素。以下從這3個因素方面，給出了4組仿真條件開展測試研究：

第1組，轉速1 500 r/min，壓力0.36 MPa，閥門關閉；

第2組，轉速1 500 r/min，壓力0.36 MPa，閥門開啟；

第3組，轉速2 000 r/min，壓力0.32 MPa，閥門關閉；

第4組，轉速2 000 r/min，壓力0.32 MPa，閥門開啟。

2 殘余廢氣對缸內熱功轉換過程的影響

圖2給出了10%～90%燃燒階段的動力參數與殘余廢氣系數的關系。根據圖2可知，提高殘余廢氣系數后，在上述燃燒階段發生了快速單調升高的趨勢。這是由于殘余廢氣內存在之前循環過程的CO2產物等，從而抑制了缸內的燃燒反應，導致燃燒速度變慢的現象。相比較其他3組，第2組的測試結果更具有代表性。

圖3給出了缸內燃燒溫度的測試結果。通過分析圖3可以發現，缸內殘余廢氣可以起到稀釋新鮮混合氣的效果，并且缸內殘余廢氣具備很高熱容，因此當殘余廢氣系數提高時發生了燃燒溫度下降的現象，導致燃燒速率的減小；處于較大殘余廢氣系數下，燃燒速率受到殘余廢氣的影響程度更大，從而引起燃燒持續期的快速升高；另一方面，控制閥開啟狀態下，10%～90%燃燒持續期顯著縮短。這是因為開啟控制閥時，缸內產生了更大氣流運動，有助于更快完成缸內燃燒過程，從而減弱殘余廢氣系數引起缸內燃燒狀態的變化，形成更短燃燒持續期。以第2組為例，殘余廢氣系數在25%之前，缸內具有較高的燃燒溫度。

圖4給出了50%燃燒部位與殘余廢氣系數之間的變化關系。分析結果發現，在一定區間內隨著殘余廢氣含量提高后，50%燃燒位置點設置更高點火提前角也保持相對穩定的狀態，通常位于壓縮上止點后8°的部位，屬于工程應用方面獲得認可的最優50%燃燒部位；繼續提高殘余廢氣系數時，除了轉速2 000r/min與IMEP值0.32MPa以及控制閥處于開啟狀態的情況以外，剩余工況都發生了50%燃燒點推遲結果。這是因為缸內存在過高比例的殘余廢氣時降低了缸內燃燒速度，引起燃燒波動或發生失火的情況，由此引起無法實現最優50%的燃燒狀態。當轉速為1 500r/min，IMEP值為0.36MPa以及控制閥關閉的情況下，提高殘余廢氣系數時，50%燃燒位置發生了明顯提前情況。這是因為缸內存在過高比例的殘余廢氣時會產生不穩定燃燒現象，此時循環變動系數增大至30%，產生波動變化的50%燃燒位置，引起測試過程產生較大誤差，殘余廢氣系數絕對誤差最大值為1.25。

圖5給出了從點火時刻過渡到50%燃燒位置的過程中受到殘余廢氣系數的影響狀態。圖5顯示，并提高殘余廢氣系數的過程中，由初始點火時刻到50%燃燒點都保持單調遞增的特點，因此初期內燃機燃燒速率與缸內殘余廢氣系數之間呈現負相關的規律；開啟控制閥時，缸內形成了更強滾流運動，有助于更快完成缸內燃燒過程，從而縮短點火與50%燃燒點之間的時間段；同時發現，當轉速提高時，從點火到50%燃燒點的曲軸轉角也明顯升高；開啟控制閥可以有效減小各轉速間偏差，這是由于缸內氣流運動速度提高促進了燃燒速率升高。以第2組為例，殘余廢氣系數在25%之前，50%燃燒點相對比較集中。

圖6為高壓循環指示熱效率變化。由圖6可知，提高殘余廢氣系數后，高壓循環指示熱效率表現為小幅升高的特點，基本穩定在34%～40%之間，具有很高的測試精度。這是因為殘余廢氣對50%燃燒點與10%～90%燃燒點的影響程度很弱，同時發現缸內燃燒溫度與殘余廢氣系數之間呈現負相關的變化趨勢；10%～90%階段形成了更長的燃燒持續期，并且50%燃燒點也發生了推遲的現象，可以推斷此時已經發生了燃燒惡化結果。這是因為當缸內存在過多殘余廢氣時，會引起燃燒速率減慢以及發生不穩定燃燒的情況。隨著燃燒持續期增加，發動機有效膨脹比下降，無法確保缸內工質的充分膨脹。圖6顯示，開啟控制閥的條件下缸內獲得了更快燃燒速度，從而使發動機能夠承受更高比例殘余廢氣依然實現了很高的熱效率。

3 結語

1）提高殘余廢氣系數后，燃燒階段快速單調升高。缸內殘余廢氣可以起到稀釋新鮮混合氣的效果，導致燃燒速率的減小，從而引起燃燒持續期的快速升高。

2）在提高殘余廢氣系數的過程中，由初始點火時刻到50%燃燒點都保持單調遞增；當轉速提高時，從點火到50%燃燒點的曲軸轉角也明顯升高。提高殘余廢氣系數后，高壓循環指示熱效率表現為小幅升高。缸內燃燒溫度與殘余廢氣系數之間呈現負相關變化；50%燃燒點發生了燃燒惡化結果。

3）轉速1 500 r/min、壓力0.36 MPa、閥門開啟條件下，殘余廢氣系數控制在25%內是比較合理的。

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