增壓缸直噴汽油機(jī)高負(fù)荷爆震控制試驗(yàn)研究

增壓缸直噴汽油機(jī)高負(fù)荷爆震控制試驗(yàn)研究

0增壓噴頭的性能近年來，由于能源危機(jī)、價(jià)格水平提高和世界各國的發(fā)展趨勢，對汽油工具的油耗水平的要求變得越來越嚴(yán)厲。歐洲要求2012年CO2排放降至120g/km,2020年降至90g/km。美國要求2016年各汽車廠商的各車型的平均油耗要達(dá)到15.1km/L。中國提出2020年單位GDP的CO2排放比2005年減少40%～50%的要求。在此背景下,研發(fā)高效汽油機(jī)是一條有潛力的節(jié)能環(huán)保技術(shù)途徑。目前,汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢是高增壓缸內(nèi)直噴。然而,即使采用了增壓直噴技術(shù),汽油機(jī)的熱效率仍低于柴油機(jī),這其中一個重要原因就是爆震(敲缸)限制了汽油機(jī)壓縮比的提高。增壓直噴汽油機(jī)的壓縮比一般小于10,而在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中,通過傳統(tǒng)的推遲點(diǎn)火角、加濃混合氣、EGR等措施抗爆震似乎已經(jīng)達(dá)到了極限。且增壓汽油機(jī)除了常規(guī)爆震外,在低速高負(fù)荷區(qū)域還容易出現(xiàn)超級爆震(pre-ignition)現(xiàn)象,采用常規(guī)抗爆震措施很難抑制。近年來研究表明:缸內(nèi)直噴汽油機(jī)(GDI)通過增壓配合VVT控制掃氣具有抑制爆震的潛力。常規(guī)汽油機(jī)在高負(fù)荷下主要通過推遲點(diǎn)火角并加濃混合氣來抑制爆震,這會顯著惡化燃油經(jīng)濟(jì)性,并且產(chǎn)生較高的HC和CO排放。在當(dāng)量比的條件下增壓GDI發(fā)動機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明:掃氣可以降低缸內(nèi)溫度,減小燃燒室熱負(fù)荷,降低渦輪前端溫度。且掃氣將缸內(nèi)殘余廢氣壓入排氣岐管,可改善渦輪增壓器的工作效率,使得進(jìn)氣量增加,提高發(fā)動機(jī)的低速扭矩。但當(dāng)量比條件下、壓縮比較高時,難以采用大節(jié)氣門開度實(shí)現(xiàn)較好的掃氣效果,而且這時排氣溫度過高,容易使催化劑超溫。而在稀燃的條件下,缸內(nèi)燃燒溫度低,NOx排放有所降低,而混合氣的自燃溫度高,發(fā)動機(jī)的爆震傾向小。再通過匹配較高增壓保證功率密度,可以達(dá)到較高的負(fù)荷。同時,采用高的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量,對掃氣更有利。本文在當(dāng)量比燃燒增壓掃氣的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探索在稀燃條件下高壓縮比直噴汽油機(jī)通過增壓和VVT實(shí)現(xiàn)掃氣來抑制爆震的方案,并用一維熱力循環(huán)模擬來解析掃氣抑制爆震的機(jī)理。1sdi車輛清潔試驗(yàn)研究1.1壓力和壓力檢測試驗(yàn)用缸內(nèi)直噴汽油機(jī)采用了火花塞中央布置、噴油器進(jìn)氣道側(cè)置的方式。具體的技術(shù)參數(shù)如表1所示。發(fā)動機(jī)可變氣門技術(shù)采用氣門正時平移連續(xù)可變方式,進(jìn)排氣氣門升程均為8.3mm,可實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣凸輪正向變化60°CA和排氣凸輪逆向變化50°CA。在1#缸的進(jìn)排氣歧管處安裝了進(jìn)氣壓力傳感器(KISLER4045A10,測量范圍0～1MPa,線性度<±0.3%FS)和排氣壓力傳感器(KISLER4007BA5F,測量范圍0～2MPa,線性度<±0.1%FS),發(fā)動機(jī)氣缸壓力用AVLGU13Z-24型火花塞式傳感器(測量范圍0～20MPa,線性度±0.3%FS)測量。進(jìn)氣流量傳感器為同圓RS485(誤差<±1%)。采集數(shù)據(jù)通過電荷放大器放大后,傳送給AVLINDIMODUL燃燒分析儀進(jìn)行處理。通過對缸壓振蕩積分來判斷爆震。傳感器布置如圖1所示。1.2試驗(yàn)結(jié)果及分析1.2.1進(jìn)氣門開啟角空燃比為18、轉(zhuǎn)速1800r/min、排氣門關(guān)閉角(EVC,以進(jìn)氣上止點(diǎn)為0°CA)為5°CA時,改變發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門開啟角(IVO,以進(jìn)氣上止點(diǎn)為0°CA),圖2為發(fā)動機(jī)在不發(fā)生爆震情況下的最大扭矩和進(jìn)氣流量隨著進(jìn)氣VVT變化的結(jié)果。前文已述及,掃氣強(qiáng)度越大,壓氣機(jī)的效率越高,進(jìn)氣密度越大,發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量就越大。從圖2可以看出,隨著進(jìn)氣門開啟角的提前,即隨氣門重疊角的增大,發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量增大,掃氣強(qiáng)度也會隨之增大。而發(fā)動機(jī)的最大扭矩整體上也隨之增大。所以,改變進(jìn)氣門VVT,發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量和扭矩整體上都隨氣門重疊角增大而增大的。由于發(fā)動機(jī)改變進(jìn)氣VVT會帶來有效壓縮比的變化,而進(jìn)氣門開啟越提前,發(fā)動機(jī)的有效壓縮比越大,熱效率就越高。所以,改變進(jìn)氣門VVT得到的發(fā)動機(jī)扭矩增大也部分歸因于發(fā)動機(jī)的有效壓縮比變大。為了消除有效壓縮比的影響,在不變節(jié)氣門開度、空燃比和轉(zhuǎn)速的情況下,固定進(jìn)氣門開啟角為-30°CA進(jìn)行了試驗(yàn),發(fā)動機(jī)扭矩隨排氣VVT的變化如圖3所示?？梢钥闯?消除了有效壓縮比的影響后,發(fā)動機(jī)的掃氣強(qiáng)度和扭矩都隨著氣門重疊角的增長而單調(diào)增長。在稀燃條件下,發(fā)動機(jī)的最大扭矩能夠隨著掃氣強(qiáng)度而大幅提高。1.2.2掃氣的作用機(jī)制在空燃比為18、轉(zhuǎn)速1800r/min、排氣門關(guān)閉角為5°CA時,改變發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣門開啟角,圖4為發(fā)動機(jī)在不發(fā)生爆震的情況下的最大點(diǎn)火提前角隨進(jìn)氣VVT變化的結(jié)果。從圖4可知,隨著氣門重疊角的增大,發(fā)動機(jī)的掃氣強(qiáng)度即進(jìn)氣流量單調(diào)遞增,而發(fā)動機(jī)不發(fā)生爆震的最大點(diǎn)火提前角總體上也隨之增大。此時隨著氣門重疊角的增大,發(fā)動機(jī)的有效壓縮比是不斷增大的。發(fā)動機(jī)的有效壓縮比越大就越容易爆震,但在此試驗(yàn)中,整體上發(fā)動機(jī)的有效壓縮比越大,發(fā)動機(jī)的不發(fā)生爆震的點(diǎn)火提前角越大,說明了掃氣對爆震的影響超出了有效壓縮比的影響,明顯地抑制了爆震。為了減少有效壓縮比等因素的影響,闡明掃氣本身對發(fā)動機(jī)爆震的抑制作用,試驗(yàn)在保持節(jié)氣門開度和空燃比不變的情況下,固定進(jìn)氣門開啟角為-30°CA,發(fā)動機(jī)不發(fā)生爆震的最大點(diǎn)火提前角隨著排氣VVT的變化如圖5所示。從圖5可以看出,發(fā)動機(jī)的最大點(diǎn)火提前角和掃氣強(qiáng)度都隨著排氣門關(guān)閉角的推遲即發(fā)動機(jī)的氣門重疊角的增大而單調(diào)遞增。這也說明了在稀燃條件下,掃氣能夠很好地抑制發(fā)動機(jī)的爆震。為了進(jìn)一步說明掃氣對爆震的抑制作用,在空燃比為18、轉(zhuǎn)速1800r/min時不同VVT角度的情況下進(jìn)行了試驗(yàn)。在進(jìn)氣門開啟角為-20°CA、排氣門關(guān)閉角為-5°CA時,最大點(diǎn)火提前角為6°CA,扭矩184N·m,進(jìn)氣流量200kg/h。在進(jìn)氣門開啟角為-30°CA、排氣門關(guān)閉角為5°CA時,最大點(diǎn)火提前角為7°CA,扭矩227N·m,進(jìn)氣流量224kg/h,扭矩提高了約22%,此時發(fā)動機(jī)的最大掃氣壓力約為0.03MPa,掃氣持續(xù)期約為20°CA,掃氣效果提高了發(fā)動機(jī)的扭矩。在進(jìn)氣門開啟角為-40°CA、排氣門關(guān)閉角為15°CA時,不發(fā)生爆震的點(diǎn)火提前角達(dá)到了5°CA,扭矩達(dá)到了250N·m,進(jìn)氣流量268kg/h,此時發(fā)動機(jī)在氣門重疊角期間發(fā)生了明顯的掃氣,最大掃氣強(qiáng)度約為0.025MPa,發(fā)生掃氣的氣門重疊角的持續(xù)期約為40°CA?？梢钥闯?掃氣的作用明顯,扭矩從184N·m提高到250N·m,提高了46%。從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在扭矩提高的情況下,點(diǎn)火提前角并沒有明顯降低,并且此時發(fā)動機(jī)的有效壓縮比隨著掃氣強(qiáng)度的增加而逐漸增加,進(jìn)一步說明了掃氣能夠克服有效壓縮比的影響,比較明顯地抑制發(fā)動機(jī)的爆震。2sdi車輛清潔過程的模擬分析為了進(jìn)一步解釋發(fā)動機(jī)掃氣過程抑制爆震機(jī)理和定量分析氣體交換的程度,利用BOOST軟件對掃氣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了一維熱力循環(huán)模擬。2.1前后燃燒試驗(yàn)結(jié)果對比建立該GDI發(fā)動機(jī)的模型如圖6所示。模型中氣缸、活塞行程、氣門升程等參數(shù)見表1。由于已經(jīng)得到了臺架試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果,所以只需在模型中考慮氣缸前后燃燒的情況,將試驗(yàn)中得到的進(jìn)排氣壓力、溫度等試驗(yàn)結(jié)果作為系統(tǒng)的邊界條件(即圖中的SB1和SB2)即可。而將燃燒分析儀得到發(fā)動機(jī)各個工況下的燃燒特征參數(shù),作為條件輸入氣缸模型。采用空燃比為18、轉(zhuǎn)速1800r/min、節(jié)氣門開度29°、進(jìn)氣門開啟角-30°CA、排氣門關(guān)閉角為5°CA時的情況進(jìn)行標(biāo)定,得到了如圖7所示的標(biāo)定結(jié)果。由圖7可見,模擬與試驗(yàn)值吻合得較好,可以進(jìn)行掃氣過程的模擬。2.2結(jié)果與分析2.2.1掃氣后溫度影響發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量(即掃氣強(qiáng)度)隨著排氣VVT的變化如圖8所示。此時,掃氣強(qiáng)度隨著排氣門關(guān)閉時刻的推遲(氣門重疊角變大)而增大。掃氣強(qiáng)度增大后,進(jìn)氣門關(guān)閉時發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣體的溫度和壓力如圖9所示。隨著發(fā)動機(jī)的重疊角變大(掃氣強(qiáng)度變大),發(fā)動機(jī)在進(jìn)氣門關(guān)閉時缸內(nèi)溫度變小。同時,混合氣壓力變化并不明顯,這說明掃氣后溫度是影響爆震的主要因素。另外,掃氣會降低燃燒室壁溫,從而進(jìn)一步減少爆震。2.2.2減少發(fā)動機(jī)廢氣回流殘余廢氣系數(shù)不僅與發(fā)動機(jī)的掃氣強(qiáng)度相關(guān),還與發(fā)動機(jī)的廢氣回流(從排氣管流入缸內(nèi)的廢氣)相關(guān)。這兩者隨著排氣門關(guān)閉角的變化如圖10所示。隨著掃氣強(qiáng)度增加,殘余廢氣系數(shù)減小。同時,掃氣強(qiáng)度的增加還可以抑制發(fā)動機(jī)的廢氣回流。這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的廢氣回流還與進(jìn)氣壓力相關(guān),掃氣強(qiáng)度增加提高了壓氣機(jī)的效率,進(jìn)一步提高了進(jìn)氣壓力,造成在發(fā)動機(jī)排氣門并未完全關(guān)閉的期間,廢氣的回流減少。同時,控制廢氣回流最主要的手段是在氣門重疊期間控制進(jìn)氣壓力大于排氣壓力,使得在氣門重疊角期間不發(fā)生劇烈的廢氣反竄。因此,在大負(fù)荷下,可通過增壓VVT來實(shí)現(xiàn)掃氣,以降低廢氣回流和缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)。綜上所述,模擬結(jié)果證實(shí)了掃氣能夠抑制爆震。主要是通過掃除廢氣和降低廢氣回流來降低缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)和進(jìn)氣門關(guān)閉時的缸內(nèi)殘余氣體溫度,從而抑制爆震。3不同排氣門vvt對比(1)在稀燃條件下,缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣流量和最大扭矩整體上隨氣門重疊角增大而增大。改變排氣門VVT實(shí)現(xiàn)充分掃氣能夠提高發(fā)動機(jī)的低速扭矩。