4缸柴油機停缸仿真及試驗研究

王瀚軒，周斌，張浩

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

4缸柴油機停缸仿真及試驗研究

王瀚軒，周斌，張浩

(西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

采用停缸技術(shù)對小型4缸柴油機的燃油消耗率和排放進行了仿真和試驗研究。利用GT-Power 建立模型并模擬了停缸位置對燃油消耗率的影響，結(jié)合傳熱損失等因素確定了試驗停缸位置。在斷油式停缸和斷油斷氣式停缸模式下進行試驗和燃燒分析。試驗結(jié)果表明：停缸后缸內(nèi)等容度降低；斷油式停缸后燃油消耗率和NOx增大但炭煙減少；斷油斷氣式停缸后部分試驗點燃油消耗率降低，但NOx和炭煙排放增加。

停缸；燃燒分析；等容度；燃油消耗率；排放

停缸技術(shù)因可以有效降低汽油機的燃油消耗率而得到應(yīng)用[1-4]。面對燃油短缺和新排放法規(guī)對碳排放限制的壓力，停缸技術(shù)應(yīng)用范圍逐漸從8缸、6缸汽油機擴展到4缸甚至3缸汽油機上，例如福特計劃于2018年推出世界首款采用停缸技術(shù)的3缸EcoBoost 發(fā)動機[5]。

汽油機停缸后節(jié)氣門開度增大，節(jié)流損失減小，充氣效率提高，燃燒品質(zhì)提高，燃油消耗率降低[6]。柴油機沒有節(jié)氣門，但停缸后機械損失減小，工作缸的功率提高，循環(huán)熱效率提高，燃油消耗率降低。目前國內(nèi)柴油機在乘用車上應(yīng)用較少，因此對停缸技術(shù)在柴油機的應(yīng)用研究相對較少，且多集中在對8缸、6缸柴油機的仿真模擬階段，進行柴油機停缸試驗研究的并不多。YANG J等進行了停缸技術(shù)在挖掘機柴油機上的應(yīng)用，結(jié)果表明停缸后節(jié)省燃油11%～13%[7]，但試驗并沒有涉及排放。鑒于目前停缸技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到3缸汽油機上且很好解決了停缸后的振動問題，因此小型4缸柴油機停缸模擬與試驗研究是有意義的。

本研究以某小型4缸柴油機為研究對象，就停缸技術(shù)對小型柴油機燃油消耗率、排放的影響進行仿真和試驗研究，從燃燒的角度分析了停缸技術(shù)對柴油機燃油消耗率以及排放的影響。

1 停缸位置的選擇

1.1停缸位置對燃油消耗率的影響

本研究首先通過GT-Power建立模型來研究停缸位置對燃油消耗率的影響，建模時不考慮排放等。柴油機基本參數(shù)見表1。

表1 柴油機基本參數(shù)

圖1和圖2示出外特性扭矩和燃油消耗率的仿真與試驗對比。仿真值與試驗值的最大誤差在5%內(nèi)，可見建立的模型可以用于后續(xù)研究。

圖1 試驗與模擬扭矩

圖2 試驗與模擬燃油消耗率

模擬選用的停缸方式為斷油式停缸。實現(xiàn)斷油式停缸只需將不工作缸的噴油量設(shè)為0，同時增大工作缸的噴油量以保證柴油機整體輸出功率不變。此外，由于單缸噴油量增加，噴油正時也需要提前。本研究在相同負荷下選擇低、中、高3種轉(zhuǎn)速作為模擬點，不同停缸位置所對應(yīng)的燃油消耗率見表2。由表可見停缸位置對燃油消耗率的影響很小。

表2 停缸位置對燃油消耗率的影響 g/(kW·h)

1.2其他因素對停缸位置的影響

停缸后非工作缸熱負荷不均勻，缸體磨損加劇。當非工作缸被激活時，由于缸內(nèi)溫度較低, 此時不能立刻加載大負荷[8]，給停缸帶來局限性。當中間兩缸停缸時，工作缸的傳熱損失給不工作缸保溫，尤其在斷油斷氣式停缸時，空氣不能進入氣缸帶走熱量，保溫效果更明顯。因此，停缸時選擇停中間兩缸比較合理?？紤]到試驗所用發(fā)動機前面是通過橡膠懸置固定在臺架上，后面是剛性固定，本研究選擇停第2缸來盡量減少停缸后的整機振動。

2 停缸對燃油消耗率的影響

2.1停缸試驗方案

本研究從低、中、高轉(zhuǎn)速中選取35%，50%，65%負荷點為試驗點，具體見表3。

表3 停缸試驗點

NOx和煙度的測試設(shè)備分別為FLA-502汽車排氣分析儀和AVL 439透光煙度計，具體試驗步驟如下：

1) 測量原機各試驗點的燃油消耗率、排放；

2) 通過標定軟件停止第2缸噴油器工作(斷油式停缸)，測量各試驗點的燃油消耗率、排放；

3) 取出第2缸配氣機構(gòu)中的推桿，并停止第2缸供油(斷油斷氣式停缸)，測量各試驗點的燃油消耗率和排放。

2.2停缸對燃油消耗率的影響

圖3示出斷油式停缸前后的燃油消耗率對比。由圖3可知，在該柴油機上應(yīng)用斷油式停缸時燃油消耗率增加。圖4示出斷油斷氣式停缸前后燃油消耗率對比。由圖4可知，斷油斷氣式停缸后燃油消耗率有升有降。

本研究利用基于LabView編寫的燃燒分析軟件對停缸前后的燃燒過程進行分析，其中，上止點位置的確定精確到0.1°。

圖3 斷油式停缸前后燃油消耗率對比

圖4 斷油斷氣式停缸前后燃油消耗率對比

斷油式停缸后，為恢復(fù)到停缸前的功率，工作缸增大噴油量，此時噴油提前，混合氣達著火濃度的速率加快，因此燃燒始點提前了1°～3°(見圖5)。單缸噴油量的增加導(dǎo)致噴油脈寬增加，也在一定程度上減緩了混合氣的形成，不能及時形成完善的混合氣。因此燃燒持續(xù)期增加(見圖6)，且增幅高于燃燒始點的提前角度。燃燒持續(xù)期增大導(dǎo)致等容度降低，指示熱效率下降，而停缸后機械效率基本不變，所以斷油式停缸后燃油消耗率增加。

斷油斷氣式停缸后，由于第2缸配氣機構(gòu)中推桿被取出，氣門停止工作，從而減少了配氣機構(gòu)的驅(qū)動能量，機械損失減小。

圖6和圖7分別示出停缸前后的燃燒持續(xù)期和渦后排溫對比。由圖可知，斷油斷氣式停缸后缸內(nèi)燃燒持續(xù)期大于原機，后燃增加，渦后排溫增加，這表明缸內(nèi)燃燒等容度降低，循環(huán)熱效率降低。不同轉(zhuǎn)速下，燃油消耗率由等容度和機械損失的綜合影響決定。在2 600 r/min時，等容度降低造成燃油消耗率升高的影響小于機械損失減少的影響，整體燃油消耗率降低。1 400 r/min時與2 600 r/min時相反，整體燃油消耗率升高；而在2 000 r/min不同負荷下，主導(dǎo)因素不同，因此，整體燃油消耗率有增有降。

圖5 停缸前后燃燒始點對比

圖6 停缸前后燃燒持續(xù)期對比

圖7 停缸前后渦后排溫對比

3 停缸對排放的影響

柴油機排放產(chǎn)物中CO和HC含量較小，故本研究只對NOx和煙度進行研究。選擇ESC穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)中A25，A50，B25，B50作為試驗點。

3.1對NOx的影響

圖8示出兩種停缸模式下NOx排放對比。由圖8可知，停缸后NOx排放高于原機，而斷油斷氣式停缸NOx排放高于斷油式停缸。

表4列出停缸前后過量空氣系數(shù)φa值對比。由表4可知，斷油式停缸后的φa小于原機，斷油斷氣式停缸后的φa小于斷油式停缸，且比原機小很多，但缸內(nèi)仍處于富氧狀態(tài)。

圖8 停缸前后NOx排放對比

試驗點原機斷油斷油斷氣A254．204．193．50A502．982．882．21B254．584．353．46B503．263．332．48

圖9示出A25工況點兩種停缸模式下燃燒溫度對比。由圖9可知，斷油式停缸后缸內(nèi)燃燒溫度高于原機但低于斷油斷氣式停缸，且燃燒溫度在緩燃、后燃期增幅更大。圖10示出試驗點停缸前后缸內(nèi)燃燒持續(xù)期對比。由圖10可知，斷油式停缸后缸內(nèi)燃燒持續(xù)期高于停缸前。斷油斷氣式停缸后A25和A50工況燃燒持續(xù)期高于斷油式停缸，B25和B50工況點燃燒持續(xù)期小于斷油式停缸，但仍高于停缸前。

由上述數(shù)據(jù)可知，斷油式停缸后，φa與原機相比略小，但仍處于富氧條件下，NOx在φa-φNOx曲線上左移，NOx排放增加[9]。斷油式停缸后缸內(nèi)燃燒溫度高于停缸前，在足夠氧濃度條件下，溫度越高，NO平衡濃度越高，因而 NO生成量增加。此外，斷油式停缸后缸內(nèi)燃燒持續(xù)期高于停缸前，高溫反應(yīng)時間越長，NO生成量越多。綜上所述，斷油式停缸后NOx排放高于停缸前。

圖9 A25工況點停缸前后燃燒溫度對比

圖10 停缸前后燃燒持續(xù)期對比

斷油斷氣式停缸后，φa與斷油式停缸相比大幅度降低，但缸內(nèi)仍是富氧條狀態(tài)，NOx在φa-φNOx曲線上進一步左移，NOx排放增加。此時缸內(nèi)燃燒溫度高于斷油式停缸，NO平衡濃度增高。在A25和A50工況點燃燒持續(xù)期高于斷油式停缸，反應(yīng)時間增大，因此A25和A50工況點NO排放升高。B25和B50工況點燃燒持續(xù)期雖比斷油式停缸時略小，但溫度高于2 200 K。當溫度高于1 800 K時，反應(yīng)速率隨溫度的提高而快速增加，此時燃燒溫度起主要影響因素[10]。所以，斷油斷氣式停缸后NOx排放高于斷油式停缸。

3.2對炭煙的影響

圖11示出停缸前后炭煙排放對比。由圖11可知，斷油式停缸炭煙排放低于停缸前。斷油斷氣式停缸炭煙排放高于斷油式停缸，但是與原機相比無固定規(guī)律。

圖11 停缸前后炭煙排放對比

由表4可知，斷油式停缸后φa減小，但此時缸內(nèi)仍處于富氧氛圍，φa減小對炭煙增加的影響很小。停缸后缸內(nèi)燃燒溫度增加且處于富氧氛圍，前期燃燒生成的炭煙被氧化因而減少[11-15]，因此，斷油式停缸后炭煙排放低于停缸前。

斷油斷氣式停缸時，φa大幅度減小，其中A50工況點φa減小的幅度更大。在A25，B25，B50工況點，雖然停缸后φa對炭煙的影響加大，但此時溫度對炭煙的影響起支配地位，缸內(nèi)燃燒溫度高于停缸前，更多炭煙在高溫富氧條件下被氧化。在A50工況點φa對炭煙的影響起支配作用，由于φa減小而增加的炭煙高于由于燃燒溫度升高被氧化的炭煙，因此，與停缸前相比，斷油斷氣停缸時炭煙排上升。

4 結(jié)論

a) GT-Power仿真結(jié)果表明，停缸時停缸位置對燃油消耗率的影響不明顯；

b) 停缸后缸內(nèi)燃燒等容度降低，斷油式停缸會增加4缸柴油機燃油消耗率，斷油斷氣式停缸后機械損失減小，在部分轉(zhuǎn)速、負荷時會降低4缸柴油機燃油消耗率；

c) 斷油式停缸后NOx排放高于停缸前，斷油斷氣式停缸后NOx排放高于斷油式停缸；斷油式停缸炭煙排放低于停缸前，斷油斷氣式停缸后炭煙排放高于斷油式停缸，但是與原機相比無固定規(guī)律。

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SimulationandExperimentalInvestigationonCylinderDeactivationof4-CylinderDieselEngine

WANG Hanxuan,ZHOU Bin,ZHANG Hao

(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, China)

The fuel consumption and emission of small-type 4-cylinder diesel engine were simulated and researched through the test according to the cylinder deactivation technology. The model was established with GT-Power software and the influence of cylinder position on fuel consumption was simulated. Then the position of deactivating cylinder was determined by analyzing the factors such as heat loss. Experiments and combustion analysis were carried out by cutting off fuel or both fuel and air. The results show that the isovolumetric degree decreased after deactivating the cylinder. In addition, fuel consumption and NOxemission increase but the soot decreases. In the mode of cutting off fuel and air, the fuel consumptions of some test points decrease, but the NOxand soot emissions increase.

cylinder deactivation;combustion analysis;isovolumetric degree;specific fuel consumption;emission

2017-05-02；

2017-10-10

王瀚軒(1995—)，男，本科，主要研究方向為動力總成新型參數(shù)可調(diào)隔振系統(tǒng)；535477159@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.012

TK421.2

B

1001-2222(2017)05-0064-04

[編輯： 袁曉燕]