可變氣門策略對(duì)柴油機(jī)排放影響的模擬研究

李明湖，宋宇

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可變氣門策略對(duì)柴油機(jī)排放影響的模擬研究

李明湖，宋宇

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710018）

文章首先介紹了可變氣門技術(shù)的發(fā)展歷程，然后介紹了GT-SUITE系列軟件的功能及使用GT-Power建立模型的過程。最后通過模型的計(jì)算結(jié)果探究了不同的氣門策略對(duì)柴油機(jī)燃燒過程及性能和排放特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：進(jìn)氣門晚關(guān)策略、負(fù)氣門重疊策略、進(jìn)氣門二次開啟策略和排氣門二次開啟策略結(jié)合內(nèi)部或外部EGR可以獲得較低的NOx排放。在10%負(fù)荷工況下，氣門二次開啟策略可以將CO和HC排放控制在最低水平，實(shí)現(xiàn)清潔燃燒。但隨負(fù)荷增大應(yīng)該恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)氣門策略。

柴油機(jī)；低溫燃燒；可變氣門技術(shù)；GT-Power

前言

在柴油機(jī)傳統(tǒng)的擴(kuò)散燃燒過程中存在的局部富氧和高溫燃燒區(qū)域會(huì)導(dǎo)致NO和碳煙排放較高，且很難同時(shí)對(duì)NO和碳煙進(jìn)行控制。各國(guó)針對(duì)柴油機(jī)提出的越來越嚴(yán)苛的排放法規(guī)成為柴油機(jī)行業(yè)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)力。研究表明，均質(zhì)壓燃和預(yù)混充量壓燃等低溫燃燒模式有望同時(shí)降低NO和碳煙排放，實(shí)現(xiàn)潔凈燃燒。但低溫燃燒模式在低負(fù)荷工況下易導(dǎo)致不完全燃燒從而使CO和HC排放較高。而可變氣門技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低溫燃燒控制的最具潛力的技術(shù)手段，近年來吸引了越來越多的關(guān)注。探索柴油機(jī)各工況下最佳的氣門策略和配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)也就變成了一項(xiàng)非常值得研究的課題。

1 進(jìn)氣門晚關(guān)策略對(duì)柴油機(jī)排放特性的影響

下面探究進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)柴油機(jī)排放性能的影響。圖1、圖2和圖3分別展示了進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)柴油機(jī)CO、HC和氮氧化物排放水平的影響。從圖1中可以看出，在進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻為631 °CA，即進(jìn)氣遲閉角為91 °CA時(shí)，CO排放水平較低。隨進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻提前或推遲，CO排放量都將有所上升。從圖3-9中可以看出，HC比排放量的走勢(shì)與CO大致相同，在631 °CA，即進(jìn)氣遲閉角為91 °CA時(shí)，HC排放水平控制得較低。隨進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的提前或推遲HC排放水平都將上升[1]。

圖1 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)CO比排放量的影響

圖2 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)HC排放量的影響

出現(xiàn)圖1與圖2中的現(xiàn)象的原因大致相同。進(jìn)氣門過早關(guān)閉，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣量不足，進(jìn)氣效率較低，燃燒不充分。進(jìn)氣門關(guān)閉過晚，會(huì)導(dǎo)致有效壓縮比較小，燃燒溫度較低，同樣造成不完全燃燒。由此可得出結(jié)論，在負(fù)荷率為10%左右，轉(zhuǎn)速在1440 r/min左右時(shí)，若要將CO和HC等進(jìn)行有效控制，可以將進(jìn)氣遲閉角控制在91 °CA左右。NO比排放量隨進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻推遲而下降的原因可能是有效壓縮比降低，燃燒溫度下降，氧濃度影響程度此時(shí)較小[2]。

圖3 進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻對(duì)氮氧化物排放量的影響

2 結(jié)論

采用進(jìn)氣門晚關(guān)策略可以降低燃燒溫度進(jìn)而降低NOx排放。采用負(fù)氣門重疊角策略、進(jìn)氣門二次開啟策略和排氣門二次開啟策略可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR進(jìn)而提高工質(zhì)熱容、降低燃燒溫度并降低氧濃度同樣可以降低NOx排放。

[1] Tsay D M, Jr C O H. Application of Rational B-Splines to the Syn -thesis of Cam-Follower Motion Programs[J]. Journal of Mechani -cal Design, 1993, 115(3):621-626.

[2] 朱江.柴油機(jī)可見污染物的排放特點(diǎn)及測(cè)量方法.2010重慶汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文專輯,2010, 37(4): 3~9.

Simulation study on the influence of variable valve strategy on low temperature combustion of diesel engine

Li Minghu, Song Yu

( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710018 )

In this paper, the concept and the effect of the low temperature combustion and the development of variable valve actuation are introduced at first. Secondly, the function of the GT-SUITE family of ware and the process of founding the model with GT-Power is presented. And at last, the effect on diesel engines’combustion process,performance characteristics and emission characteristics of different valve strategies is studied with the output of the model. The purpose is to explore the optimum parameters in different working conditions and achieve clean combustion.

Diesel engines; Low temperature combustion modes; Variable valve actuation; GT-SUITE

B

1671-7988(2018)15-25-02

U462.3

B

1671-7988(2018)16-25-02

CLC NO.: U462.3

李明湖，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，碩士在讀，主要從事汽車代用燃料開發(fā)應(yīng)用研究。宋宇，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.009