不同稀釋燃燒技術(shù)對(duì)GDI 汽油機(jī)性能的影響

常 龍，沈 凱，張振東，朱海兵，張繼軍，黃建勛

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上汽大眾汽車有限公司，上海 201804）

由于能源短缺、大氣污染等問題越來越突出，國家制定了雙積分和國VI 等更為嚴(yán)格的政策和排放法規(guī)來提升內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能環(huán)保水平，以期實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)性利用與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1]。而汽油機(jī)稀薄燃燒技術(shù)由于更好的熱效率和排放特性成為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)，現(xiàn)在比較流行的稀薄燃燒方式有廢氣再循環(huán)稀燃和過量空氣稀燃兩種[2]。廢氣稀燃是在過量空氣系數(shù)為1 的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入廢氣減緩燃燒，優(yōu)化燃燒相位，降低泵氣損失[3]。而過量空氣稀燃更多的是增加混合氣的空氣比例，從而提高缸內(nèi)多變指數(shù)，改善經(jīng)濟(jì)性[4]。

國內(nèi)外很多科研院所和公司對(duì)兩種稀燃技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了深入研究[3,5]，一些高校和企業(yè)利用試驗(yàn)和仿真技術(shù)研究了EGR 對(duì)增壓汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化，部分負(fù)荷的效果比較明顯[5-6]，并且發(fā)現(xiàn)EGR對(duì)氮化物排放有較好的抑制作用[7-8]。而過量空氣稀薄燃燒的研究發(fā)現(xiàn)，提高空燃比有可能突破節(jié)氣門調(diào)節(jié)負(fù)荷的汽油機(jī)控制方式，從而減少泵氣損失并提高多變指數(shù)，大幅度提高熱效率[9-10]，同時(shí)在排放方面也有較好的效果[11-12]。

但是現(xiàn)在對(duì)兩種稀燃技術(shù)在同一發(fā)動(dòng)機(jī)上的對(duì)比資料和結(jié)論還比較少。為了更直接地研究兩種稀燃方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文擬在一臺(tái)1.5 L 的四缸直噴渦輪增壓汽油機(jī)上分別進(jìn)行廢氣稀燃和過量空氣稀燃的試驗(yàn)研究。通過對(duì)兩種技術(shù)的整機(jī)性能、經(jīng)濟(jì)性和排放的對(duì)比分析探索兩種稀燃技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，從而為后期研究及工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)和測試系統(tǒng)

本研究對(duì)象為一款1.5 L 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，其基本參數(shù)見表1。主要測試裝置有AVL PUMA 系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定INCA 系統(tǒng)、AVL 602 燃燒分析儀、AVL 735s 油耗儀、AVL 753c 溫控儀、AVL 電力測功機(jī)、Horiba 廢氣分析儀等。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架組成如圖1 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架組成

1.2 試驗(yàn)條件

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過程中，分別選擇發(fā)動(dòng)機(jī)不同的負(fù)荷工況運(yùn)行點(diǎn)來進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，控制燃燒循環(huán)變動(dòng)率COV 在3%以內(nèi)，增壓水冷中冷后的進(jìn)氣溫度保持35℃，冷卻水溫度保持85℃±2℃，進(jìn)氣壓力為0.1 MPa，燃油為92 號(hào)汽油，排放試驗(yàn)按照GB 17691—2005《車用點(diǎn)燃式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》進(jìn)行。

1.3 研究方法

本研究將進(jìn)行汽油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同工況點(diǎn)，分別采用EGR 廢氣再循環(huán)燃燒技術(shù)和增加新鮮空氣量的稀薄燃燒技術(shù)時(shí)，汽油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、排放特性的對(duì)比。

采用EGR 后，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒會(huì)發(fā)生變化，研究中將調(diào)整噴油、進(jìn)氣和點(diǎn)火提前角在最優(yōu)化狀態(tài)，記錄并分析發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放特性。試驗(yàn)中，EGR 率的計(jì)算方式如式（1）所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒時(shí)，由于缸內(nèi)多變指數(shù)變化，在保證運(yùn)行工況點(diǎn)的條件下，優(yōu)化點(diǎn)火提前角、進(jìn)氣壓力和燃油噴射脈寬，與采用EGR 燃燒技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)在相同工況點(diǎn)，對(duì)比研究經(jīng)濟(jì)性和排放特性。稀薄燃燒稀釋程度用過量空氣系數(shù)lambda 進(jìn)行度量。

定義原機(jī)的燃燒過程、過量空氣稀薄燃燒過程和EGR 稀釋燃燒過程為3 種不同燃燒技術(shù)方式。為了進(jìn)行不同稀釋燃燒技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究，將給出試驗(yàn)的各個(gè)工況點(diǎn)和采用的稀釋技術(shù)種類和參數(shù)，見表2，表中各個(gè)工況下的EGR 率和過量空氣系數(shù)為控制COV 在3%以內(nèi)，優(yōu)化得出稀釋參數(shù)。原機(jī)采用化學(xué)計(jì)量比燃燒方式，保持EGR率為0，分別測試2 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，0.5 MPa、0.8 MPa、1.1 MPa、1.4 MPa、1.7 MPa 的負(fù)荷特性，以進(jìn)行對(duì)比分析。

同時(shí)，為了對(duì)比分析不同稀釋燃燒技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響，定義了描述燃燒過程的參數(shù)如下：發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮上止點(diǎn)為0°CA 曲軸轉(zhuǎn)角；MFB10 定義為放熱量達(dá)到10%的曲軸轉(zhuǎn)角，也稱為滯燃期；MFB50 為燃燒相位，定義為放熱量達(dá)50%的曲軸轉(zhuǎn)角；MFB90 定義為放熱量達(dá)到90%的曲軸轉(zhuǎn)角；MFB10-90 表示燃燒持續(xù)期，如式（2）所示。

表2 試驗(yàn)研究工況及采用稀釋燃燒技術(shù)參數(shù)

4 2 000 1.4 0 0 5 2 000 1.7 0 0 6 2 000 0.5 0 1.40 7 2 000 0.8 0 1.40 8 2 000 1.1 0 1.40 9 2 000 1.4 0 1.35 10 2 000 1.7 0 1.25 11 2 000 0.5 14 1 12 2 000 0.8 15.5 1 13 2 000 1.1 16 1 14 2 000 1.4 20 1 15 2 000 1.7 16 1

2 試驗(yàn)研究結(jié)果及分析

2.1 不同稀釋參數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

進(jìn)行了原機(jī)2 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，0.5 MPa、0.8 MPa、1.1 MPa、1.4 MPa、1.7 MPa 的經(jīng)濟(jì)性測試，同時(shí)開展了在相同工況下，采用不同的、優(yōu)化的稀釋參數(shù)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同稀釋燃燒技術(shù)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗

由圖2 可以得出采用3 種不同燃燒技術(shù)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性變化規(guī)律：在所有試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，過量空氣稀釋燃燒表現(xiàn)出最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性，EGR 稀釋燃燒相比于原機(jī)比油耗也呈現(xiàn)較大幅度下降。

為了全面、綜合地分析3 種不同燃燒技術(shù)的燃燒過程和比油耗變化趨勢，給出了點(diǎn)火提前角、滯燃期MFB10、燃燒相位MFB50 和燃燒持續(xù)期MFB10-90 等燃燒控制參數(shù)，如圖3 和圖4 所示。

圖3 不同稀釋燃燒的點(diǎn)火提前角和MFB10

圖4 不同稀釋燃燒的MFB50 和MFB10-90

相比于原機(jī)，EGR 和過量空氣稀釋燃燒都可以降低壓縮終了混合氣溫度，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更為激進(jìn)的點(diǎn)火提前角，以獲得更好的燃燒相位。圖3顯示，EGR 稀釋燃燒采用了最為提前的點(diǎn)火角，滯燃期MFB10 也最為提前，導(dǎo)致了EGR 稀釋燃燒具有最提前的燃燒相位MFB50（圖4），有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。但是，決定發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗的不僅僅有燃燒相位MFB50，多變指數(shù)也是重要影響因素。采用EGR 后，缸內(nèi)多變指數(shù)相較于原機(jī)變化幅度較小，而采用過量空氣稀釋燃燒后，多變指數(shù)有較大增加，且在本研究中多變指數(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)性改善超過了燃燒相位MFB50 優(yōu)化帶來的效果，所以過量空氣稀釋燃燒獲得了最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。此外，雖然稀釋燃燒的點(diǎn)火提前角、滯燃期MFB10 和燃燒相位MFB50 均優(yōu)于原機(jī)，但燃燒持續(xù)期MFB10-90 卻長于原機(jī)，這表明稀釋燃燒的燃燒火焰速度低于原機(jī)，且燃燒持續(xù)期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響較小。

綜合上述分析可以認(rèn)為，在本研究中所采用的EGR 和過量空氣稀釋參數(shù)下，多變指數(shù)的變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的改善起到了決定性作用，過量空氣稀釋的燃燒技術(shù)比油耗最低；EGR 稀釋技術(shù)通過燃燒相位的提前，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于原機(jī)；而燃燒持續(xù)期對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響有限。

2.2 不同稀釋參數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性對(duì)比

采用與發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究時(shí)相同的運(yùn)行工況點(diǎn)，進(jìn)行不同負(fù)荷HC、CO 和NOx的排放特性測試，結(jié)果如圖5 ～7 所示。

圖5 不同稀釋燃燒技術(shù)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)HC 排放

由圖5 可知，EGR 稀釋燃燒時(shí)的HC 排放量在所有試驗(yàn)工況點(diǎn)均高于原機(jī)和過量空氣稀釋燃燒；且發(fā)動(dòng)機(jī)在中小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過量空氣稀釋燃燒的HC 高于原機(jī)；而隨著負(fù)荷的增加，HC 排放量下降，低于原機(jī)排放水平。分析認(rèn)為，汽油機(jī)形成HC 排放主要有3 個(gè)要素，狹縫效應(yīng)、燃燒不完全性和后期氧化過程。采用EGR 稀釋燃燒技術(shù)時(shí)，缸內(nèi)燃燒溫度大幅下降，火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，EGR 再循環(huán)廢氣的惰性加劇了燃燒的不完全性，因此其HC 排放最高；在中小負(fù)荷工況時(shí)，缸內(nèi)燃燒溫度普遍不高，過稀的混合氣容易導(dǎo)致不完全燃燒的HC 量增加，因此其HC 排放較高；而隨著負(fù)荷的增加，缸內(nèi)燃燒的循環(huán)燃油量增加，HC 的后期氧化過程得到較大改善，且稀薄燃燒模式中氧含量充裕，大大促進(jìn)了HC 的氧化過程，導(dǎo)致大負(fù)荷時(shí)過量空氣稀釋燃燒的HC 排放量低于原機(jī)。此外，缸內(nèi)熱負(fù)荷隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增加，改善了HC 后期氧化過程，這是采用3 種不同燃燒技術(shù)時(shí)HC 排放隨著負(fù)荷的增加而均呈現(xiàn)下降趨勢的原因。

圖6 不同稀釋燃燒技術(shù)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)CO 排放

圖6 給出了采用3 種不同燃燒技術(shù)路線時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)CO 排放量的變化趨勢，可以知道過量空氣稀薄燃燒的CO 排放量大大低于原機(jī)和EGR 稀釋燃燒；而對(duì)比原機(jī)和EGR 稀釋的CO 排放量，呈現(xiàn)不明顯的變化規(guī)律。這主要是因?yàn)槠桶l(fā)動(dòng)機(jī)CO 排放量與過量空氣系數(shù)強(qiáng)相關(guān)，在富氧的環(huán)境條件下，CO的排放會(huì)大幅下降，因此過量空氣稀釋燃燒的CO排放量遠(yuǎn)低于原機(jī)和EGR 稀釋燃燒；而對(duì)于EGR稀釋燃燒和原機(jī)燃燒過程，均以化學(xué)計(jì)量空燃比運(yùn)行，因此CO 排放呈現(xiàn)不明顯的變化規(guī)律。

圖7 不同稀釋燃燒技術(shù)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx 排放

由圖7 可知，除2 000 r/min 、1.7 MPa 全負(fù)荷工況外，分別采用原機(jī)燃燒過程、過量空氣稀釋燃燒和EGR 稀釋燃燒時(shí)，NOx排放呈現(xiàn)依次下降的趨勢。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)NOx生成的條件是高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間，改變?nèi)我粭l件將直接影響NOx量的生成。相比于原機(jī)，EGR 稀釋燃燒和過量空氣稀釋燃燒的缸內(nèi)燃燒溫度均下降，因此NOx排放低于原機(jī)；而相比于EGR 稀釋燃燒，過量空氣稀釋燃燒的氧化氛圍更強(qiáng)，導(dǎo)致其NOx排放較高。此外，在2 000 r/min、1.7 MPa 工況下，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)熱負(fù)荷很高，稀薄燃燒的富氧導(dǎo)致其NOx排放量超過了原機(jī)。

3 結(jié)論

（1）3 種不同燃燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)表明，過量空氣稀釋燃燒和EGR 稀釋燃燒的比油耗均優(yōu)于原機(jī)，其中過量空氣稀釋燃燒的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

（2）在本研究中，缸內(nèi)多變指數(shù)對(duì)比油耗的影響起決定性作用；燃燒相位的改善可以降低比油耗；而燃燒持續(xù)期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性影響較小。

（3）EGR 稀釋燃燒的HC 排放高于過量空氣稀釋燃燒和原機(jī)；中小負(fù)荷時(shí)，過量空氣稀釋燃燒HC 高于原機(jī)，而大負(fù)荷時(shí)則低于原機(jī)。

（4）過量空氣稀釋燃燒的CO 排放量遠(yuǎn)低于EGR 稀釋燃燒和原機(jī)。

（5）除2 000 r/min、1.7 MPa 全負(fù)荷工況外，分別采用原機(jī)燃燒過程、過量空氣和EGR 稀釋燃燒時(shí)，NOx排放呈現(xiàn)依次下降的趨勢。

（6）在本研究中的2 000 r/min、1.7 MPa 全負(fù)荷工況點(diǎn)，過量空氣稀釋燃燒的NOx排放高于原機(jī)。