不同壓縮比下稀釋方式對直噴汽油機(jī)節(jié)油影響

王金秋, 晁岳棟, 朱登豪, 鄧 俊, 李理光,2

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院, 上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院, 上海 201804)

隨著能源問題的日益嚴(yán)重及油耗法規(guī)日益嚴(yán)苛,傳統(tǒng)汽油機(jī)正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).高壓縮比配合稀薄/稀釋燃燒是提高發(fā)動機(jī)效率的有效途徑之一.廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)技術(shù)利用廢氣的稀釋作用,在降低燃油消耗率的同時(shí)仍保持較好的排放特性[1].稀薄燃燒(稀燃)技術(shù)雖然也有較大的節(jié)油潛力,但富氧空氣會抑制NOx在三效催化器中被還原的過程,從而導(dǎo)致較高的NOx排放.但隨著尾氣后處理技術(shù)的進(jìn)步,稀燃同樣有望在汽油機(jī)上得到廣泛應(yīng)用[2-5].

Lumsden等[6]在一臺壓縮比為9.15的進(jìn)氣道噴射(PFI)發(fā)動機(jī)上對比了小負(fù)荷工況EGR和稀燃的節(jié)油效果.研究發(fā)現(xiàn),小負(fù)荷工況使用EGR降低油耗的效果弱于稀燃.Tang等[7]及Ibrahim等[8]分別通過試驗(yàn)和雙區(qū)模型仿真對比了壓縮比為10的汽油機(jī)使用EGR和稀燃的燃燒特性.結(jié)果顯示,在相同的稀釋率下,EGR的缸內(nèi)平均指示有效壓力變動率(coefficient of variation of indicated mean effective pressure, IMEP_COV) 和燃油消耗率都高于稀燃,但缸內(nèi)最高溫度較低,表明EGR對燃燒的負(fù)面影響更大.

一般認(rèn)為,稀燃和EGR都有降低爆震傾向的效果.Grandin等[9]研究了EGR或稀燃在渦輪增壓汽油機(jī)大負(fù)荷工況下取代燃油加濃策略的可行性.研究表明:在大負(fù)荷下使用EGR或稀燃都可以產(chǎn)生與燃油加濃相同的效果,即降低排氣溫度并且抑制爆震.但是,Topinka等[10]和于吉超等[11]的研究結(jié)果顯示,渦輪增壓汽油機(jī)在大負(fù)荷下使用稀燃會增大爆震傾向,這與Grandin等[9]的研究結(jié)果有所不同,這種不同可能來自于壓縮比和增壓壓力不同導(dǎo)致的壓縮終了溫度的差異,從而使稀燃對爆震的影響不同.但Grandin等[9]在文章中并未提到試驗(yàn)發(fā)動機(jī)的具體壓縮比.

可見,國內(nèi)外對EGR和稀燃的對比已有部分研究.但是,這些研究基本都是在單一的較低壓縮比 (10或以下) 下完成的,且對于增壓發(fā)動機(jī)大負(fù)荷工況下稀燃對爆震的影響,有不同的試驗(yàn)結(jié)論[9-11].在高壓縮比尤其是大負(fù)荷情況下,稀燃和EGR對節(jié)油效果及對爆震的作用仍缺少對比研究.為了盡可能提高發(fā)動機(jī)熱效率、拓展稀燃大負(fù)荷邊界,需要深入研究高壓縮比配合稀薄/稀釋燃燒技術(shù).受產(chǎn)業(yè)化要求的限制,試驗(yàn)采用的最高壓縮比為12.更高壓縮比,如14、16壓縮比對節(jié)油特性的影響有待今后進(jìn)一步研究.

本文基于一臺1.0T增壓直噴汽油機(jī),對其進(jìn)行了改造,增加了低壓EGR管路及耦合中冷器的EGR閥.使用兩款形狀類似且經(jīng)優(yōu)化的活塞,在壓縮比為9.6和12的情況下分別進(jìn)行了原機(jī)、EGR和稀燃的試驗(yàn),并結(jié)合一維仿真軟件GT-Power,對比了EGR和稀燃在兩種壓縮比下的節(jié)油效果和能量損失差異.

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的發(fā)動機(jī)臺架示意圖如圖1所示(圖中ECU表示發(fā)動機(jī)控制單元);發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1.發(fā)動機(jī)參數(shù)可通過ETAS公司的INCA(軟件名)系統(tǒng)調(diào)節(jié),測功機(jī)為凱邁機(jī)電CJ160,缸壓傳感器型號為Kistler 6125B,油耗儀為AVL 735S/753C.使用進(jìn)氣恒溫裝置及增壓中冷保證合適的進(jìn)氣溫度.空燃比為寬域氧傳感器測得.EGR率由兩臺五氣分析儀分別測量進(jìn)排氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)計(jì)算得到.

圖1 發(fā)動機(jī)臺架示意圖

表1 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)先后在9.6和12的壓縮比下進(jìn)行.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速保持在2 000 r·min-1.選擇了小、中、大三種負(fù)荷,制動平均有效壓力(brake mean effective pressure, BMEP)為0.2、0.8和1.4 MPa,分別對應(yīng)了9.1%、36.4%和63.6%的負(fù)荷率.大負(fù)荷下負(fù)荷率選為63.6%是為了在稀釋率提高后,渦輪能夠保證足夠的進(jìn)氣量,使BMEP恒定.依次增加EGR閥開度或調(diào)節(jié)目標(biāo)空燃比,在保證IMEP_COV不超過4%的前提下,調(diào)節(jié)節(jié)氣門、渦輪增壓廢氣旁通閥開度及點(diǎn)火角,在保證BMEP不變的同時(shí)使得燃油消耗率最低,直到油耗率達(dá)到最低或IMEP_COV超過4%,符合要求的最大稀釋率即為當(dāng)前工況的稀釋率邊界.對于每個(gè)工況,采集連續(xù)200個(gè)循環(huán).

2 一維仿真模型

由于發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)難以直接測量某些關(guān)鍵參數(shù),例如缸內(nèi)溫度、傳熱損失等,因此建立了一維仿真模型,并與試驗(yàn)測得的缸壓對照驗(yàn)證,以便分析能量損失的分布及比例.燃燒模型選用Wiebe驗(yàn)證模型;傳熱模型為WoschniGT模型,推薦選取的傳熱系數(shù)為1.1~1.4[12].通過對比試驗(yàn)數(shù)據(jù),本文選取的傳熱系數(shù)為1.1.圖2為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1、壓縮比為9.6、BMEP為1.4 MPa時(shí),最低油耗下,化學(xué)當(dāng)量比、EGR和稀燃條件下缸壓與放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角(crank angle)的變化關(guān)系;圖3為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1、壓縮比為12、BMEP為0.2 MPa時(shí),最低油耗下化學(xué)當(dāng)量比工況的缸壓與放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系.由圖可見,一維仿真模型的準(zhǔn)確性較好;其他工況擬合的準(zhǔn)確程度與之類似,且各工況下BMEP誤差均不超過1%,說明仿真模型準(zhǔn)確可信.

a 化學(xué)當(dāng)量比工況

b 最低油耗EGR工況

c 最低油耗稀燃工況

圖3 壓縮比12、2 000 r·min-1、BMEP為0.2 MPa時(shí)原機(jī)工況下缸壓及放熱率仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

Fig.3 Comparation of cylinder pressure and heat release rate under original condition when compression ratio is 12, engine speed is 2 000 r·min-1and BMEP is 0.2 MPa

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

稀燃和EGR本質(zhì)上都是對缸內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行稀釋,但稀釋所采用的工質(zhì)分別為廢氣和新鮮空氣.為了方便在相同基準(zhǔn)下對稀燃和EGR比較分析,采用了稀釋率的概念[7].稀釋率定義為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)除去燃油以外所有工質(zhì)質(zhì)量與缸內(nèi)燃油當(dāng)量比燃燒所需的空氣質(zhì)量之比,即:

(1)

式中:r為稀釋率;mt為進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)除去燃油以外所有工質(zhì)質(zhì)量;mf為缸內(nèi)燃油質(zhì)量;RAF為理論空燃比.

忽略換氣不充分引起的缸內(nèi)殘余廢氣的影響,對于稀燃,根據(jù)過量空氣系數(shù)λ的定義可知:

r=λ

(2)

因此,化學(xué)當(dāng)量比工況下r=1.

對于EGR工況,EGR率的計(jì)算公式如下:

(3)

式中:ηCO2,in為進(jìn)氣總管測點(diǎn)測得的CO2濃度;ηCO2,ex為排氣總管測點(diǎn)測得的CO2濃度.

對于EGR工況,進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)除燃油以外的工質(zhì)由新鮮空氣和EGR管路引入的殘余廢氣構(gòu)成,即:

mt=mf·RAF+mex

(4)

式中:mex為EGR管路引入的殘余廢氣質(zhì)量.

進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻缸內(nèi)除去燃油以外工質(zhì)的總質(zhì)量還可以通過EGR率計(jì)算,即:

(5)

整理可得,EGR工況下稀釋率計(jì)算公式為

(6)

3.1 小負(fù)荷工況燃燒及節(jié)油特性

圖4是在BMEP為0.2 MPa小負(fù)荷狀態(tài)下,化學(xué)當(dāng)量比、稀燃及EGR工況的油耗及IMEP_COV變化情況.化學(xué)當(dāng)量比工況稀釋率為1,稀燃和EGR最低油耗工況分別用圓框和方框標(biāo)出.如圖4a所示,在小負(fù)荷下提高壓縮比可以有效降低燃油消耗率.化學(xué)當(dāng)量比工況下,降低幅度為1.4%.兩種壓縮比下,稀燃和EGR在一定稀釋率范圍內(nèi)均可以降低發(fā)動機(jī)燃油消耗率,但稀燃降低油耗的效果更為顯著.

分析圖4b(圖中點(diǎn)劃線為4%的控制線,下同),提高壓縮比會使EGR和稀燃的IMEP_COV增加.這是因?yàn)?更高的壓縮比使燃燒室余隙容積減小,滾流更容易破碎;且進(jìn)氣正時(shí)未根據(jù)新燃燒室做出優(yōu)化,導(dǎo)致湍流動能下降,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?循環(huán)變動率增大[13].9.6壓縮比下,進(jìn)一步增加稀釋率會使IMEP_COV迅速增大.這是因?yàn)?小負(fù)荷下低壓縮比的壓縮終了溫度較低,火焰難以傳播,導(dǎo)致出現(xiàn)了失火,因此在高稀釋率條件下循環(huán)變動迅速增加.相同壓縮比下,稀燃的稀釋率邊界高于EGR;在相同的稀釋率下,EGR工況的IMEP_COV相比稀燃更大.說明小負(fù)荷下,EGR相較稀燃對燃燒不穩(wěn)定性的影響更大.

a 燃油消耗率

b IMEP_COV

3.2 中等負(fù)荷工況燃燒及節(jié)油特性

圖5為BMEP為0.8 MPa中等負(fù)荷時(shí),化學(xué)當(dāng)量比、稀燃與EGR工況的油耗及IMEP_COV變化情況.圖5a示出,壓縮比從9.6提升到12,可以有效降低燃油消耗率,化學(xué)當(dāng)量比工況下燃油消耗率降低了1.9%.提升壓縮比對EGR工況的稀釋率邊界影響不大,最低油耗EGR率都在20%附近.但提升壓縮比可以拓展稀燃工況的稀釋率邊界,稀釋率邊界由1.4提升到1.65.兩種壓縮比下,稀燃對降低燃油消耗率的效果仍然優(yōu)于EGR.

圖5b顯示,在中等負(fù)荷的各種工況下,IMEP_COV均不超過4%,燃燒穩(wěn)定性較好.這是因?yàn)楦變?nèi)溫度相比小負(fù)荷下更高,爆震傾向比大負(fù)荷下更小,因此燃燒相位和燃燒速度均能維持在較優(yōu)的水平,燃燒更穩(wěn)定.

a 燃油消耗率

b IMEP_COV

3.3 大負(fù)荷工況燃燒及節(jié)油特性

圖6是在BMEP為1.4 MPa大負(fù)荷下,化學(xué)當(dāng)量比、稀燃與EGR的油耗及CA50變化情況.分析圖6a,大負(fù)荷下壓縮比從9.6提高到12后,燃油消耗率都有所增加,其中化學(xué)當(dāng)量比工況下的燃油消耗率升高了2.7%.這是因?yàn)榇筘?fù)荷下提升壓縮比會增加爆震傾向,燃燒相位推遲導(dǎo)致的.壓縮比為9.6時(shí),稀燃的節(jié)油效果依然優(yōu)于EGR,燃油消耗率最多降低9.3%.壓縮比為12時(shí),稀燃降低油耗的效果較差,EGR的節(jié)油效果優(yōu)于稀燃.與中等負(fù)荷類似,提高壓縮比對EGR率邊界影響不大,但將稀燃的稀釋率邊界由1.3提高到了1.4.

分析圖6b、圖6d,在大負(fù)荷下受爆震限制,最優(yōu)點(diǎn)火角工況基本都是爆震臨界工況,因此最優(yōu)點(diǎn)火角下的燃燒重心(CA50)可以表征稀燃或EGR對爆震的抑制能力.CA50越靠前,表示抑制爆震的效果越好.壓縮比為9.6時(shí),稀燃和EGR均能使CA50提前,同時(shí)IMEP_COV變化不大;而壓縮比為12時(shí),稀燃并不能顯著提前CA50,但I(xiàn)MEP_COV顯著增加.說明大負(fù)荷工況、稀釋率為1~1.4之間時(shí),較小壓縮比工況下時(shí)稀燃能夠抑制爆震,而大壓縮比工況下稀燃不能抑制爆震.

爆震一般認(rèn)為是由發(fā)動機(jī)缸內(nèi)末端混合氣自燃造成的,因此缸內(nèi)溫度壓力過高可能會促進(jìn)末端混合氣自燃[10].此外,末端混合氣自燃可能還與活性分子之間的碰撞頻率有關(guān)[14].一方面,稀燃或EGR引入的稀釋氣體,使缸內(nèi)工質(zhì)的熱容增大,缸內(nèi)最高溫度降低;引入的惰性分子使活性分子之間的碰撞頻率降低,有利于抑制爆震.另一方面,為了維持負(fù)荷不變,需要增大進(jìn)氣量.而在相同的初始溫度下,進(jìn)氣量增大導(dǎo)致初始壓力升高,從而使壓縮終了時(shí)刻的缸內(nèi)壓力和溫度升高,有利于促進(jìn)爆震.

大負(fù)荷低壓縮比下,壓縮終了時(shí)刻缸內(nèi)溫度較低,稀燃和EGR都傾向于抑制爆震.但是稀燃引入的O2、N2的比熱比大于EGR引入的H2O和CO2的比熱比,因此壓縮終了時(shí)刻缸內(nèi)溫度更高.此外,EGR引入的氣體基本都是不參與反應(yīng)的惰性分子,因此對減小活性分子間碰撞頻率的效果更好.所以在大負(fù)荷高壓縮比稀燃更傾向于促進(jìn)爆震,而EGR依然可以抑制爆震.

壓縮比12、大負(fù)荷工況下,燃燒始點(diǎn)(CA05)均在上止點(diǎn)之后,如圖6c所示.為了比較此工況下的稀燃、EGR的壓縮上止點(diǎn)溫度,使用GT-Power進(jìn)行仿真計(jì)算,取稀燃和EGR的稀釋率均為1.3.如表2所示,在壓縮上止點(diǎn)處,稀燃工況缸壓相比化學(xué)當(dāng)量比工況高0.88 MPa,缸內(nèi)平均溫度比化學(xué)當(dāng)量比工況高20.9 K.而EGR工況缸壓相比化學(xué)當(dāng)量比工況僅高0.49 MPa,缸內(nèi)平均溫度比化學(xué)當(dāng)量比工況僅高11.5 K.相同稀釋率下,稀燃工況的壓縮終了時(shí)刻溫度、壓力均高于EGR工況,從而驗(yàn)證了本節(jié)上文的說法.

a 燃油消耗率 b CA50

c CA05 d IMEP_COV

表2 三種工況下上止點(diǎn)時(shí)刻的缸內(nèi)壓力、平均溫度

對以上三種負(fù)荷、兩種壓縮比下各個(gè)工況的節(jié)油效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表3.其中,節(jié)油率的基準(zhǔn)為9.6壓縮比化學(xué)當(dāng)量比工況.結(jié)果表明,壓縮比12、稀燃的中等負(fù)荷工況下相對節(jié)油效果最好,節(jié)油率達(dá)到10.4%;壓縮比9.6、稀燃的大負(fù)荷工況下有效熱效率最高,達(dá)到38.9%.此外,使用可變壓縮比結(jié)合稀燃及EGR技術(shù)有望在全負(fù)荷工況范圍內(nèi)提高發(fā)動機(jī)熱效率,即在中小負(fù)荷下采用高壓縮比并結(jié)合稀燃,在大負(fù)荷下采用低壓縮比和稀燃,節(jié)油效果最好.但是在更高的負(fù)荷下稀燃和EGR對于爆震的抑制效果,仍有待進(jìn)一步探索.

表3 各工況節(jié)油效果

4 節(jié)油機(jī)理分析

小、中負(fù)荷不同壓縮比下稀燃和EGR對節(jié)油效果的影響類似,且稀燃效果更好.但在大負(fù)荷工況下,提高壓縮比對稀燃和EGR的節(jié)油效果產(chǎn)生了不同的作用.為了進(jìn)一步分析大負(fù)荷下壓縮比對兩種燃燒方式的影響機(jī)理,選取了化學(xué)當(dāng)量比、稀燃和EGR工況下的最經(jīng)濟(jì)點(diǎn),使用GT-Power進(jìn)行一維仿真,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算燃料燃燒后的能量去向.燃料燃燒后的能量去向包括有用功、泵氣功損失、摩擦損失、傳熱損失及排氣損失.為了便于比較,可以將能量換算成缸內(nèi)平均有效壓力(mean effective pressure, MEP)的形式[15].燃油噴射總能量Ez,Fu的計(jì)算公式如下:

(7)

式中:mc為每循環(huán)噴油質(zhì)量,由油耗儀所測的單位時(shí)間燃油消耗量與測功機(jī)測得的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算得到;Qlhv為燃料低熱值;VD為氣缸排量.

有用功以BMEP表示,由測功機(jī)測得的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速計(jì)算得到.IMEP由試驗(yàn)采集的缸壓曲線計(jì)算得知.IMEP由壓縮、做功沖程與排氣、進(jìn)氣沖程兩部分相加得到(以EIMEP表示),排氣、進(jìn)氣沖程內(nèi)的IMEP即為泵氣平均有效壓力(pumping MEP, PMEP,以EPMEP表示).摩擦損失(frictional MEP, FMEP)為IMEP與BMEP相減所得.傳熱損失(heat MEP, HMEP,以EHMEP表示)由一維仿真計(jì)算得到.剩余的能量損失,包括排氣損失和不可逆離解損失,統(tǒng)一記為排氣損失(exhaust MEP, EMEP,以EEMEP表示),計(jì)算公式為

EEMEP=Ez,Fu-EIMEP+EPMEP-EHMEP

(8)

4.1 泵氣功損失

圖7對比了各個(gè)工況下的泵氣功損失.若進(jìn)排氣階段活塞做負(fù)功,泵氣功為負(fù)值,那么泵氣功損失為正值;反之亦然.由于大負(fù)荷下渦輪增壓器開始工作,泵氣功損失占能量損失比重較小,其中壓縮比9.6、化學(xué)當(dāng)量比工況下僅占總體損失的0.3%.壓縮比增大至12會使泵氣功損失略有降低,其原因由圖6a可知,大負(fù)荷工況提升壓縮比降低了熱效率,因此需要的進(jìn)氣壓力更高.

圖7 大負(fù)荷下不同工況泵氣功損失對比

稀燃和EGR均能減少泵氣功損失,且稀燃效果更好.稀燃和EGR減小泵氣功損失的原理都是通過增壓保證BMEP不變.稀燃的最低油耗稀釋率基本都高于EGR,進(jìn)氣道壓力更大.因此稀燃減小泵氣功損失的效果更明顯.

4.2 摩擦損失

圖8對比了各個(gè)工況下的摩擦損失情況.壓縮比9.6、化學(xué)當(dāng)量比的工況下,摩擦損失約占總體能量損失的3.6%.三種工況下,壓縮比增大均會使摩擦損失顯著提高,其原因可能與缸內(nèi)最高壓力升高導(dǎo)致活塞與氣缸壁摩擦增大有關(guān).

圖8 大負(fù)荷下不同工況摩擦損失對比

稀燃和EGR均會使摩擦損失略有增大,其原因是稀燃和EGR相比原機(jī)需要的進(jìn)氣量更多,氣缸壓力、活塞風(fēng)阻更大.

4.3 傳熱損失

圖9對比了各個(gè)工況下的傳熱損失情況.壓縮比9.6、化學(xué)當(dāng)量比工況下,傳熱損失占總能量損失的28.9%.各工況下傳熱損失隨壓縮比升高均有所降低.這是因?yàn)楦邏嚎s比導(dǎo)致爆震趨勢增強(qiáng), CA50向后推遲,如圖6b所示,因此缸內(nèi)上止點(diǎn)附近的溫度降低.而根據(jù)WoschniGT[12]模型,上止點(diǎn)附近傳熱系數(shù)最高.因此,壓縮比升高會使傳熱損失減少.

圖9 大負(fù)荷下不同工況傳熱損失對比

兩種壓縮比下稀燃和EGR都能有效降低傳熱損失,但稀燃降低的幅度更大.分析圖6b,相同稀釋率下稀燃抑制爆震的效果更差,因此稀燃工況的點(diǎn)火角無法有效提前,CA50相比EGR工況更靠后,傳熱損失較少.此外,稀燃最低油耗點(diǎn)的稀釋率更高,缸內(nèi)工質(zhì)更多,熱容更大,降低最高燃燒溫度的效果也更明顯.

4.4 排氣損失

圖10對比了各個(gè)工況下的排氣損失情況.壓縮比9.6、化學(xué)當(dāng)量比的工況下,排氣損失在總體能量損失中的比例為67.2%,占據(jù)了絕大多數(shù).化學(xué)當(dāng)量比、稀燃和EGR工況下提高壓縮比均會使排氣損失增多.這是由于燃燒相位推遲導(dǎo)致等容度下降,排氣損失增多.其中稀燃工況由于本文3.3節(jié)所解釋的原因,CA50推遲較多,排氣損失增多尤為嚴(yán)重.

圖10 大負(fù)荷下不同工況排氣損失對比

低壓縮比下,稀燃和EGR均能有效降低排氣損失,這主要是因?yàn)橄∪己虴GR對爆震的抑制作用均大于促進(jìn)作用,CA50提前,因此降低排氣損失的效果較好.而在高壓縮比下,EGR對爆震具有良好的抑制作用,因此可以大幅提前CA50,降低排氣損失;稀燃工況CA50略微推遲,導(dǎo)致排氣損失增多.但由于稀燃工況下最高燃燒溫度降低,且充足的氧氣利于氧化缸內(nèi)的未燃CO、HC,離解損失減少.二者綜合作用,導(dǎo)致總體排氣損失相比于化學(xué)當(dāng)量比工況略有降低.

表4比較了稀燃和EGR工況下4種能量損失變化對油耗的影響,即4種能量損失變化量占總油耗減少量的百分比.百分比為正表示該能量損失減少,為負(fù)則表示該能量損失增多.對照組為同一壓縮比下的化學(xué)當(dāng)量比工況.可以看出,壓縮比12下稀燃主要的節(jié)油來源為傳熱損失減少.其他工況下,減少排氣損失對降低油耗的貢獻(xiàn)程度更大.這是因?yàn)樵诖斯r下稀燃不能很好地抑制爆震,CA50無法提前,如圖6b,導(dǎo)致排氣損失降低不明顯,如圖10所示.因此傳熱損失的減少對降低油耗的貢獻(xiàn)程度最大.所有工況下,兩種損失的減少對節(jié)油的貢獻(xiàn)程度之和均大于90%.

表4 BMEP為1.4 MPa時(shí)4種能量損失變化對油耗的影響

5 結(jié)論

(1) 壓縮比由9.6提升至12,可以降低化學(xué)當(dāng)量比工況在小、中負(fù)荷下的燃油消耗率,降低幅度分別為1.4%和1.9%;而大負(fù)荷下因壓縮比的提升增加了爆震傾向,燃燒相位推遲,導(dǎo)致化學(xué)當(dāng)量比工況燃油消耗率增大2.7%.

(2) 稀燃和EGR均能有效降低燃油消耗率.節(jié)油效果最好的為壓縮比12、稀燃的中等負(fù)荷工況,節(jié)油率達(dá)到10.4%.在中小負(fù)荷下采用高壓縮比并結(jié)合稀燃,在大負(fù)荷下采用低壓縮比和EGR能在全負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)節(jié)油效果.各工況下,稀燃工況的稀釋率邊界均大于EGR工況.增大壓縮比有利于擴(kuò)展中、大負(fù)荷下的稀燃邊界,兩種負(fù)荷下稀釋率分別增大了0.25和0.1.

(3) 大負(fù)荷時(shí),在壓縮比為12的稀燃工況下,主要的節(jié)油來源為傳熱損失減少;其他工況下,減少排氣損失對降低油耗的貢獻(xiàn)程度更大.大負(fù)荷下使用稀燃或EGR,傳熱損失和排氣損失的減少對節(jié)油的貢獻(xiàn)度之和大于90%.

(4) 稀燃對大負(fù)荷工況爆震的影響較復(fù)雜.9.6壓縮比下,稀燃傾向抑制爆震.而12壓縮比下,由于缸內(nèi)溫度、壓力更高,稀釋率為1~1.4之間時(shí)稀燃不能抑制爆震.EGR在試驗(yàn)采用的兩種壓縮比下均能抑制爆震.

致謝:感謝國家自然基金項(xiàng)目(51761135105)與同濟(jì)大學(xué)KSPG教席基金項(xiàng)目對本論文研究的資助.