商用车发动机可变进气的潜力

【德】　D.Kovcs　S.Gehrke　P.Eilts



发展动向

商用车发动机可变进气的潜力

柴油机可采用可变进气提高效率，并降低气缸内有害物质的排放。在德国内燃机研究联合会的研究计划范围内，德国布伦瑞克工业大学(TU Braunschweig)内燃机研究所对符合商用车规格的试验机开展了可变进气的研究，分析它们的影响，并验证其减排增效潜力。

柴油机可变进气配气相位米勒循环

0　前言

日益严格的排放法规及消费者的低燃油耗诉求，迫使商用车柴油机需要寻求新的突破。此外，为了保证排气后处理系统的功能性，通常需要采用主动加热措施。为了解决这些问题，该研究项目对商用车柴油机可变进气的潜力进行了研究。研究重点是分析和确定基本关系，研究策略如下： (1) 基于气门正时的排气管理；(2) 米勒循环的应用；(3) 可变气门正时与代用燃料的适用性。

基于气门正时排气管理的目标是，在不利于排气后处理的发动机工况下优化排气后处理系统的排气参数。过去的排气管理研究主要针对乘用车发动机[1-2]。然而，商用车发动机可变气门驱动方面的研究也取得了可喜的成果。例如，De Ojeda[3]提出，提前进气门关闭角(EIVC)会明显提高排气温度，但需要考虑点火延迟和由此产生的压力升高等问题。Hermann等人[4]介绍了排气相位调节器的商业应用，它可以提高柴油机颗粒捕集器(DPF)主动再生的排气温度。

第二项研究重点是米勒循环，米勒循环最先由R.H.Miller提出，用以提高输出功率[5-6]。参考文献[7]和[8]介绍了热力学基础和机理。综其所述可发现，通过EIVC或延迟进气门关闭角(LIVC)，可保持气缸充气量不变，米勒循环可降低压缩终了温度和压力水平，从而减少氮氧化物(NOx)排放。虽然对大型发动机而言，米勒循环是最先进的技术，但该技术在商用车柴油机上尚未实现系列应用。

第三项研究重点是可变气门正时与代用燃料的综合影响。代用燃料有利于减少对化石能源的依赖，但它们的着火性往往与柴油不同。由于米勒正时通常会使点火条件更加恶劣[3]，同时增加压力，以致运行时无法实现低噪声或对机件的保护。

1　研究方法

采用1台符合商用车规格的单缸试验机进行研究(表1)。为了避免相互作用，在灵活可调的试验环境下运转该试验发动机，试验环境的详细说明见参考文献[9]。通过分开调节不同参数，这种试验装置能将可变气门正时的影响与其他影响因素相隔离。

表1　试验机技术数据

通过无凸轮电液驱动气门机构控制进排气门[10]，这种气门机构可以灵活和实时地单独调节各个气门的正时。此外，试验发动机采用高压废气再循环、外源增压系统和共轨喷油系统，最大喷油压力为180 MPa。

图1示出了无凸轮电液驱动气门机构在转速1200 r/min时的典型气门升程和基准配气相位策略。参考配气相位来自目前生产的发动机。此外，图1还示出了基于进气门关闭角(IVC)的压缩比。表2列出了在所示工况点进行研究的结果。

(a)

(b)

(c)

(d)

项目参数工况点1(OP1)工况点2(OP2)转速/(r·min-1)12001200平均有效指示压力(IMEP)/MPa0.62.1研究重点排气管理/代用燃料的适用性米勒循环/代用燃料的适用性

2　基于气门正时的排气管理

工况点1采用参考配气相位的排气道排气温度约为310℃(583 K)。而整机从增压装置到排气后处理入口处的温度下降约120 K[9]。为了保证排气后处理的效率，上述工况点需要采用排气管理。

根据图1所示的配气相位调整方案1～4研究排气管理。与参考配气相位的基准点相同，调整配气相位时，增压压力、排气背压、燃烧重心位置(通过调节喷油开始)以及NOx排放(通过调整EGR率)保持不变。此外，还采用预喷、预喷的喷油量，以及预喷与主喷之间的间距保持不变。

图2示出了研究结果。采用EIVC和LIVC策略，可减少气缸充量和排气质量流量，并提高排气温度，这两种策略的趋势相似。虽然采用LIVC会更大程度地减少气缸充量，但温度更高。此外，这两种配气相位策略都在NOx不变的情况下增加了碳烟排放，燃油耗最多会增加2.5%。

图2　基于气门正时的排气管理结果(VAT=配气相位)

减小气门重叠角会提高内部EGR率，减少排气质量流量，并提高排气温度和PM排放，采用这种策略的燃油耗比采用VAT调节策略更高。

提前排气门开启角(EEVO)，会因膨胀行程损失增大而降低高压回路的效率，进而增加燃油耗，并提高排气温度和PM排放，但不会减少排气质量流量。测量结果表明，所研究的每个策略都会使温度大幅提高。此外，由于采用预喷，所以VAT调节时的压力升高率始终低于0.6 MPa/℃A。

3　米勒循环

下文讨论了对全负荷工况下的米勒循环应用的研究。配气相位调整策略采用图1所示的方案3(EIVC)和方案4(LIVC)。第一步的重点是分析影响，为了避免交叉影响，IVC时的气缸充气或扫气压差等边界条件基本保持不变。由于充气的氧含量对NOx的形成至关重要，因而通过调节EGR率使氧含量保持不变。图3介绍了工况点和研究结果。调整配气相位时，预喷的喷油量以及预喷与主喷之间的间距仍保持不变。

图3　米勒循环基础研究

EIVC策略和LIVC策略继续呈现出相似的趋势，因为基于IVC调节的压缩比会大幅减小，所以LIVC的变化更加明显。在边界条件不变的情况下采用米勒策略，可大幅降低NOx排放，但会增加PM和CO排放，压力升高率和燃烧过程基本保持不变。米勒循环会使燃烧过程的温度降低，进而使排放发生变化。米勒循环引起的另一结果是，在IMEP不变的情况下使最高燃烧压力降低。因而需采取其他措施： (1) 增大喷油量以提高功率；(2) 进一步提高增压压力；(3) 前调燃烧重心。

图4示出了功率升高的研究结果。通过气缸充气补偿进行试验，增大喷油量，直至达到参考工况点的最高燃烧压力。采用这种策略，IMEP最多提高约0.2 MPa(约10%)，燃油消耗率提高0.5%。通过调节EGR使NOx排放保持不变，这会增加空气流量，但增加的喷油量大于增加的空气流量，从而降低空燃比，导致碳烟和CO排放增加。此外，压力升高率增加至最高值1 MPa/℃A。

图4　通过米勒循环提高功率

图5示出了结合其他减排措施的米勒循环研究结果。首先，按参考顺序延迟IVC，并改变增压压力。通过提高增压压力，使空气流量、空燃比及最高燃烧压力增大。压缩终了压力的提高改善了点火条件，从而减小压力升高率。研究排放可明显看出增压压力的影响。提高增压压力可改善PM-NOx折中及CO排放，这是因为米勒循环降低了燃烧过程的温度，并在NOx排放量不变的情况下提高了空燃比。此外，燃油耗随着增压压力的提高而降低。采用软件Engine OS Tiger进行的计算表明，效率提高主要归因于壁热损失的降低、热量特性的改善以及快速燃烧的组织。采用LIVC且增压压力为0.46 MPa 时，将燃烧重心前调1.5℃A， 可适度降低燃油耗，但压力升高率明显增加。污染物排放发生的变化较小。

图5　通过米勒循环优化排放

4　可变气门正时与代用燃料的适用性

下列结果表明，采用米勒正时策略时不同着火性的燃料的适用性。参考燃料采用规格为CEC-RF-06-03(十六烷值约为52)的柴油(CEC)。此外，还研究体积混合比为70/30、十六烷值约为40的CEC和丁醇混合物(CECBUT)，以及十六烷值约为80纯链烷烃结构的氢化植物油(HVO)。CEC和HVO的氧含量(基于质量)可忽略不计，含酒精的CECBUT的氧含量约为6%。根据之前的内部研究选择燃料。

低负荷范围的研究结果表明，影响燃烧的决定性因素是着火性(图6)。在基准点，各种燃料的燃烧过程几乎相同，因此，燃料本身的碳烟生成倾向决定了PM排放。HVO不含芳烃的结构以及CECBUT的氧含量有利于减少碳烟生成。由于调整配气相位，低十六烷值燃料(CEC和CECBUT)的燃烧过程发生剧烈变化。压力升高率及相应的预混合部分明显增加，不存在预喷燃料的分离燃烧过程。采用CECBUT的优点是PM排放大幅降低，很大程度上补偿了空燃比减小所引起的碳烟排放增加等消极影响。

在采用气缸充气补偿的高负荷范围中，各种燃料的压力升高率和燃烧过程在配气相位调整时几乎不变(图7)。这主要归因于高负荷时良好的点火条件以及为实现充气补偿而提高的增压压力。因此，燃料本身的碳烟生成倾向使得这些工况点的PM排放有差异。采用米勒正时可降低PM排放，这是因为空燃比增大，进而增加气缸充气的氧含量。

图6　低负荷时采用不同着火性燃料的IVC变化

图7　高负荷时采用不同着火性燃料的IVC变化

5　结语

在FVV研究计划范围内进行的研究项目，结果表明了商用车柴油机可变气门驱动的潜力。为了支

持排气后处理系统，可通过配气相位可变策略大幅提升排气温度。米勒循环可在适当增加燃油耗的情况下最多提高功率10%，同时可改善PM-NOx折中和燃油耗，而增压压力的提升对改善起着至关重要的作用。此外，研究结果表明，结合采用代用燃料和米勒正时，对在低负荷范围内采用低十六烷值燃料尤为重要，因而也需要主动的发动机管理措施。

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