某直喷发动机稀释燃烧的试验研究

吴铭淞

(同济大学汽车学院,上海 200092)

0 前言

燃油经济性是发动机性能的重要指标之一,根据轻型汽柴油车燃料消耗量测量方法提出实现2025年乘用车百公里油耗平均4.0 L 的目标,同时新能源车型也面临着环境适应性的难题而无法实现大规模普及,常规发动机节能技术的应用再次受到关注。

汽油稀释燃烧是指利用稀混合气驱动发动机做功的一种技术。一般来说,发动机的空燃比大于18.0：1称之为稀薄燃烧,空燃比介于14.7：1至20.0：1情况下称之为稀释燃烧。稀释燃烧在中小负荷的燃油经济性改进非常明显。有研究显示,在交通拥堵的情况下,发动机在低负荷工况运行的时间占总运行时间的比例甚至高于68%[1]。

稀薄燃烧技术理论上可以达到20%的燃油经济性改善[2],但发动机开发的周期长、难度大,且对电控系统控制和模型算法要求较高,在实际应用中很难达到预期目标。而稀释燃烧尽管在理论上的燃油经济性改善效益较少,但应用该技术发动机硬件几乎不用更改,且具有已逐渐成熟的排气后处理技术等优势条件。随着近年来电控系统的处理能力和控制算法的日益强大,且常规低成本的节油技术逐渐开发完毕,稀释燃烧应用的效益预期重新得到了关注。

本文通过台架试验方法,研究某直喷增压发动机在稀释燃烧情况下的燃油经济性、原始排放和燃烧噪声等特性。

1 研究装置与设备

该研究的台架试验采用上汽集团研发的NLE 2.0T 直喷发动机。该发动机的技术参数如表1所示。主要试验设备如表2所示。

表1 上汽NLE 2.0T发动机技术参数

表2 主要试验设备列表

2 燃油经济性

2.1 测试工况及测试数据

基于新欧洲标准行驶循环(NEDC)和全球轻型汽车测试循环(WLTC)公开选取转速和扭矩范围介于转速2 500 r/min、扭矩200 N·m 以下的工况点,进行不同过量空气系数(λ)工作点设定的测试,同时通过调整点火提前角找出当前工况下最大制动扭矩(MBT)或爆燃临界点(KBL)的工作点,得出各工况点的比油耗(BSFC)数值、排放浓度和气缸压力数据。

如图1所示,可以看出最佳BSFC 点的λ范围,在低负荷工况点是1.15～1.20。随着负荷上升,在中高负荷工况下λ上升至1.20～1.25。这个特性说明了在应用情况下可以采用变化的λ值来达到发动机最佳燃油经济性、排放和稳定性的平衡。考虑到燃油控制目标的大幅变化在电控系统中会造成不稳定,这个变化的范围不能太大。

图1 不同负荷点BSFC受λ的影响关系

通过试验测试,可以看出最佳范围的λ处于1.15～1.25之间,控制的范围还是易于实施的。如图2所示,通过采用λ为1.0、1.2和1.2停掉1缸工作的3种设定,获得在转速1 500 r/min和2 000 r/min 2个工况点的对比。如图3所示,可以看出,通过稀释燃烧,BSFC可以获得5%～10%的收益。在低负荷区域,采用停掉1缸工作,可以再增加2%～5%的BSFC收益。

2.2 结果分析

图2 转速1 500 r/min下稀释燃烧燃油经济性

图3 转速2 000 r/min下稀释燃烧燃油经济性

稀释燃烧最直接的贡献是减小泵气损失。一般认为,低负荷区域主要受节气门的节流损失的影响,高负荷区域主要受气阀节流损失和涡轮后压力损失的影响[3]。通过对燃烧气缸压力的数据分析,相比于理论空燃比燃烧,可以看出稀释燃烧的泵气损失在小负荷区域是有较大减小的。如图4所示,随着进气平均压力逐渐接近大气压,这个减小量逐渐变小,在超出大气压后泵气损失开始增加但增幅不大。在中高负荷区域的气缸压力对比如图5所示。

图4 在70 N·m 负荷点的气缸压力示功图(负功)

在不同的转速下,通过试验整理负荷(发动机输出扭矩)和进气平均压力(进气管真空度)之间的关系,可以看出进气平均压力仅与负荷成线性关系,与转速关系不大。试验结果如图6所示。通过该关系可以确立泵气损失变化的趋势。

图5 在200 N·m 负荷点缸压示功图(负功)

图6 发动机负荷与进气管真空度的关系测试

稀释燃烧使缸内燃烧平均温度降低,使发动机的爆燃倾向减弱,在原KBL区域的点火提前角设定更接近于MBT 工作点,发动机效率得以提高。从图7可以看出,随着负荷的上升,最大燃烧压力和压力上升率逐渐从降低变为升高。

稀释燃烧的燃油经济性提升机理如下：在小负荷区域,燃油经济性的主要提升来源是泵气损失功和热散失的降低。随着λ的加大,泵气损失持续下降,同时燃烧速度变慢。最佳点火提前角设定提前,燃油经济性持续提升。但随着λ的进一步加大,燃烧速度过于缓慢且燃烧循环波动大幅增加,导致燃烧恶化而使燃油经济性开始下降,同时排放废气量也开始出现上升。在高负荷区域,燃油经济性的主要提升来自于稀释燃烧爆燃倾向的降低,而点火角工作点的燃烧效率提升。随着λ的增加,此时的泵气损失不变或有小幅增加,同时燃烧速度并未出现明显变化。稀释燃烧使发动机在同等负荷下的爆燃倾向减弱,KBL 工作点更接近MBT 点火提前角,点火效率得到提升,燃油经济性指标有所提升。随着λ的进一步加大,燃烧速度开始减慢且燃烧循环波动开始大幅增加,燃烧效率开始下降,燃油经济性指标开始下降。

图7 不同负荷状态下的缸压曲线(正功)

3 排放性能特性

如图8、图9和图10所示,在稀释燃烧的λ参数采用固定值时,随着负荷的上升,相对于理论空燃比燃烧,碳氢(HC)排放在极小负荷工况点有所增加,在大负荷工况点略有减少,氮氧化物(NOx)排放在中高负荷区域有一定增加,CO排放在整个区域内都有大幅下降。

图8 相同λ工况下的NO x 排放特性

稀释燃烧采用优化的λ 参数选择,当其选择在最优BSFC工况点时,与理论空燃比燃烧相比总体上可以大幅降低CO、HC 和PM 原排,在小负荷时NOx原排减少,但在中高负荷区域NOx原排随负荷增高有一定幅度增加。同时,随着稀释燃烧λ增大至最优BSFC工况点之后,继续增大可导致NOx排放大幅下降、BSFC上升及HC排放上升,NOx排放始终与BSFC和HC排放呈反向趋势。

图9 相同λ工况下HC排放特性

图10 等λ工况CO 排放特性

4 燃烧噪声特性

从图11可以看出,燃烧噪声差异主要集中在160～1 600 Hz的1/3倍频程带范围内。随着λ 的变大,燃烧噪声出现了先上升再下降的过程,而不同工况的最大值出现的λ值是不同的,遵循负荷越大,这个噪声最大值出现的λ越大。

图11 转速2 250 r/min,扭转160 N·m 燃烧噪声

基于图11并比对燃油经济性变λ 数据和分析结果,可以看出在中大负荷工况下,此趋势与爆燃点火效率对BSFC改善的趋势有一致性。而在中小负荷,这个最大值出现在λ=1.0附近,随着负荷的增大这个最大值逐渐向高λ值处移动。

通过选择相同λ工况可知,在小负荷时可以同时获得优化的燃油经济性和燃烧噪声,在中高负荷时不能同时获得这2个参数的同步优化,需基于开发目标进行平衡。

5 结论

稀释燃烧可以有效降低发动机的燃油消耗率,结合停缸方式在中小负荷时,BSFC 可以达到5%～12%；在中高负荷时,BSFC 可以达到3%～8%的改进。中小负荷时的BSFC改进主要来自于泵气损失的降低和传热损失的减小,中高负荷时的BSFC 改进主要来自于稀释燃烧爆燃倾向减弱,点火效率得到提升。

稀释燃烧的λ值选择在最优BSFC 工况点,相对理论空燃比,燃烧总体上可以大幅降低CO、HC 和颗粒物(PM)排放。在小负荷时,NOx排放减少；在中高负荷区域时,NOx排放随着负荷的增大有一定幅度的增加。同时,随着稀释燃烧λ值增大至最优BSFC 点之后,继续增大λ值将导致NOx排放大幅下降、BSFC上升,以及HC 排放上升。NOx排放始终与BSFC 和HC排放呈反向趋势。

相对于理论空燃比状态,稀释燃烧在中小负荷区域大幅降低了气缸压力的上升率,有效降低了燃烧噪声；而在中高负荷区域,最优BSFC 点的燃烧噪声反而有所上升。针对排放平衡优化点,燃烧噪声可基本持平或略有降低。

通过选择λ目标值,在小负荷时可以同时获得优化的燃油经济性、燃烧噪声和排放的平衡,而在中高负荷时不能同时获得燃油经济性与其他2 个参数的优化,需基于开发目标进行平衡。