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換氣可變性在轎車(chē)柴油機(jī)上的潛力

【德】S.HonardarK.DeppenkemperM.NijsS.Pischinger

摘要：可用于轎車(chē)柴油機(jī)的可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)是全球熱議的能降低原始排放及滿足當(dāng)今和未來(lái)廢氣排放限值要求的技術(shù)。在內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)的研究計(jì)劃范圍內(nèi)，RWTH Aachen大學(xué)對(duì)可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)在轎車(chē)柴油機(jī)上的潛力進(jìn)行模擬和試驗(yàn)研究，并最終對(duì)其作出評(píng)價(jià)，研究結(jié)果可用于進(jìn)一步改善廢氣溫度管理和瞬態(tài)性能(加速響應(yīng)性能和廢氣排放)。

關(guān)鍵詞：轎車(chē)柴油機(jī)可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)進(jìn)排氣門(mén)升程顆粒物排放

1研究背景

當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)要求是減少有害物和CO2排放,以滿足未來(lái)廢氣排放法規(guī)對(duì)公司平均限值的要求。因存在即將實(shí)施其他認(rèn)證循環(huán)的可能性(例如全球統(tǒng)一的輕型載貨車(chē)試驗(yàn)規(guī)范)，開(kāi)發(fā)人員將面臨更大的挑戰(zhàn)。這種行駛循環(huán)要求進(jìn)行持續(xù)的廢氣溫度管理，尤其是對(duì)于低部分負(fù)荷和冷起動(dòng)運(yùn)行工況，以便能使排氣后處理系統(tǒng)高效運(yùn)行。

減少CO2排放會(huì)降低廢氣溫度，特別是在低部分負(fù)荷范圍內(nèi),會(huì)導(dǎo)致氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)中碳?xì)浠衔?HC)和CO的轉(zhuǎn)化率明顯降低，如廢氣溫度低于DOC的起燃溫度，那么，降低機(jī)內(nèi)CO和HC排放就顯得更為重要。通過(guò)應(yīng)用可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)辟空氣系統(tǒng)新的自由度，以顯著提高廢氣溫度，同時(shí)不存在廢氣排放達(dá)到臨界范圍的重大缺陷，例如在維持燃燒穩(wěn)定性的同時(shí)，在低部分負(fù)荷范圍內(nèi)進(jìn)行柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)再生或降低氮氧化物(NOx)排放。此外，通過(guò)調(diào)整配氣正時(shí),提高氣缸中的殘余廢氣含量，在低NOx水平下進(jìn)行DPF再生，從而獲得低的再生系數(shù)(KI系數(shù))。通過(guò)使用可變氣門(mén)機(jī)構(gòu),影響氣缸中充量的流動(dòng)特性和非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能。

2研究策略及實(shí)施

在單缸試驗(yàn)機(jī)和部分整機(jī)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究，單缸試驗(yàn)機(jī)是從整機(jī)演變而來(lái)的。2種發(fā)動(dòng)機(jī)均采用最高噴油壓力為200MPa的共軌噴油系統(tǒng)，為了確保獲得足夠的氣缸充氣和最佳的充量運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣道被分別設(shè)計(jì)成充氣氣道和切向進(jìn)氣道，而且2個(gè)進(jìn)氣門(mén)上都有座面渦流倒棱，以優(yōu)化充量運(yùn)動(dòng)。通過(guò)減小壓縮比、提高最高氣缸壓力和噴油壓力，以及改善冷卻廢氣再循環(huán)(EGR),將顆粒(PM)排放降至最低，因而無(wú)須采取主動(dòng)的降NOx措施，就能達(dá)到歐6排放標(biāo)準(zhǔn)要求。表1列出了這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的特性參數(shù)。

表1　HECS燃燒過(guò)程的特性參數(shù)

將4個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)作為試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，其中,3個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)位于慣性質(zhì)量1590kg等級(jí)車(chē)輛在新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)中具有重要意義的特性曲線場(chǎng)范圍內(nèi),各運(yùn)行工況點(diǎn)的預(yù)噴射持續(xù)期、預(yù)噴射與主噴射之間的間距、進(jìn)氣管壓力、增壓空氣中冷器后的溫度和燃燒重心保持不變,并按歐6排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定，與主噴射的噴油量和噴油時(shí)刻相匹配，以調(diào)整到所需的負(fù)荷和燃燒重心，保持燃燒重心位置，避免因燃燒重心位置不同而使燃油耗發(fā)生變化，從而使廢氣排放的偏差直接與氣門(mén)機(jī)構(gòu)的可變性相關(guān)，而不會(huì)導(dǎo)致不良的燃燒過(guò)程。表2列出了各負(fù)荷工況點(diǎn)的標(biāo)定情況。

表2　各負(fù)荷工況點(diǎn)的標(biāo)定

3氣門(mén)機(jī)構(gòu)可變性的研究

采用模擬和試驗(yàn)方法挖掘可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)的潛力，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。試驗(yàn)研究的目標(biāo)是使排氣后處理與低燃油耗之間達(dá)到最佳折中。試驗(yàn)的氣門(mén)機(jī)構(gòu)可變性方案示于圖1。圖1示出了包括進(jìn)排氣門(mén)相位調(diào)整、可變氣門(mén)升程、開(kāi)啟持續(xù)期及其組合在內(nèi)的10種試驗(yàn)方案。方案1示出了減小進(jìn)氣門(mén)升程的情況；方案2和方案4示出了排氣門(mén)或進(jìn)排氣門(mén)的相位調(diào)整情況；方案3試驗(yàn)了排氣門(mén)附加凸輪的潛力;方案5示出了改變進(jìn)氣門(mén)相位調(diào)整和排氣門(mén)關(guān)閉時(shí)間，而排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)間保持不變的組合；方案6和方案7試驗(yàn)了縮短氣門(mén)升程或開(kāi)啟持續(xù)期對(duì)進(jìn)排氣的影響；方案8、方案9和方案10則觀察了進(jìn)氣、排氣或進(jìn)排氣升程或開(kāi)啟持續(xù)期變化的情況。

4一維換氣模擬

采用一維換氣過(guò)程模擬計(jì)算方法，設(shè)計(jì)轎車(chē)柴油機(jī)的氣門(mén)可變性。采用兩級(jí)增壓及高壓和低壓EGR,并基于調(diào)整部分負(fù)荷的模擬模型，運(yùn)行工況點(diǎn)定義的邊界條件是穩(wěn)態(tài)負(fù)荷、增壓壓力和殘余廢氣量(各自進(jìn)行調(diào)節(jié))，通過(guò)確定邊界條件，假定放熱率近似不變。

借助一維換氣過(guò)程計(jì)算，對(duì)進(jìn)排氣側(cè)不同氣門(mén)升程曲線的配氣相位和長(zhǎng)度(升程和開(kāi)啟持續(xù)期)的應(yīng)用范圍，對(duì)廢氣溫度升高和燃油耗增加進(jìn)行逐點(diǎn)試驗(yàn)。在用一維換氣計(jì)算進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)覆蓋寬廣的氣門(mén)機(jī)構(gòu)可變性范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，可通過(guò)3種途徑影響廢氣溫度: (1)通過(guò)增加換氣功來(lái)增大高壓功；(2)增加高壓曲線中的損失；(3)內(nèi)部EGR。

排氣門(mén)早開(kāi)方案(方案2或方案9)會(huì)顯著增大膨脹損失，而通過(guò)進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)減少氣缸充量對(duì)廢氣溫度的影響就較小。除了移動(dòng)高壓過(guò)程的負(fù)荷工況點(diǎn)外，適度的熱EGR也能使廢氣溫度升高。在方案3或方案6中，采用這些方法甚至不會(huì)移動(dòng)高壓過(guò)程的負(fù)荷工況點(diǎn)，因而有可能在燃油耗略有增加的情況下，使DOC前的最高溫度升高約20℃(圖2)。

借助一維模擬計(jì)算同時(shí)調(diào)整氣門(mén)相位的方案具有較大的加熱潛力,并且是試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。尤其是方案6，在同時(shí)調(diào)節(jié)相位48°CA的情況下，因縮短了進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)啟持續(xù)期，在這個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)并未產(chǎn)生因充量被推出氣缸而造成的損失，其中，進(jìn)氣門(mén)在升程為零時(shí)關(guān)閉，與相位未調(diào)整的基準(zhǔn)進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)間基本相同。另外,因方案5、方案7、方案8和方案10呈現(xiàn)出較高的潛力，因而未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)觀察。

5單缸機(jī)試驗(yàn)研究

圖3示出了不同氣門(mén)機(jī)構(gòu)可變性方案(方案2、方案4、方案6和方案9.2)對(duì)NOx排放達(dá)到歐6標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)負(fù)荷工況點(diǎn)(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000r/min，平均指示壓力0.3MPa)燃油耗的影響，并分別與進(jìn)氣門(mén)升程為8.0mm的基準(zhǔn)氣門(mén)正時(shí)進(jìn)行比較。通過(guò)調(diào)整排氣門(mén)相位48°CA(方案2)，廢氣溫度升高約70℃，但因高壓和低壓曲線中的損失增大，導(dǎo)致燃油耗增加42g/(kW·h)。廢氣溫度升高將有利于HC和CO的后續(xù)氧化。排氣門(mén)早關(guān)導(dǎo)致內(nèi)部EGR的份額增大，而循環(huán)溫度在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)已升高，因進(jìn)氣門(mén)配氣正時(shí)并沒(méi)有變化，一部分殘余廢氣處于進(jìn)氣管中，并被附加冷卻。

進(jìn)排氣相位對(duì)稱移動(dòng)(方案4)使殘余廢氣不僅在氣缸中被預(yù)壓縮，同時(shí)也進(jìn)行膨脹，此外，延遲進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟會(huì)導(dǎo)致氣缸充量被進(jìn)一步減少，并提高氣缸中充量的流動(dòng)速度。因燃燒室與進(jìn)氣管之間的壓差較大，因而獲得較高的流動(dòng)速度。進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻調(diào)晚又使部分新鮮充量回流到進(jìn)氣道中，因而保留在氣缸中的充量被進(jìn)一步減少。在氣缸充量減少和殘余廢氣量增加的同時(shí)，加大噴油量能提高廢氣溫度。為使氣缸中達(dá)到相同的氧濃度，隨著殘余廢氣量的增加，應(yīng)逐步減少外部EGR率。如果采用方案4，使相位附加移動(dòng)48°CA，在燃油耗增加26g/(kW·h)的情況下，廢氣溫度可提高34℃。

方案6顯示出不調(diào)整配氣相位在提高廢氣溫度方面的2種相反效果。一方面，即使不調(diào)整配氣相位，也已產(chǎn)生比基準(zhǔn)方案高的內(nèi)部EGR，提高了進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)的廢氣溫度水平。另一方面，不調(diào)整配氣相位的方案6在其基本原理上相當(dāng)于米勒循環(huán)，因此，進(jìn)氣門(mén)在下止點(diǎn)前就已關(guān)閉，有效壓縮比(即壓縮終了溫度)降低。米勒循環(huán)過(guò)程是將燃油噴入壓縮較少且較冷的氣缸介質(zhì)中，這會(huì)對(duì)HC和CO產(chǎn)生不利影響，而直到進(jìn)排氣相位調(diào)整高達(dá)24°CA時(shí)，PM排放也不會(huì)有明顯增加。更早的排氣或更晚的進(jìn)氣相位調(diào)整(方案6)會(huì)使內(nèi)部EGR率明顯增大，因而在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻氣缸溫度隨之升高，不僅使壁面熱損失較高，而且因氣缸溫度提高使HC排放最多可降低70%。同時(shí)在殘余廢氣量增大的情況下，PM排放也會(huì)增加，因?yàn)槌淞苛鲃?dòng)速度較小使混合氣準(zhǔn)備變差，著火滯后被縮短。因燃燒室中的充量流動(dòng)速度較小，氣缸中的再循環(huán)廢氣出現(xiàn)分層現(xiàn)象，促進(jìn)生成PM。方案6的總效果是在燃油耗增加20g/(kW·h)情況下，廢氣溫度最多提高100℃。

提高廢氣溫度的另一種方法是以膨脹行程損失的形式產(chǎn)生高壓曲線上的損失。通過(guò)延長(zhǎng)排氣持續(xù)期(方案9.2)，即在保持排氣門(mén)關(guān)閉(氣門(mén)升程為零)時(shí)刻不變的情況下，提前開(kāi)啟排氣門(mén)，產(chǎn)生附加的膨脹損失，與此同時(shí)，必須噴射更多的燃油，以便調(diào)節(jié)到所需負(fù)荷。這種方案的殘余廢氣量比基準(zhǔn)方案的略高，因?yàn)槠渑艢忾T(mén)實(shí)際關(guān)閉得稍早。PM排放會(huì)略微增加，并且在燃油耗增加120g/(kW·h)情況下，廢氣溫度可提高125℃。

6三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)流動(dòng)模擬

在單缸試驗(yàn)機(jī)上的研究表明,HC和CO的機(jī)內(nèi)后續(xù)氧化具有很大的潛力,并且廢氣溫度管理能對(duì)此產(chǎn)生有利影響。同時(shí)，在方案6配氣相位調(diào)整48°CA的情況下，PM排放過(guò)度增加,為此，利用三維CFD模擬來(lái)查明其原因。無(wú)須在光學(xué)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行昂貴的試驗(yàn)，借助于三維CFD模擬，就能對(duì)燃燒室中的這一過(guò)程進(jìn)行可視化觀察。

針對(duì)10°CA BTDC噴油，進(jìn)行三維CFD流動(dòng)模擬計(jì)算，評(píng)估配氣可變性對(duì)之后的混合氣形成和燃燒的影響。圖4示出了在流動(dòng)方向軸向截面上，燃燒室中由外部EGR和沒(méi)有完全排出的廢氣組成的殘余廢氣量分布狀況，比較了方案6中進(jìn)排氣門(mén)相位分別調(diào)整24°CA或48°CA，以及進(jìn)排氣門(mén)相位調(diào)整48°CA/24°CA時(shí)與基準(zhǔn)氣門(mén)正時(shí)的結(jié)果。由圖4可知，基準(zhǔn)氣門(mén)正時(shí)燃燒室中的殘余廢氣近似均勻分布，這種良好的均勻分布應(yīng)歸功于較大的外部EGR份額(37%)，以及EGR在新鮮充量中的完全均質(zhì)化。與此相反，配氣相位調(diào)整的方案6在燃燒室中形成明顯的殘余廢氣分層，隨著配氣相位調(diào)整的增大，內(nèi)部EGR增加，從氣缸蓋到活塞燃燒室凹坑底部的殘余廢氣分布梯度也隨之增大。進(jìn)排氣門(mén)相位同時(shí)調(diào)整所引起的新鮮充量和殘余廢氣較大的不均勻性導(dǎo)致PM排放明顯增加(圖3)。通過(guò)進(jìn)排氣門(mén)相位的不同步調(diào)整(例如進(jìn)氣門(mén)調(diào)晚48°CA，而排氣門(mén)調(diào)早24°CA)，就能夠抑制這種現(xiàn)象，從而改善殘余廢氣在燃燒室中分布的均質(zhì)化程度。

7結(jié)語(yǔ)

穩(wěn)態(tài)單缸機(jī)試驗(yàn)研究表明，可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)和在部分負(fù)荷范圍內(nèi)提高廢氣溫度具有降低有害物排放的優(yōu)勢(shì)，而延長(zhǎng)排氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期、明顯縮短膨脹行程的策略，則在提高廢氣溫度方面顯示出巨大的潛力，并且不會(huì)顯著減少氣缸充量。采取縮短進(jìn)排氣門(mén)開(kāi)啟持續(xù)期與調(diào)整兩者相位相結(jié)合的方法同樣能明顯提高廢氣溫度，而燃油耗增加較少，同時(shí)能降低HC和CO原始排放達(dá)70%。三維CFD模擬計(jì)算能用于評(píng)估燃燒室內(nèi)部充量的流動(dòng)狀況。流動(dòng)模擬結(jié)果表明，較高的內(nèi)部EGR份額會(huì)引起氣缸中殘余廢氣分層，但通過(guò)氣門(mén)不同步開(kāi)啟策略，仍能在達(dá)到足夠均質(zhì)化的同時(shí)，獲得較高的充量渦流，對(duì)PM排放的形成產(chǎn)生直接的有利影響。

試驗(yàn)研究的重點(diǎn)包括氣門(mén)機(jī)構(gòu)可變性的設(shè)計(jì)，以及對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況點(diǎn)性能影響的分析和評(píng)估。試驗(yàn)研究成果表明了轎車(chē)柴油機(jī)應(yīng)用可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)在廢氣溫度管理和降低原始排放方面的潛力，因此，目前所實(shí)施的計(jì)劃能獲得最佳的進(jìn)排氣門(mén)配氣正時(shí)，今后要在多缸機(jī)和整車(chē)上進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步對(duì)燃燒和廢氣排放進(jìn)行試驗(yàn)研究。

范明強(qiáng)譯自MTZ， 2014, 75(9)

張慰編輯

材料工藝

收稿日期：( 2015-02-24)