韓林沛,洪偉,解方喜,蘇巖,李冰,2

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,130025,長春;2.蒂森克虜伯發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(大連)有限公司,116600,遼寧大連)

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直噴汽油機(jī)反轉(zhuǎn)起動(dòng)次循環(huán)起動(dòng)參數(shù)優(yōu)化

韓林沛1,洪偉1,解方喜1,蘇巖1,李冰1,2

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,130025,長春;2.蒂森克虜伯發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(大連)有限公司,116600,遼寧大連)

為了使直噴汽油機(jī)在無起動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)直接起動(dòng)時(shí)達(dá)到更好的效果,在一臺(tái)壁面引導(dǎo)式直噴汽油機(jī)上研究了對反轉(zhuǎn)成功起動(dòng)具有重要影響的次循環(huán)在不同起動(dòng)參數(shù)下的著火和速度特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)水溫80 ℃、殘余軌壓1.8 MPa、膨脹缸活塞初始位置于上止點(diǎn)后120°、首循環(huán)起動(dòng)邊界一定時(shí),基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°次循環(huán)點(diǎn)火具有最高的缸壓峰值和轉(zhuǎn)速峰值,分別為3.08 MPa和545 r/min;一定范圍內(nèi)混合氣越濃,次循環(huán)著火特性和速度特性越好,缸壓峰值在次循環(huán)過量空氣系數(shù)為0.5時(shí)比1.0高出32.8%,轉(zhuǎn)速峰值高出19.5%;基于油束和活塞頂凹坑的匹配,噴油正時(shí)在上止點(diǎn)前100°左右時(shí)表現(xiàn)最優(yōu)。改變水溫、軌壓和膨脹缸活塞初始位置等被動(dòng)參數(shù),最佳點(diǎn)火時(shí)刻仍為基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°,最佳過量空氣系數(shù)范圍一般為0.6～0.7,膨脹缸活塞初始位置在上止點(diǎn)后100°之前時(shí),噴油正時(shí)選擇在上止點(diǎn)后100°為最佳,膨脹缸活塞初始位置在上止點(diǎn)后100°之后時(shí),噴油時(shí)刻越早越好。

反轉(zhuǎn)直接起動(dòng);次循環(huán);著火特性;速度特性;參數(shù)優(yōu)化

[6]試驗(yàn)研究了正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)起動(dòng)的首循環(huán)著火特性,而本文對這種復(fù)雜多變起動(dòng)環(huán)境的反轉(zhuǎn)起動(dòng)次循環(huán)進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)優(yōu)化研究。

1 試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)在一臺(tái)壁面引導(dǎo)式缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上進(jìn)行,發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)臺(tái)架采用自主開發(fā)的控制和采集系統(tǒng),控制和采集精度均達(dá)到ms級;缸壓用奇石樂6117B火花塞集成式缸壓傳感器采集;曲軸帶輪端安裝了精度為0.5°的編碼器,用于輸出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號,提供精準(zhǔn)的曲軸相位信號;發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)出水口連接有恒溫控制水箱,用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)、再起動(dòng)時(shí)的機(jī)體溫度。

1.2 試驗(yàn)方案

經(jīng)過對起動(dòng)環(huán)境多變性分析知[2-3],雖然影響次循環(huán)著火特性的參數(shù)很多,但大體可以分為兩類:主動(dòng)參數(shù)和被動(dòng)參數(shù)。主動(dòng)參數(shù)是指次循環(huán)著火時(shí)可以控制的參數(shù),包括點(diǎn)火時(shí)刻、噴油時(shí)刻及噴油量;被動(dòng)參數(shù)是指次循環(huán)著火時(shí)不能控制的,但會(huì)影響次循環(huán)著火特性的完全受發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)影響的參數(shù),包擴(kuò)機(jī)體溫度、軌壓和活塞初始位置。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)中選擇了次循環(huán)在不同點(diǎn)火正時(shí)、不同噴油時(shí)刻以及不同噴油量等的3組控制變量,研究了主動(dòng)參數(shù)對次循環(huán)著火特性和速度特性的影響;通過冷卻液恒溫控制水箱進(jìn)行機(jī)體溫度(60、70、80、90 ℃)調(diào)節(jié),以模擬不同機(jī)體溫度的被動(dòng)參數(shù);試驗(yàn)前通過起動(dòng)無噴油起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)建立起高軌壓,且在監(jiān)控軌壓分別下降到1.8、1.3、0.8 MPa時(shí)進(jìn)行試驗(yàn),以模擬不同噴射壓力的被動(dòng)參數(shù);由手動(dòng)盤車膨脹缸活塞位置(上止點(diǎn)后100°、110°和120°)來模擬不同活塞位置的被動(dòng)參數(shù);利用不同被動(dòng)參數(shù)下的主動(dòng)參數(shù)對次循環(huán)速度特性的影響進(jìn)行縱向?qū)Ρ?得出優(yōu)化結(jié)果。

試驗(yàn)中噴油量按照膨脹行程活塞(次循環(huán))在不同初始位置時(shí)的缸內(nèi)殘余空氣量計(jì)算獲得,次循環(huán)過量空氣系數(shù)計(jì)算式如下

(1)

式中:mair為不同活塞初始位置時(shí)膨脹行程內(nèi)的實(shí)際空氣量;gb為通過次循環(huán)噴油脈寬控制噴入的燃油量;l0為化學(xué)計(jì)量空燃比[7]。

為方便說明不同參數(shù)下次循環(huán)的速度特性,文中定義了反轉(zhuǎn)起動(dòng)速度曲線上的若干特征點(diǎn),如圖1所示(膨脹缸上止點(diǎn)為0°),其中起始點(diǎn)為反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的起始位置點(diǎn),過渡點(diǎn)為曲軸由反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檎D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界點(diǎn),次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值點(diǎn)為次循環(huán)轉(zhuǎn)速的最高點(diǎn),首循環(huán)為反轉(zhuǎn)起動(dòng)時(shí)的反轉(zhuǎn)循環(huán),次循環(huán)為過渡點(diǎn)后的第1個(gè)正轉(zhuǎn)循環(huán),第3循環(huán)為正轉(zhuǎn)后的第2個(gè)做功循環(huán)。由于缸內(nèi)新鮮空氣在反轉(zhuǎn)時(shí)已燃,所以第3循環(huán)并沒有著火做功。

圖1 反轉(zhuǎn)起動(dòng)速度曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 主動(dòng)參數(shù)影響分析

主動(dòng)參數(shù)影響分析時(shí)的工況均為:水溫80 ℃、軌壓1.8 MPa、膨脹缸活塞位置于上止點(diǎn)后120°,首循環(huán)過量空氣系數(shù)0.7,噴油和點(diǎn)火時(shí)間間隔84 ms,次循環(huán)過量空氣系數(shù)0.7,次循環(huán)點(diǎn)火時(shí)刻于基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°。

2.1.1 點(diǎn)火正時(shí) 次循環(huán)不同點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化如圖2所示,此時(shí)次循環(huán)噴油時(shí)刻為反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)了20°。點(diǎn)火角以首循環(huán)單獨(dú)著火時(shí)的過渡點(diǎn)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角于上止點(diǎn)前36.5°記為基準(zhǔn)過渡點(diǎn)0°。從圖中可以看出,基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°點(diǎn)火時(shí),次循環(huán)具有最好的燃燒特性,缸壓峰值達(dá)到3.08 MPa,提前和推遲點(diǎn)火缸壓峰值都會(huì)下降。點(diǎn)火角提前到過渡點(diǎn)前20°時(shí),缸壓峰值降為2.22 MPa,降幅為27.9%;點(diǎn)火角推遲到過渡點(diǎn)后5°時(shí),缸壓峰值為1.8 MPa,降幅為40.6%。從圖中還可以看出,點(diǎn)火正時(shí)提前,對應(yīng)的過渡點(diǎn)也會(huì)隨之改變,點(diǎn)火角為基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前10°時(shí)所對應(yīng)的過渡點(diǎn)于上止點(diǎn)前41°,點(diǎn)火角為基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前20°時(shí)所對應(yīng)的過渡點(diǎn)于上止點(diǎn)前47°,而基準(zhǔn)過渡點(diǎn)后的點(diǎn)火角所對應(yīng)的過渡點(diǎn)沒有發(fā)生改變,仍為上止點(diǎn)前36.5°。

圖2 不同點(diǎn)火正時(shí)的次循環(huán)缸壓曲線

與缸壓曲線相對應(yīng)的不同點(diǎn)火角的速度特性(各曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)如圖3所示。從圖中可以看出,著火越好,缸壓峰值越高的點(diǎn)表現(xiàn)出的速度特性也就越好。點(diǎn)火角為基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值為545 r/min,比點(diǎn)火角為基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前20°的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值464 r/min高出14.9%。

圖3 不同點(diǎn)火正時(shí)的速度曲線

點(diǎn)火正時(shí)對次循環(huán)著火特性和速度特性的影響主要?dú)w因于燃燒相位的改變,即:相對于基準(zhǔn)過渡點(diǎn),點(diǎn)火越早,燃燒越提前,燃油燃燒在正轉(zhuǎn)前釋放的能量越多,壓縮負(fù)功也就越大,同時(shí)也導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)起動(dòng)過程中反轉(zhuǎn)提前(過渡點(diǎn)提前),表現(xiàn)出較差的燃燒和速度特性;點(diǎn)火越晚,雖然過渡點(diǎn)不會(huì)發(fā)生改變,但活塞下行以后燃燒室內(nèi)的燃油空氣密度降低,火核形成和火焰?zhèn)鞑ザ紩?huì)受到影響,壓力升高率降低,燃燒熱效率下降。當(dāng)然,在基準(zhǔn)過渡點(diǎn)時(shí)點(diǎn)火也并不能獲得最優(yōu)的次循環(huán)性能,基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°點(diǎn)火比基準(zhǔn)過渡點(diǎn)0°的次循環(huán)缸壓和轉(zhuǎn)速峰值更高。這是因?yàn)殡m然起動(dòng)轉(zhuǎn)速較慢,但仍存在滯燃期對著火延遲的影響,適度提前點(diǎn)火角,可以使燃燒相位和曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到更合理的匹配。

2.1.2 噴油量 不同過量空氣系數(shù)下次循環(huán)缸壓和速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化如圖4和圖5所示。從圖中可以看出,隨著過量空氣系數(shù)的增加,缸壓峰值和轉(zhuǎn)速峰值均出現(xiàn)降低的趨勢。過量空氣系數(shù)為0.5時(shí)燃燒特性和速度特性最好,次循環(huán)最高缸壓為3.48 MPa,次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值為558 r/min。過量空氣系數(shù)增大,混合氣變稀,次循環(huán)缸壓和轉(zhuǎn)速峰值減小,但在過量空氣系數(shù)為0.7之前,缸壓曲線和轉(zhuǎn)速曲線差別不大,相比過量空氣系數(shù)為0.5時(shí)的缸壓和轉(zhuǎn)速峰值分別降低了11.5%和2.3%。當(dāng)混合氣進(jìn)一步變稀,缸壓曲線和轉(zhuǎn)速曲線出現(xiàn)較為明顯的差別,過量空氣系數(shù)為1.0時(shí)次循環(huán)缸壓峰值僅為1.14 MPa,是最大峰值的32.8%,次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值也降低了19.5%。過量空氣系數(shù)對次循環(huán)著火特性的影響,主要是對缸內(nèi)可燃混合氣形成量的影響,雖然是在熱機(jī)狀態(tài)下起動(dòng),但相比于發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)600 K左右的活塞頂和缸壁溫度[8],350 K的起動(dòng)溫度還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一定量的燃油濕壁現(xiàn)象,加上起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)速較低,次循環(huán)缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)速度較慢,表面油膜的蒸發(fā)速度也慢,因此按照式(1)計(jì)算的平均過量空氣系數(shù)并不能真實(shí)地反映次循環(huán)點(diǎn)火時(shí)火花塞周圍過量空氣系數(shù)的變化,還需要通過加濃混合氣才能保證缸內(nèi)有足夠的可燃混合氣。綜合燃油消耗量和濃混合氣所取得的有益效果,一般過量空氣系數(shù)應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速損失不大且經(jīng)濟(jì)性較好的值。

圖4 不同過量空氣系數(shù)下次循環(huán)缸壓曲線

圖5 不同過量空氣系數(shù)下速度曲線

2.1.3 噴油正時(shí) 不同噴油正時(shí)對次循環(huán)缸壓和速度特性的影響如圖6和圖7所示。從圖中可以看出,隨著噴油時(shí)刻由次循環(huán)上止點(diǎn)前118°減小到上止點(diǎn)前50°,缸壓峰值存在先升高后降低的趨勢,在次循環(huán)上止點(diǎn)前100°噴油時(shí)缸壓峰值最大,為3.08 MPa。相比于上止點(diǎn)前100°噴油,提前10°和推遲10°噴油缸壓曲線并沒有出現(xiàn)顯著差別,但提前或推遲較大的噴油角時(shí),缸壓曲線卻出現(xiàn)明顯回落,次循環(huán)上止點(diǎn)前120°噴油的缸壓峰值相比上止點(diǎn)前100°噴油時(shí)下降了16.9%;次循環(huán)上止點(diǎn)前50°噴油的缸壓峰值相比上止點(diǎn)前100°噴油下降了39.9%?？梢?存在一個(gè)最佳噴油區(qū)域可使得次循環(huán)具有最好的著火特性。圖7所示的不同噴油正時(shí)轉(zhuǎn)速隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線中,次循環(huán)上止點(diǎn)前100°噴油具有最好的速度特性,轉(zhuǎn)速峰值為545 r/min。

圖6 不同噴油時(shí)刻次循環(huán)缸壓曲線

圖7 不同噴油時(shí)刻速度曲線

綜上,影響噴油時(shí)刻主要是可燃混合氣的形成,而這一參數(shù)的影響因素是多方面的:首先,由于起動(dòng)狀態(tài)燃燒室的溫度較低,所以噴油越早,蒸發(fā)霧化時(shí)間越長,形成的可燃混合氣也就越多,但噴油時(shí)刻較早卻不能對反轉(zhuǎn)帶來的膨脹缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)和高空氣密度充分利用,使得油束的貫穿度較大,容易形成濕壁油膜[9];此外,壁面引導(dǎo)式的直噴汽油機(jī)主要是通過活塞頂凹坑的引流作用將油束反射致火花塞附近進(jìn)行霧化來形成可燃混合氣的,只有將噴油時(shí)刻與凹坑弧線進(jìn)行合理的匹配,才能得到更好的霧化效果。為了進(jìn)一步分析噴油正時(shí)對次循環(huán)著火及速度特性的影響,本文通過三維仿真軟件AVL-FIRE獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為150 r/min、上止點(diǎn)前120°噴油、噴油后7°和13°時(shí)缸內(nèi)燃油濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))場的切片圖,如圖8所示。從圖中可以看出,噴油過早,油束并不能有效利用活塞頂凹坑的反射作用,卻被活塞頂突起分割,使得一部分油束堆積在燃燒室的末端,另一部分油束在活塞頂凹坑內(nèi)被反向引流,而活塞頂凹坑的壁面引導(dǎo)作用完全消失,混合氣只能通過表面蒸發(fā)霧化形成。因此,噴油較早不一定能獲得優(yōu)質(zhì)的可燃混合氣。

(a)噴油后7° (b)噴油后13°圖8 缸內(nèi)燃油濃度場的切片圖

2.2 主動(dòng)參數(shù)與被動(dòng)參數(shù)的匹配優(yōu)化

水溫、軌壓、初始活塞位置等被動(dòng)參數(shù)并不能控制,其完全由發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和停機(jī)狀態(tài)決定,是一組適應(yīng)性參數(shù)。在不同的被動(dòng)參數(shù)下,參照前文試驗(yàn)得到的主動(dòng)參數(shù)對次循環(huán)著火及速度特性的影響規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié),來達(dá)到次循環(huán)著火及速度特性的最優(yōu)化,這對整個(gè)反轉(zhuǎn)起動(dòng)的順利實(shí)現(xiàn)具有重要意義。速度特性具有很好的保持性,次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值越大的工況(擬增加),發(fā)動(dòng)機(jī)的次循環(huán)和第3循環(huán)始終能保持比其他工況更高的起動(dòng)轉(zhuǎn)速,因此在后文的被動(dòng)參數(shù)研究中,選擇次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值作為優(yōu)化結(jié)果的評價(jià)指標(biāo)。

2.2.1 水溫 水溫分別為60、70、80、90 ℃時(shí)過渡點(diǎn)隨點(diǎn)火時(shí)刻以及次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值隨點(diǎn)火時(shí)刻、過量空氣系數(shù)、噴油時(shí)刻的變化如圖9所示。從圖9a可以看出,除了點(diǎn)火提前角越大,過渡點(diǎn)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角越大以外,相同條件下低水溫過渡點(diǎn)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角相比高水溫更接近上止點(diǎn),水溫60 ℃的過渡點(diǎn)比90 ℃時(shí)所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角減小了3.5°,說明正轉(zhuǎn)停止時(shí)低水溫次循環(huán)活塞更接近上止點(diǎn),這與首循環(huán)著火特性有關(guān)。雖然溫度低不利于混合氣的形成,但低水溫時(shí)缸內(nèi)空氣質(zhì)量大于高水溫,相同過量空氣系數(shù)下燃燒釋放的能量比高水溫多,反轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)過的角度也更大。從圖9b可以看出,雖然同一點(diǎn)火角下高、低水溫并沒有表現(xiàn)出統(tǒng)一的規(guī)律性,但受不同混合氣質(zhì)量的影響,低水溫的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值整體上還是大于高水溫,而且無論高、低水溫在上止點(diǎn)前3°點(diǎn)火仍然有最好的速度特性。從圖9c可以看出,不同水溫下的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值隨過量空氣系數(shù)的變化較為顯著,對于過量空氣系數(shù)小于0.7的濃混合氣,溫度越高,次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值越低,而對于過量空氣系數(shù)大于0.7的混合氣,溫度越高,次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值越高。過量空氣系數(shù)為0.5時(shí),60 ℃水溫下的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值為582 r/min,比90 ℃時(shí)的533 r/min高9.2%;過量空氣系數(shù)為1.0時(shí),60、90 ℃水溫下的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值分別為383 r/min和488 r/min,低水溫下速度降低了21.5%。這是因?yàn)?在較濃混合氣時(shí),無論高、低水溫,缸內(nèi)都有足夠的可燃混合氣,低水溫時(shí)新鮮空氣相對比較多,且對轉(zhuǎn)速峰值起主導(dǎo)作用;隨著過量空氣系數(shù)增大,噴油量減少,在濕壁量基本不變的情況下低水溫時(shí)噴油能夠?qū)е驴扇蓟旌蠚獾娜加土繙p少,而高水溫對燃油霧化的作用更為明顯,即使噴入的燃油相對較少,也能保證足夠的可燃混合氣[10]。從圖9d可以看出,低水溫時(shí)的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值整體上高于高水溫,最佳速度特性區(qū)域?qū)?yīng)的噴油時(shí)刻的范圍均在次循環(huán)上止點(diǎn)前100°左右,與2.1.3節(jié)的結(jié)果一致。

(a)過渡點(diǎn) (b)轉(zhuǎn)速峰值

(c)過量空氣系數(shù) (d)噴油時(shí)刻圖9 不同水溫下的主動(dòng)參數(shù)優(yōu)化

2.2.2 軌壓 軌壓分別為1.8、1.3、0.8 MPa時(shí)過渡點(diǎn)隨點(diǎn)火時(shí)刻以及次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值隨點(diǎn)火時(shí)刻、過量空氣系數(shù)、噴油時(shí)刻等的變化如圖10所示。從圖10a可以看出,不同軌壓下的過渡點(diǎn)曲線并沒有規(guī)律性的差別,相近度也比較高,說明高、低軌壓并沒有對首循環(huán)的著火特性產(chǎn)生明顯影響。這是因?yàn)槭籽h(huán)的噴油和點(diǎn)火時(shí)間間隔較長,使得高軌壓噴射的優(yōu)勢沒有體現(xiàn)出來,火花點(diǎn)火時(shí)高、低軌壓噴射在缸內(nèi)都能形成足夠的可燃混合氣。從圖10b可以看出,即使軌壓不同,基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°點(diǎn)火仍然具有最好的次循環(huán)速度特性,而且高軌壓在不同點(diǎn)火角下的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值要明顯高于低軌壓,基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°點(diǎn)火時(shí)軌壓為1.8 MPa對應(yīng)的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值為545 r/min,比0.8 MPa高5.4%。高軌壓對次循環(huán)著火特性的促進(jìn)作用主要來自高噴射壓力,此時(shí)燃油動(dòng)量比較大,有更多的燃油經(jīng)活塞頂凹坑反射后被引導(dǎo)至火花塞附近,從而形成混合氣,有利于火花塞點(diǎn)火;低軌壓時(shí)油束動(dòng)量較小,活塞頂殘余油膜的厚度增加,燃油反射量相對減少。因此,高軌壓時(shí)次循環(huán)有更好的著火和速度特性[11]。從圖10c可以看出,隨著過量空氣系數(shù)由0.5變?yōu)?.0,不同軌壓時(shí)的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值均呈現(xiàn)出先緩后急的下降趨勢,而且各點(diǎn)的高軌壓次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值高于低軌壓。從圖10c還可以看出:對于過量空氣系數(shù)為0.5和0.6時(shí)的較濃混合氣,不同軌壓下次循環(huán)速度特性差別不大;隨著混合氣逐漸變稀,高、低軌壓下次循環(huán)速度特性的差別逐漸增大,過量空氣系數(shù)為1.0時(shí),1.8、0.8 MPa下的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值分別為512、437 r/min,高軌壓下的次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值比低軌壓高17.2%。從圖10d可以看出,高軌壓下次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值隨噴油時(shí)刻的變化優(yōu)于低軌壓,隨著噴油時(shí)刻由大變小,次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值特性呈現(xiàn)出先高后低的趨勢,上止點(diǎn)前100°左右噴油時(shí)次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值最優(yōu)。

(a)過渡點(diǎn) (b)轉(zhuǎn)速峰值

(c)過量空氣系數(shù) (d)噴油時(shí)刻 圖10 不同軌壓下的主動(dòng)參數(shù)優(yōu)化

2.2.3 活塞初始位置 膨脹缸活塞初始位置于上止點(diǎn)后120°、110°、100°時(shí)過渡點(diǎn)隨點(diǎn)火時(shí)刻以及次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值隨點(diǎn)火時(shí)刻、過量空氣系數(shù)、噴油時(shí)刻等的變化如圖11所示。從圖11a可以看出,不同的活塞初始位置,首循環(huán)缸內(nèi)空氣量不同,過渡點(diǎn)的差別比較大,膨脹缸活塞初始位置于上止點(diǎn)后120°、110°、100°時(shí)基準(zhǔn)過渡點(diǎn)分別于上止點(diǎn)前36°、22.5°、11.5°。從圖11b可以看出,雖然膨脹缸活塞初始位置于上止點(diǎn)后100°、110°、120°對應(yīng)的過渡點(diǎn)變化范圍分別為11.5°～17.5°、22.5°～30°、34.5°～44.5°,差別較大,但點(diǎn)火時(shí)刻的最優(yōu)值仍然為基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°。由于壓縮缸活塞初始位置于上止點(diǎn)前80°、過量空氣系數(shù)為1.0時(shí)不能實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn),因此試驗(yàn)只給出過量空氣系數(shù)為0.5～0.9的變化范圍。從圖11c可以看出:同一活塞初始位置時(shí)次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值的變化規(guī)律與2.2.1和2.2.2節(jié)結(jié)果一致,即隨過量空氣系數(shù)增大,次循環(huán)轉(zhuǎn)速峰值逐漸降低;同一過量空氣系數(shù)下,膨脹缸活塞位置距上止點(diǎn)越遠(yuǎn)(在能夠成功反轉(zhuǎn)起動(dòng)的初始位置范圍內(nèi)),次循環(huán)的轉(zhuǎn)速峰值越高,這與次循環(huán)缸內(nèi)的新鮮空氣量有最直接的關(guān)系;初始位置不同,油束在缸內(nèi)的霧化時(shí)間不同,這也會(huì)影響次循環(huán)的轉(zhuǎn)速峰值。從圖11d可以看出,當(dāng)噴油時(shí)刻大于上止點(diǎn)后100°時(shí),次循環(huán)的轉(zhuǎn)速峰值逐漸降低,因此對于次循環(huán),活塞初始起動(dòng)位置在上止點(diǎn)后100°之后,噴油時(shí)刻越早越好,而對于活塞初始起動(dòng)位置在上止點(diǎn)后100°之前,次循環(huán)噴油時(shí)刻應(yīng)選擇在100°附近。

(a)過渡點(diǎn) (b)轉(zhuǎn)速峰值

(c)過量空氣系數(shù) (d)噴油時(shí)刻 圖11 不同起動(dòng)位置的主動(dòng)參數(shù)優(yōu)化

3 結(jié) 論

(1)單獨(dú)改變主動(dòng)參數(shù)中的點(diǎn)火時(shí)刻、過量空氣系數(shù)和噴油量,基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°點(diǎn)火時(shí)次循環(huán)具有最好的著火和速度特性;隨著混合氣逐漸變稀,次循環(huán)的著火和速度特性呈現(xiàn)出先緩后急的下降趨勢;合適的噴油時(shí)刻可以充分利用活塞頂凹坑的引導(dǎo)作用,以形成高質(zhì)量的混合氣,從而獲得最佳的著火和速度特性。

(2)在不同的水溫、軌壓及次循環(huán)活塞初始位置下,基準(zhǔn)過渡點(diǎn)前3°點(diǎn)火均有最好的起動(dòng)性能,而基準(zhǔn)過渡點(diǎn)隨被動(dòng)參數(shù)的變化有所不同,一定范圍內(nèi),水溫越低,膨脹缸活塞初始位置對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角越小,基準(zhǔn)過渡點(diǎn)就越接近上止點(diǎn)。雖然不同被動(dòng)參數(shù)下過量空氣系數(shù)對次循環(huán)影響的差別較大,但在一定濃度范圍內(nèi)較濃的混合氣能夠表現(xiàn)出更好的起動(dòng)特性。綜合考慮燃油經(jīng)濟(jì)性和速度特性,次循環(huán)的過量空氣系數(shù)范圍一般為0.6～0.7。噴油時(shí)刻應(yīng)與活塞初始位置進(jìn)行合理匹配,膨脹缸活塞初始位置于上止點(diǎn)后100°之前,次循環(huán)噴油時(shí)刻應(yīng)該選擇上止點(diǎn)后100°左右;膨脹缸活塞初始位置于上止點(diǎn)后100°之后,噴油時(shí)刻越早越好。

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(編輯 苗凌)

Optimization of Starting Parameters for the Second Cycle During GDI Engine Reversed Starting Process

HAN Linpei1,HONG Wei1,XIE Fangxi1,SU Yan1,LI Bing1,2

(1. State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control, Jinlin University, Changchun 130025, China; 2. ThyssenKrupp Presta Dalian Co. Ltd., Dalian, Liaoning 116600, China)

To achieve better starting performance for GDI (gasoline direct injection) engine reversed direct-starting without starter, an experiment for ignition and speed characteristics of the second cycle affecting successful reversed direct-starting is conducted by changing starting parameters in a wall-guided GDI engine. The results show that the highest cylinder pressure of 3.08 MPa and the highest speed of 545 r/min for the second cycle are achieved at 3° CA (crank angle) before the basic transition point with water temperature 80 ℃, residual rail pressure of 1.8 MPa, expansion stroke piston position of 120° CA ATDC (after top dead center) and the same starting boundary of the first cycle. And better ignition and speed characteristics of the second cycle can be obtained with richer mixture in a specific range. For instance, the cylinder pressure peak with excess air coefficient 0.5 gets 32.8% higher than excess air coefficient 1.0, and the speed peak 19.5% higher. The best starting performance appears when injection timing is taken as 100° CA BTDC (before top dead center) based on the effective match between spray and surface of piston bowl. The best ignition timing remains 3° CA before the basic transition point within the best range of excess air coefficient as 0.6-0.7 under different temperatures, injection pressures and initial piston positions. Specially, the best injection timing for the second cycle is 100° CA BTDC when the expansion stroke piston position is before 100° CA ATDC, and the injection timing should be as early as possible when the initial piston position is after 100° CA ATDC.

reversed direct-starting; second cycle; ignition characteristics; speed characteristics; parameters optimization

2014-04-23。

韓林沛(1988—),男,博士生;解方喜(通信作者),男,講師。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206059,51276080);國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA111702)。

時(shí)間:2014-10-31

10.7652/xjtuxb201501008

TK411.2

A

0253-987X(2015)01-0046-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141031.1642.004.html

中國汽車保有量逐年攀升,交通擁堵越來越嚴(yán)重,汽車尾氣排放增多。怠速停止技術(shù)(車輛怠速時(shí)熄火以減少車輛的怠速時(shí)間)可以有效降低車輛怠速時(shí)的燃油消耗及廢氣排放[1-2],但會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)。直接噴油起動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)車輛怠速停止、再起動(dòng)的無起動(dòng)機(jī)起動(dòng),隨著直噴汽油機(jī)技術(shù)的發(fā)展,噴油和點(diǎn)火的靈活性使無起動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)成為可能。無起動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的模式包括兩種,一種是正轉(zhuǎn)起動(dòng),另一種是反轉(zhuǎn)起動(dòng)。

本課題組前期的研究結(jié)果表明[3-5],熱機(jī)狀態(tài)下能夠成功實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)起動(dòng)的膨脹缸初始活塞位置僅在上止點(diǎn)后90°～100°之間,而反轉(zhuǎn)起動(dòng)通過對膨脹缸的壓縮作用,使得膨脹缸著火時(shí)能夠爆發(fā)出更大的能量來推動(dòng)曲軸正轉(zhuǎn),這樣利用反轉(zhuǎn)直接起動(dòng)的膨脹缸初始活塞位置在95°～130°之間的35°范圍,利用無起動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的膨脹缸初始位置范圍擴(kuò)展到了40°。