付建勤，劉敬平，陽輝勇，唐琦軍，朱國輝

(1.湖南大學,汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.湖南大學先進動力總成技術研究中心，長沙 410082)

2016001

瞬變工況下殘余廢氣系數(shù)對車用汽油機熱功轉換過程的影響*

付建勤，劉敬平，陽輝勇，唐琦軍，朱國輝

(1.湖南大學,汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；2.湖南大學先進動力總成技術研究中心，長沙 410082)

基于動態(tài)壓力實測與數(shù)值計算相結合的方法，對一臺乘用車汽油機瞬變過程進行連續(xù)檢測，得出車用汽油機瞬變工況下殘余廢氣系數(shù)(RGF)的變化范圍、變化規(guī)律和影響因素。通過分析RGF與汽油機運行參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，揭示了RGF對汽油機瞬變狀態(tài)下熱功轉換過程的影響。結果表明，在瞬變工況下，轉速的增加引發(fā)新鮮充量的增加和RGF的下降。轉速變化時，RGF在4%～30%范圍內(nèi)變化；在大多數(shù)工作循環(huán)內(nèi)，RGF介于16%～20%之間。RGF主要受進氣壓力的影響，氣門正時的調(diào)節(jié)作用相對較小。在低負荷時，RGF較大且點火提前角變化范圍較大，引起較大的燃燒循環(huán)變動，從而導致指示平均有效壓力和指示熱效率波動較大。在點火提前角固定時(進氣壓力為0.05MPa)，指示熱效率隨RGF的增大而稍有下降。本研究為改善車用汽油機瞬變工況性能提供依據(jù)。

汽油機；瞬變工況；殘余廢氣系數(shù)；泵氣損失；熱功轉換效率

前言

受自身結構和實際工作參數(shù)的影響，發(fā)動機已燃氣體在排氣過程不可能徹底排干凈，總會有一部分已燃氣體殘留在缸內(nèi)，與新鮮進氣混合后作為發(fā)動機下一個工作循環(huán)的工質(zhì)。缸內(nèi)殘余廢氣的存在和所占比例的大小，不僅影響發(fā)動機的充氣效率和泵氣損失，而且對燃燒速率、燃燒效率和有害排放物的生成都有很大影響[1]。更為嚴重的是，過高的殘余廢氣系數(shù)(RGF)甚至引起缸內(nèi)失火。因此，缸內(nèi)RGF對發(fā)動機的工作性能有重要的影響，是決定其熱功轉換效率的關鍵因素之一。

截止目前，還鮮有能對缸內(nèi)殘余廢氣進行實時檢測的技術。主要原因是車用發(fā)動機在實際工作狀態(tài)下的轉速、負荷是按毫秒級時間尺度瞬時變化的。目前已有的熱線、熱膜式流量傳感器的頻響及精度都未能達到循環(huán)-循環(huán)精確控制的要求[2]。此外，受發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)內(nèi)壓力波動的影響，換氣過程中已燃氣體的流動過程十分復雜：已燃氣體從排氣道向氣缸倒流，甚至通過氣缸向進氣道倒流的現(xiàn)象普遍存在，使得對缸內(nèi)氣體成分的“跟蹤”與檢測變得十分困難，可變氣門定時(VVT)的采用更加劇了其復雜性[3]。

另一方面，發(fā)動機的性能開發(fā)與運行參數(shù)的優(yōu)化標定，通常是在穩(wěn)態(tài)試驗臺上完成的，而車用發(fā)動機的實際運行工況大部分是瞬變工況。因此，瞬變工況性能決定了車用發(fā)動機的實際使用性能。但對發(fā)動機瞬變工況下運行參數(shù)尤其是RGF的檢測及其與發(fā)動機性能參數(shù)內(nèi)在聯(lián)系的破解，目前鮮見報道。

近年來，隨著人們對發(fā)動機瞬變狀態(tài)下工作性能的重視，許多學者逐漸開展了發(fā)動機瞬變工況性能的研究[4-7]。文獻[8]中提出了一種電控汽油機進氣量的最優(yōu)估計算法；文獻[9]中提出了一種基于信號實測與數(shù)值仿真相結合的在線檢測方法，精度能達到5%；文獻[10]中提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡法對車用汽油機過渡工況空燃比的辨識方法。雖然目前在發(fā)動機瞬態(tài)進氣量的辨識和控制上已基本能達到實機應用的需要，但對于瞬變工況下缸內(nèi)RGF的實時檢測[11-12]、瞬變過程發(fā)動機性能參數(shù)與運行參數(shù)的相互影響、以及瞬變過程運行參數(shù)的精準控制等方面的研究才剛剛起步，許多問題亟待解決。

為探索車用發(fā)動機瞬變工況下RGF的變化范圍、變化規(guī)律、影響因素以及與發(fā)動機性能參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，指出發(fā)動機瞬態(tài)標定結果存在的問題與改進方向，本文在前期的研究[3]基礎上，進一步開展對發(fā)動機瞬變狀態(tài)下缸內(nèi)RGF變化規(guī)律及影響因素的研究，基于大量實測數(shù)據(jù)的分析提煉共性規(guī)律，為改善瞬變工況下發(fā)動機的性能提供依據(jù)。

1 瞬變過程數(shù)據(jù)檢測與分析方法

1.1 瞬變過程RGF的檢測方法

本研究采用瞬變狀態(tài)下多參數(shù)的連續(xù)檢測方法，詳見文獻[3]?；趧討B(tài)壓力實測與數(shù)值計算相結合的方法，其原理為：將1維氣體動力學(進、排氣道和氣閥處)、0維熱力學(缸內(nèi))與實測信號(進、排氣道管端邊界處)動態(tài)耦合求解。通過1維氣體動力學數(shù)值求解器直接讀取燃燒分析儀實測的瞬態(tài)缸壓數(shù)據(jù)、進排氣壓力傳感器實測的靠近氣閥處的瞬態(tài)壓力和高頻響熱電偶輸出的溫度等數(shù)據(jù)，在此基礎上對包括進排氣閥在內(nèi)的氣道-氣缸系統(tǒng)內(nèi)的流動過程和熱力過程進行模擬計算。

圖1為采用該方法對發(fā)動機RGF等參數(shù)進行實測時各種傳感器布置示意圖。如圖所示，在各缸的進氣道(靠近進氣閥)、缸內(nèi)和排氣道(靠近排氣閥)各安裝一個高精度、高頻響的動態(tài)壓力傳感器，在進氣道(靠近進氣閥)和排氣道(靠近排氣閥)各安裝一個高精度、高頻響的動態(tài)溫度傳感器。

圖1 發(fā)動機結構及實驗裝置示意

1.2 汽油機瞬變過程測試

以某臺4缸、氣道噴射、雙VVT的乘用車汽油機為研究對象，該汽油機的主要參數(shù)如表1所示。對搭載該汽油機的乘用車進行道路試驗，測試了上萬個發(fā)動機循環(huán)的數(shù)據(jù)。其中，測試時壓力傳感器與溫度傳感器的布置如圖1所示，各傳感器的信息如表2所示。同時實測了每個循環(huán)的發(fā)動機轉速、進排氣閥VVT、點火提前角、噴油量和瞬態(tài)空燃比等參數(shù)。

表1 汽油機基本參數(shù)

表2 主要的測試儀器

圖2為一個循環(huán)中靠近進排氣閥附近實測的進氣壓力和排氣壓力隨發(fā)動機曲軸轉角的變化，該壓力反映了進排氣道中各種壓力波的傳播、反射作用和來自于不同氣缸間壓力波的相互影響，計算模型只需包括發(fā)動機氣缸、進排氣閥處流道和從氣閥到動態(tài)壓力傳感器為止的一小段進排氣道。這樣，與整機模型相比，計算網(wǎng)格數(shù)將呈數(shù)量級減少，使得對發(fā)動機進行在線診斷成為可能。將實測的進排氣壓力和缸內(nèi)壓力作為數(shù)值計算的邊界條件，耦合到自行開發(fā)的數(shù)值求解器中進行求解[2-3,9]，得到發(fā)動機各種瞬變過程的性能參數(shù)。

圖2 一個工作循環(huán)的實測汽油機進排氣壓力

1.3 瞬變工況下計算精度的驗證

為了驗證該檢測方法的精度和可信度，圖3給出了應用本方法檢測汽油機瞬變工況下循環(huán)進氣量和空燃比[3]的結果與實測數(shù)據(jù)的對比。需要指出的是，圖3中的實測結果，空燃比是根據(jù)氧傳感器的實測值通過過量空氣系數(shù)分析儀轉換得到；循環(huán)進氣量是通過實測的過量空氣系數(shù)與燃油率值間接得到。由圖可見，采用該方法對汽油機瞬變狀態(tài)下性能參數(shù)的檢測具有相當高的精度，滿足研究的要求。

圖3 瞬時進氣量和空燃比實測值與計算值的對比

2 瞬變狀態(tài)下RGF變化規(guī)律和影響因素

2.1 瞬變狀態(tài)下RGF的變化規(guī)律

由于發(fā)動機缸內(nèi)RGF很難用實測方法獲得，因此對于缸內(nèi)RGF的大小、變化范圍、規(guī)律和影響因素一直是個未解難題?；趧討B(tài)壓力波實測與進、排氣過程數(shù)值計算耦合的方法，得到汽油機瞬變過程的瞬時進氣量、缸內(nèi)殘余廢氣量和RGF隨汽油機循環(huán)數(shù)的變化關系，如圖4～圖6所示。為了便于對照分析，同時給出了汽油機轉速隨循環(huán)數(shù)的變化(圖7所示)。

由圖4～圖7可得出缸內(nèi)RGF及其關聯(lián)參數(shù)隨循環(huán)數(shù)的變化規(guī)律。在整車路試工況下，汽油機轉速主要集中在2 000r/min附近。每循環(huán)進入缸內(nèi)的新鮮充量與汽油機轉速有著大體相似的變化規(guī)律，即轉速峰值和谷值對應著新鮮充量的峰值和谷值；轉速的急劇變化引發(fā)新鮮充量和缸內(nèi)殘余廢氣量相應的變化，轉速的急劇增加對應著新鮮充量的增加和殘余廢氣量的下降；反之亦然。由此可見，缸內(nèi)殘余廢氣量和流入缸內(nèi)的新鮮充量與汽油機瞬態(tài)轉速有著緊密的聯(lián)系。這是因為轉速的波動引起進排氣系統(tǒng)壓力波的波動，進而對進排氣系統(tǒng)內(nèi)的流動過程產(chǎn)生影響。對比圖4、圖5和圖6可知，缸內(nèi)新鮮充量和殘余廢氣量呈“此消彼長”的關系。雖然殘余廢氣量占缸內(nèi)總的氣體量相對較少，但由于廢氣溫度是新鮮充量溫度的3倍以上，因此廢氣的密度是新鮮充量的1/3左右。換言之，單位質(zhì)量的廢氣在缸內(nèi)占據(jù)相當于3倍新鮮充量的氣缸容積，從而影響缸內(nèi)新鮮進氣量。缸內(nèi)新鮮充量和殘余廢氣量的共同作用，決定了RGF的變化范圍和變化規(guī)律。由圖6可知，在瞬變工況下，RGF波動非常劇烈，最小值4%左右，最大值接近30%；在大多數(shù)循環(huán)內(nèi)，RGF介于16%～20%之間。缸內(nèi)RGF的曲線形態(tài)與缸內(nèi)殘余廢氣量曲線形態(tài)基本相似。對比圖6與圖7可知，在轉速急劇變化的時刻，例如第200，400，1 100和第1 400個循環(huán)(圖中標‘?’處)，引發(fā)RGF的急劇變化，轉速的急劇增加對應著RGF的下降，轉速的急劇下降對應著RGF的上升。

圖4 各缸新鮮充量隨循環(huán)數(shù)的變化

圖5 各缸缸內(nèi)已燃廢氣隨循環(huán)數(shù)的變化

圖6 各缸缸內(nèi)RGF隨循環(huán)數(shù)的變化

圖7 汽油機轉速隨循環(huán)數(shù)的變化

2.2 瞬變狀態(tài)下RGF的影響因素

由汽油機穩(wěn)態(tài)工況的研究結果可知，缸內(nèi)RGF主要受進排氣壓力、氣閥重疊角等參數(shù)的影響。由圖4～圖7可知，汽油機在瞬變工況下(路試工況)的轉速、負荷等參數(shù)都是無規(guī)則波動變化的，因而導致缸內(nèi)RGF隨循環(huán)數(shù)劇烈振蕩。為了便于分析，對按循環(huán)次序變化的汽油機性能數(shù)據(jù)進行歸類，將轉速相同或相近的循環(huán)數(shù)歸為一組(例如將(2 000±100)r/min的轉速視為2 000r/min)。選取該汽油機的常用轉速2 000r/min作為研究對象，探討該汽油機在常用轉速下運行時缸內(nèi)RGF的變化規(guī)律以及對汽油機性能的影響。

圖8為2 000r/min時汽油機缸內(nèi)RGF隨進氣壓力的變化。由圖可見，在低進氣壓力(對應于低負荷)時，RGF有較大波動(表現(xiàn)為散帶圖帶寬較寬)，這是由于：一方面，低負荷時，缸內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，燃燒循環(huán)變動大，使不同循環(huán)間缸內(nèi)壓力變化較大，從而導致不同循環(huán)間排氣過程和掃氣過程性能差異性較大，以致不同循環(huán)間的缸內(nèi)殘余廢氣量波動明顯，如圖9所示；另一方面，低負荷時，汽油機的缸內(nèi)進氣量很小，如圖10所示，因此即使缸內(nèi)殘余廢氣量小幅度脈動，也會導致RGF大幅度波動。當進氣壓力大于0.025 MPa后，RGF的波動性很小，此時可以看作是進氣壓力的單值函數(shù)(散帶圖帶寬由進排氣閥VVT等參數(shù)變化所致)。隨著進氣壓力的增加，RGF單調(diào)下降。

圖8 RGF隨進氣壓力的變化(2 000r/min)

由圖9和圖10可知，隨著進氣壓力的增加，新鮮充量近似呈線性增加，而缸內(nèi)殘余廢氣量變化較小，尤其在進氣壓力較高時近似保持不變。雖然進氣壓力增大有利于掃氣，但每循環(huán)缸內(nèi)氣體(已燃氣體)也增加，于是增加了排氣量。缸內(nèi)新鮮充量和殘余廢氣量隨進氣壓力的變化規(guī)律表明，缸內(nèi)RGF主要受進氣量(取決于進氣壓力)的影響。在缸內(nèi)殘余廢氣量絕對值變化不大的情況下，改變進入缸內(nèi)的新鮮充量，能有效改變缸內(nèi)RGF。換言之，新鮮充量越多，對缸內(nèi)RGF的稀釋作用越明顯。

圖9 缸內(nèi)殘余廢氣量隨進氣壓力的變化(2 000r/min)

圖10 缸內(nèi)新鮮充量隨進氣壓力的變化(2 000r/min)

圖11為瞬變狀態(tài)下RGF隨汽油機排氣壓力的變化。本文討論了3組典型的進氣壓力，分別為(0.025±0.001)MPa,(0.05±0.001)MPa和(0.075±0.001)MPa(下同)?？梢钥吹剑斶M氣壓力為0.025MPa時，RGF產(chǎn)生較大的脈動(與圖8一致)，結合進氣壓力為0.05和0.075 MPa時的情況，總的變化趨勢是缸內(nèi)RGF隨排氣壓力的增大而逐漸減小。但由于排氣壓力的變化范圍很小，事實上排氣壓力對缸內(nèi)RGF的影響有限。

圖11 RGF隨排氣壓力的變化(2 000r/min)

為了分析進排氣閥VVT對瞬變狀態(tài)下缸內(nèi)RGF的影響，首先給出了該汽油機排氣閥VVT正時與進氣閥VVT正時的對應關系，如圖12所示。該汽油機的進、排氣閥VVT是單獨調(diào)節(jié)的，即：在調(diào)節(jié)進氣閥VVT時，排氣閥VVT變化很?。辉谡{(diào)節(jié)排氣閥VVT時，進氣閥VVT幾乎不變。因此，可以單獨分析進、排氣閥VVT正時對汽油機缸內(nèi)RGF的影響，而不只是分析氣閥重疊角的影響。

圖12 排氣閥VVT正時與進氣閥VVT正時的對應關系

圖13為缸內(nèi)殘余廢氣量隨進氣閥開啟提前角的變化。由圖可見，當進氣壓力為0.075MPa時，缸內(nèi)殘余廢氣量隨進氣閥VVT變化很??；當進氣壓力為0.05MPa時，缸內(nèi)殘余廢氣量隨進氣閥開啟提前角增大稍有增加，這是氣閥重疊角增加導致廢氣倒流量增加的緣故；當進氣壓力為0.025MPa時，進氣閥開啟角幾乎不變(在0°CA附近)，此時缸內(nèi)殘余廢氣量波動較大，這是由于排氣閥VVT的變化所致(見圖12)，當進氣閥開啟角在0°CA附近，排氣閥關閉推后角變化范圍為17～45°CA，這說明缸內(nèi)殘余廢氣量對排氣閥正時更加敏感。圖14進一步說明了此問題，當進氣壓力為0.05MPa時，隨著排氣閥關閉角的推后，缸內(nèi)殘余廢氣量保持單調(diào)上升。這是因為，在瞬變工況下，汽油機大多數(shù)情況運行在部分負荷，由于進氣壓力較小，排氣閥推遲關閉，使氣閥開啟角重疊期間延長，排氣向缸內(nèi)甚至向進氣管倒流增加，使缸內(nèi)殘余廢氣量不減反增。由此可見，對于氣閥正時而言，排氣閥正時對缸內(nèi)殘余廢氣量起著決定性的影響。

圖13 缸內(nèi)殘余廢氣量隨進氣閥開啟角的變化(2 000r/min)

圖14 缸內(nèi)殘余廢氣量隨排氣閥關閉角的變化(2 000r/min)

圖15為汽油機缸內(nèi)RGF隨進氣閥開啟提前角的變化。對比圖13可知，缸內(nèi)RGF和殘余廢氣量隨進氣閥開啟角的變化規(guī)律類似；RGF的峰值集中在進氣閥開啟提前角為0°CA附近(此時殘余廢氣量較低但RGF卻很高)。相應地，圖16給出了缸內(nèi)RGF隨排氣閥關閉推后角的變化。由圖可見，在進氣壓力為0.025MPa時，排氣閥關閉推后角在20°CA附近變化，此時RGF波動較大，規(guī)律不明顯；當進氣壓力為0.05MPa時，隨著排氣閥關閉推后角的增大，缸內(nèi)RGF稍有增加；當進氣壓力為0.075MPa時，隨著排氣閥關閉推后角的增大，缸內(nèi)RGF基本不變，此時RGF主要受進氣壓力的影響(由于進氣量較大而把殘余廢氣量的影響削弱了)。

圖15 缸內(nèi)RGF隨進氣閥開啟角的變化(2 000r/min)

圖16 缸內(nèi)RGF隨排氣閥關閉角的變化(2 000r/min)

綜上所述，汽油機在瞬變狀態(tài)下缸內(nèi)RGF同時受進氣壓力和進排氣閥VVT正時的影響。相比之下，進氣壓力對缸內(nèi)RGF的影響更加明顯，隨著進氣壓力的增加，缸內(nèi)RGF逐漸減小。負荷越高，RGF受進氣壓力的影響越明顯，受其他參數(shù)的影響越弱，表現(xiàn)為RGF波動幅度變小(散帶帶寬變窄)。這是因為在高負荷下，新鮮充量急劇增加，其影響遠大于其他參數(shù)變化對RGF的影響。在這種情況下，通過VVT改變進排氣閥正時(或氣閥重疊角)對缸內(nèi)RGF的影響已經(jīng)非常有限。

3 RGF對汽油機性能的影響

接下來進一步分析瞬變狀態(tài)下缸內(nèi)RGF對汽油機性能的影響。轉速為(2 000±100)r/min，進氣壓力分別為(0.025±0.001)MPa,(0.05±0.001)MPa和(0.075±0.001)MPa。

圖17 RGF對泵氣損失的影響(2 000r/min)

RGF同時對汽油機低壓循環(huán)(換氣循環(huán))和高壓循環(huán)(燃燒做功循環(huán))產(chǎn)生影響。就低壓循環(huán)而言，RGF不僅影響新鮮進氣量或充氣效率，而且通過改變缸內(nèi)氣體壓力而影響換氣過程所消耗的功(即泵氣功)。圖17為泵氣平均有效壓力(PMEP)隨缸內(nèi)RGF的變化。總體說來，RGF對汽油機泵氣損失的影響不像想象中那樣強烈。但如果細究可見，當進氣壓力較高時(0.05和0.075MPa)，隨著RGF的增加，PMEP稍有減小。當進氣壓力為0.025MPa，PMEP隨RGF稍微增加。由表3可見，在此進氣壓力下進氣閥開啟提前角基本固定不變，排氣閥關閉推后角變化范圍為17～22°CA，此時RGF增加是由于排氣閥推遲關閉后，缸內(nèi)殘余廢氣量增加(由圖18可知新鮮充量幾乎不變)，此時排氣過程功增加大于缸內(nèi)殘余廢氣對進氣吸氣功的補償，總體效果是PMEP稍微增加。當進氣壓力較高時(0.05和0.075MPa)，PMEP隨RGF稍微下降，此時缸內(nèi)殘余廢氣對吸氣過程功的正面影響大于對排氣過程功的負面影響。由此可以得出一個結論，缸內(nèi)RGF在一定條件下可以降低PMEP。這是因為殘余廢氣的存在會提高吸氣行程缸內(nèi)初始壓力，降低進氣管真空度，從而有利于減少吸氣過程功。但過高的RGF表明排氣過程不暢，以致排氣過程增加的功大于殘余廢氣對吸氣過程功的補償作用，總體效果使PMEP增加。因此，RGF對PMEP的影響是缸內(nèi)殘余廢氣對排氣過程功和吸氣過程功影響的綜合結果。

表3 進排氣閥VVT變化范圍與 進氣壓力對應關系

圖18所示為缸內(nèi)RGF對充氣效率的影響。由圖可見，當進氣壓力為0.025MPa時，充氣效率幾乎不隨RGF而變化，且不同循環(huán)間的波動性非常小，這表明排氣閥VVT的調(diào)節(jié)對充氣效率影響很小(此時進氣閥VVT不變，排氣閥VVT變化范圍17～22°CA)，此時充氣效率主要由進氣平均壓力決定，RGF的影響可以忽略。當進氣壓力為0.05和0.075MPa時，充氣效率隨RGF有小幅度的波動(此時進排氣閥VVT都有變化，但充氣效率主要受進氣閥VVT的影響)。

圖18 RGF對充氣效率的影響(2 000r/min)

圖19為缸內(nèi)RGF對指示平均有效壓力的影響。對比圖18和圖19可以看出，在進氣壓力為0.05MPa和0.075MPa時，IMEP 和充氣效率曲線的走向十分相似，這說明此時不同循環(huán)間的缸內(nèi)熱功轉換效率變化較小。這是因為在這兩種進氣壓力下，缸內(nèi)RGF較小，對燃燒過程的影響也相對較弱。然而，在進氣壓力為0.025 MPa時，IMEP波動較大，而此時充氣效率幾乎沒有波動。這是因為在低負荷工況且RGF較高時，燃燒很不穩(wěn)定，燃燒循環(huán)變動較大(從圖22也可以看到，燃燒循環(huán)變動對RGF極其敏感)，從而使得IMEP波動較大。換言之，在低負荷時，由于RGF較高，導致其對缸內(nèi)燃燒過程的影響更為明顯。圖20為RGF對指示熱效率的影響，進一步說明了此問題。當進氣壓力為0.025MPa時，汽油機指示熱效率波動很大(變化范圍為0～25%)，而當進氣壓力為0.05和0.075MPa時，汽油機指示熱效率的波動幅度與充氣效率和IMEP的波動幅度相當。這也說明了低負荷時，RGF對汽油機燃燒做功過程的影響更為明顯。

圖19 RGF對指示平均壓力的影響(2 000r/min)

圖20和圖21分別示出轉速為2 000r/min時RGF對指示熱效率的影響和RGF與點火提前角的對應關系。由圖20和圖21可知，當進氣壓力為0.05和0.075MPa時，汽油機指示熱效率的最大值相差無幾，盡管RGF變化范圍為6%～11%。由于指示熱效率散帶圖帶寬較寬，這說明指示熱效率不僅受RGF的影響，還受其他參數(shù)如點火提前角的影響，在進氣壓力為0.075MPa時，點火提前角隨著RGF稍有增大，但此時指示熱效率隨RGF稍微下降；當進氣壓力為0.05MPa時，點火提前角達到最大值且保持不變(與RGF無關)，此時指示熱效率與進氣壓力為0.75時的熱效率大體相當，且指示熱效率隨RGF稍有下降。相比RGF，點火提前角的影響更大。在點火提前角為恒定值時(例如進氣壓力為0.05MPa)，指示熱效率隨RGF稍微下降。當進氣壓力為0.025MPa時，點火提前角波動幅度很大，是造成指示熱效率劇烈波動的一個重要原因。

圖20 RGF對指示熱效率的影響(2 000r/min)

圖21 RGF與點火提前角的對應關系(2 000r/min)

圖22 RGF對COV的影響

為進一步解釋低負荷時IMEP和指示熱效率劇烈波動的原因，圖22和圖23分別給出了穩(wěn)態(tài)工況下汽油機引入EGR后缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)對COV和10%～90%燃燒持續(xù)期的影響。從圖22可以看到，COV隨著RGF的增加而變大。負荷越低，COV越大。當RGF增加到一定程度后，COV急劇上升，表明此時燃燒循環(huán)波動劇烈。圖23表明，燃燒持續(xù)期隨RGF的增加而變長。這是因為殘余廢氣的存在不僅會稀釋缸內(nèi)油氣混合氣的濃度，還會對缸內(nèi)燃燒過程的化學反應動力學產(chǎn)生抑制效果(CO2對燃燒化學反應動力學過程有著很強的負面作用[14])，從而減緩燃燒速率。此外，文獻[15]中指出，已燃氣體對層流火焰速度的影響遠甚于空氣過量稀釋。文獻[16]中發(fā)現(xiàn)，僅約0.18mol份額的已燃殘余廢氣就能使層流火焰速度減半。燃燒持續(xù)期隨著RGF增加而變長，也是造成指示熱效率下降的一個重要原因。

圖23 RGF對10%～90%燃燒持續(xù)期的影響

4 結論

基于動態(tài)壓力實測與數(shù)值計算相結合的方法，對一臺乘用車汽油機瞬變過程進行連續(xù)檢測，展示了一款車用汽油機瞬變工況下RGF的變化范圍、變化規(guī)律和與汽油機多項運行參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，為現(xiàn)代車用汽油機實際使用狀態(tài)下性能的診斷、改善，以及運行參數(shù)的實時調(diào)節(jié)提供了工具和依據(jù)。

在瞬變工況下，轉速的急劇增加引發(fā)新鮮充量的增加和RGF的下降。RGF隨轉速(或時間)波動劇烈，最小值4%，最大值接近30%；在大多數(shù)循環(huán)內(nèi)，RGF介于16%～20%之間。

在轉速相同的情況下，缸內(nèi)RGF主要受進氣壓力的影響，而缸內(nèi)殘余廢氣量隨進氣壓力的變化不大，但是進氣量隨著進氣壓力近似線性增加，這導致RGF的下降。在缸內(nèi)殘余廢氣量變化不大的情況下，增加進入缸內(nèi)的新鮮充量，能有效降低缸內(nèi)RGF。

進排氣閥VVT雖然對RGF有一定影響，但在低負荷下，該機的VVT變化范圍很??；在高負荷下，由于進氣量較大而把殘余廢氣量的影響削弱了，導致VVT的作用非常有限。就氣閥正時而言，缸內(nèi)殘余廢氣量主要受排氣閥VVT正時的影響，隨排氣閥VVT正時角增加而增大。

低負荷時，充氣效率幾乎不受RGF的影響；PMEP隨RGF稍微增大，指示熱效率隨RGF的增大而劇烈振蕩。中高負荷時，充氣效率、PMEP、IMEP和指示熱效率的波動程度相當。

固定轉速和負荷下，指示熱效率波動較大，在低負荷時尤為劇烈。這是由于低負荷時缸內(nèi)RGF的基數(shù)較大，使得燃燒不穩(wěn)定，循環(huán)變動較大。同時，在低負荷時，點火提前角控制不準(散帶較寬)，從而加劇了指示熱效率的波動。在點火提前角固定時(如進氣壓力為0.05MPa)，指示熱效率隨RGF的增大而稍微下降。

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Influences of Residual Gas Fraction on Heat-work Conversion Process of Vehicle Gasoline Engine Under Transient Conditions

Fu Jianqin, Liu Jingping, Yang Huiyong, Tang Qijun & Zhu Guohui

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;2.ResearchCenterforAdvancedPowertrainTechnologies,HunanUniversity,Changsha410082

Based on the method combining the measurement of dynamic pressure with numerical calculation, a successive test of the transient process of a vehicle gasoline engine is conducted, and the changing range, changing law and influencing factors of the residual gas fraction (RGF) in the engine under transient conditions are obtained. Then, by analyzing the intrinsic relationship between RGF and engine operating parameters, the influences of RGF on the heat-work conversion process of the engine under transient conditions are revealed. The results show that under transient conditions, the increase of engine speed results in the rise of fresh charge and the decline of RGF. The RGF changes in a range of 4% to 30 % with the change of engine speed. In most of the working cycles, RGF changes from 16% to 20%. RGF depends largely on the intake pressure, while the effect of valve timing is relatively small. Under low load, due to the high RGF and the wide variation of ignition advance angle, the cyclic variations of combustion are significant, leading to the apparent fluctuations of indicated mean effective pressure and indicated thermal efficiency. Under an intake pressure of 0.05 MPa with the ignition timing fixed, the indicated thermal efficiency lowers slightly with the increase of RGF. The findings of the study provide a basis for improving the performances of vehicle gasoline engine under transient conditions.

gasoline engine; transient conditions; residual gas fraction; pumping loss; heat-work conversion efficiency

*國家自然科學基金(51376057)和國家科技支撐計劃(2014BAG09B01)資助。

原稿收到日期為2014年5月19日，修改稿收到日期為2014年7月8日。