【德】　D.Kovcs　S.Gehrke　P.Eilts

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發(fā)展動向

商用車發(fā)動機可變進氣的潛力

柴油機可采用可變進氣提高效率，并降低氣缸內(nèi)有害物質(zhì)的排放。在德國內(nèi)燃機研究聯(lián)合會的研究計劃范圍內(nèi)，德國布倫瑞克工業(yè)大學(TU Braunschweig)內(nèi)燃機研究所對符合商用車規(guī)格的試驗機開展了可變進氣的研究，分析它們的影響，并驗證其減排增效潛力。

柴油機可變進氣配氣相位米勒循環(huán)

0　前言

日益嚴格的排放法規(guī)及消費者的低燃油耗訴求，迫使商用車柴油機需要尋求新的突破。此外，為了保證排氣后處理系統(tǒng)的功能性，通常需要采用主動加熱措施。為了解決這些問題，該研究項目對商用車柴油機可變進氣的潛力進行了研究。研究重點是分析和確定基本關(guān)系，研究策略如下： (1) 基于氣門正時的排氣管理；(2) 米勒循環(huán)的應(yīng)用；(3) 可變氣門正時與代用燃料的適用性。

基于氣門正時排氣管理的目標是，在不利于排氣后處理的發(fā)動機工況下優(yōu)化排氣后處理系統(tǒng)的排氣參數(shù)。過去的排氣管理研究主要針對乘用車發(fā)動機[1-2]。然而，商用車發(fā)動機可變氣門驅(qū)動方面的研究也取得了可喜的成果。例如，De Ojeda[3]提出，提前進氣門關(guān)閉角(EIVC)會明顯提高排氣溫度，但需要考慮點火延遲和由此產(chǎn)生的壓力升高等問題。Hermann等人[4]介紹了排氣相位調(diào)節(jié)器的商業(yè)應(yīng)用，它可以提高柴油機顆粒捕集器(DPF)主動再生的排氣溫度。

第二項研究重點是米勒循環(huán)，米勒循環(huán)最先由R.H.Miller提出，用以提高輸出功率[5-6]。參考文獻[7]和[8]介紹了熱力學基礎(chǔ)和機理。綜其所述可發(fā)現(xiàn)，通過EIVC或延遲進氣門關(guān)閉角(LIVC)，可保持氣缸充氣量不變，米勒循環(huán)可降低壓縮終了溫度和壓力水平，從而減少氮氧化物(NOx)排放。雖然對大型發(fā)動機而言，米勒循環(huán)是最先進的技術(shù)，但該技術(shù)在商用車柴油機上尚未實現(xiàn)系列應(yīng)用。

第三項研究重點是可變氣門正時與代用燃料的綜合影響。代用燃料有利于減少對化石能源的依賴，但它們的著火性往往與柴油不同。由于米勒正時通常會使點火條件更加惡劣[3]，同時增加壓力，以致運行時無法實現(xiàn)低噪聲或?qū)C件的保護。

1　研究方法

采用1臺符合商用車規(guī)格的單缸試驗機進行研究(表1)。為了避免相互作用，在靈活可調(diào)的試驗環(huán)境下運轉(zhuǎn)該試驗發(fā)動機，試驗環(huán)境的詳細說明見參考文獻[9]。通過分開調(diào)節(jié)不同參數(shù)，這種試驗裝置能將可變氣門正時的影響與其他影響因素相隔離。

表1　試驗機技術(shù)數(shù)據(jù)

通過無凸輪電液驅(qū)動氣門機構(gòu)控制進排氣門[10]，這種氣門機構(gòu)可以靈活和實時地單獨調(diào)節(jié)各個氣門的正時。此外，試驗發(fā)動機采用高壓廢氣再循環(huán)、外源增壓系統(tǒng)和共軌噴油系統(tǒng)，最大噴油壓力為180 MPa。

圖1示出了無凸輪電液驅(qū)動氣門機構(gòu)在轉(zhuǎn)速1200 r/min時的典型氣門升程和基準配氣相位策略。參考配氣相位來自目前生產(chǎn)的發(fā)動機。此外，圖1還示出了基于進氣門關(guān)閉角(IVC)的壓縮比。表2列出了在所示工況點進行研究的結(jié)果。

(a)

(b)

(c)

(d)

項目參數(shù)工況點1(OP1)工況點2(OP2)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)12001200平均有效指示壓力(IMEP)/MPa0.62.1研究重點排氣管理/代用燃料的適用性米勒循環(huán)/代用燃料的適用性

2　基于氣門正時的排氣管理

工況點1采用參考配氣相位的排氣道排氣溫度約為310℃(583 K)。而整機從增壓裝置到排氣后處理入口處的溫度下降約120 K[9]。為了保證排氣后處理的效率，上述工況點需要采用排氣管理。

根據(jù)圖1所示的配氣相位調(diào)整方案1～4研究排氣管理。與參考配氣相位的基準點相同，調(diào)整配氣相位時，增壓壓力、排氣背壓、燃燒重心位置(通過調(diào)節(jié)噴油開始)以及NOx排放(通過調(diào)整EGR率)保持不變。此外，還采用預(yù)噴、預(yù)噴的噴油量，以及預(yù)噴與主噴之間的間距保持不變。

圖2示出了研究結(jié)果。采用EIVC和LIVC策略，可減少氣缸充量和排氣質(zhì)量流量，并提高排氣溫度，這兩種策略的趨勢相似。雖然采用LIVC會更大程度地減少氣缸充量，但溫度更高。此外，這兩種配氣相位策略都在NOx不變的情況下增加了碳煙排放，燃油耗最多會增加2.5%。

圖2　基于氣門正時的排氣管理結(jié)果(VAT=配氣相位)

減小氣門重疊角會提高內(nèi)部EGR率，減少排氣質(zhì)量流量，并提高排氣溫度和PM排放，采用這種策略的燃油耗比采用VAT調(diào)節(jié)策略更高。

提前排氣門開啟角(EEVO)，會因膨脹行程損失增大而降低高壓回路的效率，進而增加燃油耗，并提高排氣溫度和PM排放，但不會減少排氣質(zhì)量流量。測量結(jié)果表明，所研究的每個策略都會使溫度大幅提高。此外，由于采用預(yù)噴，所以VAT調(diào)節(jié)時的壓力升高率始終低于0.6 MPa/℃A。

3　米勒循環(huán)

下文討論了對全負荷工況下的米勒循環(huán)應(yīng)用的研究。配氣相位調(diào)整策略采用圖1所示的方案3(EIVC)和方案4(LIVC)。第一步的重點是分析影響，為了避免交叉影響，IVC時的氣缸充氣或掃氣壓差等邊界條件基本保持不變。由于充氣的氧含量對NOx的形成至關(guān)重要，因而通過調(diào)節(jié)EGR率使氧含量保持不變。圖3介紹了工況點和研究結(jié)果。調(diào)整配氣相位時，預(yù)噴的噴油量以及預(yù)噴與主噴之間的間距仍保持不變。

圖3　米勒循環(huán)基礎(chǔ)研究

EIVC策略和LIVC策略繼續(xù)呈現(xiàn)出相似的趨勢，因為基于IVC調(diào)節(jié)的壓縮比會大幅減小，所以LIVC的變化更加明顯。在邊界條件不變的情況下采用米勒策略，可大幅降低NOx排放，但會增加PM和CO排放，壓力升高率和燃燒過程基本保持不變。米勒循環(huán)會使燃燒過程的溫度降低，進而使排放發(fā)生變化。米勒循環(huán)引起的另一結(jié)果是，在IMEP不變的情況下使最高燃燒壓力降低。因而需采取其他措施： (1) 增大噴油量以提高功率；(2) 進一步提高增壓壓力；(3) 前調(diào)燃燒重心。

圖4示出了功率升高的研究結(jié)果。通過氣缸充氣補償進行試驗，增大噴油量，直至達到參考工況點的最高燃燒壓力。采用這種策略，IMEP最多提高約0.2 MPa(約10%)，燃油消耗率提高0.5%。通過調(diào)節(jié)EGR使NOx排放保持不變，這會增加空氣流量，但增加的噴油量大于增加的空氣流量，從而降低空燃比，導致碳煙和CO排放增加。此外，壓力升高率增加至最高值1 MPa/℃A。

圖4　通過米勒循環(huán)提高功率

圖5示出了結(jié)合其他減排措施的米勒循環(huán)研究結(jié)果。首先，按參考順序延遲IVC，并改變增壓壓力。通過提高增壓壓力，使空氣流量、空燃比及最高燃燒壓力增大。壓縮終了壓力的提高改善了點火條件，從而減小壓力升高率。研究排放可明顯看出增壓壓力的影響。提高增壓壓力可改善PM-NOx折中及CO排放，這是因為米勒循環(huán)降低了燃燒過程的溫度，并在NOx排放量不變的情況下提高了空燃比。此外，燃油耗隨著增壓壓力的提高而降低。采用軟件Engine OS Tiger進行的計算表明，效率提高主要歸因于壁熱損失的降低、熱量特性的改善以及快速燃燒的組織。采用LIVC且增壓壓力為0.46 MPa 時，將燃燒重心前調(diào)1.5℃A， 可適度降低燃油耗，但壓力升高率明顯增加。污染物排放發(fā)生的變化較小。

圖5　通過米勒循環(huán)優(yōu)化排放

4　可變氣門正時與代用燃料的適用性

下列結(jié)果表明，采用米勒正時策略時不同著火性的燃料的適用性。參考燃料采用規(guī)格為CEC-RF-06-03(十六烷值約為52)的柴油(CEC)。此外，還研究體積混合比為70/30、十六烷值約為40的CEC和丁醇混合物(CECBUT)，以及十六烷值約為80純鏈烷烴結(jié)構(gòu)的氫化植物油(HVO)。CEC和HVO的氧含量(基于質(zhì)量)可忽略不計，含酒精的CECBUT的氧含量約為6%。根據(jù)之前的內(nèi)部研究選擇燃料。

低負荷范圍的研究結(jié)果表明，影響燃燒的決定性因素是著火性(圖6)。在基準點，各種燃料的燃燒過程幾乎相同，因此，燃料本身的碳煙生成傾向決定了PM排放。HVO不含芳烴的結(jié)構(gòu)以及CECBUT的氧含量有利于減少碳煙生成。由于調(diào)整配氣相位，低十六烷值燃料(CEC和CECBUT)的燃燒過程發(fā)生劇烈變化。壓力升高率及相應(yīng)的預(yù)混合部分明顯增加，不存在預(yù)噴燃料的分離燃燒過程。采用CECBUT的優(yōu)點是PM排放大幅降低，很大程度上補償了空燃比減小所引起的碳煙排放增加等消極影響。

在采用氣缸充氣補償?shù)母哓摵煞秶?，各種燃料的壓力升高率和燃燒過程在配氣相位調(diào)整時幾乎不變(圖7)。這主要歸因于高負荷時良好的點火條件以及為實現(xiàn)充氣補償而提高的增壓壓力。因此，燃料本身的碳煙生成傾向使得這些工況點的PM排放有差異。采用米勒正時可降低PM排放，這是因為空燃比增大，進而增加氣缸充氣的氧含量。

圖6　低負荷時采用不同著火性燃料的IVC變化

圖7　高負荷時采用不同著火性燃料的IVC變化

5　結(jié)語

在FVV研究計劃范圍內(nèi)進行的研究項目，結(jié)果表明了商用車柴油機可變氣門驅(qū)動的潛力。為了支

持排氣后處理系統(tǒng)，可通過配氣相位可變策略大幅提升排氣溫度。米勒循環(huán)可在適當增加燃油耗的情況下最多提高功率10%，同時可改善PM-NOx折中和燃油耗，而增壓壓力的提升對改善起著至關(guān)重要的作用。此外，研究結(jié)果表明，結(jié)合采用代用燃料和米勒正時，對在低負荷范圍內(nèi)采用低十六烷值燃料尤為重要，因而也需要主動的發(fā)動機管理措施。

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