趙智超，王書千，劉敬平，付建勤，關(guān)盡歡，劉琦

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缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)對(duì)汽油機(jī)性能的影響及測(cè)試方法研究

趙智超1，王書千2, 3，劉敬平2, 3，付建勤2, 3，關(guān)盡歡2, 3，劉琦2, 3

(1. 中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶，401122； 2. 湖南大學(xué) 先進(jìn)動(dòng)力總成技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙，410082 3. 湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410082)

為研究缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)汽油機(jī)性能及排放的影響，在1臺(tái)單缸機(jī)上進(jìn)行排氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)掃描試驗(yàn)。為降低殘余廢氣系數(shù)、測(cè)試成本并簡(jiǎn)化計(jì)算流程，提出1種兩穩(wěn)態(tài)傳感器測(cè)量方法并推導(dǎo)簡(jiǎn)化數(shù)模。采用2個(gè)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器測(cè)取進(jìn)氣和排氣壓力，與氣門開閉時(shí)刻、轉(zhuǎn)速、預(yù)存的氣門升程、氣道流量系數(shù)聯(lián)立求解得到殘余廢氣系數(shù)。在1臺(tái)先進(jìn)乘用車汽油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：殘余廢氣的熱容及充量稀釋作用降低了燃燒溫度，減緩了燃燒速率，使10%~90%燃燒持續(xù)期和點(diǎn)火至50%燃燒位置點(diǎn)持續(xù)期明顯延長(zhǎng)；殘余廢氣加熱效應(yīng)促進(jìn)燃油霧化混合，熱容作用降低了燃燒溫度從而減少了散熱損失，因此，高壓循環(huán)指示熱效率先略微增加，隨后由于燃燒燃燒性能下降而迅速降低；殘余廢氣可有效抑制NO生成，但廢氣過(guò)多會(huì)導(dǎo)致HC和CO排放增加；本方法具有較高的預(yù)測(cè)精度，與三動(dòng)態(tài)傳感器方法相比，此方法可大大降低傳感器成本，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

汽油機(jī)；殘余廢氣系數(shù)；燃燒；排放

動(dòng)機(jī)殘余廢氣主要由混合氣燃燒產(chǎn)物構(gòu)成，其高溫對(duì)于下一循環(huán)吸入的新鮮充量具有加熱作用，同時(shí)廢氣組分多為不可燃燒成分，與新鮮混合氣混合后對(duì)燃燒反應(yīng)速度產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程和排放產(chǎn)生影響。為了研究不同殘余廢氣量下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化規(guī)律，當(dāng)前研究者主要通過(guò)廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)調(diào)節(jié)缸內(nèi)殘余廢氣量，進(jìn)而研究不同殘余廢氣量下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化規(guī)律和影響因素[1?5]。張翔宇等[6?7]控制系統(tǒng)控制排氣門開閉時(shí)刻調(diào)節(jié)內(nèi)部EGR率，對(duì)柴油機(jī)小負(fù)荷工況下低溫燃燒的燃燒和排放特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)提高EGR率可以提高排放和熱效率。趙洋等[8]針對(duì)不同EGR廢氣組分條件下產(chǎn)生的顆粒，采用熱重分析的方法，分析了EGR廢氣組分對(duì)顆粒中主要物質(zhì)含量的影響，發(fā)現(xiàn)EGR廢氣中的CO2可以顯著改善顆粒的氧化燃燒性能。朱贊等[9]對(duì)柴油?天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，研究了EGR率隨噴油提前角變化對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)影響，發(fā)現(xiàn)采用EGR時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大噴油提前角，以達(dá)到同時(shí)降低NO，HC和CO排放以及降低碳煙排放的目的。JAMSRAN等[10]研究了EGR和增壓對(duì)均質(zhì)充量壓燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)著火特性的影響，發(fā)現(xiàn)合理調(diào)整EGR和增壓壓力可以擴(kuò)大著火極限，同時(shí)避免爆震?，F(xiàn)有研究多以EGR率作為研究指標(biāo)，以指標(biāo)缸內(nèi)廢氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，但沒(méi)有對(duì)缸內(nèi)總殘余廢氣量進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量和評(píng)價(jià)，尤其無(wú)法估計(jì)無(wú)EGR條件下不同工況下缸內(nèi)的殘余廢氣量，從而不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。隨著可變氣門正時(shí)技術(shù)(variable valve timing, VVT)的逐漸普及，通過(guò)調(diào)節(jié)氣門開閉時(shí)刻控制缸內(nèi)殘余廢氣量可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的優(yōu)化控制，但換氣過(guò)程中壓力波動(dòng)導(dǎo)致的復(fù)雜氣體流動(dòng)使得缸內(nèi)殘余廢氣量的準(zhǔn)確估計(jì)成為當(dāng)前一大難題。FOX等[11]提出一種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢⒏變?nèi)殘余廢氣分為氣門重疊期內(nèi)排氣倒流至缸內(nèi)和氣門關(guān)閉時(shí)刻余隙容積的殘余廢氣，但需要通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)方程系數(shù)后才能用于預(yù)測(cè)。SHAYLER等[12]開發(fā)了一種RGF模型，雖然沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，但該模型對(duì)容積效率的預(yù)測(cè)精度要求較高。LARIMORE等[13]基于實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)缸壓提出一種RGF計(jì)算方法，同時(shí)基于實(shí)測(cè)燃燒相位結(jié)合自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)RGF的預(yù)測(cè)修正。KAKO等[14]提出一種基于物理模型的瞬態(tài)殘余廢氣預(yù)測(cè)手段，并研究了RGF對(duì)瞬時(shí)空燃比的影響。付建勤等[15]基于動(dòng)態(tài)壓力實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)汽油機(jī)瞬變工況下RGF進(jìn)行計(jì)算，并分析其變化范圍、變化規(guī)律和影響因素。雖然目前發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)殘余廢氣的預(yù)測(cè)精度已經(jīng)達(dá)到實(shí)機(jī)應(yīng)用的要求，但由于其大多依靠于1個(gè)或多個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器的精確測(cè)量作為模型輸入，成本較高，容易損壞，并且算法復(fù)雜，因而不宜用于整車實(shí)際道路循環(huán)的測(cè)量。為此，本文作者首先基于1臺(tái)自然吸氣單缸機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，探究RGF對(duì)汽油機(jī)熱功轉(zhuǎn)換性能和排放的影響，然后提出一種簡(jiǎn)化的殘余廢氣測(cè)試方法和計(jì)算模型，并對(duì)1臺(tái)增壓直噴四缸汽油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)

1.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為了探究缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)汽油機(jī)性能的影響，基于1臺(tái)自然吸氣單缸機(jī)展開穩(wěn)態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)研究。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。圖1所示為單缸機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)示意圖。測(cè)試設(shè)備和裝置如表2所示。從圖1可以看出：缸壓傳感器安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上，實(shí)時(shí)測(cè)量缸壓信號(hào)并傳遞給燃燒分析儀，以用于分析殘余廢氣系數(shù)對(duì)燃燒性能的影響；此外，臺(tái)架配備排放分析儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣成分進(jìn)行取樣分析，為研究缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)對(duì)排放的影響提供數(shù)據(jù)支撐。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1—油箱；2—油耗儀；3—燃油溫度控制箱；4—PUMA控制系統(tǒng)；5—測(cè)功機(jī)；6—進(jìn)氣空調(diào)；7—空濾器；8—缸壓傳感器；9—氧傳感器；10—催化轉(zhuǎn)化器；11—排氣消聲器；12—過(guò)量空氣系數(shù)分析儀；13—排氣分析儀；14—電荷放大器；15—燃燒分析儀；16—冷卻液溫度控制系統(tǒng)；17—轉(zhuǎn)速傳感器。

表2 測(cè)試設(shè)備和裝置型號(hào)

1.2 試驗(yàn)工況

單缸機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)EGR閥改變缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)。臺(tái)架測(cè)試試驗(yàn)工況選取以下工況：轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，平均指示壓力(indicated mean effective pressure, IMEP)為0.35 MPa；轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，IMEP為0.33 MPa；滾流控制閥開啟和關(guān)閉狀態(tài)分別測(cè)量，EGR率從0開始以間隔為5%依次增加直至燃燒不穩(wěn)定。本次試驗(yàn)RGF率基于劉敬平等[16?17]提出的三動(dòng)態(tài)壓力傳感器法進(jìn)行測(cè)量。

2 殘余廢氣對(duì)汽油機(jī)性能的影響分析

2.1 殘余廢氣對(duì)缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程的影響

圖2所示為10%~90%燃燒持續(xù)期隨殘余廢氣系數(shù)變化規(guī)律。由圖2可以看出：隨著殘余廢氣系數(shù)增加，10%~90%燃燒持續(xù)期單調(diào)增加，且上升速度越快。這是因?yàn)闅堄鄰U氣中含有大量上一個(gè)循環(huán)產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物如CO2等，對(duì)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)具有抑制作用，降低燃燒速度。缸內(nèi)燃燒溫度變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可見：由于缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)新鮮混合氣起稀釋作用，且缸內(nèi)殘余廢氣的熱容較高，致使缸內(nèi)燃燒溫度隨殘余廢氣系數(shù)增加而降低，進(jìn)而降低了燃燒速率；隨著殘余廢氣系數(shù)增加，殘余廢氣對(duì)燃燒速率的影響越明顯，導(dǎo)致燃燒持續(xù)期上升速率變快；此外，當(dāng)滾流控制閥開啟時(shí)，10%~90%燃燒持續(xù)期明顯縮短。這是由于滾流控制閥開啟時(shí)，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，促進(jìn)了缸內(nèi)燃燒，即削弱了殘余廢氣系數(shù)對(duì)缸內(nèi)燃燒的不利影響，提升了缸內(nèi)燃燒溫度，從而使燃燒持續(xù)期明顯縮短。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)；

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

圖4所示為50%燃燒位置點(diǎn)隨殘余廢氣系數(shù)的變化趨勢(shì)圖。從圖4可知：當(dāng)殘余廢氣在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，50%燃燒位置點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)火提前角的相應(yīng)提前而基本上保持不變，維持在壓縮上止點(diǎn)后8°左右，即工程上認(rèn)可的最佳50%燃燒位置點(diǎn)；隨著殘余廢氣系數(shù)進(jìn)一步增加，除轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，IMEP為0.33 MPa，滾流控制閥開啟的工況外，其他工況均出現(xiàn)50%燃燒位置點(diǎn)推遲的趨勢(shì)。這主要是由于缸內(nèi)殘余廢氣過(guò)多，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒過(guò)于緩慢，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定甚至失火現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法保持最佳50%燃燒位置。其中，在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，IMEP為0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)閉工況下，50%燃燒位置隨殘余廢氣系數(shù)進(jìn)一步增加而提前。這主要是由于缸內(nèi)殘余廢氣過(guò)多導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，循環(huán)變動(dòng)系數(shù)達(dá)到30.8%，從而導(dǎo)致50%燃燒位置波動(dòng)，造成測(cè)量誤差。此外，通過(guò)對(duì)比滾流控制閥開啟和關(guān)閉這2種工況可以發(fā)現(xiàn)：滾流控制閥開啟的工況可以承受更多的殘余廢氣，并保持50%燃燒位置點(diǎn)保持在最佳燃燒點(diǎn)。這主要是由于滾流控制閥開啟對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)起到促進(jìn)作用，提高了缸內(nèi)燃燒速度。圖5所示為點(diǎn)火時(shí)刻至50%燃燒位置點(diǎn)隨殘余廢氣系數(shù)變化規(guī)律。從圖5可以看出：隨著殘余廢氣系數(shù)增加，點(diǎn)火時(shí)刻至50%燃燒位置點(diǎn)呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，這說(shuō)明汽油機(jī)燃燒初期燃燒速率隨著缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加而降低，這是殘余廢氣中不可燃成分對(duì)化學(xué)反應(yīng)的抑制作用以及比熱容降低缸內(nèi)燃燒溫度所致；隨著滾流控制閥打開，缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，促進(jìn)了缸內(nèi)燃燒，有效縮短了點(diǎn)火時(shí)刻至50%燃燒位置點(diǎn)所需的時(shí)間；此外，隨著轉(zhuǎn)速增加，點(diǎn)火時(shí)刻至50%燃燒位置點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角增加；而滾流控制閥的開啟有效降低了不同轉(zhuǎn)速之間的點(diǎn)火時(shí)刻至50%燃燒位置點(diǎn)的差異，這是缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)加快了燃燒 所致。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

圖6所示為高壓循環(huán)指示熱效率隨缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的變化規(guī)律。從圖6可以看出：隨著殘余廢氣系數(shù)增加，高壓循環(huán)指示熱效率首先呈略微增加趨勢(shì)。這主要是由于此時(shí)殘余廢氣對(duì)50%燃燒位置點(diǎn)和10%~90%燃燒位置點(diǎn)影響較小，而缸內(nèi)燃燒溫度隨殘余廢氣系數(shù)的升高而降低；而隨著缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)進(jìn)一步增加，高壓循環(huán)指示熱效率急劇下降，從圖2和圖4可知此時(shí)10%~90%燃燒持續(xù)期明顯增加，同時(shí)50%燃燒位置點(diǎn)明顯推遲，說(shuō)明此時(shí)燃燒狀況十分惡劣。這主要是由于缸內(nèi)殘余廢氣過(guò)多導(dǎo)致燃燒速率降低，燃燒不穩(wěn)定。同時(shí)，燃燒持續(xù)期過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)有效膨脹比降低[18]，缸內(nèi)工質(zhì)不能完全膨脹作功。此外，由圖6還可以看出：當(dāng)滾流控制閥打開時(shí)，缸內(nèi)燃燒加速，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以承受更多的殘余廢氣而仍保持較高的高壓循環(huán)指示熱效率。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

2.2 殘余廢氣對(duì)排放的影響

缸內(nèi)殘余廢氣在影響燃燒的同時(shí)，也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放產(chǎn)生了一定的影響。圖7所示為NO排放量(體積分?jǐn)?shù))隨殘余廢氣系數(shù)的變化規(guī)律。從圖7可見：隨著殘余廢氣系數(shù)增加，NO排放量呈單調(diào)下降趨勢(shì)。這主要是由于殘余廢氣中多數(shù)組分化學(xué)分子式由三原子構(gòu)成，比熱容較高，稀釋了缸內(nèi)混合氣，降低了燃燒速率，進(jìn)而降低缸內(nèi)燃燒溫度。而NO排放主要產(chǎn)生于高溫富氧狀態(tài)，因此，殘余廢氣對(duì)NO排放的生成有良好的抑制作用。此外，當(dāng)滾流閥開啟時(shí)，相同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷工況下的NO排放量明顯升高，這主要是由于滾流閥開啟在缸內(nèi)形成了良好的氣流運(yùn)動(dòng)，使燃燒速率增快，最大缸內(nèi)燃燒溫度升高(如圖2和圖3 所示)。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

圖8所示為未燃HC體積分?jǐn)?shù)隨殘余廢氣系數(shù)變化。從圖8可知：當(dāng)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加時(shí)，在一定范圍內(nèi)，HC體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)不明顯。這是由于此時(shí)缸內(nèi)燃燒仍然穩(wěn)定，缸內(nèi)混合氣仍能實(shí)現(xiàn)充分燃燒；而當(dāng)殘余廢氣系數(shù)進(jìn)一步增加時(shí)，由于殘余廢氣對(duì)缸內(nèi)新鮮充量過(guò)于稀釋，燃燒速率降低，燃燒不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)失火，導(dǎo)致燃料燃燒不完全，從而產(chǎn)生了大量未燃HC。此外，由圖6還可以看出：滾流控制閥開啟可以有效擴(kuò)展殘余廢氣系數(shù)極限，改善了氣流運(yùn)動(dòng)。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)；

圖9所示為CO體積分?jǐn)?shù)隨缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)變化規(guī)律。由圖9可知：除轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，IMEP為0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)閉工況，CO體積分?jǐn)?shù)排放隨著殘余廢氣系數(shù)的增加先降低后增加。由于殘余廢氣加熱了缸內(nèi)新鮮充量，汽油霧化蒸發(fā)更完全，進(jìn)而燃燒更加充分，從而CO體積分?jǐn)?shù)降低；而隨著殘余廢氣進(jìn)一步增加，在廢氣稀釋作用和熱容作用的雙重影響下，燃燒效率下降，進(jìn)而導(dǎo)致CO體積分?jǐn)?shù)急劇上升；此外，滾流控制閥的開啟促進(jìn)了良好的缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，加快了混合氣燃燒速率，同時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度升高，加速了CO氧化過(guò)程，進(jìn)而導(dǎo)致CO排放量降低。

綜上所述，缸內(nèi)殘余廢氣對(duì)于汽油機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換性能和排放性能均有著顯著的影響，因此，缸內(nèi)殘余廢氣的精準(zhǔn)測(cè)量對(duì)于進(jìn)一步研究和控制具有重要意義。然而，上述測(cè)量結(jié)果均是基于三動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量的，雖然有較高精度，但由于動(dòng)態(tài)傳感器成本很高，且容易損壞，無(wú)法在工程上廣泛使用。為此，本文基于原測(cè)試方法，提出一種新的缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)測(cè)量方法，并推導(dǎo)簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型。

1—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥關(guān)；2—1 600 r/min，0.35 MPa，滾流控制閥開；3—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥關(guān)；4—2 000 r/min，0.33 MPa，滾流控制閥開。

3 殘余廢氣系數(shù)測(cè)試方法及計(jì)算模型

3.1 殘余廢氣測(cè)試方法和參數(shù)分析

本文提出一種基于兩穩(wěn)態(tài)壓力傳感器的殘余廢氣測(cè)試方法。圖10所示為殘余廢氣在線測(cè)試方法的傳感器布置方案。原三動(dòng)態(tài)壓力傳感器各缸需要3個(gè)動(dòng)態(tài)高頻壓力傳感器才能對(duì)殘余廢氣進(jìn)行測(cè)量，為此，本方法取消缸內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力傳感器，同時(shí)將2個(gè)動(dòng)態(tài)高頻壓力傳感器改用為常規(guī)穩(wěn)態(tài)壓力傳感器。分別在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管和排氣歧管與氣缸蓋交接面處埋設(shè)壓力和溫度傳感器，測(cè)量進(jìn)氣和排氣的溫度和壓力。轉(zhuǎn)速傳感器和凸輪相位傳感器均為發(fā)動(dòng)機(jī)自帶傳感器，可通過(guò)本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的ECU信號(hào)破解讀取方法進(jìn)行測(cè)試，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣與排氣門開閉時(shí)刻[15, 18]。

圖10 殘余廢氣在線測(cè)試方法中的傳感器布置方案

通過(guò)實(shí)測(cè)得到的進(jìn)氣和排氣壓力、溫度、曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)以及凸輪軸轉(zhuǎn)角信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞到計(jì)算機(jī)中的殘余廢氣系數(shù)計(jì)算數(shù)模中，與預(yù)存的氣門升程、氣道流量系數(shù)聯(lián)立求解得到通過(guò)氣門的瞬時(shí)氣體流量。根據(jù)氣體狀態(tài)方程得到氣門關(guān)閉時(shí)期缸內(nèi)殘余廢氣量。本方法結(jié)合現(xiàn)代傳感器與數(shù)值模擬技術(shù)，與整機(jī)數(shù)模相比，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)及計(jì)算時(shí)間大大減少，使得在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行在線診斷成為可能。

3.2 殘余廢氣計(jì)算數(shù)模

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)殘余廢氣主要包括2部分：一部分為氣門重疊期從排氣道倒流回氣缸的殘余廢氣，另一部分為排氣門關(guān)閉時(shí)仍未排出氣缸的殘余廢氣。

上述計(jì)算缸內(nèi)殘余廢氣量及殘余廢氣系數(shù)的各公式中，進(jìn)氣和排氣壓力由壓力傳感器實(shí)測(cè)得到；進(jìn)氣和排氣門開啟、關(guān)閉時(shí)刻對(duì)應(yīng)的氣缸容積由實(shí)測(cè)的進(jìn)氣和排氣閥開閉時(shí)刻計(jì)算得到；而進(jìn)氣和排氣閥開閉時(shí)刻的實(shí)時(shí)測(cè)量可通過(guò)檢測(cè)ECU的控制信號(hào)得到。

3.3 計(jì)算模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本測(cè)試方法和計(jì)算數(shù)模的精度和適用性，將在單缸機(jī)試驗(yàn)基礎(chǔ)上導(dǎo)出的模型移植到多缸機(jī)上。以某臺(tái)先進(jìn)4缸增壓缸內(nèi)直噴乘用車汽油機(jī)為驗(yàn)證對(duì)象，主要參數(shù)如表3所示。本試驗(yàn)所用試驗(yàn)設(shè)備與表2所示的相同，測(cè)試轉(zhuǎn)速為1 500，2 000，3 000和 4 000 r/min，在不同負(fù)荷工況下進(jìn)行測(cè)試。采用兩穩(wěn)態(tài)傳感器法與三動(dòng)態(tài)壓力傳感器法測(cè)試殘余廢氣系數(shù)，所得對(duì)比結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出：采用兩穩(wěn)態(tài)壓力傳感器方法對(duì)汽油機(jī)殘余廢氣的檢測(cè)結(jié)果與三動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)試所得殘余廢氣系數(shù)基本接近；在轉(zhuǎn)速1 500，2 000，3 000和4 000 r/min和不同負(fù)荷工況下，2種殘余廢氣方法測(cè)試所得殘余廢氣系數(shù)絕對(duì)誤差最大值分別為1.30，1.08，1.21和1.90，平均值分別為0.80，0.60，0.73和0.80，具有足夠高的精度，滿足試驗(yàn)研究要求。

表3 乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

轉(zhuǎn)速/(r·min?1)：(a) 1 500；(b) 2 000；(c) 3 000；(d) 4 000

4 結(jié)論

1)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)對(duì)汽油機(jī)熱功轉(zhuǎn)換過(guò)程有顯著影響。隨著缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加，10%~90%燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度變快。50%燃燒位置點(diǎn)開始仍保持最佳位置點(diǎn)不變，隨著殘余廢氣進(jìn)一步增加而迅速推遲。高壓循環(huán)指示熱效率隨殘余廢氣系數(shù)增加呈現(xiàn)先增加后急劇降低趨勢(shì)。

2) 增加缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)可以有效降低NO排放，但是當(dāng)殘余廢氣過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致未燃HC和CO體積分?jǐn)?shù)急劇增大。

3) 滾流控制閥開啟可以增強(qiáng)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，對(duì)于加速燃燒過(guò)程具有顯著作用，可以使汽油機(jī)在較高的殘余廢氣系數(shù)下仍具有良好的工作性能。

4)提出一種基于兩穩(wěn)態(tài)壓力傳感器的缸內(nèi)殘余廢氣的簡(jiǎn)化測(cè)試方法。該兩穩(wěn)態(tài)傳感器法具有較高的測(cè)試精度，并且價(jià)格低廉，方法簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)整車在線測(cè)試應(yīng)用。

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(編輯 陳燦華)

Effects of residual gas on gasoline engine performance and research on test method for residual gas

ZHAO Zhichao1, WANG Shuqian2, 3, LIU Jingping2, 3, FU Jianqin2, 3, GUAN Jinhuan2, 3, LIU Qi2, 3

(1. China Automotive Engineering Research Institute Co. Ltd., Chongqing 401122, China; 2. Research Center for Advanced Powertrain Technology, Hunan University, Changsha 410082, China; 3. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China)

The sweeping test of EGR(exhaust gas recirculation) rate was conducted in a single cylinder engine to research the effects of residual gas fraction(RGF) on engine performance and emission. In order to reduce the cost of RGF measurement and simplify mathematical model, a method by two steady-state sensors was introduced and simplified mathematical model was deduced. Two steady-state pressure sensors were adopted for the measurement of intake and exhaust pressure which was used to solve RGF based on the measured valve timing, engine speed, valve lift and flow coefficient. The test method was verified experimentally on an advanced gasoline engine of passenger car. The results show that the combined effects of thermal capacity and dilution of residual gas decrease combustion temperature and velocity, which obviously prolongs the 10%—90% combustion duration and the period from spark timing to 50% combustion location. The heating effect of residual gas promotes the fuel atomization and the effect of thermal capacity lowers combustion temperature and decreases heat loss, which slightly increases indicated thermal efficiency in high-pressure cycle. With the increase of RGF, the indicated thermal efficiency in high-pressure cycle decreases rapidly due to combustion deterioration. Moreover, residual gas reduces NOemission but too much residual gas increases HC and CO emissions. The test method has good precision and can lower the cost greatly for engineering application compared with the method by three dynamic pressure sensors.

gasoline engine; exhaust gas recirculation; combustion; emission

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.11.012

U467.2+1；U467.2+2；TK417+.4

A

1672?7207(2018)11?2723?08

2018?03?10；

2018?05?11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)規(guī)劃專項(xiàng)(2017YFB0103503)；中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目(2017QNRC001) (Project(2017YFB0103503) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(2017QNRC001) supported by the Young Talents Sponsorship Program of China Association for Science and Technology)

王書千，博士研究生，工程師，從事動(dòng)力總成性能開發(fā)研究；E-mail: 1350800863@qq.com