侯圣智朱 棣尹 君劉 斌

（1-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072 2-重慶長安汽車股份有限公司）

引言

缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection ，GDI）技術(shù)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，降低有害氣體排放方面存在較大的潛力，是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)之一[1-2]。廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術(shù)將部分廢氣引入氣缸內(nèi)再次參與燃燒，可有效降低缸內(nèi)燃燒溫度，減少冷卻和散熱損失，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的同時(shí)降低NOx排放；廢氣再循環(huán)在降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放的同時(shí)，還能夠減小泵氣損失，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，缸內(nèi)直噴結(jié)合廢氣再循環(huán)技術(shù)是汽油機(jī)降低燃油消耗率和機(jī)內(nèi)凈化的有效措施[3-5]。

雖然廢氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放具有較大優(yōu)勢，但廢氣的熱容效應(yīng)和稀釋作用又會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性和排放。過高的EGR率會(huì)導(dǎo)致燃燒效率降低，燃油消耗率增大，CO和HC排放上升，燃燒循環(huán)變動(dòng)增大，而燃燒穩(wěn)定性的惡化又是造成燃油經(jīng)濟(jì)性和排放惡化的主要原因之一。因此，改善廢氣稀釋燃燒狀況，提高燃燒穩(wěn)定性，拓展廢氣稀釋上限，是廢氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵核心內(nèi)容[6-8]。

對(duì)于點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火時(shí)刻及點(diǎn)火能量是影響其燃燒過程及燃燒特性的重要因素。筆者在缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上研究了EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣稀釋燃燒過程及燃燒特性的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了點(diǎn)火時(shí)刻與點(diǎn)火能量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣稀釋燃燒特性、輸出轉(zhuǎn)矩以及燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 試驗(yàn)裝置與研究方法

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)臺(tái)架及測試系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括：直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、可標(biāo)定電控單元ECU、外部EGR系統(tǒng)、燃燒參數(shù)采集與分析系統(tǒng)等。電控單元ECU可根據(jù)需要對(duì)噴油參數(shù)（噴油相位、噴油脈寬）、點(diǎn)火參數(shù)（點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量）及EGR率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。自主研發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程參數(shù)采集及燃燒分析系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、氣缸壓力、冷卻水溫度、進(jìn)排氣溫度及空燃比等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)燃燒相位、燃燒特性及燃油消耗率等參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)分析和顯示。分別采用6115A型缸壓傳感器和LSU4.9型寬域線性氧傳感器進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓和空燃比的采集[9]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測試系統(tǒng)示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣稀釋采用外部EGR方案，從排氣歧管引出的廢氣先經(jīng)過冷卻水冷卻，在進(jìn)氣歧管與新鮮空氣混合后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。通過ECU標(biāo)定系統(tǒng)可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)EGR閥的開度，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的EGR量。試驗(yàn)是根據(jù)進(jìn)氣、排氣和大氣環(huán)境中CO2的體積分?jǐn)?shù)值計(jì)算廢氣再循環(huán)率REGR[7，9]：

式中：（CO2）in為實(shí)際測定進(jìn)氣中CO2體積分?jǐn)?shù)；（CO2）exh為實(shí)際測定排氣中 CO2體積分?jǐn)?shù)；（CO2）amb為環(huán)境空氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)，可忽略不計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)采用電感式高能點(diǎn)火系統(tǒng)，通過ECU控制點(diǎn)火線圈的充磁時(shí)間可實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火能量的控制，圖2顯示了點(diǎn)火能量與充磁時(shí)間的關(guān)系。

圖2 點(diǎn)火能量與充磁時(shí)間的關(guān)系曲線

為了評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性，采用氣缸壓力峰值的變化系數(shù)RCOV描述發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)：

式中：Pmax為100個(gè)連續(xù)循環(huán)中氣缸壓力峰值的平均值；Pmax，STD為氣缸壓力峰值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

為了評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位，分別用燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA10表示著火時(shí)刻；用燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA90表示燃燒結(jié)束時(shí)刻；燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角CA50，作為評(píng)介燃燒相位的特征參數(shù)。把燃燒持續(xù)期定義為CA10到CA90所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，用 CA10～CA90 表示[9]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 EGR率對(duì)廢氣稀釋燃燒特性的影響

如圖3所示，為發(fā)動(dòng)機(jī)在部分工況（轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，平均有效壓力 BMEP=300 kPa），過量空氣系數(shù)Φ=1.0，點(diǎn)火提前角為22°CA BTDC，點(diǎn)火能量為73 mJ（充磁閉合角6 ms）時(shí)，氣缸壓力、燃燒放熱率以及燃燒相位隨EGR率的變化曲線。

對(duì)比分析圖3a、b中關(guān)系曲線可以看出，在點(diǎn)火參數(shù)（點(diǎn)火時(shí)刻與點(diǎn)火能量）一定的條件下，隨著EGR率的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值都會(huì)相應(yīng)減小。圖3c顯示，EGR率的增大會(huì)導(dǎo)致著火延遲期和燃燒持續(xù)期增長，燃燒放熱中點(diǎn)相位（CA50）的推遲，燃燒效率降低。這是因?yàn)殡S著EGR率的增大，廢氣的熱容效應(yīng)和稀釋作用不斷增強(qiáng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氧濃度和燃燒溫度同時(shí)降低，減緩化學(xué)反應(yīng)速度，抑制燃燒，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位后移，燃燒效率降低。當(dāng)EGR率增大到一定值后，缸內(nèi)燃燒壓力和燃燒放熱率明顯降低，燃燒相位嚴(yán)重滯后，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重失火現(xiàn)象，造成排放增加，燃油經(jīng)濟(jì)性變差[9]。

圖3 EGR率與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性的關(guān)系

圖4 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)率隨EGR率的變化情況。可以看出，燃燒循環(huán)變動(dòng)率會(huì)隨EGR率的增大而單調(diào)上升。當(dāng)EGR率在某一較小區(qū)域內(nèi)變化時(shí)（小于12.5%），燃燒循環(huán)變動(dòng)將被控制在較低的水平，不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常燃燒；而當(dāng)EGR率達(dá)到一定值（如12.5%）后，燃燒循環(huán)率將會(huì)超過正常燃燒的允許限值（如大于5%），造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性變差，燃燒惡化，甚至出現(xiàn)失火現(xiàn)象。

圖5 顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）隨 EGR 率變化的關(guān)系曲線?？梢钥闯觯邳c(diǎn)火參數(shù)一定的情況下，EGR率對(duì)BSFC的影響是一個(gè)“先抑后揚(yáng)”的作用過程。當(dāng)EGR率水平較低時(shí)，隨著EGR率的增大，BSFC會(huì)相應(yīng)減小。這是因?yàn)?，?dāng)進(jìn)入氣缸的廢氣量增加時(shí)，要保證輸出功率不變，發(fā)動(dòng)機(jī)必須加大節(jié)氣門開度以維持進(jìn)入氣缸的新鮮空氣量，使得進(jìn)氣歧管壓力增大，泵氣損失減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗減少。但隨著EGR率的持續(xù)增加，廢氣中的惰性阻燃物質(zhì)會(huì)抑制燃燒化學(xué)反應(yīng)速率，降低燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性，造成燃油消耗增大，過高的EGR率會(huì)導(dǎo)致油耗的急劇上升。

圖5 EGR率對(duì)有效燃油消耗率BSFC的影響

2.2 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)廢氣稀釋燃燒特性的影響

如圖6所示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，節(jié)氣門開度為10.2%，點(diǎn)火能量為73 mJ（充磁閉合角6 ms）時(shí)，過量空氣系數(shù)Φ為1.0時(shí)，EGR率為23.0的情況下，氣缸壓力、瞬時(shí)放熱率以及燃燒相位隨點(diǎn)火時(shí)刻的變化曲線。

圖6 不同點(diǎn)火時(shí)刻的燃燒特性比較

點(diǎn)火時(shí)刻是影響廢氣稀釋燃燒過程的重要參數(shù)，由圖6可以看出，在一定范圍內(nèi)隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力和燃燒放熱率峰值增大，燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期縮短，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提高。

如圖7、圖8所示，分別為有效燃油消耗率BSFC和輸出轉(zhuǎn)矩隨點(diǎn)火時(shí)刻的變化關(guān)系曲線。圖中顯示，隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，燃燒速度與燃燒效率的提高，使得發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣稀釋燃燒過程改善，燃油消耗降低，輸出轉(zhuǎn)矩得到相應(yīng)提升。同時(shí)也可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩并不是隨著點(diǎn)火提前角的增大而單調(diào)上升，而是一個(gè)“先揚(yáng)后抑”作用關(guān)系。這是因?yàn)辄c(diǎn)火過早會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)早燃，壓縮負(fù)功增加，使得輸出轉(zhuǎn)矩下降。

圖7 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)有效燃油消耗率BSFC的影響

圖8 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

圖9 顯示了不同點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響情況。當(dāng)EGR率一定時(shí)，適當(dāng)提前點(diǎn)火時(shí)刻，可以減小燃燒循環(huán)變動(dòng)，改善燃燒過程。通過與圖4所示工況相比較發(fā)現(xiàn)，通過增大點(diǎn)火提前角，可以將廢氣稀釋燃燒的EGR率上限從12%提高到了24%（燃燒循環(huán)變動(dòng)率小于5%）。

2.3 點(diǎn)火能量對(duì)廢氣稀釋燃燒特性的影響

如圖10所示，發(fā)動(dòng)機(jī)在部分工況（轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，節(jié)氣門開度為9.8%），過量空氣系數(shù)Φ=1.0，點(diǎn)火提前角為22°CA BTDC，EGR率為16.8%的情況下，氣缸壓力及燃燒放熱率隨點(diǎn)火能量的變化曲線。

圖10表明，提高點(diǎn)火能量，能夠促進(jìn)火核的形成和火焰的傳播，改善廢氣稀釋燃燒狀況。在EGR率一定的條件下，隨著點(diǎn)火能量的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值增大，燃燒相位提前。

圖9 點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響

圖10 不同點(diǎn)火能量的燃燒特性比較

圖11 、圖12以及圖13分別顯示了有效燃油消耗率BSFC、輸出轉(zhuǎn)矩以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)隨點(diǎn)火能量的變化曲線?？梢钥闯觯岣唿c(diǎn)火能量能夠減小發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)，提高輸出轉(zhuǎn)矩，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。隨著點(diǎn)火能量的進(jìn)一步提高，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、燃油消耗以及燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響逐漸減弱。當(dāng)點(diǎn)火能量增大到一定程度后（73 mJ），繼續(xù)增大點(diǎn)火能量不但不能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能，還容易造成火花塞電極的燒蝕，影響使用壽命和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)將點(diǎn)火能量限制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

圖11 點(diǎn)火能量對(duì)有效燃油消耗率BSFC的影響

圖12 點(diǎn)火能量對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

圖13 點(diǎn)火能量對(duì)燃燒循環(huán)變動(dòng)的影響

3 結(jié)論

1）對(duì)于廢氣稀釋燃燒，提高點(diǎn)火能量，有助于火核形成和火焰?zhèn)鞑ィ岣呷紵?，增?qiáng)燃燒穩(wěn)定性，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程。

2）火花塞的點(diǎn)火能量應(yīng)該受到限制，過高的點(diǎn)火能量不但不能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒性能，還會(huì)影響火花塞的使用壽命和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性。

3）與點(diǎn)火能量相比，點(diǎn)火時(shí)刻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣稀釋燃燒的影響更為顯著。在一定范圍內(nèi)，隨著點(diǎn)火提前角的加大，最大爆發(fā)壓力和瞬時(shí)放熱率峰值增大，燃燒相位提前，燃燒持續(xù)期縮短，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率提高，燃燒穩(wěn)定性增強(qiáng)，燃燒效率提高，稀燃極限得到拓展，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到改善。