吳銘淞

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 200092)

0 前言

燃油經(jīng)濟(jì)性是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)之一,根據(jù)輕型汽柴油車燃料消耗量測(cè)量方法提出實(shí)現(xiàn)2025年乘用車百公里油耗平均4.0 L 的目標(biāo),同時(shí)新能源車型也面臨著環(huán)境適應(yīng)性的難題而無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模普及,常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用再次受到關(guān)注。

汽油稀釋燃燒是指利用稀混合氣驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功的一種技術(shù)。一般來(lái)說(shuō),發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比大于18.0：1稱之為稀薄燃燒,空燃比介于14.7：1至20.0：1情況下稱之為稀釋燃燒。稀釋燃燒在中小負(fù)荷的燃油經(jīng)濟(jì)性改進(jìn)非常明顯。有研究顯示,在交通擁堵的情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況運(yùn)行的時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的比例甚至高于68%[1]。

稀薄燃燒技術(shù)理論上可以達(dá)到20%的燃油經(jīng)濟(jì)性改善[2],但發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的周期長(zhǎng)、難度大,且對(duì)電控系統(tǒng)控制和模型算法要求較高,在實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。而稀釋燃燒盡管在理論上的燃油經(jīng)濟(jì)性改善效益較少,但應(yīng)用該技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件幾乎不用更改,且具有已逐漸成熟的排氣后處理技術(shù)等優(yōu)勢(shì)條件。隨著近年來(lái)電控系統(tǒng)的處理能力和控制算法的日益強(qiáng)大,且常規(guī)低成本的節(jié)油技術(shù)逐漸開(kāi)發(fā)完畢,稀釋燃燒應(yīng)用的效益預(yù)期重新得到了關(guān)注。

本文通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)方法,研究某直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在稀釋燃燒情況下的燃油經(jīng)濟(jì)性、原始排放和燃燒噪聲等特性。

1 研究裝置與設(shè)備

該研究的臺(tái)架試驗(yàn)采用上汽集團(tuán)研發(fā)的NLE 2.0T 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。主要試驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

表1 上汽NLE 2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 主要試驗(yàn)設(shè)備列表

2 燃油經(jīng)濟(jì)性

2.1 測(cè)試工況及測(cè)試數(shù)據(jù)

基于新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)(NEDC)和全球輕型汽車測(cè)試循環(huán)(WLTC)公開(kāi)選取轉(zhuǎn)速和扭矩范圍介于轉(zhuǎn)速2 500 r/min、扭矩200 N·m 以下的工況點(diǎn),進(jìn)行不同過(guò)量空氣系數(shù)(λ)工作點(diǎn)設(shè)定的測(cè)試,同時(shí)通過(guò)調(diào)整點(diǎn)火提前角找出當(dāng)前工況下最大制動(dòng)扭矩(MBT)或爆燃臨界點(diǎn)(KBL)的工作點(diǎn),得出各工況點(diǎn)的比油耗(BSFC)數(shù)值、排放濃度和氣缸壓力數(shù)據(jù)。

如圖1所示,可以看出最佳BSFC 點(diǎn)的λ范圍,在低負(fù)荷工況點(diǎn)是1.15～1.20。隨著負(fù)荷上升,在中高負(fù)荷工況下λ上升至1.20～1.25。這個(gè)特性說(shuō)明了在應(yīng)用情況下可以采用變化的λ值來(lái)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和穩(wěn)定性的平衡?？紤]到燃油控制目標(biāo)的大幅變化在電控系統(tǒng)中會(huì)造成不穩(wěn)定,這個(gè)變化的范圍不能太大。

圖1 不同負(fù)荷點(diǎn)BSFC受λ的影響關(guān)系

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試,可以看出最佳范圍的λ處于1.15～1.25之間,控制的范圍還是易于實(shí)施的。如圖2所示,通過(guò)采用λ為1.0、1.2和1.2停掉1缸工作的3種設(shè)定,獲得在轉(zhuǎn)速1 500 r/min和2 000 r/min 2個(gè)工況點(diǎn)的對(duì)比。如圖3所示,可以看出,通過(guò)稀釋燃燒,BSFC可以獲得5%～10%的收益。在低負(fù)荷區(qū)域,采用停掉1缸工作,可以再增加2%～5%的BSFC收益。

2.2 結(jié)果分析

圖2 轉(zhuǎn)速1 500 r/min下稀釋燃燒燃油經(jīng)濟(jì)性

圖3 轉(zhuǎn)速2 000 r/min下稀釋燃燒燃油經(jīng)濟(jì)性

稀釋燃燒最直接的貢獻(xiàn)是減小泵氣損失。一般認(rèn)為,低負(fù)荷區(qū)域主要受節(jié)氣門(mén)的節(jié)流損失的影響,高負(fù)荷區(qū)域主要受氣閥節(jié)流損失和渦輪后壓力損失的影響[3]。通過(guò)對(duì)燃燒氣缸壓力的數(shù)據(jù)分析,相比于理論空燃比燃燒,可以看出稀釋燃燒的泵氣損失在小負(fù)荷區(qū)域是有較大減小的。如圖4所示,隨著進(jìn)氣平均壓力逐漸接近大氣壓,這個(gè)減小量逐漸變小,在超出大氣壓后泵氣損失開(kāi)始增加但增幅不大。在中高負(fù)荷區(qū)域的氣缸壓力對(duì)比如圖5所示。

圖4 在70 N·m 負(fù)荷點(diǎn)的氣缸壓力示功圖(負(fù)功)

在不同的轉(zhuǎn)速下,通過(guò)試驗(yàn)整理負(fù)荷(發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩)和進(jìn)氣平均壓力(進(jìn)氣管真空度)之間的關(guān)系,可以看出進(jìn)氣平均壓力僅與負(fù)荷成線性關(guān)系,與轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。通過(guò)該關(guān)系可以確立泵氣損失變化的趨勢(shì)。

圖5 在200 N·m 負(fù)荷點(diǎn)缸壓示功圖(負(fù)功)

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷與進(jìn)氣管真空度的關(guān)系測(cè)試

稀釋燃燒使缸內(nèi)燃燒平均溫度降低,使發(fā)動(dòng)機(jī)的爆燃傾向減弱,在原KBL區(qū)域的點(diǎn)火提前角設(shè)定更接近于MBT 工作點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)效率得以提高。從圖7可以看出,隨著負(fù)荷的上升,最大燃燒壓力和壓力上升率逐漸從降低變?yōu)樯摺?/p>

稀釋燃燒的燃油經(jīng)濟(jì)性提升機(jī)理如下：在小負(fù)荷區(qū)域,燃油經(jīng)濟(jì)性的主要提升來(lái)源是泵氣損失功和熱散失的降低。隨著λ的加大,泵氣損失持續(xù)下降,同時(shí)燃燒速度變慢。最佳點(diǎn)火提前角設(shè)定提前,燃油經(jīng)濟(jì)性持續(xù)提升。但隨著λ的進(jìn)一步加大,燃燒速度過(guò)于緩慢且燃燒循環(huán)波動(dòng)大幅增加,導(dǎo)致燃燒惡化而使燃油經(jīng)濟(jì)性開(kāi)始下降,同時(shí)排放廢氣量也開(kāi)始出現(xiàn)上升。在高負(fù)荷區(qū)域,燃油經(jīng)濟(jì)性的主要提升來(lái)自于稀釋燃燒爆燃傾向的降低,而點(diǎn)火角工作點(diǎn)的燃燒效率提升。隨著λ的增加,此時(shí)的泵氣損失不變或有小幅增加,同時(shí)燃燒速度并未出現(xiàn)明顯變化。稀釋燃燒使發(fā)動(dòng)機(jī)在同等負(fù)荷下的爆燃傾向減弱,KBL 工作點(diǎn)更接近MBT 點(diǎn)火提前角,點(diǎn)火效率得到提升,燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)有所提升。隨著λ的進(jìn)一步加大,燃燒速度開(kāi)始減慢且燃燒循環(huán)波動(dòng)開(kāi)始大幅增加,燃燒效率開(kāi)始下降,燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)開(kāi)始下降。

圖7 不同負(fù)荷狀態(tài)下的缸壓曲線(正功)

3 排放性能特性

如圖8、圖9和圖10所示,在稀釋燃燒的λ參數(shù)采用固定值時(shí),隨著負(fù)荷的上升,相對(duì)于理論空燃比燃燒,碳?xì)?HC)排放在極小負(fù)荷工況點(diǎn)有所增加,在大負(fù)荷工況點(diǎn)略有減少,氮氧化物(NOx)排放在中高負(fù)荷區(qū)域有一定增加,CO排放在整個(gè)區(qū)域內(nèi)都有大幅下降。

圖8 相同λ工況下的NO x 排放特性

稀釋燃燒采用優(yōu)化的λ 參數(shù)選擇,當(dāng)其選擇在最優(yōu)BSFC工況點(diǎn)時(shí),與理論空燃比燃燒相比總體上可以大幅降低CO、HC 和PM 原排,在小負(fù)荷時(shí)NOx原排減少,但在中高負(fù)荷區(qū)域NOx原排隨負(fù)荷增高有一定幅度增加。同時(shí),隨著稀釋燃燒λ增大至最優(yōu)BSFC工況點(diǎn)之后,繼續(xù)增大可導(dǎo)致NOx排放大幅下降、BSFC上升及HC排放上升,NOx排放始終與BSFC和HC排放呈反向趨勢(shì)。

圖9 相同λ工況下HC排放特性

圖10 等λ工況CO 排放特性

4 燃燒噪聲特性

從圖11可以看出,燃燒噪聲差異主要集中在160～1 600 Hz的1/3倍頻程帶范圍內(nèi)。隨著λ 的變大,燃燒噪聲出現(xiàn)了先上升再下降的過(guò)程,而不同工況的最大值出現(xiàn)的λ值是不同的,遵循負(fù)荷越大,這個(gè)噪聲最大值出現(xiàn)的λ越大。

圖11 轉(zhuǎn)速2 250 r/min,扭轉(zhuǎn)160 N·m 燃燒噪聲

基于圖11并比對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性變?chǔ)?數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,可以看出在中大負(fù)荷工況下,此趨勢(shì)與爆燃點(diǎn)火效率對(duì)BSFC改善的趨勢(shì)有一致性。而在中小負(fù)荷,這個(gè)最大值出現(xiàn)在λ=1.0附近,隨著負(fù)荷的增大這個(gè)最大值逐漸向高λ值處移動(dòng)。

通過(guò)選擇相同λ工況可知,在小負(fù)荷時(shí)可以同時(shí)獲得優(yōu)化的燃油經(jīng)濟(jì)性和燃燒噪聲,在中高負(fù)荷時(shí)不能同時(shí)獲得這2個(gè)參數(shù)的同步優(yōu)化,需基于開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行平衡。

5 結(jié)論

稀釋燃燒可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率,結(jié)合停缸方式在中小負(fù)荷時(shí),BSFC 可以達(dá)到5%～12%；在中高負(fù)荷時(shí),BSFC 可以達(dá)到3%～8%的改進(jìn)。中小負(fù)荷時(shí)的BSFC改進(jìn)主要來(lái)自于泵氣損失的降低和傳熱損失的減小,中高負(fù)荷時(shí)的BSFC 改進(jìn)主要來(lái)自于稀釋燃燒爆燃傾向減弱,點(diǎn)火效率得到提升。

稀釋燃燒的λ值選擇在最優(yōu)BSFC 工況點(diǎn),相對(duì)理論空燃比,燃燒總體上可以大幅降低CO、HC 和顆粒物(PM)排放。在小負(fù)荷時(shí),NOx排放減少；在中高負(fù)荷區(qū)域時(shí),NOx排放隨著負(fù)荷的增大有一定幅度的增加。同時(shí),隨著稀釋燃燒λ值增大至最優(yōu)BSFC 點(diǎn)之后,繼續(xù)增大λ值將導(dǎo)致NOx排放大幅下降、BSFC上升,以及HC 排放上升。NOx排放始終與BSFC 和HC排放呈反向趨勢(shì)。

相對(duì)于理論空燃比狀態(tài),稀釋燃燒在中小負(fù)荷區(qū)域大幅降低了氣缸壓力的上升率,有效降低了燃燒噪聲；而在中高負(fù)荷區(qū)域,最優(yōu)BSFC 點(diǎn)的燃燒噪聲反而有所上升。針對(duì)排放平衡優(yōu)化點(diǎn),燃燒噪聲可基本持平或略有降低。

通過(guò)選擇λ目標(biāo)值,在小負(fù)荷時(shí)可以同時(shí)獲得優(yōu)化的燃油經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和排放的平衡,而在中高負(fù)荷時(shí)不能同時(shí)獲得燃油經(jīng)濟(jì)性與其他2 個(gè)參數(shù)的優(yōu)化,需基于開(kāi)發(fā)目標(biāo)進(jìn)行平衡。