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        電增壓及廢氣再循環(huán)共同作用下對降低汽油機燃油消耗率的試驗研究

        2021-10-19 09:06:22林思聰李鈺懷
        內(nèi)燃機工程 2021年5期
        關(guān)鍵詞:原機消耗率壓縮比

        林思聰,馮 浩,秦 博,李鈺懷,吳 堅

        (廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院,廣州 511434)

        0 概述

        隨著乘用車燃料消耗量第四階段標準和雙積分管理辦法的實施,車企加大了在提高內(nèi)燃機熱效率、降低汽車燃油消耗量方面的研發(fā)投入。增壓小型化技術(shù)是降低新歐洲行駛循環(huán)(new European driving cycle, NEDC)燃油消耗的有效方式[1],主要車企都推出了增壓直噴汽油機。增壓小型化發(fā)動機通過減小發(fā)動機排量,提高發(fā)動機最高負荷,將運轉(zhuǎn)工況點轉(zhuǎn)移到更高的負荷,避開燃油消耗率高的低負荷工況。但在高負荷工況下,由于壓縮比和負荷的增加導(dǎo)致爆震及燃油消耗率增加。米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)技術(shù)分別通過進氣門早關(guān)與進氣門晚關(guān)的方式降低發(fā)動機有效壓縮比,抑制爆震傾向,可以提高發(fā)動機熱效率[2-3]。

        廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)技術(shù)能夠顯著降低燃油消耗率[4-5]。在中低負荷工況通過引入廢氣提高進氣歧管壓力,可以降低換氣損失;高負荷工況下再循環(huán)廢氣可以降低缸內(nèi)燃燒溫度從而降低傳熱損失,同時抑制爆震,使燃燒重心得以提前,能有效降低發(fā)動機的燃油消耗率[6-8]。

        文獻[9]中在一臺1.8 L汽油機上研究了部分負荷工況下引入均質(zhì)廢氣稀釋與提高滾流比對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性及燃燒特性的影響。結(jié)果表明低負荷工況通過引入廢氣稀釋可使燃油消耗率降低18.2%,將高滾流比與廢氣稀釋相結(jié)合,能有效彌補廢氣對燃燒造成的不良影響。文獻[10]中在一臺直列4缸增壓直噴汽油機上針對萬有特性最低油耗工況點,進行了稀薄燃燒與EGR提高發(fā)動機熱效率的對比試驗研究。結(jié)果表明稀薄燃燒及EGR均能有效降低發(fā)動機燃油消耗率,稀釋率分別為33%和19%時,采用稀燃和EGR時的最高有效熱效率絕對值分別增加2.8%和1.7%。

        前者研究了低負荷工況提高滾流比與引入EGR對油耗的影響,后者研究了最高熱效率工況EGR和稀燃對油耗的影響,油耗改善程度受到穩(wěn)定燃燒極限和最大稀釋率影響。本研究中在一臺進氣門早關(guān)的增壓直噴汽油機上,通過提高滾流比、壓縮比及增壓系統(tǒng)的能力,尋求在穩(wěn)定燃燒極限和最大稀釋率上取得突破,針對低油耗區(qū)域,研究電動增壓與EGR對燃油消耗率的影響,研究工況更注重混動發(fā)動機的常用運轉(zhuǎn)工況區(qū)間,更具工程價值。

        1 試驗設(shè)備及方法

        1.1 試驗用發(fā)動機及設(shè)備

        本文中選取廣汽集團自主研發(fā)的1.5 L渦輪增壓汽油機開展試驗研究,該發(fā)動機采用米勒循環(huán)和 35 MPa 缸內(nèi)直噴技術(shù),為了進一步降低燃油消耗率,加裝了冷卻EGR系統(tǒng)與電動增壓器,EGR系統(tǒng)從催化器下游取氣引入到增壓器上游,空氣濾清器下游裝有進氣節(jié)流閥,電動增壓器布置在渦輪增壓器與進氣中冷器之間,如圖1所示。電動增壓器主要匹配發(fā)動機轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下空氣流量需求,主要用于提升低轉(zhuǎn)速下增壓系統(tǒng)的能力。工作中渦輪增壓器作為前級增壓,電動增壓器作為后級增壓與渦輪增壓器聯(lián)合運行。

        圖1 試驗發(fā)動機示意圖

        同時對原發(fā)動機燃燒室及進氣道進行了優(yōu)化[11-12],發(fā)動機的幾何壓縮比從原機的11.2提升至12.5,進氣積分滾流比[13]由2.14提升至2.60,進氣道流量系數(shù)與滾流比情況見圖2。試驗發(fā)動機的基本參數(shù)見表1。

        圖2 進氣道流量系數(shù)與滾流比

        試驗中使用AVL PUMA臺架控制測試系統(tǒng)、發(fā)動機標定用軟件系統(tǒng)INCA、AVL733S瞬態(tài)油耗儀、AVL IndiCom燃燒分析儀、HORIBA MEXA-7100D廢氣組分測量儀。EGR率定義為再循環(huán)廢氣質(zhì)量MEGR與總進氣量(新鮮空氣Mair與MEGR的和)的比值。

        (1)

        表1 發(fā)動機特征參數(shù)

        1.2 試驗方案

        選取典型的萬有特性低油耗區(qū)域(轉(zhuǎn)速 1 500 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min,制動平均有效壓力(brake mean effective pressure, BMEP)為0.8 MPa、1.1 MPa、1.4 MPa)開展試驗研究,研究中試驗邊界條件如發(fā)動機進氣溫度、中冷后溫度、EGR中冷后溫度、出水溫度等保持穩(wěn)定,其中中冷后溫度控制在 30 ℃,EGR中冷后溫度控制在90 ℃。試驗過程保持過量空氣系數(shù)λ為1,通過改變點火提前角保持在最佳點火提前角或爆震邊界。通過關(guān)閉渦輪增壓器的廢氣閥來調(diào)整增壓壓力,當廢氣閥全關(guān)后再通過電動增壓器轉(zhuǎn)速來調(diào)整增壓壓力。優(yōu)先通過提高EGR率至燃燒穩(wěn)定邊界來降低燃油消耗率,而后通過調(diào)整增壓壓力與配氣正時來獲得最低燃油消耗率。

        2 試驗結(jié)果及分析

        圖3為燃油消耗率試驗結(jié)果,可見高壓縮比EGR方案的燃油消耗率相對原方案大幅度降低,燃油消耗率的下降比例達到5.0%~13.6%。其中負荷為 0.8 MPa 時,燃油消耗率平均下降幅度為12.8 g/(kW·h),平均下降比例為5.5%;負荷為1.1 MPa~1.4 MPa 時,燃油消耗率平均下降幅度為22.8 g/(kW·h),平均下降比例為9.5%。在工況為2 000 r/min轉(zhuǎn)速、1.4 MPa BMEP時,燃油消耗率最低達到206.9 g/(kW·h),對應(yīng)熱效率為41.2%。

        圖3 原機與高壓縮比EGR方案的燃油消耗率

        電動增壓器與渦輪增壓器的聯(lián)合工作顯著提升了增壓能力,使得進氣壓力明顯提高,進氣壓力變化情況如圖4所示。轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP為1.4 MPa時,進氣壓力由原機的133.2 kPa提高到178.3 kPa,提高了45.1 kPa;轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、BMEP為1.4 MPa的進氣壓力由原機的141.5 kPa提高到200.3 kPa,提高了58.8 kPa。

        圖4 原機與高壓縮比EGR方案的進氣壓力

        泵氣平均有效壓力(pump mean effective pressure, PMEP)的變化情況如圖5所示。PMEP定義為換氣過程缸內(nèi)平均有效壓力。轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP為1.4 MPa時,PMEP由原機的3 kPa提高到23.3 kPa,提高了20.3 kPa;轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、BMEP為1.4 MPa時,PMEP由原機的-3.1 kPa提高到 24.5 kPa,提高了27.6 kPa。

        圖5 原機與高壓縮比EGR方案的泵氣平均有效壓力

        圖6是轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP為 1.1 MPa 時不同EGR率的換氣過程。EGR率為0時,排氣過程缸內(nèi)壓力大于進氣過程缸內(nèi)壓力,換氣過程缸內(nèi)氣體對活塞做負功。EGR率為30%時,排氣過程缸內(nèi)壓力小于進氣過程缸內(nèi)壓力,換氣過程缸內(nèi)氣體對活塞做正功。

        圖6 1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa時不同EGR率下的換氣過程

        圖7是轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP為 1.1 MPa 時不同EGR率下的燃燒過程缸內(nèi)工質(zhì)溫度。EGR率為0時,缸內(nèi)工質(zhì)最高溫度達到2 100 K。EGR率為30%時,缸內(nèi)工質(zhì)最高溫度約為1 500 K。這是由于再循環(huán)廢氣具有較高的比熱容,吸收了燃燒釋放的熱量,從而降低了缸內(nèi)工質(zhì)的溫度,因此減少了傳熱損失,改善了燃油消耗率。

        圖7 1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa時不同EGR率的缸內(nèi)溫度

        由于增壓系統(tǒng)提供了足夠的進氣壓力,可以通過減小空氣濾清器下游的節(jié)流閥開度,在EGR引入口處制造足夠大的負壓,從而提高EGR的引入能力。圖8為不同負荷下的EGR率隨轉(zhuǎn)速的變化。當BMEP為0.8 MPa時,EGR率約為20%,這時的燃燒重心已經(jīng)處于最優(yōu)位置,進一步提高EGR率不會改善燃油消耗率;當BMEP為1.1 MPa~1.4 MPa、轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時,EGR率約為30%,進一步提高EGR率會導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性下降,燃油消耗率反而惡化。當轉(zhuǎn)速為2 000 r/min與3 000 r/min時,對應(yīng)最高EGR率為24.9%與19.2%,此時達到了燃燒穩(wěn)定的極限。轉(zhuǎn)速升高保持穩(wěn)定燃燒可容忍的最高EGR率變小,主要是因為轉(zhuǎn)速越高火花塞附近混合氣的流速越快,湍流強度越強,將火花塞兩電極間火弧的熱量帶走越多,越難形成臨界火焰核心。

        圖8 不同BMEP下EGR率隨轉(zhuǎn)速的變化

        提高壓縮比可以提高工質(zhì)的最高燃燒溫度,擴大循環(huán)的溫度階梯,從而使熱效率增加。但較高的壓縮比增加了爆震傾向,對于高壓縮比EGR方案,幾何壓縮比由11.2提高至12.5,需要采用進氣門提前關(guān)閉策略來降低有效壓縮比。圖9是原機與高壓縮比EGR方案的有效壓縮比情況,當轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、BMEP為1.1 MPa時,高壓縮比EGR方案的有效壓縮比為9.0,比幾何壓縮比低3.5。另一方面EGR降低了缸內(nèi)燃燒溫度,EGR中的隋性成分降低了未燃混合氣的活性。這兩方面的共同作用達到了較好的爆震抑制效果,因此燃燒重心得以明顯提前,燃燒重心提前情況如圖10所示,爆震區(qū)域燃燒重心提前可達3.6°~9.2°。

        圖9 原機與高壓縮比EGR方案的有效壓縮比

        圖10 高壓縮比EGR與原機的燃燒重心對比

        圖11為轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa時EGR對燃油消耗率與燃燒重心的影響。隨EGR率增加,燃燒重心逐漸提前,燃油消耗率逐漸降低。EGR率由0增加到30%,燃燒重心由21.2°提前至 10.9°,燃油消耗率由239.4 g/(kW·h)下降至 214.3 g/(kW·h)。這主要是因為再循環(huán)廢氣的引入降低了缸內(nèi)循環(huán)工質(zhì)的溫度,一方面抑制了爆震的發(fā)生,使得燃燒重心得以提前,另一方面減少了傳熱損失,從而使燃油消耗率減小。

        圖11 1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa時EGR對燃油消耗率與燃燒重心的影響

        圖12為轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa時缸內(nèi)循環(huán)過程p-V圖,EGR率為0時,壓縮終點壓力約為2.53 MPa,燃燒終點壓力約為 4.65 MPa,壓力升高比為1.84;EGR率為30%時,壓縮終點壓力約為2.74 MPa,燃燒終點壓力約為6.71 MPa,壓力升高比為2.45。壓力升高比的增大,可以增加混合加熱循環(huán)中等容部分的加熱量,使循環(huán)的最高溫度和壓力增加,提高循環(huán)的熱效率[14],使做功行程初期工質(zhì)具有較好的狀態(tài),提高工質(zhì)膨脹做功能力。

        圖12 1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa時缸內(nèi)循環(huán)過程p-V圖

        圖13為轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa時EGR對滯燃期、燃燒持續(xù)期與缸內(nèi)平均指示壓力的循環(huán)變動率(COVIMEP)的影響,可以看出,EGR率的增加導(dǎo)致滯燃期、燃燒持續(xù)期變長。EGR率由0增加至30%,滯燃期由14.4°增加至28.5°,燃燒持續(xù)期由17.4°增加至21.9°。這主要是因為再循環(huán)廢氣含有大量的CO2、N2等惰性成分,稀釋了混合氣中的氧,降低了燃燒反應(yīng)速率,又因其比熱容較大而導(dǎo)熱系數(shù)較小,降低了火焰溫度,影響火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

        圖13 1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa時EGR對滯燃期、燃燒持續(xù)期與燃燒循環(huán)變動的影響

        定義已燃質(zhì)量百分比達到5%、50%、90%分別為AI05、AI50、AI90。圖14為轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa、EGR率為30%時的AI05、AI50、AI90,AI05的波動幅度為7°,AI50的波動幅度為12.8°,AI90的波動幅度為24.0°。圖15為1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa、EGR率為35%時的燃燒AI05、AI50、AI90,AI05的波動幅度為17.1°,AI50的波動幅度為26.3°,AI90的波動幅度為38.6°??梢夾I05的波動幅度增大時,AI50與AI90的波動幅度也增大,滯燃期的增加導(dǎo)致燃燒相位AI50、AI90的推遲。當EGR由30%提高至35%時,燃燒循環(huán)變動率出現(xiàn)明顯惡化,由1.8%增加至13.2%??梢娞岣逧GR的容忍度,關(guān)鍵是優(yōu)化燃燒組織以減小滯燃期的波動幅度。影響滯燃期的主要因素是湍流強度,在一定的湍流強度條件下如果火花塞周圍渦團尺寸很小,進入到泰勒微尺度區(qū)域,則點火后由于分子間很高的輸運能力和反應(yīng)速度,大大地提高了初始火焰?zhèn)鞑ニ俣?,很快達到了臨界火焰核心容積,形成火焰核心[15]。高滾流EGR方案提高了進氣道滾流,缸內(nèi)滾流在壓縮后期破碎形成更多小湍流尺度的渦團,對縮短點火滯燃期和燃燒持續(xù)期有明顯的作用,使得保持穩(wěn)定燃燒的EGR率極限拓展到30%。

        圖14 1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa下EGR率30%時的燃燒AI05、AI50、AI90

        圖15 1 500 r/min、BMEP為1.1 MPa下EGR率35%時的燃燒AI05、AI50、AI90

        3 結(jié)論

        (1) 低油耗區(qū)域燃油消耗率的下降比例達5.0%~13.6%,最高熱效率達到41.2%,主要得益于傳熱損失、換氣損失的減少和膨脹做功的增加。

        (2) 泵氣損失的減少主要得益于換氣過程的改善,傳熱損失減少主要靠EGR降低循環(huán)工質(zhì)的溫度,膨脹做功的增加主要靠燃燒的改善,而進氣門早關(guān)與EGR共同抑制了爆震使燃燒重心提前是關(guān)鍵。

        (3) EGR率的增加,使燃燒重心提前,燃油消耗率降低,提高EGR容忍度的關(guān)鍵是通過提高進氣滾流優(yōu)化燃燒組織,減小點火滯燃期和燃燒持續(xù)期。

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