韓 松 張 晴 吳春玲 吳濤陽 許博雅 黃海營

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

隨著排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟(jì)性要求的日益嚴(yán)苛，促使多種節(jié)能減排技術(shù)與裝置應(yīng)用于現(xiàn)代轎車并逐步發(fā)展成熟。發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術(shù)能夠降低燃燒溫度，抑制爆燃，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減少NOx排放量[1]。此外，再循環(huán)廢氣的引入使得進(jìn)氣歧管真空度降低，從而加大了節(jié)氣門的開度，降低中低負(fù)荷泵氣損失。但隨著引入缸內(nèi)的EGR 率增加，缸內(nèi)燃燒情況會(huì)惡化，燃燒穩(wěn)定性變差，油耗降低到一定程度后會(huì)再增加[2]。

高能點(diǎn)火是通過大幅度提高點(diǎn)火能量、磁場、電場來提高燃燒速率和完善度，從而達(dá)到綜合改善內(nèi)燃機(jī)性能的目的。實(shí)現(xiàn)高能點(diǎn)火，要加大點(diǎn)火能量，建立高溫強(qiáng)電磁場[3]。提高點(diǎn)火能量、加大火花塞間隙、延長火花持續(xù)時(shí)間有利于火焰核的形成。強(qiáng)大的點(diǎn)火能量，可以保證火核生長快，不失火。高能點(diǎn)火彌補(bǔ)了采用較高EGR 率時(shí)點(diǎn)燃困難，燃燒惡化的缺點(diǎn)，可以有效提高EGR 率，進(jìn)一步降低燃油消耗[4]。

1 高能點(diǎn)火及低壓EGR 方案介紹

本實(shí)驗(yàn)采用了兩款高能點(diǎn)火線圈與原機(jī)點(diǎn)火線圈（single ignition）進(jìn)行對(duì)比。兩款高能點(diǎn)火線圈分別是博格華納貝魯系統(tǒng)的多次點(diǎn)火線圈（multiple ignition）以及Diamond 的雙線圈高能點(diǎn)火線圈（DCO）。博格華納貝魯系統(tǒng)的多次點(diǎn)火線圈能夠在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)充放電，實(shí)現(xiàn)火花塞多次跳火，提高點(diǎn)火能量，增強(qiáng)和改善發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火穩(wěn)定性。DCO 同樣能夠?qū)崿F(xiàn)多次點(diǎn)火，并且由于其Coil1 放電還沒有結(jié)束，Coil2 就開始放電，兩個(gè)線圈能量疊加，會(huì)使次級(jí)電流突升[5]。下圖為不同點(diǎn)火線圈次級(jí)電流對(duì)比。

圖1 點(diǎn)火線圈次級(jí)電流對(duì)比

低壓冷卻EGR 系統(tǒng)安裝在測試發(fā)動(dòng)機(jī)上如圖2所示。該系統(tǒng)由一個(gè)EGR 冷卻器、閥門和管路組成，廢氣由三元催化轉(zhuǎn)化器后部引出，經(jīng)冷卻器和閥門后引入壓氣機(jī)前。冷卻器將EGR 溫度降低到95～120 ℃。

圖2 低壓冷卻EGR 系統(tǒng)安裝方案圖

2 工況點(diǎn)選取

本文的研究對(duì)象是一臺(tái)四氣門缸內(nèi)直噴渦輪增壓汽油機(jī)，其主要參數(shù)如表1 所示。噴油系統(tǒng)采用博世高壓燃油共軌系統(tǒng)，最大共軌壓力達(dá)35 MPa。其進(jìn)氣凸輪軸與排氣凸輪軸包角分別為220°CA 和205°CA，凸輪軸包角定義為從氣門開啟1 mm 至關(guān)閉1 mm 所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。其最大氣門升程分別為10.8 mm 和9.2 mm。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

本文對(duì)小負(fù)荷工況點(diǎn)2 000 r/min，0.2 MPa 和中等負(fù)荷工況點(diǎn)2 400 r/min，1.2 MPa 進(jìn)行高能點(diǎn)火試驗(yàn)研究，測試燃料為辛烷值為92 的汽油。試驗(yàn)過程中，保持進(jìn)氣溫度在（25±2）℃范圍內(nèi)、發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度在（88±2）℃范圍內(nèi)、機(jī)油溫度在（90±5）℃范圍內(nèi)。試驗(yàn)中，在小負(fù)荷工況點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)排氣VVT，改變氣門重疊角，從而獲得不同的內(nèi)部EGR 率，無需引入外部EGR。中等負(fù)荷需要引入外部EGR，通過調(diào)節(jié)EGR 閥開度來改變EGR 率。保持發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)為1，通過調(diào)整點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)燃燒相位，使得50%放熱的曲軸轉(zhuǎn)角AI50 在壓縮上止點(diǎn)后8°CA 附近或爆燃邊界。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 小負(fù)荷工況點(diǎn)

圖3 為2 000 r/min、0.2 MPa 工況點(diǎn)不同內(nèi)部EGR 率時(shí)，三種點(diǎn)火模式下缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性對(duì)比。在EGR 率較低時(shí)，混合氣易于點(diǎn)燃，燃燒穩(wěn)定性都很好。隨著EGR 率的增加，single 點(diǎn)火模式下，缸內(nèi)燃燒情況最先惡化。當(dāng)EGR 率達(dá)到14%，multiple 點(diǎn)火模式下，缸內(nèi)燃燒也開始惡化，而single 模式發(fā)動(dòng)機(jī)已不能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。DCO 點(diǎn)火模式的點(diǎn)火能量最高，顯著地改善了高EGR 率時(shí)的燃燒穩(wěn)定性。

圖3 小負(fù)荷工況點(diǎn)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)對(duì)比

圖4 為2 000 r/min、0.2 MPa 工況點(diǎn)不同內(nèi)部EGR 率時(shí)，三種點(diǎn)火模式下初始內(nèi)核形成持續(xù)期（0～2%MFB）對(duì)比。由圖4 可知，使用DCO 模式，發(fā)動(dòng)機(jī)的初始內(nèi)核形成周期比其他兩種模式短，特別是E GR 率較高時(shí)，效果更為明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的改善來源于高能點(diǎn)火對(duì)于火核形成的改善[6]。

圖4 小負(fù)荷工況點(diǎn)0～2%MFB 對(duì)比

圖5 為2 000 r/min、0.2 MPa 工況點(diǎn)不同內(nèi)部EGR 率時(shí)，三種點(diǎn)火模式下燃油消耗率對(duì)比。增大氣門重疊角，缸內(nèi)EGR 率增加，同時(shí)泵氣損失降低，顯著降低燃油消耗率。但由于EGR 率增加，使缸內(nèi)燃燒惡化，燃油燃燒不完全，燃油消耗率再次增加。采用高能點(diǎn)火后，拓展了EGR 率極限，在高EGR 率下改善了燃燒。Multiple 點(diǎn)火模式可將EGR 率拓展到11%，保證循環(huán)變動(dòng)率低于5%，油耗降低4.87%。DCO 點(diǎn)火模式下，在EGR 率為14%時(shí)仍然具有較好的燃燒穩(wěn)定性，內(nèi)部EGR 耦合DCO 高能點(diǎn)火方案使2 000 r/min、0.2 MPa 工況點(diǎn)油耗降低7.34%。

圖5 小負(fù)荷工況點(diǎn)燃油消耗率對(duì)比

3.2 中等負(fù)荷工況點(diǎn)

圖6 為2 400 r/min、1.2 MPa 工況點(diǎn)不同外部EGR 率時(shí)，三種點(diǎn)火模式下缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定性對(duì)比。Single 點(diǎn)火模式下，EGR 率20%時(shí)，燃燒穩(wěn)定性惡化，循環(huán)變動(dòng)率大于5%。采用高能點(diǎn)火模式，都有效拓展了該工況點(diǎn)所容忍的最高EGR 率。尤其是DCO點(diǎn)火模式，EGR 率達(dá)到25%時(shí)，燃燒循環(huán)變動(dòng)系數(shù)為3.6%，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能穩(wěn)定燃燒。

圖6 中負(fù)荷工況點(diǎn)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)對(duì)比

圖7 為2 400 r/min、1.2 MPa 工況點(diǎn)不同內(nèi)部EGR 率時(shí)，三種點(diǎn)火模式下初始內(nèi)核形成持續(xù)期（0～2%MFB）對(duì)比。在中等負(fù)荷高能點(diǎn)火模式對(duì)初始內(nèi)核形成的影響規(guī)律與小負(fù)荷時(shí)基本相同。DCO 點(diǎn)火模式耦合EGR 技術(shù)，在EGR 率為25%時(shí)，初始內(nèi)核形成持續(xù)期只增加8.0°CA。

圖7 中負(fù)荷工況點(diǎn)0～2%MFB 對(duì)比

圖8 為2 400 r/min、1.2 MPa 工況點(diǎn)不同外部EGR 率時(shí)，三種點(diǎn)火模式下燃油消耗率對(duì)比。中高負(fù)荷時(shí)，泵氣損失較小，引入低壓冷卻EGR 對(duì)降低泵氣損失影響很小。但其能夠有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)中高負(fù)荷爆燃情況，從而使點(diǎn)火角大大提前，這樣使更多的燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)上止點(diǎn)附近燃燒，改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒等容度。采用DCO 點(diǎn)火模式耦合低壓EGR，在EGR 率為25%時(shí)，能夠?qū)I50 提前到上止點(diǎn)后8°CA，使油耗降低到211.8g/（kW·h），相對(duì)于原機(jī)single 點(diǎn)火模式無外部EGR 時(shí)，油耗降低6.1%。

圖8 中負(fù)荷工況點(diǎn)燃油消耗率對(duì)比

4 結(jié)論

1）采用高能點(diǎn)火模式，使發(fā)動(dòng)機(jī)在較高EGR 率時(shí)仍能穩(wěn)定燃燒，有效拓展了發(fā)動(dòng)機(jī)所容忍的最高EGR 率。在燃燒不惡化的情況下，DCO 點(diǎn)火模式，使2 000 r/min、0.2 MPa 和2 400 r/min、1.2 MPa 工況點(diǎn)最高EGR 率分別提高了6%和10%。

2）高能點(diǎn)火模式對(duì)低EGR 率時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)初始內(nèi)核形成周期影響較小，但能有效降低高EGR 率時(shí)初始內(nèi)核形成周期，利于火核形成，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性。

3）DCO 高能點(diǎn)火耦合EGR，2 000 r/min、0.2 MPa工況點(diǎn)在EGR 率為14%時(shí)仍能穩(wěn)定燃燒，有效降低泵氣損失，油耗降低7.3%。2 400 r/min、1.2 MPa 工況點(diǎn)在EGR 率為25%時(shí)，有效改善爆燃，將AI50 提前到上止點(diǎn)后8°CA，使油耗降低到211.8 g/（kW·h），相對(duì)于原機(jī)single 點(diǎn)火模式無外部EGR 時(shí)，油耗降低6.1%。