侯圣智朱 棣尹 君劉 斌

（1-天津大學內(nèi)燃機研究所 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)動機燃油經(jīng)濟性，降低有害氣體排放方面存在較大的潛力，是當前內(nèi)燃機領(lǐng)域的主要研究熱點之一[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)動機熱效率的同時降低NOx排放；廢氣再循環(huán)在降低發(fā)動機排放的同時，還能夠減小泵氣損失，改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。因此，缸內(nèi)直噴結(jié)合廢氣再循環(huán)技術(shù)是汽油機降低燃油消耗率和機內(nèi)凈化的有效措施[3-5]。

雖然廢氣再循環(huán)技術(shù)對于改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性和降低排放具有較大優(yōu)勢，但廢氣的熱容效應和稀釋作用又會影響發(fā)動機的工作穩(wěn)定性和排放。過高的EGR率會導致燃燒效率降低，燃油消耗率增大，CO和HC排放上升，燃燒循環(huán)變動增大，而燃燒穩(wěn)定性的惡化又是造成燃油經(jīng)濟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)應用的關(guān)鍵核心內(nèi)容[6-8]。

對于點燃式發(fā)動機，點火時刻及點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)直噴汽油機上研究了EGR率對發(fā)動機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，進一步研究了點火時刻與點火能量對發(fā)動機廢氣稀釋燃燒特性、輸出轉(zhuǎn)矩以及燃油經(jīng)濟性的影響。

1 試驗裝置與研究方法

試驗用發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

試驗臺架及測試系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括：直噴汽油發(fā)動機、可標定電控單元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)需要對噴油參數(shù)（噴油相位、噴油脈寬）、點火參數(shù)（點火時刻和點火能量）及EGR率等參數(shù)進行實時調(diào)節(jié)。自主研發(fā)了發(fā)動機工作過程參數(shù)采集及燃燒分析系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、氣缸壓力、冷卻水溫度、進排氣溫度及空燃比等參數(shù)進行實時采集，并對燃燒相位、燃燒特性及燃油消耗率等參數(shù)進行在線實時分析和顯示。分別采用6115A型缸壓傳感器和LSU4.9型寬域線性氧傳感器進行發(fā)動機缸壓和空燃比的采集[9]。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)動機試驗測試系統(tǒng)示意圖

發(fā)動機廢氣稀釋采用外部EGR方案，從排氣歧管引出的廢氣先經(jīng)過冷卻水冷卻，在進氣歧管與新鮮空氣混合后進入發(fā)動機。通過ECU標定系統(tǒng)可實時調(diào)節(jié)EGR閥的開度，從而控制發(fā)動機燃燒的EGR量。試驗是根據(jù)進氣、排氣和大氣環(huán)境中CO2的體積分數(shù)值計算廢氣再循環(huán)率REGR[7，9]：

式中：（CO2）in為實際測定進氣中CO2體積分數(shù)；（CO2）exh為實際測定排氣中 CO2體積分數(shù)；（CO2）amb為環(huán)境空氣中CO2的體積分數(shù)，可忽略不計。

發(fā)動機采用電感式高能點火系統(tǒng)，通過ECU控制點火線圈的充磁時間可實現(xiàn)對點火能量的控制，圖2顯示了點火能量與充磁時間的關(guān)系。

圖2 點火能量與充磁時間的關(guān)系曲線

為了評價發(fā)動機的燃燒穩(wěn)定性，采用氣缸壓力峰值的變化系數(shù)RCOV描述發(fā)動機燃燒循環(huán)變動：

式中：Pmax為100個連續(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準偏差。

為了評價發(fā)動機燃燒相位，分別用燃燒質(zhì)量分數(shù)10%時所對應的曲軸轉(zhuǎn)角CA10表示著火時刻；用燃燒質(zhì)量分數(shù)90%時所對應的曲軸轉(zhuǎn)角CA90表示燃燒結(jié)束時刻；燃燒質(zhì)量分數(shù)50%時所對應的曲軸轉(zhuǎn)角CA50，作為評介燃燒相位的特征參數(shù)。把燃燒持續(xù)期定義為CA10到CA90所對應的曲軸轉(zhuǎn)角，用 CA10～CA90 表示[9]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 EGR率對廢氣稀釋燃燒特性的影響

如圖3所示，為發(fā)動機在部分工況（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，點火提前角為22°CA BTDC，點火能量為73 mJ（充磁閉合角6 ms）時，氣缸壓力、燃燒放熱率以及燃燒相位隨EGR率的變化曲線。

對比分析圖3a、b中關(guān)系曲線可以看出，在點火參數(shù)（點火時刻與點火能量）一定的條件下，隨著EGR率的增大，發(fā)動機最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值都會相應減小。圖3c顯示，EGR率的增大會導致著火延遲期和燃燒持續(xù)期增長，燃燒放熱中點相位（CA50）的推遲，燃燒效率降低。這是因為隨著EGR率的增大，廢氣的熱容效應和稀釋作用不斷增強，造成發(fā)動機缸內(nèi)氧濃度和燃燒溫度同時降低，減緩化學反應速度，抑制燃燒，導致發(fā)動機燃燒相位后移，燃燒效率降低。當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，燃燒相位嚴重滯后，甚至出現(xiàn)嚴重失火現(xiàn)象，造成排放增加，燃油經(jīng)濟性變差[9]。

圖3 EGR率與發(fā)動機燃燒特性的關(guān)系

圖4 所示為發(fā)動機燃燒循環(huán)率隨EGR率的變化情況?？梢钥闯?，燃燒循環(huán)變動率會隨EGR率的增大而單調(diào)上升。當EGR率在某一較小區(qū)域內(nèi)變化時（小于12.5%），燃燒循環(huán)變動將被控制在較低的水平，不會影響發(fā)動機的正常燃燒；而當EGR率達到一定值（如12.5%）后，燃燒循環(huán)率將會超過正常燃燒的允許限值（如大于5%），造成發(fā)動機燃燒穩(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)動機有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）隨 EGR 率變化的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，在點火參數(shù)一定的情況下，EGR率對BSFC的影響是一個“先抑后揚”的作用過程。當EGR率水平較低時，隨著EGR率的增大，BSFC會相應減小。這是因為，當進入氣缸的廢氣量增加時，要保證輸出功率不變，發(fā)動機必須加大節(jié)氣門開度以維持進入氣缸的新鮮空氣量，使得進氣歧管壓力增大，泵氣損失減少，發(fā)動機的燃油消耗減少。但隨著EGR率的持續(xù)增加，廢氣中的惰性阻燃物質(zhì)會抑制燃燒化學反應速率，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率會導致油耗的急劇上升。

圖5 EGR率對有效燃油消耗率BSFC的影響

2.2 點火時刻對廢氣稀釋燃燒特性的影響

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

圖6 不同點火時刻的燃燒特性比較

點火時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)隨著點火時刻的提前，發(fā)動機最大爆發(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)動機的熱效率提高。

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

圖7 點火時刻對有效燃油消耗率BSFC的影響

圖8 點火時刻對輸出轉(zhuǎn)矩的影響

圖9 顯示了不同點火時刻對發(fā)動機燃燒循環(huán)變動的影響情況。當EGR率一定時，適當提前點火時刻，可以減小燃燒循環(huán)變動，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)變動率小于5%）。

2.3 點火能量對廢氣稀釋燃燒特性的影響

如圖10所示，發(fā)動機在部分工況（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火能量的變化曲線。

圖10表明，提高點火能量，能夠促進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，隨著點火能量的提高，發(fā)動機最大爆發(fā)壓力和放熱率峰值增大，燃燒相位提前。

圖9 點火時刻對燃燒循環(huán)變動的影響

圖10 不同點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)動機燃燒循環(huán)變動隨點火能量的變化曲線?？梢钥闯觯岣唿c火能量能夠減小發(fā)動機燃燒循環(huán)變動，提高輸出轉(zhuǎn)矩，改善燃油經(jīng)濟性。隨著點火能量的進一步提高，其對發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩、燃油消耗以及燃燒循環(huán)變動的影響逐漸減弱。當點火能量增大到一定程度后（73 mJ），繼續(xù)增大點火能量不但不能改善發(fā)動機的燃燒性能，還容易造成火花塞電極的燒蝕，影響使用壽命和發(fā)動機的工作可靠性。因此，在實際應用中會將點火能量限制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。

圖11 點火能量對有效燃油消耗率BSFC的影響

圖12 點火能量對輸出轉(zhuǎn)矩的影響

圖13 點火能量對燃燒循環(huán)變動的影響

3 結(jié)論

1）對于廢氣稀釋燃燒，提高點火能量，有助于火核形成和火焰?zhèn)鞑?，提高燃燒效率，增強燃燒穩(wěn)定性，改善發(fā)動機燃燒過程。

2）火花塞的點火能量應該受到限制，過高的點火能量不但不能改善發(fā)動機的燃燒性能，還會影響火花塞的使用壽命和發(fā)動機的工作可靠性。

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