摘 要：為提高殘余廢氣系數(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換性能影響的研究，利用1臺(tái)自然吸氣單缸機(jī)開展臺(tái)架測(cè)試，分析RGF引起的內(nèi)燃機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效果與排放特性變。研究結(jié)果表明：提高殘余廢氣系數(shù)后，燃燒階段快速單調(diào)升高。缸內(nèi)殘余廢氣可以起到稀釋新鮮混合氣的效果，導(dǎo)致燃燒速率減小，從而引起燃燒持續(xù)期的快速升高。提高殘余廢氣系數(shù)的過程中，由初始點(diǎn)火時(shí)刻到50%燃燒點(diǎn)都保持單調(diào)遞增；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，從點(diǎn)火到50%燃燒點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角也明顯升高。提高殘余廢氣系數(shù)后，高壓循環(huán)指示熱效率表現(xiàn)為小幅升高。缸內(nèi)燃燒溫度與殘余廢氣系數(shù)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化；50%燃燒點(diǎn)發(fā)生了燃燒惡化結(jié)果。本方法具有較高的預(yù)測(cè)精度，可大大降低傳感器成本，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；殘余廢氣系數(shù)；燃燒；排放

中圖分類號(hào)：U467.2+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0109-04

Test on Effect of Residual Exhaust Gas Coefficient on Thermal Work Conversion Performance of Internal Combustion Engine Cylinder

Abstract：In order to study the effect of residual exhaust gas coefficient on the thermal power conversion performance of internal combustion engine cylinder， a naturally aspirated single cylinder machine was used to carry out bench test， and the thermal power conversion effect and emission characteristics of internal combustion engine caused by RGF were analyzed. The results show that the combustion phase increases rapidly and monotonic ally after increasing the residual gas coefficient. The residual exhaust gas in the cylinder can play the role of diluting the fresh mixture， resulting in a decrease in the combustion rate and a rapid increase in the combustion duration. In the process of increasing the residual gas coefficient， it keeps monotonically increasing from the initial ignition time to the 50% combustion point. When the speed increases， the crankshaft angle from ignition to 50% combustion point also increases significantly. After the residual gas coefficient is increased， the thermal efficiency of high pressure circulation indicates a small increase. There is a negative correlation between combustion temperature and residual gas coefficient in the cylinder. Combustion deterioration occurs at 50% of the combustion points. This method has high prediction accuracy， can greatly reduce the cost of sensor， and has high practical application value.

Keywords：gasoline engine; residual gas coefficient; combustion; emission

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程形成的殘余廢氣中主要為高溫混合氣，會(huì)對(duì)后續(xù)循環(huán)吸入的氣體發(fā)揮加熱效果，并且廢氣組分主要是由不燃成分組成，跟新鮮氣體發(fā)生混合時(shí)將會(huì)引起燃燒速率的變化，從而干擾發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量轉(zhuǎn)換與排放效果。

為深入分析發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能與殘余廢氣量的關(guān)系，有學(xué)者開發(fā)了廢氣再循環(huán)（EGR）方法來控制缸內(nèi)的殘余廢氣量，由此判斷殘余廢氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)特性產(chǎn)生的影響［1-4］。李長(zhǎng)錕等［5］通過設(shè)置排氣門的開閉時(shí)刻實(shí)現(xiàn)內(nèi)部EGR率的調(diào)節(jié)效果，同時(shí)探討了柴油機(jī)處于低負(fù)荷狀態(tài)下的低溫燃燒與排放性能，結(jié)果顯示增大EGR率有助于獲得更高的排放量并提升熱效率。陳硯才等［6］對(duì)各類EGR廢氣組分下的顆粒開展熱重測(cè)試，對(duì)比了不同EGR廢氣組分下的顆粒物質(zhì)差異性，結(jié)果顯示當(dāng)EGR廢氣內(nèi)存在CO2時(shí)將會(huì)對(duì)顆粒燃燒特性產(chǎn)生顯著作用。朱贊等［7］選擇高低壓燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為測(cè)試對(duì)象，分析了EGR率在不同噴油提前角下引起雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)特性的變化，結(jié)果顯示引入EGR的情況下，需設(shè)置較大的噴油提前角，從而有效控制NOX、HC與CO排放量并減少碳煙量。唐利綱等［8］同時(shí)運(yùn)用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試和數(shù)值分析方法分析內(nèi)燃機(jī)處于瞬變工況下的RGF，同時(shí)確定了合適的參數(shù)范圍、變化特征與作用機(jī)制。

雖然到目前為此針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)殘余廢氣進(jìn)行預(yù)測(cè)的精度已滿足實(shí)際應(yīng)用需求，但考慮需要通過一個(gè)或多個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器進(jìn)行精確測(cè)試的方式來獲得模型輸入［9］，導(dǎo)致成本偏高并且較易發(fā)生破壞失效，實(shí)際算法也較為復(fù)雜，并不適合對(duì)整車實(shí)際道路循環(huán)過程開展測(cè)試。根據(jù)以上研究結(jié)果，本文利用1臺(tái)自然吸氣單缸機(jī)開展臺(tái)架測(cè)試，同時(shí)分析了RGF引起的內(nèi)燃機(jī)熱功轉(zhuǎn)換效果與排放特性的變化情況，選擇1臺(tái)增壓直噴4缸內(nèi)燃機(jī)開展驗(yàn)證分析。

1 試驗(yàn)

1.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為分析內(nèi)燃機(jī)特性與缸內(nèi)殘余廢氣的關(guān)系，對(duì)1臺(tái)自然吸氣單缸機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)臺(tái)架測(cè)試。按照表1設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)。圖1給出了單缸機(jī)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)圖1可知，缸壓傳感器可以對(duì)缸壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，再將結(jié)果傳輸至燃燒分析儀，以此判斷殘余廢氣系數(shù)引起的燃燒特性差異［10］；同時(shí)，還在臺(tái)架中加入排放分析儀來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣成分的取樣過程，從而為分析缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)引起的排放變化提供參考依據(jù)。表2為測(cè)試設(shè)備與裝置的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，數(shù)據(jù)選用的是PUMA系統(tǒng)，測(cè)功機(jī)控制選用的是PUMA自帶的OPEN1.4.1系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)工況

以某臺(tái)4缸增壓缸內(nèi)直噴乘用車為對(duì)象，單缸機(jī)利用EGR閥控制的方式來實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)調(diào)控的功能。為臺(tái)架測(cè)試設(shè)定下述工況參數(shù)：轉(zhuǎn)速保持1 500r/min固定值，將指示壓力設(shè)定在0.36MPa；保持轉(zhuǎn)速2 000r/min以及指示壓力均值為0.32MPa，控制EGR率從0按照5%增長(zhǎng)到不穩(wěn)定燃燒狀態(tài)［12］。影響內(nèi)燃機(jī)排氣性能的因素主要有轉(zhuǎn)速、壓力和閥門啟閉3個(gè)因素。以下從這3個(gè)因素方面，給出了4組仿真條件開展測(cè)試研究：

第1組，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，壓力0.36 MPa，閥門關(guān)閉；

第2組，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，壓力0.36 MPa，閥門開啟；

第3組，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，壓力0.32 MPa，閥門關(guān)閉；

第4組，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，壓力0.32 MPa，閥門開啟。

2 殘余廢氣對(duì)缸內(nèi)熱功轉(zhuǎn)換過程的影響

圖2給出了10%～90%燃燒階段的動(dòng)力參數(shù)與殘余廢氣系數(shù)的關(guān)系。根據(jù)圖2可知，提高殘余廢氣系數(shù)后，在上述燃燒階段發(fā)生了快速單調(diào)升高的趨勢(shì)。這是由于殘余廢氣內(nèi)存在之前循環(huán)過程的CO2產(chǎn)物等，從而抑制了缸內(nèi)的燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒速度變慢的現(xiàn)象。相比較其他3組，第2組的測(cè)試結(jié)果更具有代表性。

圖3給出了缸內(nèi)燃燒溫度的測(cè)試結(jié)果。通過分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，缸內(nèi)殘余廢氣可以起到稀釋新鮮混合氣的效果，并且缸內(nèi)殘余廢氣具備很高熱容，因此當(dāng)殘余廢氣系數(shù)提高時(shí)發(fā)生了燃燒溫度下降的現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒速率的減??；處于較大殘余廢氣系數(shù)下，燃燒速率受到殘余廢氣的影響程度更大，從而引起燃燒持續(xù)期的快速升高；另一方面，控制閥開啟狀態(tài)下，10%～90%燃燒持續(xù)期顯著縮短。這是因?yàn)殚_啟控制閥時(shí)，缸內(nèi)產(chǎn)生了更大氣流運(yùn)動(dòng)，有助于更快完成缸內(nèi)燃燒過程，從而減弱殘余廢氣系數(shù)引起缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的變化，形成更短燃燒持續(xù)期。以第2組為例，殘余廢氣系數(shù)在25%之前，缸內(nèi)具有較高的燃燒溫度。

圖4給出了50%燃燒部位與殘余廢氣系數(shù)之間的變化關(guān)系。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定區(qū)間內(nèi)隨著殘余廢氣含量提高后，50%燃燒位置點(diǎn)設(shè)置更高點(diǎn)火提前角也保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，通常位于壓縮上止點(diǎn)后8°的部位，屬于工程應(yīng)用方面獲得認(rèn)可的最優(yōu)50%燃燒部位；繼續(xù)提高殘余廢氣系數(shù)時(shí)，除了轉(zhuǎn)速2 000r/min與IMEP值0.32MPa以及控制閥處于開啟狀態(tài)的情況以外，剩余工況都發(fā)生了50%燃燒點(diǎn)推遲結(jié)果。這是因?yàn)楦變?nèi)存在過高比例的殘余廢氣時(shí)降低了缸內(nèi)燃燒速度，引起燃燒波動(dòng)或發(fā)生失火的情況，由此引起無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)50%的燃燒狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500r/min，IMEP值為0.36MPa以及控制閥關(guān)閉的情況下，提高殘余廢氣系數(shù)時(shí)，50%燃燒位置發(fā)生了明顯提前情況。這是因?yàn)楦變?nèi)存在過高比例的殘余廢氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，此時(shí)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)增大至30%，產(chǎn)生波動(dòng)變化的50%燃燒位置，引起測(cè)試過程產(chǎn)生較大誤差，殘余廢氣系數(shù)絕對(duì)誤差最大值為1.25。

圖5給出了從點(diǎn)火時(shí)刻過渡到50%燃燒位置的過程中受到殘余廢氣系數(shù)的影響狀態(tài)。圖5顯示，并提高殘余廢氣系數(shù)的過程中，由初始點(diǎn)火時(shí)刻到50%燃燒點(diǎn)都保持單調(diào)遞增的特點(diǎn)，因此初期內(nèi)燃機(jī)燃燒速率與缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的規(guī)律；開啟控制閥時(shí)，缸內(nèi)形成了更強(qiáng)滾流運(yùn)動(dòng)，有助于更快完成缸內(nèi)燃燒過程，從而縮短點(diǎn)火與50%燃燒點(diǎn)之間的時(shí)間段；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，從點(diǎn)火到50%燃燒點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角也明顯升高；開啟控制閥可以有效減小各轉(zhuǎn)速間偏差，這是由于缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)速度提高促進(jìn)了燃燒速率升高。以第2組為例，殘余廢氣系數(shù)在25%之前，50%燃燒點(diǎn)相對(duì)比較集中。

圖6為高壓循環(huán)指示熱效率變化。由圖6可知，提高殘余廢氣系數(shù)后，高壓循環(huán)指示熱效率表現(xiàn)為小幅升高的特點(diǎn)，基本穩(wěn)定在34%～40%之間，具有很高的測(cè)試精度。這是因?yàn)闅堄鄰U氣對(duì)50%燃燒點(diǎn)與10%～90%燃燒點(diǎn)的影響程度很弱，同時(shí)發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)燃燒溫度與殘余廢氣系數(shù)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)；10%～90%階段形成了更長(zhǎng)的燃燒持續(xù)期，并且50%燃燒點(diǎn)也發(fā)生了推遲的現(xiàn)象，可以推斷此時(shí)已經(jīng)發(fā)生了燃燒惡化結(jié)果。這是因?yàn)楫?dāng)缸內(nèi)存在過多殘余廢氣時(shí)，會(huì)引起燃燒速率減慢以及發(fā)生不穩(wěn)定燃燒的情況。隨著燃燒持續(xù)期增加，發(fā)動(dòng)機(jī)有效膨脹比下降，無(wú)法確保缸內(nèi)工質(zhì)的充分膨脹。圖6顯示，開啟控制閥的條件下缸內(nèi)獲得了更快燃燒速度，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠承受更高比例殘余廢氣依然實(shí)現(xiàn)了很高的熱效率。

3 結(jié)語(yǔ)

1）提高殘余廢氣系數(shù)后，燃燒階段快速單調(diào)升高。缸內(nèi)殘余廢氣可以起到稀釋新鮮混合氣的效果，導(dǎo)致燃燒速率的減小，從而引起燃燒持續(xù)期的快速升高。

2）在提高殘余廢氣系數(shù)的過程中，由初始點(diǎn)火時(shí)刻到50%燃燒點(diǎn)都保持單調(diào)遞增；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，從點(diǎn)火到50%燃燒點(diǎn)的曲軸轉(zhuǎn)角也明顯升高。提高殘余廢氣系數(shù)后，高壓循環(huán)指示熱效率表現(xiàn)為小幅升高。缸內(nèi)燃燒溫度與殘余廢氣系數(shù)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)變化；50%燃燒點(diǎn)發(fā)生了燃燒惡化結(jié)果。

3）轉(zhuǎn)速1 500 r/min、壓力0.36 MPa、閥門開啟條件下，殘余廢氣系數(shù)控制在25%內(nèi)是比較合理的。

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