稀燃和EGR對汽油發動機熱效率影響的試驗研究

陳志方,奚星,吳小軍,徐春龍,楊貴春,李春暉,顧嬌嬌

中國北方發動機研究所(天津),天津 300400

0 引言

隨著國家標準對油耗的逐步加嚴以及中國2030年實現碳達峰目標的要求,提高發動機熱效率、降低油耗成為當前汽車行業亟需解決的問題[1-2]。隨著汽車混動化趨勢進一步發展,米勒循環、阿特金森循環、降摩擦、廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)、可變氣門、高壓縮比等各種降低油耗技術逐步應用于混動專用發動機[3-5]。

發動機理論熱效率與壓縮比和比熱比正相關,稀燃或加入EGR可增大混合氣的比熱比。受三效催化轉化器(three-way catalyst,TWC)后處理裝置在當量比下能高效消除排放污染物的影響,當量比燃燒仍是當前汽油機的主要模式,但在當量比燃燒模式下,汽油機有效熱效率達到43%左右后很難進一步提升。因此,有必要對提高壓縮比和比熱比后的發動機實際熱效率的影響進行研究。

當前國內外高校和企業在提高熱發動機效率方面開展了大量研究[6]。本田、豐田發動機熱效率已達45%[7-8],馬自達采用火花塞控制壓燃(spark controlled compression ignition,SPCCI)技術的高熱效率發動機已實現量產[9],日產歷經十多年的持續研發,也已實現可變壓縮比技術的量產[10]。分析其技術路線發現,稀燃、EGR和高壓縮比是進一步提高發動機熱效率所采用的基本技術。歐美國家在稀燃和NOx后處理技術發展方面也開展了大量研究[11-14]。盡管國內也在可變壓縮比、低壓EGR、稀燃等方面進行了研究[15-18],但仍存在試驗不系統、不全面的問題。

本文中對一臺活塞經過改制的2.0 L高壓縮比火花點火汽油機進行稀燃和EGR技術的研究,通過調節進氣相位實現不同有效壓縮比,研究高壓縮比、低壓EGR和稀燃對降低發動機油耗及產生的不利影響,為開展高熱效率發動機研究提供參考。

1 試驗臺架和儀器設備

試驗用發動機為一臺經過改制的直列4缸、直噴、水冷、火花點火發動機,重新設計活塞,發動機幾何壓縮比為16,進氣凸輪相位可調,實現發動機有效壓縮比由8.7至16.0靈活變化,考慮稀混合氣和加入EGR后的燃燒穩定性,采用點火能量為100 mJ的火花塞,發動機基本參數如表1所示。

表1 發動機基本技術參數

由于試驗需要采用稀燃和EGR技術,考慮到進氣壓力較大,為使進氣量和EGR率滿足要求,在進氣和EGR系統增加2個獨立的增壓裝置,為發動機提供足夠的空氣和廢氣,進氣系統增壓裝置可以保證進氣壓力為-0.2～0.5 MPa,并可進行靈活調節;EGR系統增壓裝置將EGR增壓壓力固定為0.1 MPa。排氣管路上連接EGR裝置,廢氣經中冷器和EGR增壓裝置后通過EGR閥導入進氣管路,發動機使用市售美孚5W-30機油和95#國六汽油。發動機試驗臺架結構簡圖如圖1所示。試驗所用設備型號及測量參數如表2所示。

圖1 發動機試驗臺架簡圖

表2 試驗所用設備儀器型號及測量參數

2 試驗方法

2.1 稀燃試驗

稀燃試驗中,由于增壓裝置為獨立設備,試驗中根據發動機負荷和混合氣稀釋需求,調節進氣壓力,滿足所需進氣量;在不同混合氣稀釋程度下,適時調節點火正時,保證發動機為最大制動轉矩或控制在爆震邊界。

通過調節發動機進氣凸輪相位調整發動機有效壓縮比,進、排氣凸輪型線及相位如圖2所示。進氣凸輪相位可調范圍為85°。進氣相位對發動機熱效率的影響試驗中,初始狀態發動機有效壓縮比為8.7,以5°為間隔調節進氣凸輪相位,實現發動機有效壓縮比變化。

圖2 進、排氣凸輪型線及相位

2.2 EGR試驗

EGR試驗時,適當調節節氣門開度和進氣壓力,使過量空氣系數保持恒定,考慮到進氣壓力較高,尾氣由排氣管路引入后,先經中冷器冷卻,再經EGR增壓裝置增壓進入氣道,導入缸內參與燃燒。固定增壓壓力為0.1 MPa,通過改變EGR閥開度調節EGR率。

EGR率

REGR=(φin-φair)/(φex-φair) ×100%,

(1)

式中:φin為進氣中CO2的體積分數,φex為排氣中CO2的體積分數,φair為環境中CO2的體積分數。

燃燒分析儀中輸出的燃燒持續期為10%累積放熱量到90%累積放熱量之間的曲軸轉角,βAI50為50%累積放熱量對應的曲軸轉角。

試驗中,每個工況點采集100個循環的數據,aCOV為100個循環的缸內平均指示壓力的循環變動系數。

3 試驗結果分析

3.1 稀燃影響

在當量比燃燒模式下,對試驗發動機進行轉速為2 000 r/min的負荷特性試驗。保持進、排氣凸輪相位為初始狀態,此時發動機有效壓縮比為8.7。發動機燃油消耗率BSFC和熱效率ηBTE隨制動平均有效壓力pBME的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知:pBME增大,BSFC先降低后增加,pBME=0.8 MPa時BSFC最小,此時ηBTE最大為37.5%。一方面,隨著pBME增加,進氣壓力升高,泵氣損失減小,同時缸內溫度升高,混合氣燃燒效率增大,傳熱損失降低,發動機熱效率增加;另一方面,隨著pBME進一步增加,缸內溫度升高,缸內出現爆震,為抑制爆震發生,需推遲點火時刻,導致燃燒重心后移,燃燒持續期增加,未燃損失增大,燃油消耗率增大,熱效率下降。

圖3 發動機轉速為2 000 r/min時負荷特性試驗結果

為分析稀燃和EGR技術對發動機熱效率的影響,后續試驗在pBME=0.8 MPa基礎上進行,發動機轉速n=2 000 r/min,增大進氣壓力,使發動機過量空氣系數λ分別為1.0、1.2、1.4、1.5、1.6、1.7進行試驗。發動機燃油消耗率和熱效率隨過量空氣系數的變化如圖4所示。由圖4可知:隨著進氣量的增多,發動機油耗明顯降低,在λ=1.6時油耗最小,此時熱效率為43.2%,比λ=1.0時熱效率提升了5.7百分點。一方面是由于進氣壓力升高,發動機泵氣損失降低;另一方面是由于加入過量空氣后,缸內混合氣比熱比增大,缸內溫度降低,爆震趨勢得到抑制,點火正時提前,燃燒重心靠近上止點。

圖4 發動機轉速為2 000 r/min時稀燃特性試驗結果

繼續增大進氣量至λ=1.7,發動機油耗升高,這是因為此時缸內混合氣過稀,火花塞點火后火核傳熱損失增大,火焰傳播不穩定,燃燒難以穩定進行,導致發動機負荷不穩,油耗升高,熱效率下降。

缸內燃燒持續期、βAI50和aCOV隨λ的變化如圖5所示。由圖5可知:隨著缸內混合氣變稀,缸內燃燒持續期增長,為保證發動機負荷不變,點火時刻逐漸提前,βAI50逐漸靠近上止點位置,λ=1.6時最小,對應的上止點后曲軸轉角為9.3°;隨著混合氣濃度進一步變稀,缸內溫度降低,火核散熱損失增大,火焰傳播困難,燃燒穩定性變差,aCOV由λ=1.6時的2.8%升高到λ=1.7時的12.7%,發動機油耗增加,熱效率降低。通常發動機的aCOV控制在3%以內,如需進一步提高混合氣稀釋程度,應著力開發提高燃燒穩定性技術,提高熱效率。

a) 燃燒持續期和βAI50隨λ的變化 b) aCOV隨λ的變化圖5 燃燒持續期、βAI50和aCOV隨λ的變化情況

3.2 進氣相位影響

發動機的有效壓縮比為進氣門關閉時刻缸內容積與上止點時刻燃燒室容積的比值。試驗中,通過調節進氣凸輪相位,實現有效壓縮比的調節。在負荷點(n=2 000 r/min,pBME=0.8 MPa,λ=1.6)進行有效壓縮比影響規律研究。通過改變進氣凸輪相位,使發動機有效壓縮比分別為9.4、10.1、10.8、11.5、12.1、12.7、13.3、13.8、14.3、14.8、15.2和15.6。BSFC和ηBT隨有效壓縮比的變化曲線圖6所示。由圖6可知:隨有效壓縮比增大,BSFC呈先降低后增加的趨勢,有效壓縮比為12.7時,油耗最低,此時ηBTE=44.1%,相比有效壓縮比為9.4時提高了0.3百分點。通常隨著壓縮比增大,缸內溫度升高,燃燒更加充分,發動機熱效率提高;為抑制發生爆震,進一步增大壓縮比時需要推遲點火時刻,因此造成燃燒重心后移,燃燒不完全,排氣損失增大。

圖6 有效壓縮比對發動機油耗和熱效率的影響

不同有效壓縮比下,發動機對燃燒持續期和燃燒相位的變化趨勢如圖7所示。由圖7可知:隨著有效壓縮比的增大,βAI50逐漸遠離上止點,這是由于缸內溫度升高,為抑制爆震發生,點火時刻推遲,不利于油耗降低。隨著缸內溫度升高,可燃混合氣反應活性增大,燃燒持續期縮短,但隨著點火時刻的進一步推遲,燃燒重心過于靠后,燃燒持續期增加, 導致油耗增加。

圖7 有效壓縮比對燃燒持續期和燃燒相位的影響

3.3 EGR影響

在上述試驗中,選取最佳油耗和熱效率工況(n=2 000 r/min,pBME=0.8 MPa,λ=1.6,有效壓縮比為12.7),繼續進行EGR特性試驗,分析EGR率對發動機熱效率的影響。

試驗中,通過控制EGR閥開度分別為0、5%、10%、15%、20%、25%,使EGR率分別為0、1.46%、3.40%、4.60%、5.80%、7.50%,發動機油耗和熱效率隨EGR率的變化如圖8所示。由圖8可知:隨著EGR率增加,BSFC呈先降低后增加的趨勢,當EGR率為4.6%時,BSFC最小,此時ηBTE最大,為44.4%,相比EGR率為0時的44.1%,ηBTE提高了0.3百分點。

圖8 EGR率對發動機油耗和熱效率的影響

相同條件下,EGR率增加導致進氣壓力增大,因此通過適當增大節氣門開度和進氣壓力,使λ=1.6,因此泵氣損失降低。EGR中含有大量水蒸氣和CO2等高比熱比氣體,加入后進一步稀釋缸內混合氣,使缸內溫度降低,傳熱損失隨之減小;同時爆震趨勢減弱,點火角提前,燃燒相位控制在更加適宜范圍。但是,過高的EGR率導致火花塞點火后,火核傳熱損失增加,難以形成有效點火,且火焰傳播困難,燃燒穩定性變差,循環變動加劇。

燃燒持續期、βAI50和acov隨EGR率的變化趨勢如圖9所示。

a) EGR率對燃燒持續期和βAI50的影響 b) EGR率對acov的影響圖9 EGR率對燃燒持續期、βAI50和acov的影響

由圖9可知,βAI50隨EGR率的增大逐漸靠近上止點前曲軸轉角約8°的最佳位置,這是由于缸內溫度低、爆震趨勢得到抑制、點火時刻提前造成的。但是繼續增大EGR率后,acov逐漸增大至8%以上,已超出常用控制范圍3%,燃燒變得很不穩定,同時燃燒持續期達到曲軸轉角32°,缸內極易發生燃燒失火,發動機負荷不穩定,很難達到要求的平均有效壓力。

根據以上分析可知:適宜的稀燃、EGR率和高壓縮比能顯著提高發動機熱效率,但進一步增加稀釋、EGR率和壓縮比后,存在燃燒不穩定或爆震的問題。

4 結論

1)稀燃試驗結果表明:n=2 000 r/min、pBME=0.8 MPa工況下,λ=1.6時發動機熱效率最大,為43.2%,比λ=1.0時熱效率提高了5.7百分點;但繼續增大稀釋程度導致燃燒不穩定,油耗增加,熱效率降低。

2)有效壓縮比為12.7時發動機油耗最低、熱效率最大,相比壓縮比9.4時發動機熱效率提高了0.3百分點,但有效壓縮比繼續增大的優勢受限于爆震等不利因素的影響。

3)稀燃、EGR和高壓縮比可提升發動機熱效率、降低油耗,但稀釋度和EGR率過高導致點火困難、燃燒不穩定、燃燒持續期長等不利現象出現。