增压缸直喷汽油机高负荷爆震控制试验研究.docx

增压缸直喷汽油机高负荷爆震控制试验研究 0 增压喷头的性能 近年来，由于能源危机、价格水平提高和世界各国的发展趋势，对汽油工具的油耗水平的要求变得越来越严厉。欧洲要求2012年CO2排放降至120g/km,2020年降至90g/km。美国要求2016年各汽车厂商的各车型的平均油耗要达到15.1km/L。中国提出2020年单位GDP的CO2排放比2005年减少40%～50%的要求。 在此背景下,研发高效汽油机是一条有潜力的节能环保技术途径。目前,汽油机技术发展趋势是高增压缸内直喷。然而,即使采用了增压直喷技术,汽油机的热效率仍低于柴油机,这其中一个重要原因就是爆震(敲缸)限制了汽油机压缩比的提高。增压直喷汽油机的压缩比一般小于10,而在实际产品开发中,通过传统的推迟点火角、加浓混合气、EGR等措施抗爆震似乎已经达到了极限。且增压汽油机除了常规爆震外,在低速高负荷区域还容易出现超级爆震(pre-ignition)现象,采用常规抗爆震措施很难抑制。 近年来研究表明:缸内直喷汽油机(GDI)通过增压配合VVT控制扫气具有抑制爆震的潜力。常规汽油机在高负荷下主要通过推迟点火角并加浓混合气来抑制爆震,这会显著恶化燃油经济性,并且产生较高的HC和CO排放。在当量比的条件下增压GDI发动机试验结果表明:扫气可以降低缸内温度,减小燃烧室热负荷,降低涡轮前端温度。且扫气将缸内残余废气压入排气岐管,可改善涡轮增压器的工作效率,使得进气量增加,提高发动机的低速扭矩。但当量比条件下、压缩比较高时,难以采用大节气门开度实现较好的扫气效果,而且这时排气温度过高,容易使催化剂超温。而在稀燃的条件下,缸内燃烧温度低,NOx排放有所降低,而混合气的自燃温度高,发动机的爆震倾向小。再通过匹配较高增压保证功率密度,可以达到较高的负荷。同时,采用高的进气压力和进气流量,对扫气更有利。 本文在当量比燃烧增压扫气的基础上,进一步探索在稀燃条件下高压缩比直喷汽油机通过增压和VVT实现扫气来抑制爆震的方案,并用一维热力循环模拟来解析扫气抑制爆震的机理。 1 sdi车辆清洁试验研究 1.1 压力和压力检测 试验用缸内直喷汽油机采用了火花塞中央布置、喷油器进气道侧置的方式。具体的技术参数如表1所示。 发动机可变气门技术采用气门正时平移连续可变方式,进排气气门升程均为8.3mm,可实现进气凸轮正向变化60 °CA和排气凸轮逆向变化50 °CA。 在1#缸的进排气歧管处安装了进气压力传感器(KISLER4045A10,测量范围0～1MPa,线性度±0.3%FS)和排气压力传感器(KISLER4007BA5F,测量范围0～2MPa,线性度±0.1%FS),发动机气缸压力用AVL GU13Z-24型火花塞式传感器(测量范围0～20MPa,线性度±0.3%FS)测量。进气流量传感器为同圆RS485(误差±1%)。采集数据通过电荷放大器放大后,传送给AVL INDIMODUL燃烧分析仪进行处理。通过对缸压振荡积分来判断爆震。传感器布置如图1所示。 1.2 试验结果及分析 1.2.1 进气门开启角 空燃比为18、转速1 800r/min、排气门关闭角(EVC,以进气上止点为0 °CA)为5 °CA时,改变发动机的进气门开启角(IVO,以进气上止点为0 °CA),图2为发动机在不发生爆震情况下的最大扭矩和进气流量随着进气VVT变化的结果。 前文已述及,扫气强度越大,压气机的效率越高,进气密度越大,发动机的进气流量就越大。从图2可以看出,随着进气门开启角的提前,即随气门重叠角的增大,发动机的进气流量增大,扫气强度也会随之增大。而发动机的最大扭矩整体上也随之增大。所以,改变进气门VVT,发动机的进气流量和扭矩整体上都随气门重叠角增大而增大的。 由于发动机改变进气VVT会带来有效压缩比的变化,而进气门开启越提前,发动机的有效压缩比越大,热效率就越高。所以,改变进气门VVT得到的发动机扭矩增大也部分归因于发动机的有效压缩比变大。 为了消除有效压缩比的影响,在不变节气门开度、空燃比和转速的情况下,固定进气门开启角为-30 °CA进行了试验,发动机扭矩随排气VVT的变化如图3所示。 可以看出,消除了有效压缩比的影响后,发动机的扫气强度和扭矩都随着气门重叠角的增长而单调增长。在稀燃条件下,发动机的最大扭矩能够随着扫气强度而大幅提高。 1.2.2 扫气的作用机制 在空燃比为18、转速1 800r/min、排气门关闭角为5°CA时,改变发动机的进气门开启角,图4为发动机在不发生爆震的情况下的最大点火提前角随进气VVT变化的结果。 从图4可知,随着气门重叠角的增大,发动机的扫气强度即进气流量单调递增,而发动机不发生爆震的最大点火提前角总体上也随之增大。此时随着气门重叠角的增大,发动机的有效压缩比是不断增大的。发动