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實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)45%熱效率的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)
2019-10-22 23:34:17· 來源：同濟(jì)智能汽車研究所
編者按：能源問題是當(dāng)今社會(huì)的焦點(diǎn)，世界各國也出臺(tái)了愈來愈嚴(yán)格的油耗法規(guī)，因此，如何提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率成為內(nèi)燃機(jī)研究人員的研究重點(diǎn)。豐田在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)
編者按：能源問題是當(dāng)今社會(huì)的焦點(diǎn)，世界各國也出臺(tái)了愈來愈嚴(yán)格的油耗法規(guī)，因此，如何提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率成為內(nèi)燃機(jī)研究人員的研究重點(diǎn)。豐田在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面做出了許多優(yōu)秀的工作。在這篇文章中，豐田公司的研究人員向我們展示了提升汽油機(jī)熱效率至45%的技術(shù)手段。其中，長(zhǎng)行程結(jié)構(gòu)、高滾流氣道、高能點(diǎn)火系統(tǒng)、冷卻EGR以及均質(zhì)稀薄燃燒技術(shù)，或強(qiáng)化燃燒，或降低傳熱，或抑制爆震，均對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率起到作用。此外，作者還研究了高RON汽油以及不同增壓器等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響。
本文譯自:
"Engine technologies for achieving 45% thermal efficiency of SIengine"
文章來源：
SAE International
原作者：
Koichi Nakata, Shinichiro Nogawa, Daishi Takahashi, YasushiYoshihara, et al.
doi:10.4271/2015-01-1896
摘要： 為適應(yīng)社會(huì)對(duì)能源安全和氣候變化等提出的要求，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率已成為當(dāng)下亟待解決的問題。至于改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的具體技術(shù)，當(dāng)前已發(fā)展出阿特金森循環(huán)，冷卻 EGR （廢氣再循環(huán)），以及低摩擦技術(shù) [1,2,3,4] 。作為結(jié)果，現(xiàn)今發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱效率已接近 40% 。然而，考慮到未來需要更高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率以滿足更嚴(yán)格的社會(huì)要求，本文研究了具有高滾流的長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)的新的 L4 原型機(jī)，以闡明未來的發(fā)展方向。關(guān)于燃燒，研究了帶有冷卻 EGR 的稀薄增壓概念。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率可達(dá)到 45% 以上。本文描述了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的方法和未來前景。
1 引言
世界各國在推出更加嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)來作為應(yīng)對(duì)能源安全和氣候變化相關(guān)問題的解決措施之一。為適應(yīng)這些要求，汽車制造商始終在努力開發(fā)新的汽車。一個(gè)可以理解的例子就是混合動(dòng)力汽車在全球的廣泛傳播，這是因?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)汽車。
關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱效率對(duì)于混動(dòng)汽車尤其關(guān)鍵，這是由于其發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)主要處于高負(fù)荷區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率接近最大熱效率。因此混動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率提升得比傳統(tǒng)汽車的熱效率要高?，F(xiàn)今，為混動(dòng)汽車開發(fā)的技術(shù)正在被應(yīng)用至傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1展示了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的發(fā)展歷史和未來方向。如前所述，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱效率已經(jīng)接近40%。為促進(jìn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率而開發(fā)的主要技術(shù)有阿特金森循環(huán)，冷卻EGR和低摩擦技術(shù)。就短期而言，通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，有望將發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱效率提高到40%以上。然而，考慮到未來需要更高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率以滿足更嚴(yán)格的社會(huì)要求，應(yīng)該開發(fā)新的技術(shù)。在接下來的章節(jié)中，本文將介紹提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的未來技術(shù)。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的發(fā)展歷史和未來方向
2 熱效率的提升
發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率理論被稱為奧托循環(huán)方程。該方程表明更高的膨脹比或更高的比熱容比會(huì)導(dǎo)致更高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。前者可以通過提高壓縮比或者延遲EVO（排氣門開啟正時(shí)）實(shí)現(xiàn)，而后者可以通過采用稀薄燃燒實(shí)現(xiàn)。但是提高壓縮比和采用稀薄燃燒有一些問題尚待解決，比如爆震和強(qiáng)化燃燒。
實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率不同于理論熱效率，它是由機(jī)械損失，泵氣損失，傳熱損失，排氣損失和不完全燃燒損失等多種損失共同作用的結(jié)果。因此，減少各種損失對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率至關(guān)重要。圖2展示了提升發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率的途徑。在該圖中，“HV”代表普銳斯。在第一代發(fā)動(dòng)機(jī)中，其排量為1.5L，壓縮比為13:1，主要技術(shù)有阿特金森循環(huán)和低摩擦技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率提升至了37%。在目前普銳斯的第三代發(fā)動(dòng)機(jī)中，其排量為1.8L，壓縮比為13:1，新采用的技術(shù)有冷卻EGR，電子水泵，以及低摩擦技術(shù)。作為結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率提升至了38.5%。冷卻EGR技術(shù)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率有著極其重要的作用，因?yàn)槔鋮sEGR通過低溫燃燒減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，減少了傳熱損失。由于冷卻EGR的作用在提高熱效率上得到了證實(shí)，該技術(shù)已經(jīng)在當(dāng)今開始成為一種流行技術(shù)。
在未來，需要更高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率來滿足社會(huì)要求。盡管冷卻EGR被認(rèn)為是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主流技術(shù)，但將發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升至40%以上還需要新的挑戰(zhàn)。
圖2 提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)
為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率至40%以上，除了高比熱容比及稀薄燃燒等理論方法，減少傳熱損失和減輕爆震也十分關(guān)鍵。針對(duì)降低傳熱損失的問題，本文研究了兩種方法。其中一種方法就是長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)，眾所周知，長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)可以降低S/V比。在這里，S和V分別表示活塞位于TDC（上止點(diǎn)）時(shí)燃燒室的表面積和容積。另一種方法是低溫燃燒和稀燃。由于稀燃在減少傳熱損失上的效果好于EGR，因此與具有冷卻EGR的過量空氣系數(shù)為1的情況相比，預(yù)計(jì)利用稀薄燃燒可以獲得更高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。究其原因，是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃極限工況時(shí)的燃空混合物的量要大于發(fā)動(dòng)機(jī)在EGR極限條件下過量空氣系數(shù)為1的工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)燃空混合物的量。因此稀薄燃燒是本文的焦點(diǎn)。此外，由于快速燃燒擴(kuò)展了稀燃極限，如高滾流和高能點(diǎn)火系統(tǒng)的燃燒技術(shù)也受到關(guān)注。在減輕爆震方面，冷卻EGR被應(yīng)用于稀薄燃燒，因?yàn)槔鋮sEGR被證實(shí)不僅在過量空氣系數(shù)為1的工況下可以減輕爆震，在稀燃工況下同樣有效。
3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)
眾所周知，低的S/V比可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，本文對(duì)長(zhǎng)行程的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。為了證明長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)在減少傳熱損失上的效果，對(duì)不同行程長(zhǎng)度和不同內(nèi)徑的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)以及已上市銷售的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究。所有發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比統(tǒng)一為13:1。圖3中的黑點(diǎn)表示單缸機(jī)的行程長(zhǎng)度和內(nèi)徑，而白點(diǎn)代表已上市的發(fā)動(dòng)機(jī)。最大行程缸徑比限制在1.5左右，這是因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和閥門通徑的限制下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率在超過1.5的行程缸徑比時(shí)會(huì)降低。
圖3 單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)徑和行程
由于已經(jīng)證明長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)有兩個(gè)主要的因素來提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，因此使用了一個(gè)行程缸徑比在1.5左右的原型機(jī)來進(jìn)行研究。其中一個(gè)因素是長(zhǎng)行程發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致低S/V比，這會(huì)產(chǎn)生減少傳熱損失的效果，而另一個(gè)因素是燃燒的加強(qiáng)。除了長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)，也采用了高滾流氣道來強(qiáng)化燃燒。表1展示了發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格，圖4展示了原型機(jī)的外形圖。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格
圖4 原型機(jī)外形圖
4 試驗(yàn)結(jié)果和討論
4.1 長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)的效果
我們認(rèn)為長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)在提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率上有兩種效果，一種是減小S/V比，另一種是增加燃燒室內(nèi)的氣流流量以及湍流。對(duì)于S/V比，我們利用CAD來計(jì)算其值。圖5展示了S/V比的計(jì)算點(diǎn)以及在13:1的壓縮比下不同內(nèi)徑和不同行程長(zhǎng)度的S/V比等值線。由于等值線是由少量數(shù)據(jù)計(jì)算得出的，因此表示S/V比為4.5/cm的等值線精度可能要比另兩條線低。從總體上看，可以從圖5中得出，S/V比大致由行程長(zhǎng)度所決定。
圖6展示了對(duì)圖3中的單缸機(jī)及產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果?？v軸表示IMEP（發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率）相對(duì)于S/V比的改善率，其基準(zhǔn)點(diǎn)為內(nèi)徑75mm、行程長(zhǎng)為84.7mm的發(fā)動(dòng)機(jī)。研究表明，當(dāng)行程長(zhǎng)度變化時(shí)，低的S/V比可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。由于長(zhǎng)行程發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)被證實(shí)有減少傳熱損失的潛力，因此長(zhǎng)行程概念被應(yīng)用到表1所示的原型機(jī)中。
圖5 S/V比
圖6 S/V比對(duì)熱效率的影響
4.2 高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的燃燒概念
由于長(zhǎng)行程發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被證實(shí)具有提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的潛力，因此具有長(zhǎng)行程的原型機(jī)被用來實(shí)現(xiàn)45%以上的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。如前所述，稀薄燃燒是一種有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的燃燒系統(tǒng)。然而，稀薄燃燒的一個(gè)問題就是NOx（氮氧化物）的排放。涉及到燃燒的增強(qiáng)，能夠減少傳熱損失和NOx排放的低溫燃燒應(yīng)予考慮。從NOx排放的角度考慮，本研究采用均質(zhì)稀薄燃燒。
在稀薄燃燒概念中，NOx排放是滿足排放規(guī)范的重要因素。圖7展示了NOx排放相對(duì)于空燃比的估計(jì)?？梢钥吹剑|(zhì)稀薄燃燒是減少NOx排放最為有效的途徑。
圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放趨勢(shì)
圖8為過去的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品和一臺(tái)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。在該圖中，展示了三種不同燃燒系統(tǒng)的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)弱分層稀薄燃燒所產(chǎn)生的NOx排放最低。這些結(jié)果支持了圖8中的分析，因此在本研究中采用了均質(zhì)稀薄燃燒的概念。
圖8 BSFC與NOx排放之間的關(guān)系
4.2.1 燃燒室內(nèi)的氣流流量和湍流
關(guān)于燃燒，業(yè)界已發(fā)表了許多基礎(chǔ)性的研究報(bào)告。一些研究指出，高湍流能夠促進(jìn)燃燒。在以往的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中也證明，湍流是加強(qiáng)均質(zhì)稀薄燃燒的關(guān)鍵。除了能夠幫助增加燃燒室內(nèi)的氣流流量和湍流的高滾流氣道外，長(zhǎng)行程設(shè)計(jì)的效果也引起了關(guān)注。本節(jié)描述了計(jì)算氣流流量和湍流的結(jié)果，然后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了描述。
圖9 行程長(zhǎng)度對(duì)氣流流量的影響
圖9展示了使用STAR-CD計(jì)算2000rpm時(shí)行程長(zhǎng)度對(duì)氣流影響的一個(gè)示例。在這些計(jì)算中，兩種情況的內(nèi)徑均為75mm，進(jìn)氣口的形狀相同。滾流比為3.6。可以看到，行程越長(zhǎng)，氣流越高。這是由于長(zhǎng)行程使活塞速度更快，從而產(chǎn)生更大的氣流流量。在行程長(zhǎng)度為113mm的情況下，上止點(diǎn)前30度的氣流約為20m/s。結(jié)果表明，在稀燃工況下，原型機(jī)在點(diǎn)火正時(shí)的流量約為20m/s。
圖10表示了行程長(zhǎng)度對(duì)上止點(diǎn)前30度時(shí)湍流的影響，這個(gè)結(jié)果也是使用STAR-CD計(jì)算得出的。圖11為進(jìn)氣沖程階段平均氣流湍流最大值的對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)行程越長(zhǎng)，氣流湍流度越高。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，采用KANOMAX公司研制的熱線風(fēng)速儀對(duì)氣流湍流進(jìn)行了測(cè)量。
圖10 行程長(zhǎng)度對(duì)上止點(diǎn)前30度時(shí)氣流湍流的影響
圖11 進(jìn)氣沖程中行程長(zhǎng)度對(duì)氣流湍流的影響
圖12顯示了測(cè)量的氣流湍流結(jié)果。為了測(cè)量氣流湍流，使用了原型發(fā)動(dòng)機(jī)和修改過的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，它們?nèi)鐖D12中的點(diǎn)所示。每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的滾流比在3.5-3.6之間。結(jié)果表明，長(zhǎng)行程發(fā)動(dòng)機(jī)增強(qiáng)了燃燒室內(nèi)的氣流湍流，且湍流的階數(shù)與計(jì)算結(jié)果相近。
圖12 內(nèi)徑、行程和氣流湍流之間的關(guān)系
4.2.2 放電電流的影響
如前所述，強(qiáng)氣流和強(qiáng)湍流對(duì)強(qiáng)化燃燒至關(guān)重要，特別是對(duì)于稀薄燃燒。在本研究中，加強(qiáng)氣流和氣流湍流的方法采用長(zhǎng)行程概念和高滾流氣道。
當(dāng)氣流在燃燒室內(nèi)加強(qiáng)時(shí)，應(yīng)考慮點(diǎn)火系統(tǒng)的規(guī)格。本文對(duì)氣流流量、放電電流、放電時(shí)長(zhǎng)和火焰生長(zhǎng)之間的關(guān)系進(jìn)行了初步研究。圖13展示了初步研究所用實(shí)驗(yàn)器材的外形圖。通過旋轉(zhuǎn)控制燃燒室內(nèi)的氣流速度，以及保持空燃混合氣的壓力為0.6MPa直至點(diǎn)火正時(shí)。使用丙烷作為試驗(yàn)用燃料。為了確定放電特性的影響，通過改變?nèi)紵覂?nèi)的氣流流量來變化放電電流和放電時(shí)長(zhǎng)。
圖13 實(shí)驗(yàn)器材
圖14為氣流在10m/s時(shí)放電特性和火焰面積之間的關(guān)系。在點(diǎn)火后1.5ms時(shí)測(cè)量火焰面積，正如所看到的一樣，放電電流對(duì)火焰生長(zhǎng)的影響幾乎為零，放電時(shí)長(zhǎng)對(duì)火焰生長(zhǎng)只有很小的影響。圖15為氣流在30m/s時(shí)放電特性和火焰面積之間的關(guān)系。結(jié)果表明放電電流和放電時(shí)長(zhǎng)的影響相比氣流在10m/s時(shí)的結(jié)果大。原因在于放電電流對(duì)強(qiáng)流場(chǎng)中電弧放電的爆裂影響很大。
火花放電根據(jù)氣流形成拋物線，而拋物線的長(zhǎng)度對(duì)形成火焰核心影響很大。在強(qiáng)氣流場(chǎng)，較低的放電電流就可以引起電弧放電的爆裂。因此，在強(qiáng)氣流場(chǎng)較高的放電電流利于保持拋物線。此外，形成較長(zhǎng)的拋物線也可以通過較長(zhǎng)的放電時(shí)長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)。因此，具有高放電電流和長(zhǎng)放電時(shí)長(zhǎng)的點(diǎn)火系統(tǒng)在強(qiáng)氣流環(huán)境下十分重要。
圖14 放電特性和火焰面積之間的關(guān)系
圖15 放電特性和火焰面積之間的關(guān)系
4.3 稀薄增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率
為了實(shí)現(xiàn)45%以上的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，如圖4所示使用了長(zhǎng)行程的原型發(fā)動(dòng)機(jī)，并對(duì)稀薄增壓概念進(jìn)行了檢驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速下的稀薄增壓概念，可在原型機(jī)上安裝電驅(qū)動(dòng)增壓器或者小型渦輪增壓器。在電驅(qū)動(dòng)增壓器的情況下，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率時(shí)不考慮增壓器輔助的影響。因此，對(duì)電驅(qū)動(dòng)增壓器的情況與小型渦輪增壓器的情況進(jìn)行了比較。本節(jié)對(duì)稀薄增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)果進(jìn)行了描述。
由于放電方式在強(qiáng)氣流場(chǎng)內(nèi)對(duì)增強(qiáng)燃燒至關(guān)重要，因此對(duì)六種放電方式進(jìn)行了試驗(yàn)。這些放電方式通過利用商業(yè)點(diǎn)火線圈來進(jìn)行調(diào)整。圖16展示了幾種放電方式的例子。
圖16 放電方式
圖17為燃燒壓力相對(duì)空燃比的分析結(jié)果，且每種放電方式的最右點(diǎn)均為發(fā)生失火的邊界點(diǎn)。這意味著較大的放電電流或較長(zhǎng)的放電時(shí)長(zhǎng)都對(duì)稀燃極限產(chǎn)生影響。0-10%燃燒時(shí)，隨著空燃比的變化，混合氣變稀，燃燒持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。在這種環(huán)境下，可以發(fā)現(xiàn)在300mA情況下，初始燃燒時(shí)長(zhǎng)變短，且稀燃極限延展至28.6的空燃比，即1.96的過量空氣系數(shù)。對(duì)于10-90%燃燒，當(dāng)混合氣變稀時(shí)燃燒持續(xù)時(shí)間依然變長(zhǎng)。0-10%燃燒持續(xù)時(shí)間對(duì)稀燃極限的影響似乎比10-90%燃燒持續(xù)時(shí)間的影響要大。如前文所述，可以理解強(qiáng)氣流場(chǎng)中放電電流和放電時(shí)長(zhǎng)的重要性。但對(duì)于闡明強(qiáng)氣流場(chǎng)下稀薄燃燒的可燃性現(xiàn)象，還需要更加具體的分析。
圖17 燃燒壓力分析結(jié)果
圖18為燃燒特性?？梢钥闯?，擴(kuò)大稀燃極限可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)熱效率提高10%以上。對(duì)于NOx來說，擴(kuò)大稀燃極限至空燃比為28.6有助于將NOx排放降低至0.3g/kWh左右。
由于強(qiáng)氣流場(chǎng)與高放電電流對(duì)擴(kuò)大稀燃極限具有較大的影響，因此接下來對(duì)爆震進(jìn)行了研究。
圖18 燃燒特性
4.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)爆震和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率
為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，必須要減輕爆震。本節(jié)前半部分從爆震的角度，對(duì)不帶冷卻EGR的稀薄燃燒和化學(xué)計(jì)量工況下的冷卻EGR進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比。在對(duì)比后，對(duì)不同燃燒系統(tǒng)對(duì)爆震的影響和帶有冷卻EGR的稀薄燃燒的效果進(jìn)行了討論。在本節(jié)中，不帶冷卻EGR的稀燃情況被寫作“Lean Burn”，而化學(xué)計(jì)量比工況下的冷卻EGR被寫作“Cooled EGR”。為了增加稀燃或冷卻EGR下的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，使用了電驅(qū)動(dòng)增壓器來簡(jiǎn)化爆震和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率之間的關(guān)系。
圖19和20為“Lean Burn”、“Cooled EGR”和化學(xué)計(jì)量比條件下不帶冷卻EGR時(shí)的爆震和燃燒特性。對(duì)“Lean Burn”，除了BMEP（平均有效壓力）為0.89MPa時(shí)外，空燃比均設(shè)為28-30。對(duì)“Cooled EGR”，EGR率設(shè)置為30%左右，如圖19的上圖所示。圖中的Lambda指過量空氣系數(shù)。
在圖19中，主要展示了燃燒壓力分析的結(jié)果。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，每一次點(diǎn)火正時(shí)都由于爆震而推遲。為了比較爆震趨勢(shì)，使用了最大缸內(nèi)壓力正時(shí)。最大壓力正時(shí)指的是當(dāng)缸內(nèi)壓力達(dá)到峰值時(shí)的時(shí)刻。已知當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在MBT（最佳點(diǎn)火提前角）時(shí)，最大缸內(nèi)壓力正時(shí)出現(xiàn)在上止點(diǎn)前10-15°。因此，當(dāng)最大缸內(nèi)壓力正時(shí)開始推遲時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷就是爆震開始發(fā)生時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。可以認(rèn)為，“Lean Burn”對(duì)減輕爆震有效果，這是因?yàn)楸鸢l(fā)生時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷要大于發(fā)動(dòng)機(jī)處于不帶冷卻EGR的化學(xué)計(jì)量工況下的情況。在平均有效壓力為0.89MPa時(shí)，為了避免不穩(wěn)定燃燒，將空燃比設(shè)為25，與其它點(diǎn)相比較高，這是因?yàn)闉楸苊獗鸲七t點(diǎn)火正時(shí)時(shí)導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性變差。對(duì)于“Cooled EGR”，可以發(fā)現(xiàn)冷卻EGR對(duì)減輕爆震有非常大的作用。
圖20為發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和燃燒特性圖。即使“Lean Burn”在減輕爆震上的效果不如“Cooled EGR”，但“Lean Burn”的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率要高于“Cooled EGR”。有兩個(gè)原因來解釋這個(gè)結(jié)果。一個(gè)原因就是“Lean Burn”的燃燒溫度低于“Cooled EGR”，這是由于前者的熱容大于后者。這可以用圖19頂部圖中的氣燃比來解釋。下一部分還將描述另一個(gè)數(shù)據(jù)。第二個(gè)原因從理論層面看就是比熱比。至于NOx，低NOx水平可以從低負(fù)荷保持到高負(fù)荷。
圖19 燃燒系統(tǒng)對(duì)爆震和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響
圖20 燃燒系統(tǒng)對(duì)爆震和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響
因?yàn)?ldquo;Lean Burn”對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的效果和“Cooled EGR”對(duì)減輕爆震的效果都已確認(rèn)，因此本文研究了帶有冷卻EGR的稀薄燃燒對(duì)爆震和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響。
圖21為稀燃和冷卻EGR的組合對(duì)爆震和發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響。圖22為利用廢氣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的每缸N2、O2、CO2和H2O的摩爾數(shù)。圖23為計(jì)算出的相對(duì)總氣體的摩爾分?jǐn)?shù)。在本節(jié)中，假設(shè)總氣體包括N2、O2、CO2和H2O。
在“Cooled EGR”的情況下，如圖19所示，隨著EGR率的提高，爆震逐漸緩解。冷卻EGR有助于減輕爆震的原因有兩點(diǎn)。一點(diǎn)是當(dāng)EGR率升高時(shí)氣體成分的改變。正如所見，CO2和H2O的比例增加，而O2比例減小?？杖蓟旌衔锍煞值淖兓赡軐?duì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生影響。另一點(diǎn)是燃燒溫度的影響，這和燃燒室的壁面溫度有很大的關(guān)系。隨著EGR率的升高，總體進(jìn)氣量增加，且燃燒溫度下降。因此，燃燒氣體和燃燒室壁面之間熱交換的減少降低了壁面溫度。眾所周知，正是壁面溫度的降低減輕了爆震趨勢(shì)。
在“Lean Burn”的情況下，緩解爆震的效果相對(duì)“Cooled EGR”要小。在這種情況下，盡管進(jìn)氣量增加，但即使空燃比變得稀薄，氣體成分還是相似的。因此，與“Cooled EGR”的情況不同，降低燃燒溫度從而降低燃燒室壁面溫度是緩解爆震的主要因素。也就是說，“Cooled EGR”的化學(xué)反應(yīng)對(duì)爆震的產(chǎn)生了很大的影響。
至于稀燃和冷卻EGR的結(jié)合，結(jié)果表明空燃比為20和EGR率為20%結(jié)合時(shí)對(duì)減輕爆震效果最好，且發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率能夠達(dá)到45.6%。盡管在氣燃比低于24的情況下，EGR率為25%時(shí)似乎對(duì)減輕爆震的效果最好，但在本次試驗(yàn)中并沒有得到最佳性能。我們認(rèn)為在大的氣燃比工況下，燃燒的惡化會(huì)對(duì)減輕爆震有一定的限制。
為了闡明帶有冷卻EGR的稀薄燃燒減輕爆震的現(xiàn)象，至少應(yīng)采用化學(xué)反應(yīng)、燃燒溫度和燃燒質(zhì)量三種方法。對(duì)此的研究仍在繼續(xù)。
圖21 稀燃和冷卻EGR結(jié)合的影響
圖22 每缸的計(jì)算進(jìn)氣量
本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃工況下運(yùn)行時(shí)的NOx排放進(jìn)行了研究。圖24為本次試驗(yàn)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和NOx之間的關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的結(jié)果與圖21中的結(jié)果相同。可以看出，即使分別改變空燃比和EGR率，依然可以保持較低的NOx排放水平。
圖23 每缸的計(jì)算進(jìn)氣量
圖24 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和NOx之間的關(guān)系
4.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的可能
本節(jié)研究了高RON（研究法辛烷值）燃油和小型渦輪增壓器的影響。采用小型渦輪增壓器的目的是研究稀薄增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，以及使用現(xiàn)有渦輪增壓器闡明發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，因?yàn)殡婒?qū)動(dòng)增壓器可以輔助發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。
圖25和圖26展示了改變?nèi)紵到y(tǒng)、試驗(yàn)燃料和渦輪增壓器后的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率結(jié)果。在91RON汽油的情況下，采用電驅(qū)動(dòng)增壓器可以獲得45.6%的最大熱效率。這個(gè)結(jié)果與圖21中的結(jié)果相同。為了獲得更高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，本次研究使用了100RON汽油。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱效率為45.9%，提高發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率的效果不大。原因在于為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)限制，原型機(jī)的工作限制了最大缸內(nèi)壓力。因此，即使沒有發(fā)生爆震，也使點(diǎn)火正時(shí)推遲，并使空燃比改變至富側(cè)以穩(wěn)定燃燒?？紤]到如果原型機(jī)在提前點(diǎn)火正時(shí)運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率的潛力可以達(dá)到46.5%以上。通過以往的研究結(jié)果對(duì)該熱效率進(jìn)行了估算。
在小型渦輪增壓器的情況下，使用91RON汽油，發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率為43.9%。這個(gè)結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率相較電驅(qū)動(dòng)增壓器下降了1.8個(gè)百分點(diǎn)。原因在于渦輪增壓器的總效率低，增加了廢氣壓力，如圖26所示。廢氣高壓導(dǎo)致了排氣沖程中的泵氣損失增加，高溫殘余廢氣增多。高溫殘余廢氣的增多意味著抗爆性能的惡化。如果渦輪增壓器調(diào)整到合適的尺寸，或?qū)u輪增壓器的總效率提高，熱效率預(yù)計(jì)會(huì)提高到45%以上。
圖25 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的可能
圖26 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的可能
圖27為沒有冷卻EGR的化學(xué)計(jì)量比燃燒和帶有冷卻EGR的稀薄燃燒的熱平衡比較。每個(gè)數(shù)據(jù)都顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率的結(jié)果?？梢钥吹?，在帶有冷卻EGR的稀薄燃燒的影響下，傳熱損失減少。原因在于其實(shí)現(xiàn)了低溫燃燒。另一方面，排氣熱損失幾乎一樣。
為了實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，我們考慮了三個(gè)方向。毋庸置疑，一個(gè)方向就是提高抗爆性能。第二個(gè)方向是提高膨脹比以減少排氣熱損失。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)方向，需要解決爆震問題和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)問題，比如允許的最大缸內(nèi)壓力。第三個(gè)方向是開發(fā)一種減少傳熱損失的新方法，比如熱機(jī)控制和變溫隔熱。除了開發(fā)新技術(shù)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率外，未來還需要開發(fā)熱回收系統(tǒng)。
圖27 熱平衡
在本文的最后部分，介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和NOx之間的關(guān)系。如前所述，采用均質(zhì)稀燃的概念，擴(kuò)大燃燒極限，可以降低NOx。圖28為本文結(jié)果和以往結(jié)果的對(duì)比。可以從圖中看出，NOx排放水平為過去發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的十分之一。
圖28 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和NOx之間的關(guān)系
5 結(jié)論
為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，本文研究了采用稀燃增壓概念的長(zhǎng)行程發(fā)動(dòng)機(jī)。
1.長(zhǎng)行程發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率有兩點(diǎn)貢獻(xiàn)。一點(diǎn)是減少了傳熱損失，這是因?yàn)樵谌紵抑锌梢詼p小S/V比（比表面積）。另一點(diǎn)是通過結(jié)合高滾流氣道促進(jìn)燃燒，增強(qiáng)了燃燒室內(nèi)的氣流流量和湍流。除了高流量和高湍流的影響，具有高放電電流和長(zhǎng)放電時(shí)間的點(diǎn)火系統(tǒng)也有助于在強(qiáng)氣流場(chǎng)內(nèi)擴(kuò)大燃燒極限。
2.擴(kuò)大燃燒極限在帶有冷卻EGR的稀薄燃燒的利用中具有可預(yù)期的良效。一種效果是可實(shí)現(xiàn)有助于減少傳熱損失的低溫燃燒。第二種效果是可以減輕爆震。
3.在均質(zhì)稀燃概念下，擴(kuò)大燃燒極限也會(huì)帶來NOx排放的降低。NOx的排放水平降至過往發(fā)動(dòng)機(jī)的十分之一。
4.在91RON汽油的情況下，帶有電驅(qū)動(dòng)增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率可達(dá)45.7%。把電驅(qū)動(dòng)增壓器替換為小型渦輪增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率降至43.9%。原因在于渦輪增壓器的總效率相對(duì)較低，為45%。當(dāng)渦輪增壓器的總效率提升后，發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率預(yù)計(jì)可達(dá)45%以上。在100RON汽油的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率為45.9%，與91RON汽油的情況下相近。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的工作要保持最大缸內(nèi)壓力小于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的允許值。通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱效率預(yù)計(jì)可達(dá)到46.5%。
本研究驗(yàn)證了均質(zhì)稀燃增壓概念對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和減少NOx排放的有效性。盡管還有許多問題有待解決，但我們認(rèn)為，采用冷卻EGR的稀燃增壓概念是未來改善燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)有效途徑。
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