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渦流-滾流拓寬汽油機稀燃極限的試驗

2021-10-08 09:57:00·  來源：內(nèi)燃機學(xué)報  
　
為提高汽油機部分負荷的燃油經(jīng)濟性，目前已有停缸、可變氣門定時/升程和稀釋燃燒技術(shù)。其中，稀釋燃燒通過在缸內(nèi)引入廢氣或過量空氣，減少泵氣和傳熱損失，節(jié)油
為提高汽油機部分負荷的燃油經(jīng)濟性，目前已有停缸、可變氣門定時/升程和稀釋燃燒技術(shù)。其中，稀釋燃燒通過在缸內(nèi)引入廢氣或過量空氣，減少泵氣和傳熱損失，節(jié)油潛力顯著。但隨稀釋程度增加，燃燒循環(huán)變動加劇、發(fā)動機穩(wěn)定性下降，這從根本上制約了稀釋燃燒技術(shù)應(yīng)用的潛力。從缸內(nèi)流動的本質(zhì)特征而言，滾流旋轉(zhuǎn)與氣缸軸線垂直，其在上止點被活塞壓碎的過程具有天然的高不穩(wěn)定性；與此相比，渦流旋轉(zhuǎn)則與氣缸同軸，由于其沒有破碎的過程，因而循環(huán)變動更低、具有更高的流場穩(wěn)定性。基于此，有學(xué)者在滾流中嘗試引入渦流，形成渦流-滾流結(jié)合進氣(簡稱渦流-滾流)，并初步研究了其在當(dāng)量比、無稀釋條件下對汽油機燃燒的影響。目前研究表明，相比純滾流，渦流-滾流可更好地抑制循環(huán)變動，但試驗均局限在無稀釋當(dāng)量比條件下進行，故筆者擬利用渦流-滾流進氣抑制循環(huán)變動的優(yōu)勢，拓寬汽油機在稀釋氛圍中的稀燃極限，進一步挖掘稀釋燃燒的節(jié)能潛力，并研究了不同進氣形式對排放的影響，相關(guān)研究結(jié)果對新型汽油機燃燒系統(tǒng)組織具有一定理論指導(dǎo)意義。

01、試驗設(shè)備及方案

1.1 發(fā)動機參數(shù)
研究中所用的試驗汽油機參數(shù)如表1所示。
表1 汽油機相關(guān)技術(shù)參數(shù)


該發(fā)動機為一臺直噴4 氣門汽油機，原機通過采用切向進氣道設(shè)計，能夠在缸內(nèi)產(chǎn)生較強的滾流運動。為進一步提高缸內(nèi)滾流強度，在進氣歧管中加裝了滾流翻板如圖1a 所示。當(dāng)滾流翻板位于位置A時，此時缸內(nèi)為原機的滾流強度；當(dāng)滾流翻板位于位置B 時，更大比例的氣流會因滾流翻板與固定隔板的限制通過進氣閥上部進入氣缸(圖1a 中藍色箭頭所示)，提高缸內(nèi)滾流強度。筆者稱滾流翻板位于位置A時為低滾流工況，位于位置B時為高滾工況。
研究中，渦流通過關(guān)閉一個進氣門引入如圖1b所示。此時，進氣道具有不對稱性，氣流的橫向分量在進入氣缸時不會互相抵消，缸內(nèi)會產(chǎn)生渦流運動，配合原機的切向氣道及滾流翻板，可在缸內(nèi)產(chǎn)生同時有滾流、渦流分量的渦流-滾流進氣工況。


圖1 不同進氣流動調(diào)節(jié)方式示意
1.2 試驗臺架測試設(shè)備及試驗參數(shù)
試驗臺架的整體系統(tǒng)示意如圖2 所示。進氣稀釋氛圍通過增加節(jié)氣門開度產(chǎn)生，其稀釋程度由空燃比儀測量。廢氣稀釋氛圍通過外部廢氣稀釋系統(tǒng)產(chǎn)生，且在進行廢氣稀釋工況相關(guān)試驗時保持稀燃極限λ 為1。該系統(tǒng)將排氣管中部分廢氣經(jīng)冷卻后通入進氣管，并通過排放分析儀MEXA-7100DEGR 對EGR 率進行測量。


圖2 試驗臺架示意

02、試驗結(jié)果與討論

2.1 燃燒特性
圖3 為兩種稀釋燃燒中不同進氣形式下燃燒持續(xù)期的對比。與原機低滾流工況相比，在兩種稀釋氛圍中提高滾流強度后，總?cè)紵?CA 0～10 與CA 10～90 之和)有所縮短；引入渦流-滾流進氣后總?cè)紵诳蛇M一步縮短。以λ 為1.2 的進氣稀釋工況為例，相比原機低滾流工況，高滾流、渦流-滾流工況的總?cè)紵诜謩e縮短了26%與37%。對汽油機中的這種預(yù)混燃燒而言，缸內(nèi)的湍流強度是燃燒速度的決定性因素，更高的湍流強度必然帶來更快的燃燒速度。在缸內(nèi)引入高滾流、渦流-滾流均會提高缸內(nèi)氣流的流動速度，進而帶來更高的湍流強度，且渦流-滾流工況的湍流強度更高，故使得高滾流、渦流-滾流工況的燃燒速度依次提高，燃燒持續(xù)期依次縮短。此外，由于研究中相關(guān)試驗始終將點火時刻控制于MBT，故點火提前角隨著燃燒速度升高而逐漸減小。


圖3 不同進氣形式下燃燒持續(xù)期的對比
2.2 燃燒穩(wěn)定性
平均指示壓力的循環(huán)變動系數(shù)COVIMEP用于衡量發(fā)動機工作的穩(wěn)定性，一般認為其值為5%時達到穩(wěn)定工作極限，此時與之對應(yīng)的EGR 率或λ 則為當(dāng)下所用工況的許用稀燃極限。圖4 為兩種稀釋氛圍中不同進氣形式下COVIMEP 的對比。與原機弱滾流工況相比，在兩種稀釋氛圍中提高滾流強度后，稀燃極限有所拓寬，而引入渦流-滾流進氣后稀燃極限可進一步拓寬。這是由于高滾流進氣可在一定程度上改善流場的循環(huán)變動，而渦流-滾流進氣對流場循環(huán)變動的改善作用更顯著，最終使其稀燃極限比高滾流工況更寬。在進氣稀釋氛圍中，原機低滾流工況的稀燃極限λ 為1.37，與之相比，高滾流進氣可將其拓寬至1.44，渦流-滾流進氣可將其進一步拓寬至1.51。在廢氣稀釋氛圍中，原機低滾流工況的稀燃極限EGR 率為23%，高滾流進氣可將其拓寬至27%的EGR 率。在渦流-滾流工況下，即使是廢氣稀釋系統(tǒng)最大EGR 率(即所使用的廢氣稀釋系統(tǒng)的EGR 閥開度最大時所能產(chǎn)生的EGR率，為28% )，發(fā)動機仍未達到稀燃極限。


圖4 不同進氣形式下COVIMEP的對比
2.3 燃油經(jīng)濟性
圖5 為兩種稀釋氛圍中不同進氣形式下有效燃油消耗率(BSFC)的對比。在兩種稀釋氛圍中，高滾流工況的BSFC 有所改善，而渦流-滾流工況的BSFC可以進一步改善。與原機低滾流無稀釋工況相比，在進氣稀釋中，高滾流、渦流-滾流進氣最多可使BSFC分別降低10%與12%；在廢氣稀釋中，高滾流、渦流-滾流進氣最多可使BSFC 分別降低5%與8%。這是因為一方面低滾流、高滾流和渦流-滾流工況的燃燒速度依次升高，而燃燒速度越高，燃燒等容度就越高，進而可獲得更低的BSFC；另一方面，低滾流、滾流和渦流-滾流工況的燃燒循環(huán)變動依次降低，而燃燒循環(huán)變動越低，經(jīng)濟性則越好，BSFC 越低。


圖5 不同進氣形式下BSFC的對比
2.4 排放特性
圖6 為不同進氣形式在兩種不同稀釋氛圍中對NOx 排放的影響。低滾流、高滾流及渦流-滾流工況的NOx排放依次升高，以無稀釋工況為例，高滾流、渦流-滾流工況的NOx 排放比低滾流原機分別提高了35%與44%。這是因為高滾流、渦流-滾流工況的放熱更加集中，使得缸內(nèi)溫度更高，最終導(dǎo)致熱力型NOx 的生成增加。但通過引入廢氣或進氣稀釋，使得缸內(nèi)溫度降低，不僅可抵消因引入高滾流、渦流-滾流所導(dǎo)致NOx排放的惡化，更可使高滾流、渦流-滾流工況在稀釋氛圍下的NOx 排放比原機無稀釋低滾流工況分別最多降低為69%與63%。


圖6 不同進氣形式下NOx 排放的對比
除此外，作者還探究了廢氣稀燃和進氣稀燃兩種不同進氣形式下HC 和CO排放的對比，其詳細結(jié)果見參考文獻[1]。

03、結(jié) 論

(1) 與原機低滾流進氣相比，高滾流進氣可加速燃燒，縮短總?cè)紵陂L度，而渦流-滾流進氣可使其進一步縮短；隨稀釋程度提高，總?cè)紵陔S之延長，最佳點火提前角變大。
(2) 引入高滾流進氣可在一定程度上改善流場循環(huán)變動，拓寬稀燃極限；而引入渦流-滾流進氣，流場的循環(huán)變動可被進一步降低，稀燃極限也可被進一步拓寬。
(3) 與原機無稀釋低滾流工況相比，高滾流工況因為稀燃極限更寬，所以BSFC 有所改善；渦流-滾流進氣拓寬稀燃極限效果更加顯著，故可獲得比高滾流工況更低的BSFC。
(4) 發(fā)動機在原機低滾流、高滾流和渦流-滾流工況下的NOx 排放依次升高，但隨稀釋程度提高NOx排放可被大幅降低。
(5) 與低滾流原機相比，高滾流可降低CO 排放，渦流-滾流會使CO 排放升高；但隨λ 升高，CO排放可被大幅降低。
(6) 在中、低稀釋工況時，高滾流、渦流-滾流工況的HC 排放與原機無稀釋低滾流工況相比略有升高；在較高稀釋工況時，低滾流、高滾流及渦流-滾流工況在相同λ 或EGR 率下的HC 排放依次降低；但與原機無稀釋低滾流工況相比，高稀釋工況下高滾流、渦流-滾流工況的HC 排放仍有一定升高。

04、參考文獻

[1]李浩冉,孫 凱,李 磊,等.渦流-滾流拓寬汽油機稀燃極限的試驗[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2021,(05):402-408.

期刊

《內(nèi)燃機學(xué)報》是由中國內(nèi)燃機學(xué)會主辦的國家級高級學(xué)術(shù)刊物，是國務(wù)院學(xué)位委員會與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計用刊，被工程索引(EI)等多個國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目”能源與動力工程類前列。
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