增壓直噴汽油機(jī)爆震和顆粒物排放特性與控制策略研究.pdf

1、爆震燃燒和顆粒物排放是增壓直噴汽油機(jī)高負(fù)荷面臨的兩個重要技術(shù)問題，也是制約以高增壓小型化和高幾何壓縮比為特點(diǎn)的下一代直噴汽油機(jī)發(fā)展的重要因素。爆震直接影響直噴汽油機(jī)增壓比和小型化程度，以及幾何壓縮比提高的幅度，是和整個發(fā)動機(jī)循環(huán)工況燃油經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)的非正常燃燒。顆粒物排放，特別是顆粒物數(shù)量的排放是增壓直噴汽油機(jī)面臨的一個新的課題，越來越嚴(yán)苛的針對汽油機(jī)顆粒物的排放法規(guī)對增壓直噴汽油機(jī)的開發(fā)提出了新的更大的挑戰(zhàn)。在這一背景下，本文將提出

2、抑制增壓直噴汽油機(jī)爆震和顆粒物數(shù)量排放的新策略和新方法作為研究目標(biāo)，采用發(fā)動機(jī)試驗(yàn)和理論計算相結(jié)合的方法，在深入評估發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)對爆震和顆粒物排放影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了利用“外部冷卻EGR實(shí)現(xiàn)廢氣稀釋燃燒”和“多次噴射策略實(shí)現(xiàn)當(dāng)量比混合氣濃度分區(qū)燃燒”解決這兩個問題的技術(shù)思路，對其抑制機(jī)理和實(shí)際效果進(jìn)行了深入的研究。
　　發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)對爆震影響規(guī)律的試驗(yàn)研究表明，低溫燃燒、偏稀或偏濃燃燒、推遲噴油以及混合氣非均勻混合均可以實(shí)

3、現(xiàn)對爆震的抑制。而對顆粒物排放而言，低溫燃燒、偏稀燃燒和混合氣的均勻燃燒對實(shí)現(xiàn)顆粒物的低排放有效。適當(dāng)增加噴油壓力和優(yōu)化噴油時刻是實(shí)現(xiàn)直噴汽油機(jī)低顆粒物排放的重要手段。
　　本文對外部冷卻EGR在增壓直噴汽油機(jī)爆震起始點(diǎn)預(yù)測模型、通過爆震抑制提高幾何壓縮比以改善熱效率以及顆粒物排放抑制方面進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)與理論研究。研究表明，在爆震預(yù)測中獲得廣泛應(yīng)用的Douaud-Zyzat模型可以很好地預(yù)測無EGR或EGR率小于5％的爆震工況，

4、但在EGR率大于5％的情況下，模型計算的爆震起始點(diǎn)比試驗(yàn)值要提前，且隨著EGR率的增加，提前的幅度也越來越大。為此，基于爆震試驗(yàn)數(shù)據(jù)和Livengood-Wu積分公式，提出了考慮外部冷卻EGR影響在內(nèi)的增壓直噴汽油機(jī)爆震起始點(diǎn)預(yù)測模型，該模型不僅在無EGR的情況下體現(xiàn)了較好地爆震預(yù)測性能，而且在EGR率為2-25％的范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了較好地爆震預(yù)測性能。相比自然吸氣汽油機(jī)，增壓汽油機(jī)由于爆震的限制不得不設(shè)計較低的幾何壓縮比，這使得增壓汽油機(jī)

5、燃油經(jīng)濟(jì)性改善的幅度受到限制。為了更好地評估外部冷卻EGR通過抑制爆震而提高增壓直噴汽油機(jī)幾何壓縮比的潛力，采用試驗(yàn)和理論計算相結(jié)合的方法，研究并闡明了EGR結(jié)合高幾何壓縮比在低負(fù)荷、中負(fù)荷以及高負(fù)荷下改善發(fā)動機(jī)熱效率的潛力和機(jī)理。結(jié)果表明，外部冷卻EGR可以有效彌補(bǔ)高幾何壓縮比在高負(fù)荷工況由于爆震導(dǎo)致的熱效率惡化的問題。相比沒有外部EGR的基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)（幾何壓縮比為9.3），18-25％的外部冷卻EGR結(jié)合高幾何壓縮比10.9可以實(shí)現(xiàn)2

6、.1-3.5％的有效熱效率改善（即6-13％的油耗改善）。在低負(fù)荷和高負(fù)荷工況下所有影響熱效率的因素中，理論熱效率的提高（γ和幾何壓縮比的影響）是熱效率改善的最主要原因，而由于燃燒溫度降低(EGR的影響)導(dǎo)致的傳熱損失下降是第二重要的因素。在全負(fù)荷加濃工況，取消混合氣加濃（EGR的影響）而導(dǎo)致的燃燒效率上升是熱效率改善的首要原因。本文的研究結(jié)果同時表明，外部冷卻EGR是抑制增壓直噴汽油機(jī)高負(fù)荷顆粒物排放的有效手段，其對顆粒物的降低幅度可

7、達(dá)50％。借助三維CFD模擬計算發(fā)現(xiàn)，顆粒物隨EGR率增加而降低的主要原因是缸內(nèi)生成碳煙的區(qū)域，特別是活塞頂面局部燃燒溫度的降低而導(dǎo)致的顆粒物生成的抑制。
　　本文提出了基于多次噴射的當(dāng)量比混合氣濃度分區(qū)燃燒抑制爆震和顆粒物數(shù)量排放的策略。兩次噴射策略（部分燃油在進(jìn)氣沖程噴射，其余的燃油在壓縮沖程噴射）是實(shí)現(xiàn)爆震強(qiáng)度抑制的一個有效方法，但其在爆震抑制的同時會導(dǎo)致燃燒效率的下降和顆粒物排放的惡化。為此，本文的試驗(yàn)結(jié)果表明，三次噴射策

8、略（第一次噴射在進(jìn)氣沖程完成，第二和第三次噴射在壓縮沖程完成）可以在保持爆震抑制性能的基礎(chǔ)上，避免燃燒效率的急劇惡化和油耗的急劇上升，但其對顆粒物數(shù)量排放的抑制能力有限。研究表明，相比單次噴射，在進(jìn)氣沖程完成噴射的三次噴射策略可降低顆粒物數(shù)量排放達(dá)80％。借助三維CFD計算，闡明了均在進(jìn)氣沖程進(jìn)行的多次噴射中噴射時刻和噴射比例對顆粒物數(shù)量排放的機(jī)理。結(jié)果表明，降低第一次噴射量并增加噴射次數(shù)可以有效避免燃油碰壁量和促進(jìn)油氣均勻混合，從而降