汽油機(jī)燃燒與排放特性分析

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1、汽油機(jī)燃燒與排放特性分析 汽油機(jī)燃燒與排放特性分析 2016/05/06 《車用發(fā)動(dòng)機(jī)雜志》2016年第一期 摘要： 自主開發(fā)了通用小型汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)，通過柔性控制混合氣濃度優(yōu)化燃燒性能和發(fā)動(dòng)機(jī)排放及其他綜合性能。將其應(yīng)用于１６８Ｆ汽油機(jī)，通過研究過量空氣系數(shù)（ａ）對(duì)整機(jī)工作過程和排放特性的影響來制訂控制策略。為滿足美國(guó)ＥＰＡ現(xiàn)行排放法規(guī)，標(biāo)定工況需使用比功率混合氣偏濃的混合氣減少ＮＯｘ排放，部分負(fù)荷采用偏稀的混合氣控制ＣＯ

2、和ＨＣ排放，同時(shí)需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)。結(jié)合優(yōu)化點(diǎn)火提前角（θ）研究形成了整機(jī)匹配的最佳ａ和θ并寫入ＭＡＰ，汽油機(jī)整機(jī)動(dòng)力性不變，排放和經(jīng)濟(jì)性能提高，能全面滿足用戶使用和美國(guó)ＥＰＡⅢ排放法規(guī)要求。 關(guān)鍵詞： 汽油機(jī)；電控系統(tǒng)；過量空氣系數(shù)；排放控制 通用小型汽油機(jī)在我國(guó)是指功率在３０ｋＷ以下的小型發(fā)動(dòng)機(jī)，而歐洲和美國(guó)等國(guó)家及地區(qū)是指功率在１９ｋＷ以下的小型發(fā)動(dòng)機(jī)［１］。其用途十分廣泛，可為發(fā)電機(jī)組、水泵、割草機(jī)、噴霧器、鏈鋸等設(shè)備提供動(dòng)力，國(guó)際上的需求量非常大［２］。在生產(chǎn)過程中為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和工作穩(wěn)定性，化油器配給的混合氣濃度比較濃，

3、必然導(dǎo)致ＨＣ和ＣＯ排放量加大。近年來美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放限值不斷加嚴(yán)，使用化油器供油的通用小型汽油機(jī)難以全面滿足排放限值和使用性能的要求，給我國(guó)出口通用小型汽油機(jī)帶來一定的困難。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從代用燃料、合理燃燒過程以及尾氣后處理技術(shù)等方面作了大量的研究［３－１０］，而對(duì)電控通用小型汽油機(jī)研究較少，已有報(bào)道的多為電控兩沖程小型汽油機(jī)［１１］。據(jù)美國(guó)ＥＰＡ官方網(wǎng)站［１２］數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，２０１４年通過ＥＰＡ排放認(rèn)證的非道路用四沖程汽油機(jī)共計(jì)８９５種機(jī)型，其中９８．７％仍是傳統(tǒng)化油器式。由于我國(guó)化油器和汽油機(jī)性能的生產(chǎn)一致性偏差較大，且用化油器式汽油機(jī)滿足排放性能后，兼顧經(jīng)濟(jì)性、起動(dòng)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性

4、等使用性能有一定的難度，因此低排放高性能的電控化通用小型汽油機(jī)是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此開發(fā)針對(duì)四沖程通用小型汽油機(jī)的電子控制系統(tǒng)具有重要意義。本研究以某１６８Ｆ汽油機(jī)為例，為其加裝電控系統(tǒng)，可以根據(jù)不同工況柔性控制混合氣濃度以及點(diǎn)火提前角，綜合優(yōu)化小型通用汽油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和起動(dòng)性能等。用測(cè)量的示功圖研究和判斷內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒工作狀態(tài)，評(píng)價(jià)分析燃燒過程［１３］，研究燃燒對(duì)改善排放的效果。過量空氣系數(shù)和點(diǎn)火性能是影響通用小型汽油機(jī)排放的主要因素，已有研究表明兩者之中過量空氣系數(shù)是主要的影響因素［１４］。本研究探討將電控系統(tǒng)應(yīng)用于１６８Ｆ汽油機(jī)以實(shí)現(xiàn)不采用后處理技術(shù)滿足美國(guó)ＥＰＡ第Ⅲ

5、階段排放法規(guī)要求的可能性，主要研究電控噴油改變過量空氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程和排放的影響。 １試驗(yàn)研究方案 １．１試驗(yàn)樣機(jī)及排放限值以１６８Ｆ通用汽油機(jī)為研究對(duì)象，其主要參數(shù)見表１。１９９５年，美國(guó)ＥＰＡ制定了世界上首個(gè)針對(duì)通用小型汽油機(jī)的排放法規(guī)，該法規(guī)第Ⅰ階段限值于１９９７年正式實(shí)施。２０１１年開始，ＥＰＡ第Ⅲ階段排放法規(guī)逐步實(shí)施。中國(guó)和歐盟目前執(zhí)行第Ⅱ階段法規(guī)，其排放限值與ＥＰＡ第Ⅱ階段排放限值相同，測(cè)試方法等基本一致。從第Ⅱ階段開始在使用壽命期內(nèi)進(jìn)行排放考核。ＥＰＡ第Ⅲ階段排放法規(guī)是目前世界上最嚴(yán)格的通用小型汽油機(jī)排放法規(guī)，１６８Ｆ汽油機(jī)對(duì)應(yīng)的排放限值見表

6、２。 １．２電控燃油噴射系統(tǒng)工作原理電控燃油噴射系統(tǒng)使用傳感器獲得進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、節(jié)氣門位置和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工況，ＥＣＵ根據(jù)當(dāng)前工況下進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量及目標(biāo)空燃比計(jì)算所需基本噴油量。使用氣缸頭部溫度對(duì)基本噴油量進(jìn)行修正，得到最終噴油量。ＥＣＵ根據(jù)噴油器特性及最終噴油量計(jì)算噴油脈寬，將該噴油脈寬信號(hào)傳輸給噴油器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的供油量控制。ＥＣＵ確定噴油脈寬的控制流程見圖１。 １．３試驗(yàn)研究方案圖２示出試驗(yàn)系統(tǒng)示意。試驗(yàn)是在電渦流測(cè)功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，通過測(cè)功機(jī)調(diào)整樣機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，獲得穩(wěn)定的預(yù)定測(cè)量工況，用ＫＩＳＴＬＥＲ５１１７ＢＦＤ１７火花塞式壓力傳感

7、器測(cè)取氣缸壓力信號(hào)輸入到燃燒分析儀，通過ＤＥＷＥＴＲＯＮ－８００燃燒分析儀可以獲得氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，即示功圖。測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火時(shí)的壓縮線，用熱力學(xué)法分析求得汽油機(jī)熱力上止點(diǎn)位置。通過標(biāo)定軟件改變噴油持續(xù)期來改變運(yùn)行工況的過量空氣系數(shù)，測(cè)量不同過量空氣系數(shù)下的示功圖數(shù)據(jù)、汽油機(jī)功率、有效燃油消耗率和排放等，并確定綜合性能優(yōu)化的方案，對(duì)噴油脈寬標(biāo)定時(shí)汽油機(jī)保持１８點(diǎn)火提前角不變。 ２試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析 ２．１示功圖的測(cè)試與排放分析在示功圖測(cè)試過程中，定義內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定功率下的負(fù)荷為１００％負(fù)荷工況。試驗(yàn)以１轉(zhuǎn)角分辨率測(cè)量不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖。圖

8、３示出由電控樣機(jī)３６００ｒ／ｍｉｎ，１００％負(fù)荷工況點(diǎn)示功圖計(jì)算得出的缸內(nèi)最高燃燒壓力、最高燃燒溫度以及ＮＯｘ排放值隨過量空氣系數(shù)（ａ）的變化關(guān)系。圖４示出不同過量空氣系數(shù)下瞬時(shí)放熱率和燃燒持續(xù)期（累計(jì)放熱率為１０％和９０％所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的差值）的變化。通過電控系統(tǒng)改變噴油脈寬來控制ａ在０．８～０．９３之間。由圖中可以看出，ａ為０．８８時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率峰值最大，氣缸內(nèi)最高燃燒壓力最大，約為４．７６ＭＰａ。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性最優(yōu)，混合氣濃度為功率混合氣。ａ偏離０．８８時(shí)，氣缸壓力和放熱率峰值均下降。ａ在０．８～０．９３之間缸內(nèi)燃燒溫度隨混合氣濃度變稀而降低，但都超過２０００Ｋ，ａ大于

9、０．８８時(shí)，最高燃燒溫度下降變緩，說明氧含量增加不僅使燃燒更加完善，同時(shí)可以降低燃燒速度。氧含量增加有利于ＮＯｘ的生成，因此隨ａ增大ＮＯｘ排放呈增加趨勢(shì)。按照美國(guó)ＥＰＡ法規(guī)要求進(jìn)行測(cè)試循環(huán)，計(jì)算比排放量時(shí)不同工況設(shè)有不同的加權(quán)系數(shù)。汽油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下加權(quán)系數(shù)并不代表各工況尾氣排放中ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ的排放值占總排放量的比例，各工況排放值占總排放量的比例需引入單工況分擔(dān)率的概念［１５］。利用分擔(dān)率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放進(jìn)行分析，才能說明發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況排放量對(duì)整機(jī)排放值的貢獻(xiàn)和影響。１００％，７５％，５０％負(fù)荷工況ＮＯｘ的分擔(dān)率達(dá)８９．５％［１６］。因此中大負(fù)荷需控制過量空氣系數(shù)，降低ＮＯｘ排放，重點(diǎn)優(yōu)化

10、發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。依據(jù)美國(guó)ＥＰＡ法規(guī)，１６８Ｆ汽油機(jī)的ＨＣ＋ＮＯｘ排放限值為１０ｇ／（ｋＷｈ），ＣＯ排放限值為６１０ｇ／（ｋＷｈ），參考已有研究結(jié)果［１７－１８］和電控系統(tǒng)測(cè)得的排放值，采用電控系統(tǒng)后，節(jié)氣門喉口直徑適當(dāng)加大，進(jìn)氣量增大，標(biāo)定功率提高的同時(shí)，ＨＣ排放值明顯低于采用化油器的結(jié)果（見圖４），標(biāo)定工況點(diǎn)ａ在０．８６左右時(shí)，電控樣機(jī)有可能滿足法規(guī)限值要求。圖５示出在３６００ｒ／ｍｉｎ時(shí)電控樣機(jī)各排放物排放量和有效燃油消耗率隨ａ的變化關(guān)系。由圖可以看出，隨著ａ增加，ＨＣ和ＣＯ排放呈減小趨勢(shì)，ＮＯｘ排放呈增大趨勢(shì)，有效燃油消耗率呈降低趨勢(shì)。在相同的ａ下，ＣＯ和ＨＣ隨負(fù)荷變化不大，而Ｎ

11、Ｏｘ排放隨負(fù)荷增加呈快速增大趨勢(shì)。由ＮＯｘ產(chǎn)生機(jī)理可知，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)燃燒溫度升高，促進(jìn)了ＮＯｘ的生成。因此在大負(fù)荷工況下需要較小的ａ來抑制ＮＯｘ的產(chǎn)生。在５０％以上負(fù)荷工況時(shí)可將ａ設(shè)置在０．８６～０．９０之間，且隨著負(fù)荷增加逐步減小。 ２．２燃燒循環(huán)波動(dòng)研究燃燒循環(huán)波動(dòng)是汽油機(jī)燃燒過程的一大特征，它是指發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，相鄰循環(huán)燃燒過程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在壓力曲線及發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出均不相同［１９］。小負(fù)荷時(shí)過量空氣系數(shù)過大會(huì)引起汽油機(jī)燃燒的循環(huán)波動(dòng)大［２０］，造成工作穩(wěn)定性變差，甚至造成汽油機(jī)的游車。平均指示壓力（ｐｉ）的循環(huán)波動(dòng)被認(rèn)為是評(píng)價(jià)燃燒循環(huán)變動(dòng)的

12、最佳參數(shù)，用ｐｉ的統(tǒng)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差ＳＤ（ｐｉ）、變動(dòng)率（標(biāo)準(zhǔn)偏差／平均值）ＣＶ（ｐｉ）定量地評(píng)定循環(huán)變動(dòng)的方法已為大家普遍采用［２１］。本研究通過連續(xù)采集試驗(yàn)工況下１００個(gè)工作循環(huán)的示功圖，分析在低負(fù)荷和怠速工況時(shí)過量空氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)的影響。平均指示壓力變動(dòng)率計(jì)算由下式給出。 ２．３ａ控制策略從上述可知，發(fā)動(dòng)機(jī)接近滿負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加，此時(shí)需要降低ａ來抑制ＮＯｘ的生成，將ａ設(shè)置在０．８６左右，兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，此時(shí)ＮＯｘ排放處于急速上升前期，排放值較低。在５０％以下負(fù)荷時(shí)由于ＮＯｘ排放量較小，過量空氣系數(shù)的確定應(yīng)以汽油機(jī)工作穩(wěn)定為前提，綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排放等

13、性能，可以將ａ設(shè)置在０．９０～０．９６之間。對(duì)比３６００ｒ／ｍｉｎ時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)各負(fù)荷的過量空氣系數(shù)，采用電控系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)各負(fù)荷過量空氣系數(shù)均增大，且隨著負(fù)荷變化柔性控制。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)各方面性能，樣機(jī)采用電控系統(tǒng)后標(biāo)定轉(zhuǎn)速ａ控制策略見圖７。 ２．４電控汽油機(jī)與原機(jī)性能對(duì)比為了對(duì)比電控１６８Ｆ汽油機(jī)與原機(jī)的整機(jī)性能，對(duì)其進(jìn)行外特性試驗(yàn)，結(jié)果見圖８。從圖８可看出，１６８Ｆ汽油機(jī)使用電控燃油系統(tǒng)后，在保證動(dòng)力性的前提下改善了經(jīng)濟(jì)性。標(biāo)定工況有效燃油消耗率為３４３．９ｇ／（ｋＷｈ），比原機(jī)降低了１．３％；在轉(zhuǎn)速為３２００ｒ／ｍｉｎ時(shí)，有效燃油消耗率達(dá)到最低值，僅為３２４．７ｇ／（ｋＷｈ

14、），比原機(jī)降低了３．４％。對(duì)以上設(shè)定ａ控制目標(biāo)的電控樣機(jī)，結(jié)合優(yōu)化后的點(diǎn)火提前角進(jìn)行排放測(cè)試，并與化油器式原機(jī)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果見表３。采用電控系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)ＣＯ排放值為２４０．３ｇ／（ｋＷｈ），ＨＣ＋ＮＯｘ排放值為５．６１ｇ／（ｋＷｈ），遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，有足夠的劣化余量滿足排放法規(guī)要求。ＣＯ排放值較原機(jī)降低４１．４％，ＨＣ和ＮＯｘ排放相對(duì)于原機(jī)分別降低了６４．２％和３２．３％。在不使用后處理技術(shù)時(shí)原機(jī)的ＨＣ＋ＮＯｘ排放無法滿足ＥＰＡⅢ階段排放限值，而電控樣機(jī)達(dá)到了ＥＰＡⅢ階段排放限值要求。 ３結(jié)論 ａ）采用電控系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)各工況ａ可實(shí)現(xiàn)柔性控制；１６８Ｆ汽油

15、機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)ａ為０．８８時(shí)缸內(nèi)是功率混合氣，氣缸壓力和放熱率峰值均最大，混合氣變稀氧含量增加使燃燒更加完善，燃燒速度降低；標(biāo)定工況ａ在０．８０～０．９３之間，ＮＯｘ排放隨ａ增大呈增加趨勢(shì)；而部分負(fù)荷時(shí)，ａ增大有利于ＨＣ，ＣＯ排放和燃油消耗率的降低，ＮＯｘ排放略有增大，有利于整機(jī)ＨＣ＋ＮＯｘ的降低；發(fā)動(dòng)機(jī)在３６００ｒ／ｍｉｎ時(shí)，ａ宜控制在０．８６～０．９６之間，且隨著負(fù)荷增加逐步減??；ｂ）使用設(shè)定的ａ控制目標(biāo)結(jié)合優(yōu)化后的點(diǎn)火提前角，電控汽油機(jī)整機(jī)ＣＯ排放值為２４０．３ｇ／（ｋＷｈ），ＨＣ＋ＮＯｘ排放值為５．６１ｇ／（ｋＷｈ），整機(jī)排放值較原機(jī)明顯降低，經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高，不使用后處理技術(shù)能達(dá)到美國(guó)ＥＰＡⅢ階段排放限值要求，且有潛力滿足更加嚴(yán)格的排放法規(guī)。