空燃比控制对分层稀燃发动机性能的影响

收稿日期: 2002 04 17 3 国家自然科学基金资助项目 (项目编号: 59936130) 和天津自然科学基金重点资助项目 (项目编号: 993803111) 于善颖 天津大学天津内燃机研究所 工程师 博士生, 300072 天津市 刘德新 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 副教授 刘书亮 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 教授 博士生导师
1 电控发动机分层稀燃的实现
分层稀燃的概念是: 在着火时刻, 火花塞周围分
布适于着火的浓混合气, 而在燃烧室的其他部分则 是较稀的混合气, 浓、稀区域之间混合气自然分层。 为了研究油气混合对稀燃发动机性能的影响, 开发 了如图 1 所示的电控发动机实验系统, 可以方便地 对各项参数进行调节, 以实现发动机性能的优化。实 验样机为自行改造的单缸四气门发动机 (参数见 表 1) , 火花塞中心布置, 有两个进气道, 其中一个进 气道中装有喷油器, 另外一个进气道中设有一个涡 流控制阀 (SCV ) , 通过改变它的开度可以实现不同 强度的进气涡流。 逐渐减小 SCV 的开度, 直至完全 关闭该气道, 能够形成沿气缸圆周方向的涡流、与气 缸轴线垂直的滚流所合成的斜轴涡流, 从而形成以
Key words Ga so line eng ines, L ean bu rn, A ir fuel ra t io , Em ission s
引言
20 世纪 60 年代以来, 汽车技术发展突飞猛进, 汽车拥有量也急速增加。 由于石油资源的有限性和 不可再生性, 以及日益恶化的环境污染等问题, 节能 和环保成为人们日益关注的议题。 分层稀薄燃烧汽 油机可以大幅度改善其燃油经济性, 降低排放指标, 提高发动机的抗爆震性能[1], 因此对它的研究已成 为目前汽油机研究的热点。
图 4 空燃比对 CO 排放的影响
图 2 SCV 在发动机上的安装位置 1. SCV 2. 喷油器 3. 进气门 4. 火花塞 5. 排气门
2 空燃比的控制系统及对性能的影响
211 空燃比控制系统
图 5 空燃比对 HC 排放的影响
对于电控发动机, 喷油控制与进气量控制是密
切相关的, 精确地控制混合气的浓度, 也就是空燃
2003年9月
农业机械学报
第 34 卷 第 5 期
空燃比控制对分层稀燃发动机性能的影响3
于善颖 刘德新 刘书亮
【摘要】 在一侧进气道设置有涡流控制阀 (SCV ) 的四气门单缸实验发动机上, 利用自行开发的电控稀燃系 统, 对该分层稀燃发动机空燃比对排放和油耗的影响进行了研究。实验结果表明, 混合气空燃比的精确控制对分层
Yu Shanying L iu D ex in L iu Shu liang (T ianj in U n iv ersity )
A b stra c t
In th is p ap er, a sing le cylinder and fou r va lve st ra t ifica t ion cha rge lean bu rn ga so line eng ine, in tha t a sw irl con t ro l va lve (SCV ) w a s set in an in take po rt of dua l in take po rt and p roduced sw irl m o t ion, ba sed on a self2develop ed elect ric con t ro l lean bu rn system w a s stud ied. T he effect of a ir fuel ra t io fo r fuel con sum e and em ission s of the fou r va lve st ra t ifica t ion cha rge lean bu rn ga so line eng ine w a s invest iga ted. T he resu lt show s tha t an accu ra te con t ro l of a ir fuel ra t io ha s an im po rtan t sign ificance fo r com bu st ion p rocess of st ra t ifica t ion cha rge lean bu rn ga so line eng ine, and it can increa se sp eed of flam e t ran sm it and reduce HC on the h igh a ir fuel ra t io , w h ich a re keys to im p rove fuel econom y and reduce em ission s.
图 6 空燃比对 NO x 排放的影响
21 2 空燃比对排放性能的影响 从图 4～ 图 6 中的排放曲线可以看出, 3 种有害
排放物的变化趋势并不相同。从图 4 中可以看出, 随
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由以上分析可以了解到, 增加火焰的传播速度 是改善燃烧、提高燃油经济性的一个非常重要的因 素。可以从以下几个方面采取措施: 缩短火焰的发展 期, 也就是首先保障初期火焰的形成; 加快燃烧速 度, 也就是增加缸内混合气的湍流强度等。可以针对 不同的情况, 采取不同的措施。
3 结论
(1) 混合气空燃比的精确控制对分层稀燃发动 机的燃烧有重要意义, 作为混合气浓度最直观参数 的空燃比的变化, 直接影响发动机的经济性和排放 性能。
值较高, 氧浓度也较高, 适于NO x 的产生, 而随空燃 比的继续增加, 虽然氧的浓度也继续增加, 然而燃烧 温度已经逐渐降低了, 因此NO x 的排放反而呈下降 的趋势。 当空燃比达到 24 后, 与理论空燃比时的 NO x 排放相比, 减少了近 97%。 因此, 可以认为, 空 燃比的增加对降低NO x 的排放是非常有效的, 即稀 混合气燃烧有利于改善NO x 的排放。
表 1 发动机参数
参数 排量 L 缸径×冲程 mm 压缩比 燃烧室形状 气门数 气门驱动方式 进气门正时 排气门正时
数值或形式
01934 10116×11413 815 蓬顶形 4 (2 进, 2 排)
DO HC 26°BTDC～ 50°ABDC 52°BBDC～ 24°A TDC
国外汽车公司基本都是以 25 km h 行驶速度 为典型工况研究发动机的稀燃性能[4] (此工况发动 机转速为 1 500 r m in、平均有效压力 0129 M Pa)。 图 4～ 图 6 是本研究在改装的稀燃汽油机上获得的 3 种主要排放物随空燃比变化的曲线 (SCV 控制阀 全开)。
比, 是实现良好燃烧的基础。在稀混合气燃烧发动机
上, 必 须 采 用 稀 燃 氧 传 感 器 ( un iversa l exhau sted
ga s ox igen2sen so r, U EGO )。 与普通开关型氧传感
器只适用于理论空燃比 (1417) 附近的混合气浓度不 同, 稀燃氧传感器的输出信号与废气中氧的浓度基 本呈线性关系[3], 可以测得混合气的平均空燃比浓 度, 测量的范围也比较宽广 (空燃比为 10～ 30)。 由 于国内在这方面起步较晚, 所以U EGO 信号的数字
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2 0 0 3 年
火花塞为中心的由浓到稀的混合气分层分布。 该发 动机的机构布置如图 2 所示。 在部分负荷时, 关闭 SCV 阀使用单气道进气, 可在缸内形成较强的涡 流, 该涡流在压缩后期逐渐衰减, 但涡流一直保持到 压缩行程上止点。通过控制喷油时刻, 使喷油器在进 气后期喷油, 使油气混合气最后进入气缸, 这样气缸 内就达到了上浓下稀的涡流轴向分层效果[ 2 ]。
渐下降, 当空燃比达到 18 左右, 油耗降到最低。油耗 下降的主要原因是: 不断开大节气门, 增加吸入的空 气量使混合气逐渐变稀造成的, 此时进气阻力减小, 泵气损失也减小。 此外, 工质的绝热指数增大, 加之
图 7 空燃比对油耗的影响
燃烧温度低, 传热损失和高温离解损失也有所减小。 由图 7 还可看到, 超过油耗最低点后, 随空燃比的继 续增大, 油耗却逐渐升高。 其原因是: 在最低油耗点 的节气门开度已经较大, 再开大节气门, 对减少节流 损失意义不大; 随空燃比的增加, 火焰传播速度减 慢, 增加了时间损失; 随空燃比的继续增加, 最佳点 火提前角不得不再提前, 从而使压缩负功增加。
化、显示及反馈控制系统均需自行开发。空燃比控制 系统如图 3 所示。 由U EGO 采集的空燃比信号, 与 由节气门位置传感器、曲轴转角传感器、扭矩仪等所 采集信号一起经数据输入接口、A D 转换卡进入计 算机; 计算机产生的控制信号再经数据输出接口分 别传给汽油泵、喷油器、火花塞等执行器, 实现整个 发动机的空燃比控制。
第 5 期
于善颖 等: 空燃比控制对分层稀燃发动机性能的影响
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空燃比的增加, CO 的排放迅速减少。采用理论空燃 比(1417) 时, CO 的排放为 113% ; 当空燃比增加到 24 时, 与理论混合气时的 CO 排放相比, 减少了近 90%。 这可作如下的简单解释: 当空燃比较小时 (小 于 1417) , 因氧气不足, 含碳分子燃烧不完全, CO 的 生成较多; 而当空燃比大于 1417 时, 由于氧气较为 充足, 工质的燃烧较充分, CO 的生成量减少。HC 生 成原因较为复杂, 对其机理至今也没有一个完整的 解释, 或者提出一个较为实用的预测模型。但就已有 的研究成果, HC 的来源可以概括为: 活塞及气门周 围的间隙、油膜的粘附及蒸发、气缸壁面的冷却、气 门重叠及泄漏等因素。从燃烧方面来说, 油气混合不 良、燃烧恶化也会导致 HC 排放的增加。从图 5 可以 看出, HC 排放曲线在空燃比为 18～ 19 时出现最小 值 (比理论混合比时约低 45% ) , 空燃比低于或高于 这个值, HC 的排放都会增加。 对此作如下解释: 在 空燃比过小的情况下, 由于氧气浓度较低, 燃烧不完 全, 因此产生的 HC 量增加; 另外, 空燃比过小, 混合 气过浓, 燃烧热量增大, 燃烧室温度升高, 也容易造 成较大分子的碳氢燃料离解成较小分子的碳氢物
稀燃发动机的燃烧有重要意义; 增加火焰的传播速度, 抑制高空燃比下 HC 的生成, 是提高燃油经济性和改善排放
性能的关键因素。
关键词: 汽油机 稀薄燃烧 空燃比 排放
中图分类号: T K411+ 125
文献标识码: A
Effect of Ar i Fuel Ra tio Con trol on Stra tif ica tion Charge L ean Burn Ga sol ine Eng ine
质, 若没有再发生进一步的氧化反应, 就会以未燃 HC 的形式直接排出。 对于空燃比过大时的情况, HC 生成的主要原因是燃烧火焰的冷却 (也就是火 焰传播的中断)。由图 6 可以看出, 随空燃比的增大, NO x 的排放也在增加, 在稍高于理论空燃比时, 它 的生成量达到最高值。 这是由于此时的燃烧温度峰
从以上 3 种有害排放物随空燃比的变化趋势可 以看出, 增加混合气的空燃比对降低 CO、NO x 的排 放都有利, 但是恶化了 HC 的排放, 所以对于改善排 放来说, 实现稀燃的关键是能够在高的空燃比下抑 制 HC 的生成。
213 空燃比对经济性的影响 从图 7 中可以看出, 随混合气逐渐变稀, 油耗逐