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均质EGR及基于排气回流的分层EGR在GDI发动机部分负荷的应用研究

韩林沛  
【摘要】:在节能减排的大背景下,传统动力轻型车辆面临着日益严格的排放法规限制和纯电动汽车的激烈竞争,其生存压力面临着前所未有的挑战,而汽油机作为轻型车辆车载动力的主流,对汽油机燃油经济性的改善势在必行。废气再循环(EGR,Exhaust Gas Recirculation)凭借其清洁高效、容易实现的技术特点,已成为改善发动机性能的重要技术途径,汽油机使用EGR不仅可以降低中小负荷时发动机的进气泵气损失和氮氧化物排放,而且大负荷时还可以降低末端混合气的自燃概率,抑制爆震的发生,从而可以提高几何压缩比和增大点火提前角,改善发动机的燃油经济性。但汽油机EGR所面临的一个挑战是当EGR率过高时混合气会被过度稀释,火焰传播速度和燃烧稳定性明显降低,甚至会出现失火,限制了EGR在汽油机上的进一步应用。汽油机实现高EGR率旨在降低当量比燃烧模式下的进气泵气损失,提高部分负荷的燃油经济性,为了探索提高汽油机EGR容忍度的技术手段,本文在一台1.4T增压直喷汽油机上进行了均质EGR协同不同耦合策略的试验。试验结果表明:汽油机部分负荷分别使用常规高、低压EGR回路所获得的扭矩随EGR率的增大均表现为先升高后降低的变化趋势,在转速1500r/min和2500r/min的试验工况点中能够获得正收益的最大EGR率较低,仅分别为15%和10%;而对比不同EGR回路的发动机性能发现,高压EGR回路相比低压EGR回路具有更好的瞬态响应性和高EGR率易实现性,但同时也会带来各缸EGR均匀度差和增压器效率降低的问题。汽油机部分负荷采用非冷却的EGR,可以减小相同体积流量下的EGR密度,从而降低EGR作为惰性气体对燃烧的稀释作用,同时采用热EGR方式还能够提高燃烧室内混合气的热氛围,进而促进油气混合和燃烧过程。汽油机均质EGR耦合含氧燃料燃烧在微观层面可以增大碳元素和氧元素的接触反应几率,加快火焰传播速度,进而提高EGR容忍度,但宏观层面燃用含氧燃料会降低燃烧空气需求量,节气门开度随之减小,削弱了EGR对汽油机部分负荷进气泵气损失的改善效果。汽油机均质EGR耦合强进气滚流可以充分利用滚流压缩破碎以后产生的湍流运动,促进分子间的动量、质量以及热量交换,加快火焰传播速度,特别是对于大EGR率工况的燃烧改善效果更为显著。当汽油机引入加浓燃烧产生的EGR时,EGR气体中的未燃HC和CO可以作为一种气态燃料再次参加燃烧,产生更高的扭矩输出,并且气态的HC和CO在燃烧过程中还拥有较快的燃烧速度,改善了高EGR率燃烧过程的定容度。虽然采用热EGR、耦合含氧燃料、增强进气滚流、改变废气组分等措施均能够改善废气对汽油机部分负荷燃烧的抑制效果,提高EGR容忍度,但这些改善效果仍是有限的。鉴于此,本研究内容在滚流气道汽油机的基础之上提出了一种基于排气回流的新型EGR分层策略,即进气行程进气门打开的同时二次开启排气门使排气道内废气重新回流入气缸,回流废气会在进气滚流的带动下发生随滚流外围的旋转转移,在点火正时之前回流废气与缸内新鲜空气始终保持分层分布状态,并且通过排气门二次开启行为参数以及进气滚流强度的调节还可以主动控制回流废气的回流量和缸内分布位置形成有利于燃烧的EGR分层状态,从而降低近点火时刻火花塞附近的废气浓度,消除或减弱废气对燃烧的抑制作用。本文采取了仿真计算和光学测量两种手段共同研究了排气回流分层这种新型分层方案的分层效果以及不同外部参数对回流废气缸内分布位置的影响规律性。首先使用AVL Fire软件建立了滚流气道汽油机的仿真计算平台,对排气门不同二次开启行为参数、不同进气滚流强度以及不同转速和负荷的适应性展开计算,计算中根据排气门的动作特点将排气门二次开启行为参数概括为排气门不同二次开启时刻、排气门不同二次开启持续期和排气门不同二次开启升程。计算结果表明:排气门只有在进气行程中后期二次开启回流废气才能产生随进气滚流的旋转运动和形成与新鲜空气的分层分布状态,回流废气较早的进入燃烧室基本无EGR分层现象的产生。较长的排气门二次开启持续期在增大废气回流量的同时还能起到降低滚流强度的作用,并且排气门二次开启持续期越长得到的滚流强度越弱,利用这一特性可以起到对某些废气过旋转工况的抑制作用。较高的排气门二次开启升程可以增大单位时间的废气回流量,但排气门二次开启升程并不是越大越好,较大的排气门二次开启升程会降低进气滚流的推动作用,造成过多的回流废气扩散到燃烧室中心区域,不利于初期火焰的发展和传播。固定的排气门二次开启行为参数并不具备转速适应性,不同的转速需要各自优化的排气门二次开启行为参数才能获得理想的EGR分层效果。较小的进排气压差能显著增大废气回流量,并且在固定的排气门二次开启行为参数下表现出了一定的负荷适应性;但当进排气压差过大时,则需要对排气门二次开启行为参数重新优化。通过对滚流强度的控制可以实现对缸内回流废气分布位置的主动调节,使回流废气在近点火时刻停留在远离火花点火的位置。为进一步通过实验手段研究回流废气的缸内分布特性并验证计算结果的准确性,本文在自主开发的单缸光学发动机基础之上搭建了一套平面激光诱导荧光法诊断系统,用于测量回流废气的缸内分布位置,该套系统主要包括光学发动机、Nd:YAG激光器、ICCD、片光源生成镜片组、变焦紫外镜头、示踪气体生成装置等。实验用1#、2#、3#三根自制凸轮型线的排气凸轮轴分别实现进气行程后半段、进气行程前半段、较高升程和较长持续期的排气门二次开启,用节气门实现不同进排气压差,用半封堵垫片实现不同进气滚流强度。1#排气凸轮轴的测量结果表明,压缩上止点前180°CA BTDC时回流废气基本布满在燃烧室的排气侧壁面,而随着活塞上行回流废气发生了随滚流旋转方向的运动,由排气侧壁面逐步转移到燃烧室右下角和燃烧室顶部,继而再到燃烧室的进气侧壁面,回流废气在进气行程后半段进入燃烧室能够产生随进气滚流的旋转转移,且转移过程中始终保持与新鲜空气的分层分布。2#排气凸轮轴的测量结果表明,较早的排气门二次开启时刻回流废气与新鲜空气基本形成了均匀的混合气。3#排气凸轮轴的测量结果表明,长持续期和高升程凸轮轴在增大废气回流量的同时,还会产生减缓回流废气旋转幅度的作用,有利于抑制过旋转废气的产生。当进排气压差过大时,缸内负压导致回流废气快速进入气缸,产生较强的气流冲击,使得回流废气难以被有效组织。增强进气滚流能够起到加快回流废气旋转速度的作用,有利于实现回流废气缸内分布位置的主动控制。光学测量得到的回流废气缸内分布规律与仿真计算结果相同,证明了计算结果的准确性。虽然通过三维仿真计算和PLIF光学测量可以得到排气回流策略的EGR分层效果,但汽油机应用该技术策略的优劣最终还是要以燃烧性能的改善为评价标准。因此在当量比进气模式下选择EGR回流量较大且分层效果相对较好的排气门二次开启进气上止点后70-180°CA ATDC最大升程5mm工况进行初步燃烧计算,得出分层热EGR工况比分层冷EGR工况和均质冷EGR工况的缸压峰值分别高出33.94%和79.81%,燃烧改善效果明显。继而对回流废气缸内分布状态所带来的燃烧差异性进行进一步的研究,得出回流废气的缸内分布位置应尽可能远离火花塞点火区,使得可燃混合气燃烧有较大的燃烧空间和较短的火焰传播距离,且应以回流废气集中分布为控制目标,防止压缩末期废气与新鲜空气出现较厚的混合边界层。同时为对比燃油缸内喷射模式和当量比进气模式发动机的燃烧和排放性能,研究了原机多孔喷油器的喷雾特性,得出相同背压不同喷射压力下,高喷射压力下的油束贯穿距离更长,喷油结束时刻,背压0.1MPa时,9MPa喷射压力要比5MPa、1MPa喷射压力贯穿距离分别高出22.6mm和50.6mm;而喷雾锥角在整个油束发展过程中高低喷射压力的差别并不是很大,基本维持在40-50°夹角之间;相同喷射压力不同背压下,随着背压的增大,定容弹内气体对油束发展的阻碍作用增强,喷雾形状变得更为紧凑,油束贯穿距离减小,而喷雾锥角仍然变化不大。在标定后的喷雾模型基础之上计算得出,通过灵活的喷油策略和进气流动匹配可以实现EGR分层与燃油分层的共存;排气门二次开启进气上止点后70-180°CA最大升程5mm工况燃油缸内喷射模式相比当量比进气模式的燃烧性能相差不大,但爆震指数可降低两个数量级。从燃烧缸压数据和可视化火焰图像分析,使用3#排气凸轮轴实现的排气回流分层燃烧相比相同EGR体积分数的均质EGR燃烧平均缸压峰值可高出18.6%,且拥有更小的循环波动量和更短的滞燃期。


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