汽油机燃烧与排放特性分析

汽油机燃烧与排放特性分析汽油机燃烧与排放特性分析 2016/05/06 车用发动机杂志2016年第一期摘要：自主开发了通用小型汽油机电控燃油喷射系统，通过柔性控制混合气浓度优化燃烧性能和发动机排放及其他综合性能。将其应用于汽油机，通过研究过量空气系数（）对整机工作过程和排放特性的影响来制订控制策略。为满足美国现行排放法规，标定工况需使用比功率混合气偏浓的混合气减少排放，部分负荷采用偏稀的混合气控制和排放，同时需要控制发动机的循环波动。结合优化点火提前角（）研究形成了整机匹配的最佳和并写入，汽油机整机动力性不变，排放和经济性能提高，能全面满足用户使用和美国排放法规要求。关键词：汽油机；电控系统；过量空气系数；排放控制通用小型汽油机在我国是指功率在以下的小型发动机，而欧洲和美国等国家及地区是指功率在以下的小型发动机。其用途十分广泛，可为发电机组、水泵、割草机、喷雾器、链锯等设备提供动力，国际上的需求量非常大。在生产过程中为了保证发动机的功率和工作稳定性，化油器配给的混合气浓度比较浓，必然导致和排放量加大。近年来美国等发达国家对发动机的排放限值不断加严，使用化油器供油的通用小型汽油机难以全面满足排放限值和使用性能的要求，给我国出口通用小型汽油机带来一定的困难。国内外学者从代用燃料、合理燃烧过程以及尾气后处理技术等方面作了大量的研究，而对电控通用小型汽油机研究较少，已有报道的多为电控两冲程小型汽油机。据美国官方网站数据统计，年通过排放认证的非道路用四冲程汽油机共计种机型，其中仍是传统化油器式。由于我国化油器和汽油机性能的生产一致性偏差较大，且用化油器式汽油机满足排放性能后，兼顾经济性、起动性能和运行稳定性等使用性能有一定的难度，因此低排放高性能的电控化通用小型汽油机是未来发展的必然趋势，因此开发针对四冲程通用小型汽油机的电子控制系统具有重要意义。本研究以某汽油机为例，为其加装电控系统，可以根据不同工况柔性控制混合气浓度以及点火提前角，综合优化小型通用汽油机的动力性、经济性、排放性能和起动性能等。用测量的示功图研究和判断内燃机缸内燃烧工作状态，评价分析燃烧过程，研究燃烧对改善排放的效果。过量空气系数和点火性能是影响通用小型汽油机排放的主要因素，已有研究表明两者之中过量空气系数是主要的影响因素。本研究探讨将电控系统应用于汽油机以实现不采用后处理技术满足美国第阶段排放法规要求的可能性，主要研究电控喷油改变过量空气系数对发动机燃烧过程和排放的影响。试验研究方案试验样机及排放限值以通用汽油机为研究对象，其主要参数见表。年，美国制定了世界上首个针对通用小型汽油机的排放法规，该法规第阶段限值于年正式实施。年开始，第阶段排放法规逐步实施。中国和欧盟目前执行第阶段法规，其排放限值与第阶段排放限值相同，测试方法等基本一致。从第阶段开始在使用寿命期内进行排放考核。第阶段排放法规是目前世界上最严格的通用小型汽油机排放法规，汽油机对应的排放限值见表。电控燃油喷射系统工作原理电控燃油喷射系统使用传感器获得进气温度、进气压力、节气门位置和发动机转速等参数判断发动机工况，根据当前工况下进入气缸的空气质量及目标空燃比计算所需基本喷油量。使用气缸头部温度对基本喷油量进行修正，得到最终喷油量。根据喷油器特性及最终喷油量计算喷油脉宽，将该喷油脉宽信号传输给喷油器实现运行工况的供油量控制。确定喷油脉宽的控制流程见图。试验研究方案图示出试验系统示意。试验是在电涡流测功机台架上进行，通过测功机调整样机转速和负荷，获得稳定的预定测量工况，用火花塞式压力传感器测取气缸压力信号输入到燃烧分析仪，通过燃烧分析仪可以获得气缸压力随曲轴转角的变化情况，即示功图。测量发动机不点火时的压缩线，用热力学法分析求得汽油机热力上止点位置。通过标定软件改变喷油持续期来改变运行工况的过量空气系数，测量不同过量空气系数下的示功图数据、汽油机功率、有效燃油消耗率和排放等，并确定综合性能优化的方案，对喷油脉宽标定时汽油机保持点火提前角不变。试验内容与结果分析示功图的测试与排放分析在示功图测试过程中，定义内燃机在标定转速标定功率下的负荷为负荷工况。试验以转角分辨率测量不同工况下发动机的示功图。图示出由电控样机，负荷工况点示功图计算得出的缸内最高燃烧压力、最高燃烧温度以及排放值随过量空气系数（）的变化关系。图示出不同过量空气系数下瞬时放热率和燃烧持续期（累计放热率为和所对应的曲轴转角的差值）的变化。通过电控系统改变喷油脉宽来控制在之间。由图中可以看出，为时，发动机放热率峰值最大，气缸内最高燃烧压力最大，约为。此时发动机动力性最优，混合气浓度为功率混合气。偏离时，气缸压力和放热率峰值均下降。在之间缸内燃烧温度随混合气浓度变稀而降低，但都超过，大于时，最高燃烧温度下降变缓，说明氧含量增加不仅使燃烧更加完善，同时可以降低燃烧速度。氧含量增加有利于的生成，因此随增大排放呈增加趋势。按照美国法规要求进行测试循环，计算比排放量时不同工况设有不同的加权系数。汽油机标定转速下加权系数并不代表各工况尾气排放中，的排放值占总排放量的比例，各工况排放值占总排放量的比例需引入单工况分担率的概念。利用分担率对发动机的排放进行分析，才能说明发动机各个工况排放量对整机排放值的贡献和影响。，负荷工况的分担率达。因此中大负荷需控制过量空气系数，降低排放，重点优化发动机排放性能。依据美国法规，汽油机的排放限值为（），排放限值为（），参考已有研究结果和电控系统测得的排放值，采用电控系统后，节气门喉口直径适当加大，进气量增大，标定功率提高的同时，排放值明显低于采用化油器的结果（见图），标定工况点在左右时，电控样机有可能满足法规限值要求。图示出在时电控样机各排放物排放量和有效燃油消耗率随的变化关系。由图可以看出，随着增加，和排放呈减小趋势，排放呈增大趋势，有效燃油消耗率呈降低趋势。在相同的下，和随负荷变化不大，而排放随负荷增加呈快速增大趋势。由产生机理可知，当负荷增大时燃烧温度升高，促进了的生成。因此在大负荷工况下需要较小的来抑制的产生。在以上负荷工况时可将设置在之间，且随着负荷增加逐步减小。燃烧循环波动研究燃烧循环波动是汽油机燃烧过程的一大特征，它是指发动机在某一工况稳定运行时，相邻循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线及发动机功率输出均不相同。小负荷时过量空气系数过大会引起汽油机燃烧的循环波动大，造成工作稳定性变差，甚至造成汽油机的游车。平均指示压力（）的循环波动被认为是评价燃烧循环变动的最佳参数，用的统计参数标准偏差（）、变动率（标准偏差平均值）（）定量地评定循环变动的方法已为大家普遍采用。本研究通过连续采集试验工况下个工作循环的示功图，分析在低负荷和怠速工况时过量空气系数对发动机燃烧循环波动的影响。平均指示压力变动率计算由下式给出。控制策略从上述可知，发动机接近满负荷时发动机热负荷增加，此时需要降低来抑制的生成，将设置在左右，兼顾发动机动力性，此时排放处于急速上升前期，排放值较低。在以下负荷时由于排放量较小，过量空气系数的确定应以汽油机工作稳定为前提，综合考虑发动机排放等性能，可以将设置在之间。对比时发动机各负荷的过量空气系数，采用电控系统后发动机各负荷过量空气系数均增大，且随着负荷变化柔性控制。综合考虑发动机各方面性能，样机采用电控系统后标定转速控制策略见图。电控汽油机与原机性能对比为了对比电控汽油机与原机的整机性能，对其进行外特性试验，结果见图。从图可看出，汽油机使用电控燃油系统后，在保证动力性的前提下改善了经济性。标定工况有效燃油消耗率为（），比原机降低了；在转速为时，有效燃油消耗率达到最低值，仅为（），比原机降低了。对以上设定控制目标的电控样机，结合优化后的点火提前角进行排放测试，并与化油器式原机进行对比，测试结果见表。采用电控系统后发动机排放值为（），排放值为（），远低于标准限值，有足够的劣化余量满足排放法规要求。排放值较原机降低，和排放相对于原机分别降低了和。在不使用后处理技术时原机的排放无法满足阶段排放限值，而电控样机达到了阶段排放限值要求。结论）采用电控系统后发动机各工况可实现柔性控制；汽油机标定工况点为时缸内是功率混合气，气缸压力和放热率峰值均最大，混合气变稀氧含量增加使燃烧更加完善，燃烧速度降低；标定工况在之间，排放随增大呈增加趋势；而部分负荷时，增大有利于，排放和燃油消耗率的降低，排放略有增大，有利于整机的降低；发动机在时，宜控制在之间，且随着负荷增加逐步减小；）使用设定的控制目标结合优化后的点火提前角，电控汽油机整机排放值为（），排放值为（），整机排放值较原机明显降低，经济性得到显著提高，不使用后处理技术能达到美国阶段排放限值要求，且有潜力满足更加严格的排放法规。