關(guān)于換氣可變性在轎車柴油機上的潛力分析介紹

全球熱議的關(guān)于降低原始排放及滿足當今和未來廢氣排放限值要求的技術(shù)可用于轎車柴油機的可變氣門機構(gòu)。在內(nèi)燃機研究聯(lián)合會研究計劃范圍內(nèi)，RWTH Aachen大學的內(nèi)燃機教授對可變氣門機構(gòu)在轎車柴油機上的潛力進行了模擬和試驗研究，并最終對其作出評價，研究結(jié)果可用于進一步改善廢氣溫度管理和瞬態(tài)性能（加速響應性能和廢氣排放）。

1起因

當今發(fā)動機的開發(fā)要求是減少有害物和CO2排放,以滿足未來廢氣排放法規(guī)和公司平均限值的要求。因存在即將實施其他認證循環(huán)的可能性，例如全球統(tǒng)一的輕型載貨車試驗規(guī)范，開發(fā)人員將面臨更大的挑戰(zhàn)[1]。這種行駛循環(huán)要求進行持續(xù)的廢氣溫度管理，尤其是對于低部分負荷和冷起動運行工況，以便能使排氣后處理系統(tǒng)高效地運行。

減少CO2排放會使廢氣溫度降低，特別是在低部分負荷范圍內(nèi)會導致氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）中碳氫化合物（HC）和CO轉(zhuǎn)化率的明顯降低，倘若廢氣溫度低于DOC的起燃溫度，那么，降低機內(nèi)CO和HC排放就顯得更為重要。通過應用可變氣門機構(gòu)能開辟空氣系統(tǒng)新的自由度，以便能明顯提高廢氣溫度，并且不存在廢氣排放達到臨界范圍的重大缺陷，例如能在燃燒穩(wěn)定性較高的同時，在低部分負荷范圍內(nèi)進行柴油顆粒捕集器（DPF）再生或降氮氧化物（NOx）[2]。此外，通過調(diào)整配氣正時提高氣缸中的殘余廢氣含量，就能在低NOx水平下進行DPF再生，從而獲得低的再生系數(shù)（KI系數(shù)）。通過使用可變氣門機構(gòu)也能影響氣缸中充量的流動特性和非穩(wěn)態(tài)運行性能。

2研究策略及實施

在單缸試驗機上和部分整機上進行發(fā)動機試驗研究，而單缸試驗機是從整機演變而來的。2種發(fā)動機均應用最高噴油壓力為200 MPa的共軌噴油系統(tǒng)，為了確保獲得足夠的氣缸充氣和最佳的充量運動，進氣道被分別設(shè)計成充氣氣道和切向進氣道，而且2個進氣門上都有座面渦流倒棱，以優(yōu)化充量運動。通過減小壓縮比、提高最高氣缸壓力和噴油壓力，以及改善冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）使顆粒（PM）排放降至最低，因而無須采取主動的降NOx措施，就能達到歐6排放標準要求。有關(guān)這2種發(fā)動機的詳細信息可參見表1和文獻[3]～[5]。

表1 HECS燃燒過程特性參數(shù)

將4個運行工況點作為試驗研究的基礎(chǔ)，其中3個運行工況點位于對慣性質(zhì)量1 590 kg等級車輛在新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）中具有重要意義的特性曲線場范圍內(nèi),而各運行工況點的預噴射持續(xù)期、預噴射與主噴射之間的間距、進氣管壓力、增壓空氣中冷器后的溫度和燃燒重心保持不變,并按歐6排放標準進行標定，與主噴射的噴油量和噴油時刻相匹配，以調(diào)整到所需的負荷和燃燒重心，保持燃燒重心位置，避免因燃燒重心位置不同而使燃油耗有所變化，從而使廢氣排放的偏差直接與氣門機構(gòu)的可變性相關(guān)，而不會導致不良的燃燒過程。

3氣門機構(gòu)可變性的研究

可以采用模擬和試驗方法挖掘可變氣門機構(gòu)的潛力，并對其結(jié)果進行評估。驗研究的目標是使排氣后處理與低燃油耗之間達到最佳折中。所試驗的氣門機構(gòu)可變性示于圖1，詳細信息可參閱文獻[6]～[7]。圖1包括進排氣門的相位調(diào)整、可變氣門升程和開啟持續(xù)期及其組合等試驗方案，總共試驗了10種不同的氣門可變性。圖1中的方案1示出了減小進氣門升程的情況，方案2和方案4示出了排氣門或進排氣門的相位調(diào)整情況，方案3 試驗了排氣門附加凸輪的潛力，方案5示出了進氣門相位調(diào)整與排氣門關(guān)閉時間變化而開啟時間保持不變的組合，方案6和方案7試驗了縮短氣門升程或開啟持續(xù)期對進排氣的影響，而方案8、方案9和方案10 則觀察了進氣、排氣或進排氣升程或開啟持續(xù)期變化的情況。

4 一維換氣模擬

采用一維換氣過程模擬計算設(shè)計轎車柴油機氣門可變性。采用兩級增壓及高壓和低壓廢氣再循環(huán)(EGR),并以為部分負荷調(diào)整的模擬模型作為基準，運行工況點定義的邊界條件是穩(wěn)態(tài)的負荷、增壓壓力和殘余廢氣量（各自進行調(diào)節(jié)），通過確定邊界條件，就能假定放熱率近似不變。

借助于一維換氣過程計算，對進排氣側(cè)不同氣門升程曲線的配氣相位和長度（升程和開啟持續(xù)期）的應用范圍逐點對廢氣溫度的升高和燃油耗的增加進行試驗。在用一維換氣計算進行分析時，應考慮到覆蓋寬廣的氣門機構(gòu)可變性范圍。試驗結(jié)果表明，可通過3種途徑影響廢氣溫度:⑴通過增加換氣功來增大高壓功；⑵增加高壓曲線中的損失；⑶內(nèi)部EGR。

通過排氣門早開（方案2或方案9）能顯著增大膨脹損失，與此相反，通過進氣門晚關(guān)減少氣缸充量對廢氣溫度的影響就較小。除了移動高壓過程的負荷工況點之外，適度的熱EGR也能使廢氣溫度升高。在方案3或方案6中，采用這些方法甚至不會使高壓過程負荷工況點移動，因而有可能在燃油耗僅略有增加的情況下，使DOC前的最高溫度升高約20℃（圖2）。

借助于一維模擬計算,同時調(diào)整氣門相位的方案具有較大的加熱潛力,并且是進行試驗研究的基礎(chǔ)。尤其是方案6，在同時調(diào)節(jié)相位48oCA的情況下，因減小了進排氣門的開啟持續(xù)期，在這個運行工況點并未產(chǎn)生因充量被推出氣缸而造成的充量損失，其中，進氣門在升程零時關(guān)閉，與相位未調(diào)整的基準進氣門關(guān)閉時間點基本相同。因方案5、方案7、方案8和方案10呈現(xiàn)出較高的潛力，因而未對其進行詳細觀察。

5單缸機試驗研究

圖3示出了不同氣門機構(gòu)可變性（方案2、方案4、方案6和方案9.2）對N0x達到歐6標準的柴油機負荷工況點（發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min，平均指示壓力0.3 MPa）燃油耗的影響，并分別與進氣門升程為8 mm的基準氣門正時進行比較。通過調(diào)整排氣門相位48oCA（方案2），廢氣溫度升高約70℃，但因高壓和低壓曲線中的損失增大，導致燃油耗增加42 g/（kW·h）。廢氣溫度升高將有利于HC和CO的后續(xù)氧化。排氣門早關(guān)導致內(nèi)部EGR的份額增大，而循環(huán)溫度在進氣門關(guān)時已升高，因進氣門配氣正時并沒有變化，一部分殘余廢氣處于進氣管中，并被附加冷卻。

進排氣相位對稱移動（方案4）使得殘余廢氣不僅在氣缸中被預壓縮，而且也進行膨脹，，此外，進氣門打開時刻向晚方向移動會導致氣缸充量被進一步減少，并提高了氣缸中充量的流動速度。因燃燒室與進氣管之間的壓力差較大，因而獲得了較高的流動速度。進氣門關(guān)閉時刻調(diào)晚又使部分新鮮充量回流到進氣道中，因而保留在氣缸中的充量被進一步減少。在氣缸充量減少和殘余廢氣量增加的同時，加大噴油量能提高廢氣溫度。為使氣缸中達到相同的氧濃度，隨著殘余廢氣量的增加應逐步減少外部EGR率。采用方案4使相位附加移動48oCA，在燃油耗增加26 g/（kW·h）的情況下，廢氣溫度可提高34℃。

方案6表示不調(diào)整配氣相位在提高廢氣溫度方面的2種相反效果。一方面，方案6即使不調(diào)整配氣相位就已產(chǎn)生了比基準方案高的內(nèi)部EGR，這樣提高了進氣門關(guān)閉時的廢氣溫度水平。另一方面，不調(diào)整配氣相位，方案6在其基本原理上相對于米勒循環(huán)，因此進氣門在下止點前就已關(guān)閉，因而有效壓縮比，即壓縮終了溫度降低。米勒循環(huán)過程是將燃油噴入壓縮較少而較冷的氣缸介質(zhì)中，這會對HC和CO產(chǎn)生不利影響，而直到進排氣相位調(diào)整高達24oCA時，PM排放并不會有明顯增加。更早的排氣或更晚的進氣相位調(diào)整（方案6）會使內(nèi)部EGR率明顯增大，因而在進氣門關(guān)閉時刻氣缸溫度就隨之升高，這不僅造成壁面熱損失較高，而且因氣缸溫度提高而使HC排放最多可降低70%，同時在殘余廢氣量增大的情況下，PM排放也會增加，因為充量流動速度較小使混合氣準備變差，著火滯后也被縮短。因燃燒室中的充量流動速度較小，氣缸中的再循環(huán)廢氣出現(xiàn)分層現(xiàn)象，促進PM生成?？傂Ч窃谌加秃脑黾?0 g/（kW·h）情況下，廢氣溫度最多可提高100℃。

提高廢氣溫度的另一種方法是以膨脹行程損失的形式產(chǎn)生高壓曲線上的損失。通過延長排氣持續(xù)期（方案9.2），即在保持排氣門關(guān)閉（氣門升程為零）時刻不變的情況下，排氣門早開產(chǎn)生附加的膨脹損失，與此同時，必須噴射更多的燃油量，以便能調(diào)節(jié)到所需負荷。這種方案的殘余廢氣量比基準方案的殘余廢氣量略高，因為其排氣門實際關(guān)閉得稍早。因而PM排放會略微增加，并且在燃油耗增加120 g/（kW·h）情況下，廢氣溫度可提高125℃。

6三維計算流體力學（CFD）流動模擬

在單缸試驗機上的試驗研究表明,HC和CO的機內(nèi)后續(xù)氧化具有很大的潛力,并且廢氣溫度管理對此能產(chǎn)生有利影響,同時，在方案6配氣相位調(diào)整48oCA的情況下，PM排放過分增加,為此，利用三維CFD模擬來查明這種現(xiàn)象。無須在光學試驗臺上進行昂貴的試驗，借助于三維CFD模擬就能對燃燒室中的這種過程進行可視化的觀察。

針對10oCA BTDC噴油時刻進行三維CFD流動模擬計算，評估配氣可變性對隨之發(fā)生的混合氣形成和燃燒的影響。圖4示出了在流動方向軸向截面上燃燒室中由外部EGR 和沒有完全排出的廢氣組成的殘余廢氣量的分布狀況，方案6中的進排氣門相位分別調(diào)整24oCA或48oCA，以及進排氣門相位調(diào)整48oCA/24oCA時與基準配氣正時的比較。從圖中可見，在基準配氣正時燃燒室中的殘余廢氣近似均勻分布，這種良好的均勻化是基于較大的外部EGR份額（37%），以及EGR在新鮮充量中的完全均質(zhì)化。與此相反，配氣相位調(diào)整的方案6在燃燒室中形成明顯的殘余廢氣分層，隨著配氣相位調(diào)整的增大，內(nèi)部EGR增加，從氣缸蓋到活塞燃燒室凹坑底部的殘余廢氣分布的梯度也隨之增大。進排氣門相位同時調(diào)整所引起的新鮮充量和殘余廢氣較大的不均勻性導致PM排放明顯增加（見圖3）。通過進排氣門相位的不同步調(diào)整，例如進氣門調(diào)晚48oCA，而排氣門調(diào)早24oCA，就能夠抑制這種現(xiàn)象，從而改善殘余廢氣在燃燒室中分布的均質(zhì)化程度。

7結(jié)語

穩(wěn)態(tài)單缸機試驗研究表明了可變氣門機構(gòu)和在部分負荷范圍內(nèi)提高廢氣溫度在降低有害物排放方面的優(yōu)勢，而通過延長排氣門開啟持續(xù)期明顯縮短膨脹行程在提高廢氣溫度方面顯示出最大的潛力，并且不會顯著減少氣缸充量。采取縮短進排氣門開啟持續(xù)期與調(diào)整兩者相位相結(jié)合的方法同樣能明顯提升廢氣溫度，而燃油耗增加較少，同時HC和CO原始排放降低高達70%。三維CFD模擬計算能用于評估燃燒室內(nèi)部充量的流動狀況。流動模擬表明，較高的內(nèi)部EGR份額會引起氣缸中殘余廢氣分層，但通過氣門不同步開啟策略仍然能在達到足夠均質(zhì)化的同時，獲得高的充量渦流，對PM排放的形成產(chǎn)生直接的有利影響。

試驗研究的重點包括氣門機構(gòu)可變性的設(shè)計及其對穩(wěn)態(tài)運行工況點性能影響的分析和評估。試驗研究成果表明了轎車柴油機應用可變氣門機構(gòu)在廢氣溫度管理和降低原始排放方面的潛力，因此，目前所實施的計劃最終能獲得最佳的進排氣門配氣正時，現(xiàn)在要在多缸機和整車上實施，并進一步對燃燒和廢氣排放進行試驗研究。