<menu id="4uo82"><blockquote id="4uo82"></blockquote></menu>
  • <td id="4uo82"></td>
  • 可變氣門正時對柴油機燃燒性能的影響

    摘要

    本文研究了可變氣門機構對柴油機燃燒性能的影響規律。減小進氣門關閉角可以降低壓縮行程的缸內壓力和溫度,延長著火延遲,造成這一結果的原因是在燃燒之前燃料與進氣更加充分的混合。根據不同的特征,可將燃燒分為低溫化學反應和燃燒速率更快放熱量更多的預混燃燒。試驗在一臺排量6.4L,BMEP為5bar的8V柴油機上進行。減小進氣關閉角有效的降低了煙度(高于90%),改進了燃油消耗(5%),同時NOx排放比US2010年的標準降低0.2g/bhp-hr。排放和燃油消耗的改善是由于缸內溫度的控制和燃燒相位的優化。在保持NOx排放不變的前提下,減小進氣門關閉角改善了燃油經濟性。

    簡介

    隨著柴油機排放法規愈發嚴格,控制NOx和煙度排放也越來越具有挑戰性。為了保持目前的排放水平,需要對發動機進行后處理。為降低與后處理設備相關的燃油消耗,也為了保證設備使用壽命,對降低發動機排放進行了研究。通過研究圖1的?-T(當量比-溫度)圖,這種圖最初在參考文獻1中提出,可以看到一種能夠降低排放的物理方法。

    ? ? ? ? 圖1? 不同氧氣濃度下的火焰溫度?-T圖

    Dec關于柴油機擴散燃燒的模型解釋了NOx的生成發生在擴散燃燒火焰的邊緣,而這一邊緣也是火焰最高溫度所在。由Extended Zel'dovich原理可知,NOx的生成同樣依賴于擴散燃燒時的氧氣濃度。隨著進入缸內的氧氣量減少,NOx的排放量降至非常低的水平,低于13%的氧氣濃度。從圖2可以明顯看到試驗用發動機的這一試驗結果。圖中的數據點即是在EGR從25%增長到100%和負荷從25%增長到滿負荷時NOx的排放量??梢钥闯鲭S著缸內氧氣濃度的變化,NOx排放量非常明顯的降低。

    因此有兩種方法可以降低NOx排放:更低的火焰溫度和更低的氧氣含量。提高EGR率可以同時滿足這兩個要求,相比新鮮空氣,EGR的含氧量更低,其中的惰性氣體更可以降低火焰溫度。

    圖2? 隨著氧氣濃度變化的NOx排放量變化

    相對而言,降低煙塵會更困難一些。煙塵在溫度達到1800~2000K時,局部當量較高的區域形成。使其降低的一種方法是將局部當量比降低至2以下??梢酝ㄟ^兩種方法實現,一種是提高燃油壓力,產生熱的缸內氣體繼而降低局部當量比,促使油霧蒸發。另一種是延遲點火,使燃油擴散更充分,混合更均勻。

    NagleandStrickland-Constable氧化模型指出在高溫和低當量比(?<1)的情況下,煙塵氧化率升高。因此兩害相權取其輕,如果能夠提高煙塵氧化率,則可以接受高的NOx排放。Kamimotoet al[4]通過將他們在定容室中進行的煙塵試驗結果和仿真計算得到的NOx排放結果結合起來,證明了這一結論。他們觀察到高的煙塵氧化率往往伴隨著高的NOx排放。這也就解釋了傳統關于NOx-煙塵排放折中的問題:在NOx排放最高時,要使煙塵氧化率盡可能高來最大程度的降低煙度。

    還不確定能否采用EGR同時降低煙度和NOx排放。Kooketal.[5]表明盡管EGR增加了著火延遲(為油氣混合提供了更多時間從而降低當量比),但這一因素與更低的煙塵氧化率(較低的火焰溫度引起)、更高的當量比相互作用從而導致煙塵排放量增多,而氧化率降低。

    如果著火延遲能夠延長到噴射結束,噴射結束時的燃油霧化可以使油氣充分混合[6],在噴油器附近產生了一些煙塵生成明顯被抑制的區域。Bobbaetal. [7]表明放熱峰值產生在噴油結束之后,煙塵產生在燃燒后期油束相互作用的區域。這也使得缸內煙塵大量減少。

    Kodamaetal. [8]證明當噴油時刻早到接近于HCCI的條件時,NOx和煙塵排放量會同時降低。HCCI利用極少的均質混合物來降低火焰溫度和局部當量比從而達到抑制NOx和煙塵生成的目的。試驗在一臺配備了VVA機構和壓縮比范圍為16.8到10的單缸機上進行,當時的IMEP為19bar,壓縮比為10,最終油耗達到了令人欣喜的183g/kW-hr,但文中指出壓升率為非常高的18bar/deg。

    除HCCI以外,可以同時降低NOx和煙塵排放的理想方法是有這樣的一個系統,在這個系統中NOx和煙塵形成都是被抑制的(優先抑制NOx),以及使火焰溫度足夠高從而增加煙塵氧化率。這樣一來,形成的煙塵隨后在燃燒放熱循環中隨著燃燒溫度的升高而被氧化。VVA機構即是達成該系統燃燒條件的工具。

    調整進氣門關閉角都使得缸內充氣量減少,延長著火延遲,這樣可以減少局部的一些燃油密集區域。Murataetal.[9]利用其0.5L排量的單缸發動機進行了25%和50%負荷的試驗,發現對固定的燃燒時間而言,相比原機的氣門正時,增大氣門關閉角增加了幾個角度的噴射,繼而使得油氣混合量增加。當量比-溫度圖的數值結果表明了采用EGR和增大進氣關閉角的方案下,燃燒溫度和局部空燃比都會更低。

    Nevinetal.[10]用一臺2.4L排量的重型柴油機對采用增大進氣關閉角的HCCI燃燒系統進行了驗證試驗。工況為1700rpm、50%負荷,方案為增大進氣門關閉角、早噴油時刻(55°BTDC)以及40%的EGR率,結果表明其NOx和煙塵排放水平均低于美國2010年的排放要求。

    本研究中,為一臺多缸發動機設計了空轉VVA系統,通過減小進氣門關閉角來驗證VVA結構對柴油機燃燒性能的影響。研究重點在于減小有效壓縮比,目的是增加著火延遲來降低NOx和煙塵排放。保持發動機的膨脹比不變,以保持高的熱效率。將之前在單缸平臺上的研究拓展到此處的多缸機上。

    發動機設置

    試驗用基礎機是NavistarMAXXFORCE用在中型卡車和校車上的6.4LV8柴油機。也作為研究低溫燃燒的平臺,為成品機提供參考。在之前的研究中,試驗機的壓縮比在12~16之間可變,壓縮比對低溫燃燒的影響在參考文獻[11,12,13]中可見。本次研究中的壓縮比設定為16.2。

    試驗機氣門結構升級為VVA系統,用以適應低負荷到中負荷的有效壓縮比。有效壓縮比是用來探索低溫燃燒是否有利排放,并保留高壓縮比的效率。試驗機裝備有共軌噴射系統和升級的雙級渦輪增壓器,每個渦輪級都對葉片進行控制,附加一個高壓渦輪級上的旁路。試驗機具體設置如圖3和表1所示。關于該機更多的討論詳見參考文獻[9]。本文中的試驗條件見圖2。

    VVA機構

    該VVA結構配備了一個空轉的電液機構,用來在進氣行程中減小進氣門關閉角??辙D系統舍棄了不必要的凸輪升程,提前關閉進氣門,在凸輪輪廓的邊界運轉。原理如圖4所示。以一個受控活塞來將搖臂(5)而不是固定的中心點保持到位?;钊砸簤烘i定,并可以通過切換閥(3)撤回。蓄電池(1)用來穩定液壓進給軌。輔助器(4)協助氣門歸位。

    為方便安裝VVA系統而改進成品氣缸蓋,但不會影響到進氣口和缸蓋的性能。如圖5所示,VVA系統安裝在V8發動機一側的缸蓋上。四缸用兩個模塊化外殼來填充。

    空轉設備的優點在于有一個避免氣門和活塞運動干涉的安全系統,因為利用凸輪運動對進氣門進行了限制,該系統實現功能不需要外部的高壓,并且可以進行循環-循環和缸-缸的調整。該系統可以根據不同需求來調整進氣關閉角。圖6是三種不同方案的進氣關閉角。

    優化的VVA結構特點

    電液VVA系統在每缸都裝有電磁來控制缸-缸和循環-循環的氣門正時。VVA操控與缸內壓力監測一起使八缸的壓縮痕跡保持不變。缸內充氣量控制結果如圖7所示。與放熱率曲線變化趨勢相同,壓力平衡在幾乎相同的壓力值附近產生。該系統通過EGR或者冷卻變化來對各缸的不一致性進行補償。

    之前將缸壓曲線作為對燃燒相位和噴油的調整依據[13]?,F在則是采用VVA來平衡缸內流量對各缸進行進一步優化。除此之外,還優化了煙度和優化,如圖8所示。NOx排放量設定為0.2g/bhp-hr。本文之后會對進氣門關閉角及其降低煙塵排放的原因進行研究。需要注意的是VVA對減小進氣門關閉角的改進是最為顯著的。在本文中提到的所有情況中,保持各缸平衡是為了取得最優結果。

    試驗方案

    試驗采用十六烷值為43.1的柴油。用加熱火焰離子化檢測器測定烴值,非分散紅外分析儀測定CO和CO2含量,加熱化學發光檢測器測定氮氧化物。通過傳統的濾紙法來測定煙塵,解析度為0.01FSN,煙度為0.1mg/m3。

    EGR率是進排氣的CO2濃度比值。采用壓電式傳感器測定缸壓,用來計算循環指示功和放熱率。放熱率以下面的公式進行計算:

    中冷器和加熱器旁通控制進氣歧管溫度,每一個工況下都設定為40°。

    結果和分析

    減小進氣門關閉角的影響

    減小進氣門關閉角造成的最大影響是通過進氣門節流造成缸內充氣質量的減少。進氣門關閉角的減小使得有效壓縮行程縮短和壓縮壓力減少。如圖9所示。保持BMEP不變的情況下,將進氣門關閉角減小90度可以使上止點的壓縮壓力減少40%(如圖9a)。減小進氣門關閉角加速燃燒,爆發壓力減少20%。減小進氣門關閉角可以冷卻缸內流量,使上止點溫度降低了100K(如圖9b)。在相同噴油量的前提下,減小進氣門關閉角時,進入缸內的空氣流量減少,峰值燃燒溫度可以達到高于原機的200-300K。這一結果與參考文獻[14]中增大進氣門關閉角的溫度變化類似。降低燃燒初始的壓力和溫度對柴油機燃料的低溫反應起到了促進作用。隨著進氣門關閉角的減小,低溫燃燒放熱和其與高溫燃燒放熱的分界點都在增加(如圖9c)。對強化低溫燃燒的強化不止減小進氣門關閉角這一個途徑。然而,相比其他支持低溫放熱的辦法,比如增加EGR和進氣歧管冷卻,減小進氣門關閉角對溫度和壓力變化的影響更加明顯。減小進氣門關閉角延長著火延遲,增加了參與到預混燃燒的油量。預混放熱持續期縮短,峰值增加,燃燒更快速更高效。預混后的擴散燃燒部分在放熱量和持續期上都有所減少。

    減小進氣門關閉角,缸內流量在進氣門關閉后膨脹。圖9中接近下止點的膨脹效應數據,在圖10的壓力曲線中詳細繪出。圖11的PV圖中對數據也進行了詳細說明。后圖尤其明顯,它表明了由空轉VVA系統造成的擴散過程接近于等熵,在進氣門關閉角后的壓力曲線的突降中可以看出。曲線之間的區域幾乎可以忽略。減小進氣門關閉角,即使是非常大的角度,也不會造成泵氣損失。

    進氣門關閉角相對于進氣節流閥的優勢在業內已被充分認識和肯定。進氣節流閥在進氣行程中造成顯著的泵氣損失,而減小進氣門關閉角對泵氣損失的影響微乎其微。減小和增大進氣門關閉角對有效壓縮比有著類似的影響。但是仔細觀察會發現,增大進氣門關閉角需要做功來吸入空氣,在下止點后產生一個負壓差(缸內壓力更高)使缸內氣量排出。這需要活塞做功,相比減小進氣門關閉角而言,這也會導致制動功的增加。

    減小進氣門關閉角對性能和排放的影響

    排放

    減小進氣門關閉角在減少油耗的同時,NOx排放不變,煙度大幅降低。隨著進氣門關閉角的減小,煙度大幅降低。壓力和溫度的降低延長了著火延遲,增加了缸內氣體和燃料混合。煙度降低高達95%。油耗降低了4%。隨著進氣門關閉角減小,由于進氣門開啟時間縮短使缸內進氣量減少,但并沒有對煙塵形成造成不好影響。

    保持0.2gNOx/hp-hr所需的EGR量減少了12%。進氣所含的O2占比基本保持不變,處于14.2%到14.5%之間。O2濃度仍是NOx形成的強有力控制變量。由于缸內新鮮充量的減少帶來的其他成分的減少,排氣中CO2濃度增加,從而減少了將進氣稀釋到合適的氧氣濃度所需的EGR量。對固定的燃燒相位而言,噴油始點隨著進氣門關閉角的減小而提前。隨著進氣門關閉角的大幅減小,SOI也明顯提前,這是由于與主燃分開的低溫反應造成的影響。(參考圖9)

    CO排放隨著進氣門關閉角的減小而增加,但是在從非常小的關閉角時刻開始減少。HC排放在進氣門關閉角較小時,單調增加。CO排放的降低非常有趣,因為它與油耗的迅速改善相對應。這一現象應與化學動力學專家一起做進一步研究。

    相較于基準IVC,進入缸內的新鮮充量減少了25%??偖斄勘葟?.6增加到0.8。一般來說,隨著發動機接近化學計量狀態,當量比的增加會增加煙塵排放。然而,在本次試驗中,著火延遲時間越長,局部當量比降至某個點,煙塵排放量就越低。

    性能

    通過調整渦輪增壓器的設置,保持增壓比相對恒定。然而,如果進氣門關閉角非常小,會減少進氣歧管中的增壓比??梢钥吹秸麄€發動機壓差即進排氣壓力差值的降低。壓力的降低改善了發動機效率。減小進氣關閉角增加的CO和HC排放部分抵消了這一改善,充分利用發動機效率仍是一項挑戰。

    減小進氣門關閉角,排溫的增加幅度高于100C。部分負荷下排溫更高有助于對DPF(柴油機顆粒物過濾器)的操控,因為DPF需要在高溫下有效運行。與其他常用的策略相比,如采用后噴來生成過量HC,DPF柴油氧化催化劑或單獨的HC添加物,減小進氣門關閉角可以有效的調節后處理溫度。就目前的DPF熱管理策略而言,減小進氣門關閉角在避免燃油經濟型的惡化方面發揮了有效作用。

    燃燒相位的影響

    圖13是燃燒重心圖,包括早(CA50=2),標準(CA50=7.5)以及晚(CA50=12.5)?;镜膰娪蜁r刻分別為上止點后-12.9、-6.7以及-3.0。早一些的放熱時刻對應油耗較低,因為燃燒發生在上止點附近。關于燃燒重心的研究,進氣門關閉角對各項指標的影響大致類似。最大的區別在于油耗。對早一些的放熱重心(CA50=2)而言,當進氣門開啟時段縮短時,油耗降低。放熱重心晚則呈現相反的趨勢。

    進氣壓力的變化趨勢與進氣門關閉角相對一致。然而,對晚放熱重心而言,當進氣門開啟時段縮短時,進氣壓力上升。更高的排溫為增壓機提供了更多能量,維持高增壓比壓力。

    不同于早和標準放熱工況,只有在晚放熱工況中,進氣門關閉角極小時,才會出現CO排放降低的小趨勢。晚放熱工況的CO排放比標準的要高25%,同樣的,HC排放也更高一些。

    著火參數的影響

    之前的部分對減小進氣門關閉角對一些物理邊界條件如壓力、溫度以及質量流量的影響進行了闡述。進氣門關閉角的減小改變了那些可以影響燃燒化學過程的條件。圖14展示了之前討論過的三種不同的CA50下(以三種符號形狀表示),VVA系統對著火壓力和溫度的影響(CA10或者有10%的燃料參與燃燒)。對相同的進氣門關閉角來說,CA50越早,著火溫度就越高。早一些的CA50在上止點附近著火,由于增壓比的影響,相同壓力下,溫度升高。

    從圖14中可以看出,進氣門關閉角對著火時刻的壓力和溫度造成影響,繼而與著火延遲有著很大的關聯。這一點在圖15中再次進行說明。數據表明隨著進氣門開啟階段縮短和燃燒發展遲緩,著火延遲增加。與燃燒相位相比,進氣關閉角的影響更加明顯。著火壓力一定的情況下,當后燃造成燃燒溫度較低時,著火延遲更加嚴重。線1表明著火延遲延長了0.1ms。線2表明了減小進氣關閉角的影響。燃燒相位保持不變,進氣門關閉角每調整20°,著火延遲增加0.3ms。線3中,進氣門關閉角繼續調整10°,著火延遲增加1ms。

    圖16表明了著火延遲對煙塵排放的影響。長時間的著火延遲增加了預混燃燒中的燃油量(如圖9的放熱曲線所示)。預混燃燒沒有增加煙塵的趨勢,并且隨著參與到預混燃燒中燃油量的增加,煙塵減少。進氣門關閉角的調整使得發動機的煙塵和NOx排放低于US 2010排放標準(分別是0.01g/hp-hr和 0.2 g/hp-hr)

    采用減小進氣門關閉角的措施,可以同時降低煙塵排放量和油耗,這成為改善排放和燃油經濟性非常吸引人的一項措施。圖17表明了著火時刻的壓力和溫度對油耗的影響。無論煙塵排放和著火延遲與進氣門關閉角有多大的關系,圖17中的數據也表明油耗與燃燒相位的關系更大。減小進氣門關閉角造成的壓力和溫度降低,繼而引起油耗的降低,但這一改善被著火時刻的影響所掩蓋。試驗結果明確表明當燃燒發生在更接近上止點的時刻,最低的油耗對應最早的著火時刻。

    局部混合和煙塵

    減小進氣門關閉角可以有效降低煙塵排放。為更好理解減小進氣門關閉角降低煙塵排放的機理,利用改進的KIVA-3V模型進行了流體動力學計算。分別計算了兩種進氣門關閉角,一是作為基準的-130°ATDC,二是-215°ATDC。表3列出了計算的邊界條件。參考文獻11、12、13中表述了模型和標定程序。仿真的燃燒相位與試驗的相差1°以內,爆壓與試驗結果在0.2bar以內。

    模型精確的預測了NOx排放,但是僅僅預測了煙塵排放降低這一趨勢。仿真計算低估了試驗中煙塵排放全面降低的結果。排放數據如圖18所示。正如計算模型所預測的,煙塵形成,氧化,分解。進氣門關閉角為-130°的煙塵排放量高于-215°,數據為2.25 vs.0.8g煙塵/kg燃油。相應的氧化率也高一些,數據為50%vs.38%,但是并不足以減少進氣門關閉角為-130°時形成的大量煙塵。減小進氣門排氣角可以有效降低煙塵排放。

    計算結果與試驗的質量分數直方圖一致,圖中的數據取自溫度分布在1700到2400K,以及大于2的高當量比的區域,這些條件有利于產生煙塵。兩種進氣門關閉角的煙塵質量分布如圖19所示。減小進氣門關閉角,產生煙塵所需的溫度和f值都較低,這表明,隨著進氣門關閉角的減小,能夠形成煙塵的區域很少。在限定條件的溫度和當量比下,進氣門關閉角為-215°時,產生的煙塵排放量約為進氣門關閉角為-130°時的三分之一。

    減小進氣門關閉角時,更有利于降低煙塵排放的是當量比的分布。圖20是兩種不同進氣門關閉角在曲軸轉角為10°ATDC時的當量比分布。對進氣門關閉角-130°而言,仿真計算結果表明存在一個大于2的高當量比區域,接近燃燒室的唇部,突入擠壓區域,深入燃燒室。這些條件有利于煙塵形成。在燃燒室和擠壓區域中檢測到一個連續的40μg等值面。減小進氣門關閉角時,混合較好,只有一個當量比接近2的非常小的區域?;旌衔镌骄鶆?,煙塵排放越少。減小進氣門關閉角,煙塵等值面并不連續,分裂成更小的區域,其中的一個移動到燃燒室內部,接近活塞中心線。計算表明,減小進氣門關閉角能夠降低煙塵排放,是由于混合更好更均勻。

    結論

    在一臺中型V8 6.4L柴油機上安裝了基于空轉原理的VVA裝置。該裝置通過一個快速切換閥對各缸的進氣門關閉角分別調整,也調整了柴油機的有效壓縮比。試驗表明空轉VVA裝置引起的膨脹過程并不能引起泵氣損失。VVA裝置更多是通過對缸內壓力的閉環控制來調整各缸進氣。對缸內的調整以及各缸均勻性的改進最終使得煙塵排放降低,和燃油經濟性的改善。

    在NOx排放量為0.2g/bhp-hr的柴油機上進行了試驗,表明減小進氣門關閉角和由減小該角度帶來的結果可以使柴油機在BMEP在5bar的情況下,大幅降低煙塵排放。同時油耗降低5%。充氣量的減少使得排氣中CO2濃度增加,減少了用于將進氣中氧氣濃度稀釋至恒定值的EGR量。

    熱效率的提高是因為著火溫度和壓力更低導致的長時間的著火延遲。長時間的著火延遲增加了參與到預混燃燒中的燃油量,減少了擴散燃燒的量值。減小進氣門關閉角降低了柴油機的壓力差繼而改善其經濟性。排氣歧管中的溫度增長了100C,這對后處理也更加有效。

    著火時刻壓力和溫度與著火延遲有極強的關聯性。研究表明隨著進氣門關閉角減小,燃燒相位延后,著火延遲延長。相比燃燒相位,進氣門關閉角的影響更大,可能相差近一個數量級。事實上,煙塵排放降低95%的原因是VVA裝置造成的著火延遲。仿真計算證明減小進氣門關閉角使得煙塵排放減少是因為缸內混合更好。溫度和當量比詳細的空間-時間圖,與對應于容易生成煙塵的溫度范圍和當量比閥值相一致。

    您可能還會對下面的文章感興趣:

    三人性FREE欧美