可变气门正时对柴油机燃烧性能的影响

摘要

本文研究了可变气门机构对柴油机燃烧性能的影响规律。减小进气门关闭角可以降低压缩行程的缸内压力和温度,延长着火延迟,造成这一结果的原因是在燃烧之前燃料与进气更加充分的混合。根据不同的特征,可将燃烧分为低温化学反应和燃烧速率更快放热量更多的预混燃烧。试验在一台排量6.4L,BMEP为5bar的8V柴油机上进行。减小进气关闭角有效的降低了烟度(高于90%),改进了燃油消耗(5%),同时NOx排放比US2010年的标准降低0.2g/bhp-hr。排放和燃油消耗的改善是由于缸内温度的控制和燃烧相位的优化。在保持NOx排放不变的前提下,减小进气门关闭角改善了燃油经济性。

简介

随着柴油机排放法规愈发严格,控制NOx和烟度排放也越来越具有挑战性。为了保持目前的排放水平,需要对发动机进行后处理。为降低与后处理设备相关的燃油消耗,也为了保证设备使用寿命,对降低发动机排放进行了研究。通过研究图1的ϕ-T(当量比-温度)图,这种图最初在参考文献1中提出,可以看到一种能够降低排放的物理方法。

        图1  不同氧气浓度下的火焰温度ϕ-T图

Dec关于柴油机扩散燃烧的模型解释了NOx的生成发生在扩散燃烧火焰的边缘,而这一边缘也是火焰最高温度所在。由Extended Zel'dovich原理可知,NOx的生成同样依赖于扩散燃烧时的氧气浓度。随着进入缸内的氧气量减少,NOx的排放量降至非常低的水平,低于13%的氧气浓度。从图2可以明显看到试验用发动机的这一试验结果。图中的数据点即是在EGR从25%增长到100%和负荷从25%增长到满负荷时NOx的排放量。可以看出随着缸内氧气浓度的变化,NOx排放量非常明显的降低。

因此有两种方法可以降低NOx排放:更低的火焰温度和更低的氧气含量。提高EGR率可以同时满足这两个要求,相比新鲜空气,EGR的含氧量更低,其中的惰性气体更可以降低火焰温度。

图2  随着氧气浓度变化的NOx排放量变化

相对而言,降低烟尘会更困难一些。烟尘在温度达到1800~2000K时,局部当量较高的区域形成。使其降低的一种方法是将局部当量比降低至2以下。可以通过两种方法实现,一种是提高燃油压力,产生热的缸内气体继而降低局部当量比,促使油雾蒸发。另一种是延迟点火,使燃油扩散更充分,混合更均匀。

NagleandStrickland-Constable氧化模型指出在高温和低当量比(ϕ<1)的情况下,烟尘氧化率升高。因此两害相权取其轻,如果能够提高烟尘氧化率,则可以接受高的NOx排放。Kamimotoet al[4]通过将他们在定容室中进行的烟尘试验结果和仿真计算得到的NOx排放结果结合起来,证明了这一结论。他们观察到高的烟尘氧化率往往伴随着高的NOx排放。这也就解释了传统关于NOx-烟尘排放折中的问题:在NOx排放最高时,要使烟尘氧化率尽可能高来最大程度的降低烟度。

还不确定能否采用EGR同时降低烟度和NOx排放。Kooketal.[5]表明尽管EGR增加了着火延迟(为油气混合提供了更多时间从而降低当量比),但这一因素与更低的烟尘氧化率(较低的火焰温度引起)、更高的当量比相互作用从而导致烟尘排放量增多,而氧化率降低。

如果着火延迟能够延长到喷射结束,喷射结束时的燃油雾化可以使油气充分混合[6],在喷油器附近产生了一些烟尘生成明显被抑制的区域。Bobbaetal. [7]表明放热峰值产生在喷油结束之后,烟尘产生在燃烧后期油束相互作用的区域。这也使得缸内烟尘大量减少。

Kodamaetal. [8]证明当喷油时刻早到接近于HCCI的条件时,NOx和烟尘排放量会同时降低。HCCI利用极少的均质混合物来降低火焰温度和局部当量比从而达到抑制NOx和烟尘生成的目的。试验在一台配备了VVA机构和压缩比范围为16.8到10的单缸机上进行,当时的IMEP为19bar,压缩比为10,最终油耗达到了令人欣喜的183g/kW-hr,但文中指出压升率为非常高的18bar/deg。

除HCCI以外,可以同时降低NOx和烟尘排放的理想方法是有这样的一个系统,在这个系统中NOx和烟尘形成都是被抑制的(优先抑制NOx),以及使火焰温度足够高从而增加烟尘氧化率。这样一来,形成的烟尘随后在燃烧放热循环中随着燃烧温度的升高而被氧化。VVA机构即是达成该系统燃烧条件的工具。

调整进气门关闭角都使得缸内充气量减少,延长着火延迟,这样可以减少局部的一些燃油密集区域。Murataetal.[9]利用其0.5L排量的单缸发动机进行了25%和50%负荷的试验,发现对固定的燃烧时间而言,相比原机的气门正时,增大气门关闭角增加了几个角度的喷射,继而使得油气混合量增加。当量比-温度图的数值结果表明了采用EGR和增大进气关闭角的方案下,燃烧温度和局部空燃比都会更低。

Nevinetal.[10]用一台2.4L排量的重型柴油机对采用增大进气关闭角的HCCI燃烧系统进行了验证试验。工况为1700rpm、50%负荷,方案为增大进气门关闭角、早喷油时刻(55°BTDC)以及40%的EGR率,结果表明其NOx和烟尘排放水平均低于美国2010年的排放要求。

本研究中,为一台多缸发动机设计了空转VVA系统,通过减小进气门关闭角来验证VVA结构对柴油机燃烧性能的影响。研究重点在于减小有效压缩比,目的是增加着火延迟来降低NOx和烟尘排放。保持发动机的膨胀比不变,以保持高的热效率。将之前在单缸平台上的研究拓展到此处的多缸机上。

发动机设置

试验用基础机是NavistarMAXXFORCE用在中型卡车和校车上的6.4LV8柴油机。也作为研究低温燃烧的平台,为成品机提供参考。在之前的研究中,试验机的压缩比在12~16之间可变,压缩比对低温燃烧的影响在参考文献[11,12,13]中可见。本次研究中的压缩比设定为16.2。

试验机气门结构升级为VVA系统,用以适应低负荷到中负荷的有效压缩比。有效压缩比是用来探索低温燃烧是否有利排放,并保留高压缩比的效率。试验机装备有共轨喷射系统和升级的双级涡轮增压器,每个涡轮级都对叶片进行控制,附加一个高压涡轮级上的旁路。试验机具体设置如图3和表1所示。关于该机更多的讨论详见参考文献[9]。本文中的试验条件见图2。

VVA机构

该VVA结构配备了一个空转的电液机构,用来在进气行程中减小进气门关闭角。空转系统舍弃了不必要的凸轮升程,提前关闭进气门,在凸轮轮廓的边界运转。原理如图4所示。以一个受控活塞来将摇臂(5)而不是固定的中心点保持到位。活塞以液压锁定,并可以通过切换阀(3)撤回。蓄电池(1)用来稳定液压进给轨。辅助器(4)协助气门归位。

为方便安装VVA系统而改进成品气缸盖,但不会影响到进气口和缸盖的性能。如图5所示,VVA系统安装在V8发动机一侧的缸盖上。四缸用两个模块化外壳来填充。

空转设备的优点在于有一个避免气门和活塞运动干涉的安全系统,因为利用凸轮运动对进气门进行了限制,该系统实现功能不需要外部的高压,并且可以进行循环-循环和缸-缸的调整。该系统可以根据不同需求来调整进气关闭角。图6是三种不同方案的进气关闭角。

优化的VVA结构特点

电液VVA系统在每缸都装有电磁来控制缸-缸和循环-循环的气门正时。VVA操控与缸内压力监测一起使八缸的压缩痕迹保持不变。缸内充气量控制结果如图7所示。与放热率曲线变化趋势相同,压力平衡在几乎相同的压力值附近产生。该系统通过EGR或者冷却变化来对各缸的不一致性进行补偿。

之前将缸压曲线作为对燃烧相位和喷油的调整依据[13]。现在则是采用VVA来平衡缸内流量对各缸进行进一步优化。除此之外,还优化了烟度和优化,如图8所示。NOx排放量设定为0.2g/bhp-hr。本文之后会对进气门关闭角及其降低烟尘排放的原因进行研究。需要注意的是VVA对减小进气门关闭角的改进是最为显著的。在本文中提到的所有情况中,保持各缸平衡是为了取得最优结果。

试验方案

试验采用十六烷值为43.1的柴油。用加热火焰离子化检测器测定烃值,非分散红外分析仪测定CO和CO2含量,加热化学发光检测器测定氮氧化物。通过传统的滤纸法来测定烟尘,解析度为0.01FSN,烟度为0.1mg/m3。

EGR率是进排气的CO2浓度比值。采用压电式传感器测定缸压,用来计算循环指示功和放热率。放热率以下面的公式进行计算:

中冷器和加热器旁通控制进气歧管温度,每一个工况下都设定为40°。

结果和分析

减小进气门关闭角的影响

减小进气门关闭角造成的最大影响是通过进气门节流造成缸内充气质量的减少。进气门关闭角的减小使得有效压缩行程缩短和压缩压力减少。如图9所示。保持BMEP不变的情况下,将进气门关闭角减小90度可以使上止点的压缩压力减少40%(如图9a)。减小进气门关闭角加速燃烧,爆发压力减少20%。减小进气门关闭角可以冷却缸内流量,使上止点温度降低了100K(如图9b)。在相同喷油量的前提下,减小进气门关闭角时,进入缸内的空气流量减少,峰值燃烧温度可以达到高于原机的200-300K。这一结果与参考文献[14]中增大进气门关闭角的温度变化类似。降低燃烧初始的压力和温度对柴油机燃料的低温反应起到了促进作用。随着进气门关闭角的减小,低温燃烧放热和其与高温燃烧放热的分界点都在增加(如图9c)。对强化低温燃烧的强化不止减小进气门关闭角这一个途径。然而,相比其他支持低温放热的办法,比如增加EGR和进气歧管冷却,减小进气门关闭角对温度和压力变化的影响更加明显。减小进气门关闭角延长着火延迟,增加了参与到预混燃烧的油量。预混放热持续期缩短,峰值增加,燃烧更快速更高效。预混后的扩散燃烧部分在放热量和持续期上都有所减少。

减小进气门关闭角,缸内流量在进气门关闭后膨胀。图9中接近下止点的膨胀效应数据,在图10的压力曲线中详细绘出。图11的PV图中对数据也进行了详细说明。后图尤其明显,它表明了由空转VVA系统造成的扩散过程接近于等熵,在进气门关闭角后的压力曲线的突降中可以看出。曲线之间的区域几乎可以忽略。减小进气门关闭角,即使是非常大的角度,也不会造成泵气损失。

进气门关闭角相对于进气节流阀的优势在业内已被充分认识和肯定。进气节流阀在进气行程中造成显著的泵气损失,而减小进气门关闭角对泵气损失的影响微乎其微。减小和增大进气门关闭角对有效压缩比有着类似的影响。但是仔细观察会发现,增大进气门关闭角需要做功来吸入空气,在下止点后产生一个负压差(缸内压力更高)使缸内气量排出。这需要活塞做功,相比减小进气门关闭角而言,这也会导致制动功的增加。

减小进气门关闭角对性能和排放的影响

排放

减小进气门关闭角在减少油耗的同时,NOx排放不变,烟度大幅降低。随着进气门关闭角的减小,烟度大幅降低。压力和温度的降低延长了着火延迟,增加了缸内气体和燃料混合。烟度降低高达95%。油耗降低了4%。随着进气门关闭角减小,由于进气门开启时间缩短使缸内进气量减少,但并没有对烟尘形成造成不好影响。

保持0.2gNOx/hp-hr所需的EGR量减少了12%。进气所含的O2占比基本保持不变,处于14.2%到14.5%之间。O2浓度仍是NOx形成的强有力控制变量。由于缸内新鲜充量的减少带来的其他成分的减少,排气中CO2浓度增加,从而减少了将进气稀释到合适的氧气浓度所需的EGR量。对固定的燃烧相位而言,喷油始点随着进气门关闭角的减小而提前。随着进气门关闭角的大幅减小,SOI也明显提前,这是由于与主燃分开的低温反应造成的影响。(参考图9)

CO排放随着进气门关闭角的减小而增加,但是在从非常小的关闭角时刻开始减少。HC排放在进气门关闭角较小时,单调增加。CO排放的降低非常有趣,因为它与油耗的迅速改善相对应。这一现象应与化学动力学专家一起做进一步研究。

相较于基准IVC,进入缸内的新鲜充量减少了25%。总当量比从0.6增加到0.8。一般来说,随着发动机接近化学计量状态,当量比的增加会增加烟尘排放。然而,在本次试验中,着火延迟时间越长,局部当量比降至某个点,烟尘排放量就越低。

性能

通过调整涡轮增压器的设置,保持增压比相对恒定。然而,如果进气门关闭角非常小,会减少进气歧管中的增压比。可以看到整个发动机压差即进排气压力差值的降低。压力的降低改善了发动机效率。减小进气关闭角增加的CO和HC排放部分抵消了这一改善,充分利用发动机效率仍是一项挑战。

减小进气门关闭角,排温的增加幅度高于100C。部分负荷下排温更高有助于对DPF(柴油机颗粒物过滤器)的操控,因为DPF需要在高温下有效运行。与其他常用的策略相比,如采用后喷来生成过量HC,DPF柴油氧化催化剂或单独的HC添加物,减小进气门关闭角可以有效的调节后处理温度。就目前的DPF热管理策略而言,减小进气门关闭角在避免燃油经济型的恶化方面发挥了有效作用。

燃烧相位的影响

图13是燃烧重心图,包括早(CA50=2),标准(CA50=7.5)以及晚(CA50=12.5)。基本的喷油时刻分别为上止点后-12.9、-6.7以及-3.0。早一些的放热时刻对应油耗较低,因为燃烧发生在上止点附近。关于燃烧重心的研究,进气门关闭角对各项指标的影响大致类似。最大的区别在于油耗。对早一些的放热重心(CA50=2)而言,当进气门开启时段缩短时,油耗降低。放热重心晚则呈现相反的趋势。

进气压力的变化趋势与进气门关闭角相对一致。然而,对晚放热重心而言,当进气门开启时段缩短时,进气压力上升。更高的排温为增压机提供了更多能量,维持高增压比压力。

不同于早和标准放热工况,只有在晚放热工况中,进气门关闭角极小时,才会出现CO排放降低的小趋势。晚放热工况的CO排放比标准的要高25%,同样的,HC排放也更高一些。

着火参数的影响

之前的部分对减小进气门关闭角对一些物理边界条件如压力、温度以及质量流量的影响进行了阐述。进气门关闭角的减小改变了那些可以影响燃烧化学过程的条件。图14展示了之前讨论过的三种不同的CA50下(以三种符号形状表示),VVA系统对着火压力和温度的影响(CA10或者有10%的燃料参与燃烧)。对相同的进气门关闭角来说,CA50越早,着火温度就越高。早一些的CA50在上止点附近着火,由于增压比的影响,相同压力下,温度升高。

从图14中可以看出,进气门关闭角对着火时刻的压力和温度造成影响,继而与着火延迟有着很大的关联。这一点在图15中再次进行说明。数据表明随着进气门开启阶段缩短和燃烧发展迟缓,着火延迟增加。与燃烧相位相比,进气关闭角的影响更加明显。着火压力一定的情况下,当后燃造成燃烧温度较低时,着火延迟更加严重。线1表明着火延迟延长了0.1ms。线2表明了减小进气关闭角的影响。燃烧相位保持不变,进气门关闭角每调整20°,着火延迟增加0.3ms。线3中,进气门关闭角继续调整10°,着火延迟增加1ms。

图16表明了着火延迟对烟尘排放的影响。长时间的着火延迟增加了预混燃烧中的燃油量(如图9的放热曲线所示)。预混燃烧没有增加烟尘的趋势,并且随着参与到预混燃烧中燃油量的增加,烟尘减少。进气门关闭角的调整使得发动机的烟尘和NOx排放低于US 2010排放标准(分别是0.01g/hp-hr和 0.2 g/hp-hr)

采用减小进气门关闭角的措施,可以同时降低烟尘排放量和油耗,这成为改善排放和燃油经济性非常吸引人的一项措施。图17表明了着火时刻的压力和温度对油耗的影响。无论烟尘排放和着火延迟与进气门关闭角有多大的关系,图17中的数据也表明油耗与燃烧相位的关系更大。减小进气门关闭角造成的压力和温度降低,继而引起油耗的降低,但这一改善被着火时刻的影响所掩盖。试验结果明确表明当燃烧发生在更接近上止点的时刻,最低的油耗对应最早的着火时刻。

局部混合和烟尘

减小进气门关闭角可以有效降低烟尘排放。为更好理解减小进气门关闭角降低烟尘排放的机理,利用改进的KIVA-3V模型进行了流体动力学计算。分别计算了两种进气门关闭角,一是作为基准的-130°ATDC,二是-215°ATDC。表3列出了计算的边界条件。参考文献11、12、13中表述了模型和标定程序。仿真的燃烧相位与试验的相差1°以内,爆压与试验结果在0.2bar以内。

模型精确的预测了NOx排放,但是仅仅预测了烟尘排放降低这一趋势。仿真计算低估了试验中烟尘排放全面降低的结果。排放数据如图18所示。正如计算模型所预测的,烟尘形成,氧化,分解。进气门关闭角为-130°的烟尘排放量高于-215°,数据为2.25 vs.0.8g烟尘/kg燃油。相应的氧化率也高一些,数据为50%vs.38%,但是并不足以减少进气门关闭角为-130°时形成的大量烟尘。减小进气门排气角可以有效降低烟尘排放。

计算结果与试验的质量分数直方图一致,图中的数据取自温度分布在1700到2400K,以及大于2的高当量比的区域,这些条件有利于产生烟尘。两种进气门关闭角的烟尘质量分布如图19所示。减小进气门关闭角,产生烟尘所需的温度和f值都较低,这表明,随着进气门关闭角的减小,能够形成烟尘的区域很少。在限定条件的温度和当量比下,进气门关闭角为-215°时,产生的烟尘排放量约为进气门关闭角为-130°时的三分之一。

减小进气门关闭角时,更有利于降低烟尘排放的是当量比的分布。图20是两种不同进气门关闭角在曲轴转角为10°ATDC时的当量比分布。对进气门关闭角-130°而言,仿真计算结果表明存在一个大于2的高当量比区域,接近燃烧室的唇部,突入挤压区域,深入燃烧室。这些条件有利于烟尘形成。在燃烧室和挤压区域中检测到一个连续的40μg等值面。减小进气门关闭角时,混合较好,只有一个当量比接近2的非常小的区域。混合物越均匀,烟尘排放越少。减小进气门关闭角,烟尘等值面并不连续,分裂成更小的区域,其中的一个移动到燃烧室内部,接近活塞中心线。计算表明,减小进气门关闭角能够降低烟尘排放,是由于混合更好更均匀。

结论

在一台中型V8 6.4L柴油机上安装了基于空转原理的VVA装置。该装置通过一个快速切换阀对各缸的进气门关闭角分别调整,也调整了柴油机的有效压缩比。试验表明空转VVA装置引起的膨胀过程并不能引起泵气损失。VVA装置更多是通过对缸内压力的闭环控制来调整各缸进气。对缸内的调整以及各缸均匀性的改进最终使得烟尘排放降低,和燃油经济性的改善。

在NOx排放量为0.2g/bhp-hr的柴油机上进行了试验,表明减小进气门关闭角和由减小该角度带来的结果可以使柴油机在BMEP在5bar的情况下,大幅降低烟尘排放。同时油耗降低5%。充气量的减少使得排气中CO2浓度增加,减少了用于将进气中氧气浓度稀释至恒定值的EGR量。

热效率的提高是因为着火温度和压力更低导致的长时间的着火延迟。长时间的着火延迟增加了参与到预混燃烧中的燃油量,减少了扩散燃烧的量值。减小进气门关闭角降低了柴油机的压力差继而改善其经济性。排气歧管中的温度增长了100C,这对后处理也更加有效。

着火时刻压力和温度与着火延迟有极强的关联性。研究表明随着进气门关闭角减小,燃烧相位延后,着火延迟延长。相比燃烧相位,进气门关闭角的影响更大,可能相差近一个数量级。事实上,烟尘排放降低95%的原因是VVA装置造成的着火延迟。仿真计算证明减小进气门关闭角使得烟尘排放减少是因为缸内混合更好。温度和当量比详细的空间-时间图,与对应于容易生成烟尘的温度范围和当量比阀值相一致。

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