汽油機(jī)燃燒與排放特性分析汽油機(jī)燃燒與排放特性分析 2016/05/06 車用發(fā)動(dòng)機(jī)雜志2016年第一期摘要：自主開(kāi)發(fā)了通用小型汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)，通過(guò)柔性控制混合氣濃度優(yōu)化燃燒性能和發(fā)動(dòng)機(jī)排放及其他綜合性能。將其應(yīng)用于汽油機(jī)，通過(guò)研究過(guò)量空氣系數(shù)（）對(duì)整機(jī)工作過(guò)程和排放特性的影響來(lái)制訂控制策略。為滿足美國(guó)現(xiàn)行排放法規(guī)，標(biāo)定工況需使用比功率混合氣偏濃的混合氣減少排放，部分負(fù)荷采用偏稀的混合氣控制和排放，同時(shí)需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)波動(dòng)。結(jié)合優(yōu)化點(diǎn)火提前角（）研究形成了整機(jī)匹配的最佳和并寫(xiě)入，汽油機(jī)整機(jī)動(dòng)力性不變，排放和經(jīng)濟(jì)性能提高，能全面滿足用戶使用和美國(guó)排放法規(guī)要求。關(guān)鍵詞：汽油機(jī)；電控系統(tǒng)；過(guò)量空氣系數(shù)；排放控制通用小型汽油機(jī)在我國(guó)是指功率在以下的小型發(fā)動(dòng)機(jī)，而歐洲和美國(guó)等國(guó)家及地區(qū)是指功率在以下的小型發(fā)動(dòng)機(jī)。其用途十分廣泛，可為發(fā)電機(jī)組、水泵、割草機(jī)、噴霧器、鏈鋸等設(shè)備提供動(dòng)力，國(guó)際上的需求量非常大。在生產(chǎn)過(guò)程中為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和工作穩(wěn)定性，化油器配給的混合氣濃度比較濃，必然導(dǎo)致和排放量加大。近年來(lái)美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放限值不斷加嚴(yán)，使用化油器供油的通用小型汽油機(jī)難以全面滿足排放限值和使用性能的要求，給我國(guó)出口通用小型汽油機(jī)帶來(lái)一定的困難。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從代用燃料、合理燃燒過(guò)程以及尾氣后處理技術(shù)等方面作了大量的研究，而對(duì)電控通用小型汽油機(jī)研究較少，已有報(bào)道的多為電控兩沖程小型汽油機(jī)。據(jù)美國(guó)官方網(wǎng)站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，年通過(guò)排放認(rèn)證的非道路用四沖程汽油機(jī)共計(jì)種機(jī)型，其中仍是傳統(tǒng)化油器式。由于我國(guó)化油器和汽油機(jī)性能的生產(chǎn)一致性偏差較大，且用化油器式汽油機(jī)滿足排放性能后，兼顧經(jīng)濟(jì)性、起動(dòng)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性等使用性能有一定的難度，因此低排放高性能的電控化通用小型汽油機(jī)是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此開(kāi)發(fā)針對(duì)四沖程通用小型汽油機(jī)的電子控制系統(tǒng)具有重要意義。本研究以某汽油機(jī)為例，為其加裝電控系統(tǒng)，可以根據(jù)不同工況柔性控制混合氣濃度以及點(diǎn)火提前角，綜合優(yōu)化小型通用汽油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性能和起動(dòng)性能等。用測(cè)量的示功圖研究和判斷內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒工作狀態(tài)，評(píng)價(jià)分析燃燒過(guò)程，研究燃燒對(duì)改善排放的效果。過(guò)量空氣系數(shù)和點(diǎn)火性能是影響通用小型汽油機(jī)排放的主要因素，已有研究表明兩者之中過(guò)量空氣系數(shù)是主要的影響因素。本研究探討將電控系統(tǒng)應(yīng)用于汽油機(jī)以實(shí)現(xiàn)不采用后處理技術(shù)滿足美國(guó)第階段排放法規(guī)要求的可能性，主要研究電控噴油改變過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程和排放的影響。試驗(yàn)研究方案試驗(yàn)樣機(jī)及排放限值以通用汽油機(jī)為研究對(duì)象，其主要參數(shù)見(jiàn)表。年，美國(guó)制定了世界上首個(gè)針對(duì)通用小型汽油機(jī)的排放法規(guī)，該法規(guī)第階段限值于年正式實(shí)施。年開(kāi)始，第階段排放法規(guī)逐步實(shí)施。中國(guó)和歐盟目前執(zhí)行第階段法規(guī)，其排放限值與第階段排放限值相同，測(cè)試方法等基本一致。從第階段開(kāi)始在使用壽命期內(nèi)進(jìn)行排放考核。第階段排放法規(guī)是目前世界上最嚴(yán)格的通用小型汽油機(jī)排放法規(guī)，汽油機(jī)對(duì)應(yīng)的排放限值見(jiàn)表。電控燃油噴射系統(tǒng)工作原理電控燃油噴射系統(tǒng)使用傳感器獲得進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力、節(jié)氣門(mén)位置和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工況，根據(jù)當(dāng)前工況下進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量及目標(biāo)空燃比計(jì)算所需基本噴油量。使用氣缸頭部溫度對(duì)基本噴油量進(jìn)行修正，得到最終噴油量。根據(jù)噴油器特性及最終噴油量計(jì)算噴油脈寬，將該噴油脈寬信號(hào)傳輸給噴油器實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的供油量控制。確定噴油脈寬的控制流程見(jiàn)圖。試驗(yàn)研究方案圖示出試驗(yàn)系統(tǒng)示意。試驗(yàn)是在電渦流測(cè)功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行，通過(guò)測(cè)功機(jī)調(diào)整樣機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，獲得穩(wěn)定的預(yù)定測(cè)量工況，用火花塞式壓力傳感器測(cè)取氣缸壓力信號(hào)輸入到燃燒分析儀，通過(guò)燃燒分析儀可以獲得氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，即示功圖。測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火時(shí)的壓縮線，用熱力學(xué)法分析求得汽油機(jī)熱力上止點(diǎn)位置。通過(guò)標(biāo)定軟件改變噴油持續(xù)期來(lái)改變運(yùn)行工況的過(guò)量空氣系數(shù)，測(cè)量不同過(guò)量空氣系數(shù)下的示功圖數(shù)據(jù)、汽油機(jī)功率、有效燃油消耗率和排放等，并確定綜合性能優(yōu)化的方案，對(duì)噴油脈寬標(biāo)定時(shí)汽油機(jī)保持點(diǎn)火提前角不變。試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析示功圖的測(cè)試與排放分析在示功圖測(cè)試過(guò)程中，定義內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定功率下的負(fù)荷為負(fù)荷工況。試驗(yàn)以轉(zhuǎn)角分辨率測(cè)量不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖。圖示出由電控樣機(jī)，負(fù)荷工況點(diǎn)示功圖計(jì)算得出的缸內(nèi)最高燃燒壓力、最高燃燒溫度以及排放值隨過(guò)量空氣系數(shù)（）的變化關(guān)系。圖示出不同過(guò)量空氣系數(shù)下瞬時(shí)放熱率和燃燒持續(xù)期（累計(jì)放熱率為和所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的差值）的變化。通過(guò)電控系統(tǒng)改變噴油脈寬來(lái)控制在之間。由圖中可以看出，為時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率峰值最大，氣缸內(nèi)最高燃燒壓力最大，約為。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性最優(yōu)，混合氣濃度為功率混合氣。偏離時(shí)，氣缸壓力和放熱率峰值均下降。在之間缸內(nèi)燃燒溫度隨混合氣濃度變稀而降低，但都超過(guò)，大于時(shí)，最高燃燒溫度下降變緩，說(shuō)明氧含量增加不僅使燃燒更加完善，同時(shí)可以降低燃燒速度。氧含量增加有利于的生成，因此隨增大排放呈增加趨勢(shì)。按照美國(guó)法規(guī)要求進(jìn)行測(cè)試循環(huán)，計(jì)算比排放量時(shí)不同工況設(shè)有不同的加權(quán)系數(shù)。汽油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下加權(quán)系數(shù)并不代表各工況尾氣排放中，的排放值占總排放量的比例，各工況排放值占總排放量的比例需引入單工況分擔(dān)率的概念。利用分擔(dān)率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放進(jìn)行分析，才能說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況排放量對(duì)整機(jī)排放值的貢獻(xiàn)和影響。，負(fù)荷工況的分擔(dān)率達(dá)。因此中大負(fù)荷需控制過(guò)量空氣系數(shù)，降低排放，重點(diǎn)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。依據(jù)美國(guó)法規(guī)，汽油機(jī)的排放限值為（），排放限值為（），參考已有研究結(jié)果和電控系統(tǒng)測(cè)得的排放值，采用電控系統(tǒng)后，節(jié)氣門(mén)喉口直徑適當(dāng)加大，進(jìn)氣量增大，標(biāo)定功率提高的同時(shí)，排放值明顯低于采用化油器的結(jié)果（見(jiàn)圖），標(biāo)定工況點(diǎn)在左右時(shí)，電控樣機(jī)有可能滿足法規(guī)限值要求。圖示出在時(shí)電控樣機(jī)各排放物排放量和有效燃油消耗率隨的變化關(guān)系。由圖可以看出，隨著增加，和排放呈減小趨勢(shì)，排放呈增大趨勢(shì)，有效燃油消耗率呈降低趨勢(shì)。在相同的下，和隨負(fù)荷變化不大，而排放隨負(fù)荷增加呈快速增大趨勢(shì)。由產(chǎn)生機(jī)理可知，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)燃燒溫度升高，促進(jìn)了的生成。因此在大負(fù)荷工況下需要較小的來(lái)抑制的產(chǎn)生。在以上負(fù)荷工況時(shí)可將設(shè)置在之間，且隨著負(fù)荷增加逐步減小。燃燒循環(huán)波動(dòng)研究燃燒循環(huán)波動(dòng)是汽油機(jī)燃燒過(guò)程的一大特征，它是指發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，相鄰循環(huán)燃燒過(guò)程的進(jìn)行情況不斷變化，具體表現(xiàn)在壓力曲線及發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出均不相同。小負(fù)荷時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大會(huì)引起汽油機(jī)燃燒的循環(huán)波動(dòng)大，造成工作穩(wěn)定性變差，甚至造成汽油機(jī)的游車。平均指示壓力（）的循環(huán)波動(dòng)被認(rèn)為是評(píng)價(jià)燃燒循環(huán)變動(dòng)的最佳參數(shù)，用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差（）、變動(dòng)率（標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值）（）定量地評(píng)定循環(huán)變動(dòng)的方法已為大家普遍采用。本研究通過(guò)連續(xù)采集試驗(yàn)工況下個(gè)工作循環(huán)的示功圖，分析在低負(fù)荷和怠速工況時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)波動(dòng)的影響。平均指示壓力變動(dòng)率計(jì)算由下式給出?？刂撇呗詮纳鲜隹芍l(fā)動(dòng)機(jī)接近滿負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增加，此時(shí)需要降低來(lái)抑制的生成，將設(shè)置在左右，兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，此時(shí)排放處于急速上升前期，排放值較低。在以下負(fù)荷時(shí)由于排放量較小，過(guò)量空氣系數(shù)的確定應(yīng)以汽油機(jī)工作穩(wěn)定為前提，綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排放等性能，可以將設(shè)置在之間。對(duì)比時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)各負(fù)荷的過(guò)量空氣系數(shù)，采用電控系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)各負(fù)荷過(guò)量空氣系數(shù)均增大，且隨著負(fù)荷變化柔性控制。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)各方面性能，樣機(jī)采用電控系統(tǒng)后標(biāo)定轉(zhuǎn)速控制策略見(jiàn)圖。電控汽油機(jī)與原機(jī)性能對(duì)比為了對(duì)比電控汽油機(jī)與原機(jī)的整機(jī)性能，對(duì)其進(jìn)行外特性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖。從圖可看出，汽油機(jī)使用電控燃油系統(tǒng)后，在保證動(dòng)力性的前提下改善了經(jīng)濟(jì)性。標(biāo)定工況有效燃油消耗率為（），比原機(jī)降低了；在轉(zhuǎn)速為時(shí)，有效燃油消耗率達(dá)到最低值，僅為（），比原機(jī)降低了。對(duì)以上設(shè)定控制目標(biāo)的電控樣機(jī)，結(jié)合優(yōu)化后的點(diǎn)火提前角進(jìn)行排放測(cè)試，并與化油器式原機(jī)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表。采用電控系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)排放值為（），排放值為（），遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，有足夠的劣化余量滿足排放法規(guī)要求。排放值較原機(jī)降低，和排放相對(duì)于原機(jī)分別降低了和。在不使用后處理技術(shù)時(shí)原機(jī)的排放無(wú)法滿足階段排放限值，而電控樣機(jī)達(dá)到了階段排放限值要求。結(jié)論）采用電控系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)各工況可實(shí)現(xiàn)柔性控制；汽油機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)為時(shí)缸內(nèi)是功率混合氣，氣缸壓力和放熱率峰值均最大，混合氣變稀氧含量增加使燃燒更加完善，燃燒速度降低；標(biāo)定工況在之間，排放隨增大呈增加趨勢(shì)；而部分負(fù)荷時(shí)，增大有利于，排放和燃油消耗率的降低，排放略有增大，有利于整機(jī)的降低；發(fā)動(dòng)機(jī)在時(shí)，宜控制在之間，且隨著負(fù)荷增加逐步減?。唬┦褂迷O(shè)定的控制目標(biāo)結(jié)合優(yōu)化后的點(diǎn)火提前角，電控汽油機(jī)整機(jī)排放值為（），排放值為（），整機(jī)排放值較原機(jī)明顯降低，經(jīng)濟(jì)性得到顯著提高，不使用后處理技術(shù)能達(dá)到美國(guó)階段排放限值要求，且有潛力滿足更加嚴(yán)格的排放法規(guī)。