通过控制冷却液温度扩大均质压燃汽油机运行范围

1、附 录通过控制冷却液温度扩大均质压燃汽油机运行范围Nebojsa Milovanovic, Dave Blundell, Richard Pearson and Jamie TurnerLotus EngineeringRui ChenDepartment of Aeronautical and Automotive Engineering, Loughborough University摘要均质压燃发动机燃烧利用来自被活塞压缩加热预混点燃混合气增强的TEG热能。由于均质压燃燃烧由着火温度，组成和压力控制，因此，它防止使用直接控制机制如火花塞和柴油。使用大量的TRG被视作是在一定运行范围内实现

2、和控制均质压燃一种途径。通过改变新鲜油气混合物（缸内）数量，着火温度，组成和压力能被控制，进而控制发动机点火正时和热释放率。均质压燃发动机概念有高效能和低NOx、二氧化碳和PM排放的潜力。然而我们发现促进均质压燃燃烧的TGR主要依靠TGR的数量和质量，换句话说，也就是依靠上一个循环的燃烧质量，气门正时，发动机负荷和转速。这样，对于自然吸气均质压燃发动机从发动机负荷和转速方面来说，运行范围在低负荷时受到失火限制，在高负荷时受到爆震限制。一种可能扩大均质压燃燃烧运行范围的方法是通过调整冷却水温度来影响TRG的质量。发动机冷却水温度影响缸内热传递过程，缸内传热过程反过来又会影响点火温度和均质压燃燃烧

3、过程。本文的目的在于呈现在一台装备了FVVT系统,使用标准汽油，并且运行在一定范围的冷却水温度上的均质压燃燃烧模式的发动机上的测试和结果。获得的结果表明降低冷却液温度上限扩展14%，提高冷却液温度下限扩展28%。介绍均质压燃燃烧是一个结合了火花塞点燃和压燃特点的过程。在均质压燃燃烧发动机中，空气和燃料在点火前预混然后被活塞运动压缩点燃。多点点火，并且这些电荷能量平行传递。这些结果是一致的，与此同时发动机点火和整个电荷的化学反应都没有火焰传播。在均质压燃燃烧中，并不要求湍流和混合，因为化学动力学在空气和燃料混合物中起决定性作用。均质压燃发动机概念有高效能和低NOx、二氧化碳和PM排放的潜力。然而

4、冷启动，在空载和高负荷下运行以及在在整个负载/速度范围内控制燃烧等问题限制了她的实际应用。使用大量TGR被看做是在一定范围内实现和控制均质压燃的方法之一。通过改变新鲜油气混合物（缸内）数量，着火温度，组成和压力能被控制，进而控制发动机点火正时和热释放率。对于自然吸气均质压燃发动机从发动机负荷和转速方面来说，运行范围在低负荷时受到失火限制，在高负荷时受到爆震限制。因而，对于自然吸气，进气道喷射的均质压燃乘用车发动机来说，可用的运行范围是很小的。对于均质压燃的商业应用来说，主要问题是如何扩大其运行范围，从而来满足the NEDC (inEurope), FTP-75 (in USA) and Ja

5、pan 10-15驾驶系统的全部或是大部分。本研究的目标是调查通过调整发动机冷却液温度来扩大均质压燃燃烧运行范围的可能性。发动机冷却水温度影响缸内热传递过程，缸内传热过程反过来又会影响点火温度和均质压燃燃烧过程。实验是在一台装备了FVVT并且使用商业汽油燃料的单缸试验发动机上进行的。实验装置和设置一台单缸试验发动机，配有可变气门正时和排气、燃料消耗、空燃比、温度、气缸压力监测等测量装置来测量。发动机研究采用的发动机是一台基于通用家庭1.8L单缸四冲程实验发动机。图一是发动机的一张图片。它有一个生产活塞和冲程，在前一个水冷箱到家庭一个部分定制的底端有一个标准的四缸头。只有前面的气缸头是运动的。水

6、套使用托架和加工修改结合的方式。不必要的水传输端口堵塞。发动机有特殊设计的单一气缸缸底，可以取消主要或次要力量，从而允许建立纯燃烧工作或者是光学方法探测。图一.配有AVT系统的单缸实验发动机燃烧系统使用传统部分的零件以确保在任何零件故障下能确保在尽可能低的成本下恢复。在这台发动机中压缩比可以很容易改变，因为缸是分开的，而且有能影响对皮带运动修正的AVT系统。任何改变压缩比是通过甲板高度上下移动来实现，高度通过间隔或特别短的衬垫,或两者的组合来改变。底端可以承受的冲程从100到7000rpm（根据行程而定）。发动机主要参数和实验条件在表一给出。发动机的详细介绍在【5】中给出。实验AVT系统作了调

7、整来实现各种气门正时策略，从而来控制达到预定义质量的TRG。四个电液压驱动的阀门开放和关闭的时间都是独立和数控的。阀打开配置文件可以选择，也可以由使用者设定。变量,数控控制软件使用输入从曲轴箱编码器和阀线性位移传感器帮助闭环控制,以满足一个“期望与实际的位置控制,直到所需的配置文件实现。微调阀配置文件是通过使用阀特定增益控制器完成的。发动机与Froude AG30, 30KW eddy-current dynamometer.连接。从DSP技术公司红线ACAP数据采集系统是配合7100 DEGR Horiba MEXA加热管线排放分析仪使用。燃料是管道喷射，引擎管理系统是传统的莲花V8控制器。

8、测量过程每次实验之前必须确保发动机被完全暖和,阀门执行器及测量设备的校准，而且自上一次实验没有行为上的改变。数据采集周期为以曲柄转角来分辨的300个周期。每个单独的周期中各种测量和计算变量以及那些超过300个周期中的平均值都可以显示。给出的汽缸压力的峰值(PCP),IMEP总,变异系数(浸IMEP)、曲柄角的50%质量分数燃烧(CA50)、最大压力上升速率(dP / dCA)和热释放率(HRR)是来自超过300个周期的平均值（通过ACAP数据采集系统从DSP技术)）。气缸内和冷却液温度的,HC和氮氧化物是通过Texcell系统得到的基于时间的排放值。质量流率是根据燃料流量和空气/燃料率测量的。

9、均质压燃燃烧的技术用于启动和控制HCCI燃烧的技术依赖于通过在排气冲程相对早关闭排气阀门和通过在进气冲程相对较晚(通常对TDC对称)打开进口阀门所捕获的一个预先确定的TRG的质量。图2是简单原理。在排气冲程最后阶段，排气阀关闭，TRG被压缩。在进气冲程随着活塞下降,进气阀门打开,新鲜的混合气是吸入气缸,气缸部分充满废气在进气冲程后期，进气阀关闭，新鲜混合气和残余废气在下一个压缩冲程被压缩。在压缩冲程的最后阶段，混合气温度上升，均质压燃燃烧发生。一旦均质压燃发生，做功冲程推动活塞运动，下一个循环继续重复。这个方法被命名为“顺序法(通常称在文学中称为再压缩方法)。还有一个实现HCCI燃烧的方法,同

10、时法(通常指的是文学作品中就套方法),由5派生。一般来说，在这个方法中，当活塞从压缩冲程到达BDC，排气阀打开，所有的废气从气缸内排出。当活塞运动到TDC，在进气冲程，进气阀和排气阀都是打开的，新鲜混合气和废气一起呗吸入气缸。再一次，在压缩冲程的最后阶段，混合气温度上升，均质压燃燃烧发生。一旦均质压燃发生，做功冲程推动活塞运动，下一个循环继续重复。两种方法的具体解释见56.在这个实验中，发动机是SI燃烧模式启动。当充量发动机温度达到（冷却液温度90ºC），通过增加负气门叠开来实现从SI燃烧模式到HCCI模式的转换（也就是顺序发）。在所有实验中冷却液的基本温度是90ºC，在扩

11、展运行范围上限时被降低，在扩展运行范围下限时被增加。结果和讨论在这项研究中进行的实验研究分为两组：运行范围上限的扩展和下限。在表一中，对两方面的研究，发动机的参数是保持不变的。在均质压燃燃烧时，火花塞被留在TDC的位置，仅仅为了清洁的目的，它对于均质压燃燃烧没有明显的影响。扩展运行范围上限第一批发动机测试集中于冷却剂温度对扩展稳定的均质压燃汽油机燃烧模式的上限的影响.达到上限时, 均质压燃汽油机的发动机燃烧速度很快,引起爆震燃烧.为防止这种情况,可以吸入更多的新鲜混合器(假定稀释率和增加的热输入之间的平衡有利于减缓燃烧)也可以谋求一个更高的(在发动机负载和气缸壁之间)传热增长率. 我们选择了后

12、一种方法.它是通过降低冷却液温度而实现的. 冷却液温度从90降到65. 发动机设置在油门全开(WOT)位置.排气阀门时间控制设置在EVO148°CA,EVC 298°CA;同时,进气阀IVO 422°CA,IVC578°CA, 对于阀动作阀升高2.5毫米.当清洁冷却液时，阀动作和TRG数量(40%(体积)保持不变。发动机参数保持在表1中指定的值。由于更高的温度差异,冷却液温度降低, 缸内和气缸壁之间的传热增加,因此大量的热能被移除因此这导致较低的缸内温度(图3),相反发动机新鲜混合气却增加了,从而更有可能增加空气流过发动机。随着空气流量的功率密度增加，发

13、动机功率输出(图4)。从图4可以看出冷却液温度从90降低到6，平均有效指示压力从4.85增加到5.6 (14%)。同时IME变异系数作为燃烧稳定性的一个指标,最大压力上升速度(dP / dCA)和峰值缸压力(PCP)减少(图5)。这很有可能是因传热增强,气缸壁附近的温度降低引起的,从而可以防止高温区域或主要爆震7,8来源-“热点”的形成。由于这个放热率的速率2(图6)、压力上升,峰值气缸压力减少,燃烧稳定性提高。减少的燃料消耗(ISFC),伴随着较低的冷却液温度(图7),最可能是燃烧和热能效率改进(由于提高了燃烧稳定性) 的结果。可以从图8中看出,冷却剂温度随着HC排放的降低而增加。由于传热增

14、强,汽缸壁附近的温度下降,抑制燃料氧化过程的冷边界层形成。与此同时,后期燃烧阶段(晚CA50)降低了缸内气体温度,因此大部分使HC排放增加的气体氧化也被迫停止. 获得的结果与报告9中的测试结果是一致的。可以看出:,NOx排放在研究冷却剂温度扫描中很是常见,然而HCCI燃烧模式(900 ppm) 却处于相对较高的水平. NOx排放如此高的原因极有可能是阀动作并不是很优化和选择的冷却剂温度扫描(90 0 C) 初始点已经有一个很高的NOx排放(850 ppm)3扩展运行范围由于压缩温度太低,不能实现完全HCCI燃烧,边界的另一侧,操作范围限制更低,因而发动机无法启动.。为了克服这个问题,要么必须使

15、用火花 (提高发动机控制的温度),要么降低传热的速度。后一种方法被采用,它是把冷却液温度从90度增加到125度。为了以最小负荷更好地控制空气燃料比(分类误判率),发动机节气门完全关闭,一定量的空气(“车间空气”)从旁边被供给到进气歧管,PFI得以形成。排气和进气阀动作时间设定在139 0 CA的EVO,EVC 290 0 CA,IVO 430 0和581 0 CA CA, 在冷却剂温度扫描时，阀升高值保持在1.8毫米不变。发动机参数保持在表1中指定的值,而随着冷却液温度的.上升，由于温差减小，汽缸和缸壁之间的热气体传热性能下降，,因此更少的热能被移除。因此这就导致维持HCCI燃烧所需要的大量热

16、量缸内温度(图9)上升。电荷混合气更高,稀释液更少(由于吸入发动机的空气减少)整个化学动力学的空气/燃料混合物加速运转,从而发动机发动。随着气流速度的降低，功率密度降低,因此发动机启动(图10)。,在图10可以看出,冷却液温度从90度增加到125度，减少了从2.11减到1.51 IMEP（下降了28%)。同时，COV IMEP略增加(图11),但从那些接受限制(x < 10%)可见值显著降低。这表明，通过整个冷却剂温度扫描可以达到一个稳定燃烧。因为负载输出减少，最大压力速度加大、峰值汽缸压力率(图11)和热释放率(图12) ,正如预期的那样正在减少。随着冷却剂温度上升，燃料消耗(ISFC

17、)恶化 (图13)4这是在非常低的负载下运行引擎一个不可避免的后果,因此热效率较低。从图14可以看出, ,随着冷却液温度增加，排放增加HC降低(冷却剂 > 105 0 C)。HC排放的增加可能是由于一个淬火散装气体氧化所引起的，低燃烧温度产生较低的发动机负荷。HC排放减少，冷却液温度增加到10度以上是因为在加速化学反应稀释中需要更高的温度和更少的费用,因此提高散装气体氧化。可以看出，, 冷却剂温度扫描的NOx排放处在一个非常低的水平(< 20 ppm)。可能由于较低的燃烧温度可减少负载冷却液温度增加105度以上可减少氮氧化物排放。降低燃烧温度可减少NOx排放。还有一个很有趣的现象，

18、冷却液温度高于105的同时，NOx and HC排放降低。这与获得的SI燃烧经验和在现今世界范围内发表的HCCI燃烧经验非常不同。这一同时减少了氮氧化物发射和HC排放的趋势最有可能是应用于确保AVT系统灵活的更优化的阀动作的结果。冷却系统实际实现的一个变量新的冷却系统(恒温器和电动水泵)在HCCI发动机上的实际应用目前仍在研究中。它是可能的,一个新的宝马的发动机控制单元(ECU)控制恒温器和电水泵的方法10将实施。这个操作系统是由一个控制算法冷却剂流量管理调节发动机温度响应发动机转速、负荷和外部温度,同时抵消可能的异常燃烧效果(爆震和失火)、油润滑问题和预期的驾驶要求11。结论在一台装备了AV

19、T系统使用标准汽油的单缸四冲程实验发动机上，我们实验调查了通过控制冷却液温度来扩大均质压燃汽油机的运行范围。AVT系统让不同的优化策略得以实现，从而控制均质燃烧，再压缩策略以及再呼吸策略，前一个策略在这次研究中被使用。冷却液温度从90ºC的正常运行值降低到65ºC用来调查运行范围上限的扩大，从90ºC的正常运行值升高到125ºC来减小运行范围下限。获得的结果表明，降低冷却液温度上限扩展14%，提高冷却液温度下限扩展28%，同时燃烧稳定，压升和气缸压力峰值也都在可接受的范围。稳定性下降、压力速度和峰值汽缸之间可承受的压力增强。降低冷却液温度，燃油经济性提高

20、，,但冷却液温度上升，它使得下限更低。同时在一部分低运行范围内实现了低NOx and HC排放。这种意外现象是AVT系统灵活性的结果，这种系统能让更多的优化调节和策略得以使用。参考资料1 Onishi S., Jo S.H., Shoda K., Jo P.D., and Kato S.Thermo-Atmosphere Combustion (ATAC)-A new Combustion Process for Internal combustion Engines.SAE Paper 790501, 1979.2 Hultquivst A., Endar U., Johanson B.,

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