張釗 周斌

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院四川成都610031）

降低熱怠速油耗量的分析研究

張釗 周斌

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院四川成都610031）

降低怠速可以減小怠速工況的油耗量，為了找到降低熱怠速的影響因素，通過分析燃油及結(jié)構(gòu)參數(shù)、運轉(zhuǎn)參數(shù)、大氣條件，研究發(fā)現(xiàn)它們均對熱怠速有影響。優(yōu)化燃油、燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運轉(zhuǎn)參數(shù)均可降低怠速。而對不能改變的大氣條件，可以修正運轉(zhuǎn)參數(shù)來達到優(yōu)化的目的。當(dāng)然，最終怠速的確定要有滿意的燃油經(jīng)濟性，良好的驅(qū)動舒適性和合格的排放性。

內(nèi)燃機熱怠速油耗量參數(shù)優(yōu)化

引言

怠速是維持發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn)速，目前中小缸徑發(fā)動機怠速一般為550～1000r/min。降低怠速可以減小怠速工況的燃油消耗。因為降低發(fā)動機的轉(zhuǎn)速可減少單位時間內(nèi)發(fā)動機的工作循環(huán)數(shù)，使供油率下降，從而降低怠速油耗[1]。但降低汽油機的怠速受到燃燒穩(wěn)定性和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊南拗芠2]；車用柴油機在怠速工況時，柴油機缸內(nèi)溫度較低，氣缸漏氣量大，使壓縮溫度、壓縮壓力較低；另外燃油霧化不好，混合氣形成不均勻，燃燒不充分；還因供油量較小，每缸供油量的波動很大[3]，這些因素都限制了車用柴油機怠速的降低。

1 燃油及結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

1.1 汽油及結(jié)構(gòu)參數(shù)對汽油機怠速的影響

燃用辛烷值低的汽油機，怠速可降低。因為辛烷值越高，著火落后期越長，燃燒速度越慢。

缸內(nèi)直噴能形成中間濃、周圍稀的分層混合氣分布，先期參與燃燒的濃區(qū)具有很高的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋∷俦冗M氣道噴射改善10%以上。而采用HCCI工作方式的直噴式汽油機在怠速工況時，亦采用一般缸內(nèi)直噴汽油機的控制方式。

氣缸直徑增大雖導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x增長，可能使燃燒來不及完成；但會使燃燒室的面容比減小，相對散熱面積變小，熱損失減?。黄渥罱K結(jié)果是燃燒持續(xù)期變短。

壓縮比增加會導(dǎo)致燃燒室面容比增加，因而造成燃燒持續(xù)期變長；但提高了壓縮終了的壓力、溫度，最終使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃螅紵掷m(xù)期減短。

火花塞位置盡量布置在靠近燃燒室中心，以盡可能縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。保證火花塞周圍有足夠的掃氣氣流，以充分清掃火花塞間隙處的殘余廢氣，保證點火成功。高能點火可擴大可燃混合氣的點火界限，提高了燃燒穩(wěn)定性；而能量較大的初始火源的熱作用，以及強電場的電離作用，都能促進后繼可燃混合氣的迅速燃燒，從而增大了火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

表1是湍流燃燒時不同電極間隙下的失火率，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)火花塞間隙增加時，著火概率也增加。因為火花塞間隙增加消焰作用將減弱，火核形成的位置將離開壁面，可以避開停滯在壁面附近殘余廢氣的影響，而且處于間隙內(nèi)的混合氣的絕對數(shù)量增加。

表1 湍流燃燒時不同電極間隙下的失火率

表面間隙型火花塞相對于空氣間隙型火花塞在相同點火電壓下，能夠跳過更大的電極間隙，特別是在分層燃燒的汽油機中，可以減小燃燒變動和失火次數(shù)。在半球形燃燒室中，布置兩只火花塞，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x縮短1/2左右，從而可推遲點火正時，提高點火時的混合氣溫度和壓力，使著火性能改善，從而使燃燒持續(xù)期縮短。

浴盆形燃燒室的面容比較大，火花塞位置遠離燃燒室，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x較長。楔形燃燒室的火花塞布置在楔形高處的進、排氣門之間，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x也較長。半球形燃燒室的面容比要小于浴盆形和楔形燃燒室，蓬頂形燃燒室的面容比最小，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x最短。故蓬頂形燃燒室的怠速性能最好。

湍流強度會影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?，J.N.Mattavi的經(jīng)驗公式為:

式中ST為湍流火焰速度，SL為層流燃燒速度，u′為湍流強度。由（1）式可知提高混合氣的湍流強度可以明顯提高燃燒速度，降低循環(huán)波動率；但過強的氣流運動會使散熱損失增加，流動阻力增加，著火困難。一般認(rèn)為，湍流強度的最佳值在3～5m/s之間。

殘余廢氣系數(shù)增加會使層流火焰速度降低，它的經(jīng)驗公式為：

式中fr為殘余廢氣系數(shù)，為在fr下的層流燃燒速度，SL（0）為殘余廢氣系數(shù)為0時的層流燃燒速度。

故采用可變進氣歧管及小的氣門疊開角和氣門升程，在怠速時可增加進氣流速和湍流，提高充量系數(shù)，減小殘余廢氣系數(shù)，提高燃燒速度。

運行在怠速工況的廢氣渦輪增壓汽油機，因排氣背壓提高和殘余廢氣增大，會使排氣損失增加和沖淡混合氣。故自然吸氣的汽油機能有更好的怠速性能。

采用多氣門方案，該方案不僅使充量系數(shù)提高，流動阻力的損失降低；還可以使火花塞中央布置，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。

1.2 柴油及結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機怠速的影響

柴油是由正烷烴、異烷烴、烯烴和芳香烴等組成的，由于原油產(chǎn)地不同，各廠煉制工藝和組分分配比不同，我國生產(chǎn)的0號柴油中各種烴組分比例有不可忽視的差別，因烷烴的著火溫度比芳香烴的著火溫度低，所以含直鏈狀分子結(jié)構(gòu)的烴類成分越多，則越容易著火。

采用電控燃料供給系統(tǒng)的柴油機，因能實現(xiàn)PID控制及融入PID思想的各缸均衡策略，相比于機械式燃油供給系統(tǒng)響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度都有提高，電控共軌系統(tǒng)則可進行多段噴射，這些策略都能使怠速穩(wěn)定性增加。

同樣，柴油機氣缸直徑增加會使燃燒室的面容比變小，提高了壓縮終了的溫度；壓縮比增加，也會提高壓縮終了的溫度、壓力。

油滴細(xì)化得越均勻，怠速可以降得越低。廣安提出了表征整個油束的油滴細(xì)化程度的Sauter平均直徑（SMD）公式，它的適應(yīng)范圍是噴射壓力從3.5至90 MPa。

SMD（高壓）=

其中燃油的射流Reynolds數(shù)

燃油射流Weber數(shù)

上式中：下標(biāo)l表示液體，下標(biāo)g表示氣體，η為粘度，U表示流速，σ表示表面張力，ρ為密度，dj為噴孔直徑。

故可增加噴油器孔數(shù)，減小相應(yīng)孔徑，提高噴油壓力，增大燃燒室口徑，以改善燃油的宏觀分布均勻性和微觀細(xì)度，減小油霧的著壁量[8]。

不同型號的柴油機沒有特定的一種噴油器、氣道和燃燒室的結(jié)構(gòu)參數(shù)來改善怠速，他們需要合理的匹配。但有一些共識性的方案來優(yōu)化燃燒，降低怠速，例如：

1）渦流比降低，進氣阻力減小，充量系數(shù)提高；4氣門技術(shù)能降低換氣損失，提高充量系數(shù)，還可關(guān)閉一個進氣道來提高渦流比；該方案可以讓噴油器中置，使得噴油器各孔油線等長，噴注在燃燒室內(nèi)均勻分布。

2）頂隙減小，在頂隙內(nèi)沒有利用好的空氣減少，空氣利用率增加，燃燒改善。

3）氣門坑容積減小，坑內(nèi)空氣利用率增加，對進氣渦流的阻礙也減小了。

和渦輪增壓汽油機一樣，渦輪增壓柴油機在怠速工況排氣背壓較高，不利于降低怠速。

相比于汽油機，柴油機充入氣缸的是空氣而不是混合氣，新鮮充量排出以及廢氣倒入進氣管的影響都不大，而且在怠速時也沒有進氣管真空度加大的現(xiàn)象。缸內(nèi)的廢氣一方面加熱新鮮工質(zhì)，使壓縮終點的溫度升高；另一方面廢氣中含有較多的三原子氣體CO2和H2O，他們的比熱容大，使壓縮終點的溫度下降，氣缸內(nèi)的O2濃度又較低，使自燃反應(yīng)的速率下降。故配氣相位及EGR率對怠速影響需要根據(jù)實際機型及排放要求確定。

2 運轉(zhuǎn)參數(shù)的影響

2.1 過量空氣系數(shù)

汽油機的過量空氣系數(shù)在0.8～0.9時，最小火焰速度所對應(yīng)的火核半徑較小，容易點燃；滯燃期最短，火焰?zhèn)鞑サ钠骄俾首罡?；并且此時的進氣溫度下降，充量系數(shù)增大，能發(fā)出功最多，這些條件都可以讓怠速降低。但是由于是不完全燃燒，燃油消耗量上升，使得以降低燃油消耗為目的的降怠速變得沒有意義。同時考慮到有三效催化轉(zhuǎn)化器。故汽油機的過量空氣系數(shù)在1附近。

柴油機在怠速工況下，因過量空氣系數(shù)遠大于1，故過量空氣系數(shù)基本對怠速沒有影響。

2.2 點火提前角和噴油定時

在怠速工況，因轉(zhuǎn)速低，燃燒持續(xù)期短，點火提前角需要減小。但此時節(jié)氣門關(guān)閉，進氣歧管真空度大，缸內(nèi)殘余廢氣較多，又需要增大點火提前角，故最佳點火提前角值約為30°CA BTDC。

只要采用閉閥噴射，不管噴油定時如何變化，對汽油機怠速的影響都很小。因為噴油定時改變噴霧油滴的直徑。而噴霧油滴直徑從14μm到300μm對燃燒的影響很小。

柴油機希望接近上止點噴油，因為此時缸內(nèi)溫度、壓力較高，容易著火。

2.3 機械效率

眾所周知，發(fā)動機的機械效率越高，燃油消耗量越少。但除了必要損失的運動件摩擦功以及機油泵、燃油泵、發(fā)電機等附件外，還有一些隨機增加的附件，如空調(diào)壓縮機、動力轉(zhuǎn)向泵等。當(dāng)附件負(fù)荷突然增加時，怠速需要增高，以避免轉(zhuǎn)速瞬時降幅過大而導(dǎo)致發(fā)動機熄火，這就限制了怠速的降低。

2.4 排放

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，怠速排放問題由于使用權(quán)重大而受到重視。其中CO氧化成CO2的主要途經(jīng)為：

反應(yīng)的速率[6]為：

式中T為溫度。

未燃碳?xì)涞难趸俾逝c實驗結(jié)果比較符合的公式[6]為：

式中［］表示濃度，單位為mol/cm3；XHC和X02是碳?xì)浜脱鯕獾哪柗謹(jǐn)?shù)；t為時間，單位為s；T為絕對溫度；密度項的單位為mol/cm3。由式（7）和（8）可知，提高汽油機怠速可以提高缸內(nèi)溫度，從而降低CO和HC排放；降低柴油機怠速，HC和CO下降而NOx上升[10]，但NOx是柴油機的主要排放物。這同樣使得降低怠速受到限制。

3 大氣條件的影響

3.1 溫度

環(huán)境溫度增高，一方面會使壓縮終了的溫度上升，滯燃期縮短；但另一方面會使充量系數(shù)降低，但汽油機在怠速時節(jié)氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，柴油機在怠速時是富氧燃燒；故溫度升高對降低怠速有利。

3.2 濕度

當(dāng)濕度增大時，混合氣的比熱容增加，缸內(nèi)燃燒溫度降低。對于汽油機，水蒸氣還會導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档蚚9]；而對柴油機，利用微爆效應(yīng)可以優(yōu)化燃燒，但由于怠速是噴油壓力較低，微爆效應(yīng)不明顯，這些原因都導(dǎo)致怠速難以降低。

3.3 大氣壓力

大氣壓力隨海拔而變化的經(jīng)驗公式為：

式中p為大氣壓力，h為海拔，p0為海平面大氣壓力。由式（9）可知，隨著海拔的升高大氣壓力降低，這就使得缸內(nèi)壓縮終了的壓力下降，混合氣的化學(xué)反應(yīng)速率降低。

當(dāng)忽略空氣中飽和水蒸氣時，空氣密度公式為：

式中ρ為空氣密度，p為大氣壓力，T為溫度。由（10）可知，隨著大氣壓力的減小，進氣密度下降，氣缸內(nèi)氧含量減少，燃燒不充分。

4 結(jié)論

1）燃油及燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)、大氣條件均會影響發(fā)動機怠速的降低。它們中的參數(shù)如頂隙，越小對降低怠速越有利。但如汽油機中的湍流強度，則既不能太大也不能太小，最佳值在3～5m/s之間。

2）優(yōu)化燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)可降低怠速。當(dāng)燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時，可通過實驗來優(yōu)化運轉(zhuǎn)參數(shù)以降低怠速。在進行“三高”標(biāo)定時，需考慮大氣條件從而修正發(fā)動機怠速的運轉(zhuǎn)參數(shù)。

3）怠速的降低受到了隨機附件的變化、排放的限制而難以降低。最終怠速的確定要有滿意的燃油經(jīng)濟性，良好的驅(qū)動舒適性和合格的排放性。

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Analysis on the Reduction of the Hot Idle Fuel Consumption

Zhang Zhao，Zhou Bin School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University（Chengdu，Sichuan，610031，China）

Reducing the idle speed can reduce the fuel consumption of idle speed conditions.In order to find the influence factors of reducing hot idle speed，through the analysis of fuel and the structural parameters，operation parameters and atmospheric conditions，the study found that they all have an impact on the hot idle speed.To optimize fuel and the structure parameters of combustion system，operation parameters can reduce the idle speed.Atmospheric conditions can't change，but the running parameters can be modified to achieve the goal of optimization.Eventually，of course，the determination of idle speed is to have satisfactory good fuel economy，driving comfort and qualified emissions.

I.C.engine，Hot idle speed，F(xiàn)uel consumption，Parameter optimization

TK421.8

A

2095-8234（2014）04-0010-04

2014-05-14）

張釗（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向為內(nèi)燃機燃燒與排放。