博士,葉鵬,彭鎮(zhèn)
(安徽江淮汽車集團股份有限公司,安徽 合肥 230022)
隨著有車族的增加,對燃油成本也越來越關注。社會上,汽車技術論壇,甚至一些學術院校的刊物、論文中都有對油品對綜合油耗影響的評說,但沒有有效的試驗數據佐證。本文旨在利用一款成熟的增壓汽油發(fā)動機,通過試驗分析,驗證市場常見的 92#汽油和 95#汽油對發(fā)動機燃油經濟性的影響,利用燃燒閉環(huán)區(qū)域、燃燒穩(wěn)定區(qū)域分析影響原因,并利用燃油消耗率變化率表征影響結果。
汽油主要由烷烴(包括正構烷烴、異構烷烴和環(huán)烷烴等)、烯烴(包括正構烯烴、異構烯烴等)和芳烴等組成,以及為了增加汽油辛烷值和含氧量,而添加的MBTE(甲基叔丁基醚,一種抗爆劑)。
與發(fā)動機性能密切相關的汽油化學特性參數主要包括辛烷值、燃料熱值、理論混合氣熱值、理論空燃比和硫含量等。辛烷值表征了汽油的抗爆性能。
芳烴含量高會導致汽油燃燒速率的降低,低芳烴含量汽油能夠顯著降低有毒物苯的排放,依據標準要求國Ⅴ汽油芳烴含量不大于40%。
烯烴是汽油中高辛烷值組分,化學性質活潑,易參與燃燒,高烯烴含量的汽油提高燃燒速度和可縮短燃燒滯燃期。
95#汽油相比 92#汽油會添加較多的重整汽油和 MTBE抗爆劑來達到辛烷值的要求。從而導致 95#汽油的芳烴含量和氧含量較92#汽油升高,而烯烴含量有所下降。
表1 不同標號汽油的主要組分對比
95#汽油較92#汽油烯烴含量低、芳烴含量高、含氧量高。
在不改變ECU數據的情況下,使用95#汽油,空燃比小,燃燒持續(xù)時間長,燃燒滯燃期長,反而會出現(xiàn)有效燃油消耗率提高,排放變差的現(xiàn)象。
辛烷值提高,發(fā)動機點火提前角可以增大,對ECU數據優(yōu)化后,95#汽油的燃燒效果優(yōu)于92#汽油。
所用試驗樣機為具備國五排放水平的增壓汽油發(fā)動機。在試驗開始前,完成樣機磨合,完成樣機的基本性能測試,動力性、經濟性符合設計目標。
試驗用油使用滿足國五標準的定制汽油,各化學組分在限值范圍內。油品基本參數如下表。
因汽油發(fā)動機的排放可以基于三元催化轉化器,完成大量排放物的降低,且基于標定開發(fā)經驗,以量產數據的NEDC特征點穩(wěn)態(tài)排放值為基準,排放結果上下浮動不超過10%,在不變更催化劑配方和催化器容量的前提下,可以滿足排放要求。故此次對比試驗中,同一工況點,調整ECU數據后的排放測試結果偏差需不超過10%。
使用95#汽油和92#汽油進行對比試驗過程中,兩種油品的同一試驗、同一工況的試驗邊界保持一致。
策劃了如下試驗內容:
(1)外特性經濟性對比試驗,調整ECU數據,使得在爆震強度基本一致的前提下,動力性能滿足設計要求,經濟性能達到最優(yōu)狀態(tài)。
(2)NEDC特征點經濟性對比試驗,調整ECU數據,確保平均缸內指示壓力(后簡稱IMEP)的循環(huán)變動率在2.5%以內,經濟性能達到最優(yōu)狀態(tài)。NEDC特征點依據數據計算得出。
(3)閉環(huán)區(qū)域[1]邊界對比試驗,調整ECU數據,確保IMEP的循環(huán)變動率在2.5%以內,渦前溫度不超過設計目標,調查閉環(huán)區(qū)域邊界。
(4)燃燒穩(wěn)定區(qū)域邊界對比,調整ECU數據,確保渦前溫度不超過設計目標,調查燃燒放熱率達到50%(后簡稱AI50)的相對曲軸轉角的區(qū)域邊界(一般認為AI50=8CA為爆震臨界區(qū)域)。
針對外特性區(qū)域和部分負荷區(qū)域的燃油經濟性對比,通過燃油消耗率變化率進行表征變化幅度,其中燃油消耗率變化率(δ)為:
FCR95:使用95#汽油的某一工況燃油消耗率
FCR92:使用92#汽油的某一工況燃油消耗率
同時,測試閉環(huán)區(qū)域和燃燒穩(wěn)定區(qū)域的范圍,用以分析燃油消耗率變化的原因,表征燃燒狀態(tài)較好的區(qū)域變化。
發(fā)動機使用 95#油品的外特性燃油消耗率降低明顯,其中,中等轉速區(qū)域的外特性燃油消耗率降低最為明顯,燃油消耗率變化率最大可以達到13.7%。主要原因分析:
(1)外特性區(qū)域的燃燒較為劇烈,控制爆震是外特性標定的重要影響因素。95#油品抗爆性較92#汽油略好,可以一定程度上抑制爆震發(fā)生。點火角可以提前1~3CA;
(2)95#油品,點火角提前,動力性增強,與 92#油品同扭矩工況下的油耗量降低,燃油消耗率降低;
(3)95#油品,點火角提前,渦前溫度降低, 空燃比可以適當增加,從而降低燃油消耗率。
圖1 外特性燃油消耗率對比
如圖2,使用95#汽油和92#汽油,NEDC特征點的燃油消耗率有略微降低,負荷越高,效果越明顯,具體對比結果如下:
(1)轉速低、負荷低工況:閉環(huán)區(qū)域,空燃比無需調節(jié);點火角處于最佳位置;無法通過調整ECU參數來實現(xiàn)燃油消耗率的降低;
圖2 NEDC特征工況點的燃油消耗率對比
(2)轉速高、負荷高工況:閉環(huán)區(qū)域,空燃比無需調節(jié);AI50超出8CA的最佳燃燒區(qū)域,可增大點火提前角至最佳燃燒區(qū)域,燃油消耗率變化率為1%~2%。
閉環(huán)區(qū)域越大,表示燃油經濟區(qū)越寬泛,越有利于整車燃油經濟性的表現(xiàn)。如圖3,使用92#汽油的閉環(huán)區(qū)域為區(qū)域1,95#汽油較使用92#汽油,閉環(huán)區(qū)域增加了區(qū)域2。
(1)中低速工況,使用 95#油品的閉環(huán)區(qū)域更寬泛。95#油品抗爆性優(yōu)異,點火提前角可適當提前,不需要加濃空燃比來控制排溫,故在較高負荷,發(fā)動機也可以工作在閉環(huán)區(qū)域。
(2)高速工況,兩種油品的閉環(huán)區(qū)域邊界無差異。在此區(qū)域,點火提前角對降低排溫的效果不明顯,需要在開環(huán)控制狀態(tài)下,加濃空燃比來控制排溫。
圖3 部分負荷閉環(huán)區(qū)域邊界對比
95#油品的抗爆性好,點火角可以相應提前,使得AI50進入最佳燃燒區(qū)域。該區(qū)域越大,燃油消耗率最佳區(qū)域也相應越大。如圖4,使用92#汽油的燃燒穩(wěn)定區(qū)域為區(qū)域1,95#汽油較使用92#汽油,燃燒穩(wěn)定區(qū)域增加了區(qū)域2。
其中,變化較為明顯的為中速中負荷區(qū)域,也是整車常用工況區(qū)域,使用95#汽油,中速中負荷區(qū)域基本處于燃燒穩(wěn)定區(qū)域,燃燒相對穩(wěn)定,對于燃油經濟性的控制也更為有利。
圖4 燃燒穩(wěn)定區(qū)域邊界對比
(1)發(fā)動機使用95#汽油的外特性燃油消耗率整體降低明顯,燃油消耗率變化率最大為13.7%;
(2)部分負荷的中高速、大負荷區(qū)域, 95#油品的油耗率有所降低,燃油消耗率變化率最大為 2.14%;部分負荷的低速、小負荷區(qū)域,燃油消耗率無改善;
(3)從部分負荷到外特性區(qū)域,使用95#汽油,中等轉速區(qū)域是燃燒狀態(tài)變化最為明顯的區(qū)域,燃燒趨于穩(wěn)定,閉環(huán)區(qū)域變大,燃油消耗率降低的也最為明顯;
(4)高速工況,閉環(huán)區(qū)域和燃燒穩(wěn)定性區(qū)域的變化均較小。
參考文獻
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