缸内喷水对小型增压汽油机燃烧和排放特性的影响研究

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中文摘要：汽车工业的高速发展带来了人们日益关注的能源问题和环境问题。传统内燃机汽车通常采用汽油或柴油等不可再生能源作为燃料，尾气中含有大量的CO、HC、NOx和颗粒物等有害物质。除此之外，增压导致的爆震倾向加剧也限制了小排量汽油机热效率的进一步提高。缸内喷水技术通过向燃烧室内直接喷射液态水，利用水的汽化潜热吸收缸内热量，可有效降低压缩冲程末期缸内温度，抑制发动机的爆震趋势，从而可提前点火时刻，以提高发动机的热效率并降低排放。同时，缸内喷水技术具有水油比可调、可控性好等特点，可满足发动机的不同工况所需，因此受到了国、内外工业界和学术界的广泛关注。本文以一台产品级小型涡轮增压直喷汽油机为基础，通过在原机进气歧管上加工通孔以安装进气道喷油共轨和喷油器总成，将其改装为一台PFI汽油机。加装了基于气液增压泵和加热共轨的缸内直接喷水系统，搭建了基于CompactRIO高速控制器和LabVIEW开发平台的发动机控制系统和数据采集系统、基于FGA-4100汽车排放分析仪和DMS500的排放测量系统等，以此建立了可用于缸内直接喷水的发动机试验台架，并在不同试验方法下探究了缸内喷水技术提高发动机经济性和动力性的潜力。首先，本文在单一工况下，验证了缸内喷水技术抑制发动机爆震趋势的能力，并探究了各喷水参数对发动机燃烧排放特性的影响。试验结果表明：在发动机转速为2000r/min，BMEP为1.3MPa的工况下，当喷水质量为29.1mg/循环时，发动机的爆震指数可由未喷水时的0.052MPa下降至0.04MPa。试验结果还表明：在适当的喷水质量和喷水时刻下，缸内喷水技术能大幅度提前发动机的爆震极限点火时刻（KLSA），优化缸内燃烧相位，增加燃烧等容度，提高缸内峰值压力，提前峰值压力和峰值放热率出现时刻，从而提高发动机的燃油经济性和燃烧稳定性。但过量喷水和过晚喷水均会导致缸内燃烧恶化，使得发动机的燃油消耗率和循环变动率（CoV_IMEP）急剧上升。在试验所涉及的喷水温度范围内，喷水温度对发动机性能的影响不大。在排放特性方面，NOx的排放浓度将随着喷水质量的增加先增加后减小，而颗粒物排放数量浓度的变化趋势则与NOx刚好相反，将随着喷水质量的增加先减小后增加。除此之外，得益于燃烧相位的优化，随着喷水质量的增加，CO和HC的排放浓度均逐渐减小。其次，本文在不同工况下，以燃油消耗率为评价指标探究了缸内喷水的最佳策略以及缸内喷水技术对燃油经济性的改善效果。试验结果表明：在相同转速下，随着负荷的增大，发动机的最佳喷水时刻保持不变，但每循环最佳喷水质量逐渐增大，缸内喷水对发动机燃油经济性的改善作用越强。当发动机转速为2000r/min，BMEP为1.0MPa、1.3MPa和1.8MPa时,发动机的每循环最佳喷水质量分别为21.8mg、29.1mg和35.5mg，相应的燃油消耗率减少量分别为9.29%、11.55%和17.94%，总颗粒物排放数量浓度则分别减少了-20%（增加）、30%和44%。在相同负荷下，随着转速的升高，在同一喷水时刻下，发动机的每循环最佳喷水质量逐渐减小。当BMEP=1.3MPa，发动机转速为2000r/min和3000r/min时，发动机的每循环最佳喷水质量分别为29.1mg和14.8mg，相应的燃油消耗率减少量分别为11.55%和4%，总颗粒物排放数量浓度则分别降低了30%和-12%（增加）。最后，本文在定转速、节气门全开（WOT）的工况下，验证了缸内喷水拓宽发动机运行边界的能力。试验结果表明：在定转速下，随着喷水质量的增加，发动机所能达到的最大工作负荷先增加后减小，发动机的燃油消耗率也呈现出先降低后上升的趋势。当发动机转速为2000r/min时，WOT工况的最佳喷水质量为35.5mg/循环，此时发动机可在实现11.6%的燃油经济性提升的同时将发动机所能达到的最大BMEP由未喷水时的1.37MPa提升至1.55MPa，提高了13.1%。

作者：

曹睿

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关键词：

增压汽车工业缸内喷水燃烧过程燃油经济性排放特性

授予学位：

硕士

学科专业：

动力机械及工程

导师：

吴志军、邓俊

学位年度：

2020

学位授予单位：

同济大学

语种：

中文

中图分类号：