停缸技术对增压直喷汽油发动机的性能影响研究

2022-05-19 06:07郭向阳吴春玲杨永真白晓鑫

内燃机与配件 2022年8期

0 引言

随着经济社会的快速发展，人民的生活水平不断提高，汽车成为了千家万户的生活必需品。据国家统计局数据，截止2019年末，全国民用汽车保有量26150万辆(包括三轮汽车和低速货车762万辆)，比上年末增加2122万辆。其中私人汽车保有量22635万辆，增加1905万辆。民用轿车保有量14644万辆，增加1193万辆，其中私人轿车保有量13701万辆，增加1112万辆。随着汽车保有量的增加，同时也带来了能源的大量消耗和环境的不断恶劣的问题。为应对能源和环境的危机，国家出台了一系列严苛的油耗、排放等标准法规并付诸实施。

当前，国内各高校、研究机构、主机厂都致力于研究高效的发动机节能减排技术，如进气增压技术、可变气门控制系统、停缸技术等，以提高发动机的热效率，降低发动机的燃油消耗和实现近零排放。停缸技术，又称可变排量技术，是发动机在低负荷工况运行时，停止发动机其中几个气缸的工作，改变工作的气缸数量，由剩余的工作气缸提供发动机的动力的发动机节能减排技术。停缸技术主要通过断油、停止气门运动等方式，停止特定气缸的工作，使工作气缸运行在高负荷率和燃油经济性良好的区域，增大节气门开度，降低泵气损坏和摩擦损失，最终实现减少发动机的燃油消耗

。同时，停缸技术对发动机的进气、排气、燃烧、排放等有一定的影响

。进而，吉林大学的解方喜等人

通过仿真和试验的方式，研究了停止工作气缸气门的不同关闭时刻对发动机性能的影响；南京理工大学的胡茂杨等

，研究了滞留废气、滞留空气、排气门常开3种停缸状态下的循环功耗和摩擦功耗，确定最小功耗方式下的最大发动机性能。最后，吉林大学杨文海的硕士论文中

，通过仿真建模分析了不同参数下的油耗影响和停缸瞬时的扭矩波动；并开展试验，分析不同停缸方案下的扭矩波动、转速波动和扭矩振动等影响。

本文针对一款增压直喷汽油发动机，研究发动机在应用停缸技术与未应用停缸技术下，其燃油消耗和排放的影响趋势。

1 试验资源

1.1 发动机主要参数

本试验样机的主要参数见表1。

自2016年下半年以来，在“防范重大系统性金融风险”的任务重压之下，“降杠杆”成为中国经济最为重要的宏观调控任务。从“紧信用”“强监管”，再到控制货币供应量增长的“紧货币”，中央政府力图通过“降杠杆”限制和降低金融机构、地方政府以及非金融企业(主要是国企)等快速上升的债务率，以防控系统性危机的爆发，并保障经济的平稳增长。然而，自2018年下半年开始，一方面，由美国挑起的贸易争端既扰乱了全球贸易的复苏进程，也阻碍了中国对外贸易的快速增长；另一方面，在中国各级政府继续加强落实各项“降杠杆”措施，并严格整顿金融秩序的同时，家庭部门的债务却在快速地扩张累积。

1.2 台架布置及试验设备

本文的试验研究是在发动机测功机台架上进行的，试验样机在台架上的布置见图1。

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完成桩位放样后，根据护桩情况确定导向架的位置，通过石灰撒线方式保证其精度。在导向架安装完成后，参考桩中心在导向架周围均匀焊接φ10mm的定位筋，定位筋与护筒间的距离应精确在50mm。在钢护筒施工过程中，应定期对钢护筒与定位筋间的距离进行测定，当偏差过大时进行及时纠正。钢护筒施工采用的施工方法为压入法，所用设备为DZ300振动锤。钢护筒每打入3m需要利用水平尺对钢护筒与定位筋间的距离进行测定，如果护筒垂直度与桩位偏移超过50mm，使用DZ90振动锤进行单边振动打压，实现对控制垂直度。通过钢护筒垂直度与中心偏移量进行有效控制，为后续桩基开钻奠定了良好的基础。

图7的结果表示，发动机应用停缸技术前后，其CO的排放量是相差不大的。

2 试验工况及方法

2.1 停缸策略

本文中试验结果中的节油率或减排率的计算公式如下：

本研究中，通过电控系统控制发动机停止缸的断油操作。本发动机采用的滚子摇臂的气门驱动机构，实验中通过电控系统控制挺住的升程，以控制气门的开启和关闭。

2.2 试验工况

本研究中的发动机运行工况主要分布在1500-3000rpm的小负荷区域(BMEP≤0.5MPa)，具体的工况点见图2。

The parameters used in the computational process are as follows[26]: nr = 3.2, Γ = 1/0.14 ps, and I = 4 MW/cm2, the others needed are shown in Table 1.

3 试验结果及分析

本文通过开展工况点的万有特性试验，分别采集停缸和未停缸下的台架测量数据、燃烧分析仪数据和排放相关的数据，来进行燃油消耗、排放特性的分析。

3.1 试验结果的计算公式

本研究中选择第2、3气缸作为停止缸，第1、4缸作为工作缸；在2、3气缸断油的同时关闭2、3气缸的进、排气门。

3.2 燃油消耗结果分析

本试验的停缸和未停缸下的燃油消耗对比如图3所示。

广泛性焦虑(generalized anxiety disorder,GAD)又称慢性焦虑症,主要表现为与现实不相符的持续痛苦、担忧,患者警惕性增高易发脾气,过分关注周围环境或自身健康而不能放松下来。GAD的发病机制尚无确切的结论,遗传因素可能是GAD的重要发病机制之一,有研究显示广泛性焦虑障碍患者和正常人的一级亲属患病风险率分别为19.5%和3.5%。对双生子的研究也显示,在同卵双生子中,该病的共患率明显高于异卵双生子。

由图3、图4的结果可知，发动机应用停缸技术后，其燃油消耗量降低了。当BMEP=0.1MPa,转速1500～3000rpm时，发动机的节油率在19%以上；在转速2750rpm，BMEP=0.1MPa工况时，发动机达到了26.5%的最高节油率。

如今，我国的基本国策中包含了节约用水的相关内容，节约用水是每个人需尽的义务。水资源不合理的使用以及对水资源的保护不够重视等问题会加剧水资源的供需矛盾。在城市用水中，人占有主要地位，因此，要实现节约用水，其根源还是提升人的节水意识。在设计排水系统时，需着重关注人们的节水意识：

发动机应用停缸技术后，发动机燃烧效率提高，缸内温度提高，促进了燃料的燃料，进而降低了THC的生成。由此可知，发动机应用停缸技术，可以降低发动机的THC排放。

(1)相同转速下，随着负荷的提高，发动机在停缸状态下的节油效果逐渐降低；

(2)相同负荷下，随着转速的升高，发动机在停缸状态下的节油效果呈现先升高后降低的趋势。

由此可见，发动机在中低转速低负荷工况应用停缸技术后，有明显的节油效果。

3.3 排放结果分析

3.3.1 THC的排放结果

发动机燃烧效率的增加，消耗了氧含量，由于缺氧，抑制了CO的转化，导致了CO生成量增加。

本工程涌水量大、水位降深大，所需水泵扬程高，水泵的外径一般为250 mm。而井管内径至少需大于水泵外径50 mm，故本次管内径按400 mm考虑，成孔直径按700 mm进行实施。采用6 mm厚钢管，滤管为桥式滤水管，滤管仅设置在粘土层中，防止抽取上部1～3卵石层地下水；滤管外包40目锦纶滤网，采用瓜子片滤料回填至滤管顶部以上，其上回填粘土球止水，防止1～3卵石层地下水进入降水井，详见图3。

同时发动机的燃油消耗降低呈现如下规律：

3.3.2 CO的排放结果

本试验中，由台架自带油耗测量仪测量发动机的燃油消耗，由台架的水恒温系统控制发动机的水温保持在90±5℃范围内。在排气系统的三元催化器上游管路中取气，通过气体分析仪测量CO、NOx、THC等气体污染物的体积流量；在三元催化器上游管路中加装测量孔，由烟度测量仪测量排气中的烟度值；同时在三元催化器的上游加装安装孔，连接ETAS 630测量过量空气系数(λ值)；最后在颗粒捕集器的上游管路中加装测量孔，测量发动机的排气中的颗粒数量。发动机各气缸安装缸压传感器，在发动机曲轴皮带轮除安装角标仪，将缸压信号和角标信号连入到燃烧分析仪中，测量发动机的燃烧参数。本试验使用设备见表2。

3.3.4 PM的排放结果