基于低压直喷发动机稀释燃料过程优化的研究

【摘要】全球社会正在面临前所未有的能源危机，由于石油是不可再生能源，随着科学技术的不断发展，人类对石油的需求也在呈几何形势增长。为了缓解能源危机，汽车发动机方面的科学技术正朝着降低能耗、减少尾气排放的方向发展。低压直喷发动机依靠EGR技术有效降低了废气排放，降低了能耗。本文就低压直喷发动机稀释燃料过程进行优化，实验表明可以使燃料效率提高，减少损失，改善车辆油耗。

【关键词】低压直喷发动机；燃料；优化

一、低压直喷发动机稀释燃烧技术

（一）低压直喷发动机概述

低压直喷发动机的最大特点就是废弃再循环系统（简称EGR），它是汽车尾气所排放的氮氧化物通过技术，使其大部分在汽车内循环，减少了尾气氮氧化物的排放量。但是，低压直喷发动机在执行废弃再循环系统时，会打开阀门，此时也会有大量室外的自然空气进入发动机。空气内混合气体与汽车尾气中的氮气和二氧化碳融合后，稀释了空气的含氧浓度，然后再与汽油结合，降低了燃烧率，减缓了汽油的燃烧速度。并且，在实践活动中也已得到证实：废弃再循环率越大，汽油的燃烧速度越慢，油耗越大，汽车动力、经济性就越差；更可怕的是，当废弃再循环率大过临界点时，进入大量混合空气，汽油燃烧速度太慢，容易导致失火情况发生；反之，如果刻意降低废弃再循环率，那么就失去了减少尾气排放的意义，同时也容易使发动机过热，甚至爆震的情况发生。因此，废弃再循环系统只有通过改变燃料的唯一途径，来防止以上不利情况发生，有效保护发动机，降低汽车油耗。

（二）低压发动机改进原理--稀释燃料技术

改进低压发动机的唯一途径是通过稀释燃料技术来实现，以达到降低尾气排放量，降低汽车油耗，减少发动机磨损，实现绿色、环保的目的。在稀释燃料方面，主要是通过加大燃料的压缩比率来实现，燃料压缩比增大时，缸内的燃料数量就会增大，此时废气再循环系统再打开阀门放入空气后，由于汽油的充足，可以加大燃料的燃烧率和燃烧速度，保证低压发动机的再循环系统的正常工作。但是，如何配置燃料稀释的压缩比，仍有待研究。

二、稀释燃料过程实验系统构建

（一）构建原理

燃料稀释过程的实验系统首先需要在一个基础实验结果上进行构建，燃料分析平台经常使用的有：AVL、FEV和Kistler，其中Kistler是使用率比较高的。因此，燃料稀释过程就以Kistler为平台，进行构建。在Kistler平台上的实验系统构建原理如下：

首先通过Kistler收集发动机运转时的压力和气阀进入空气的信号。然后，在此基础上以光电编码器（该编码器与发动机轴承同步）生产出3000次/s的脉冲信号，进行输入，输入脉冲误差值控制在0.2°内。

然后传输出的光电脉冲信号A作为分析燃料的触发信号，该信号可以精确计算出Kistler中的输入信号采集点和发动机之间的角度，以此保证稀释燃料分析的精确性。

最后，向气缸内输入各种压缩比与稀释比的不同燃料，通监测系统来观察输入稀释燃料的压缩比、稀释比与发动机点火角度、比热容、循环废弃再利用率的关系。

（二）系统组成

稀释燃料过程实验系统分为两部分，分别为硬件和软件两大部分。其中，硬件部分主要有发动机缸传感器、进气传感器、数据采集模块、光电解码器等；软件部分主要为计算机硬件，可供采集、储存、分析数据。

三、实验结论及优化研究方法

通过实验分析后，主要研究压缩稀释燃料与发动机点火提前角的关系、比热容的关系以及与废弃循环再利用的关系。其中，发现无论是燃料稀释还是燃料压缩，前者是使燃料的浓度下降，后者是使燃料的浓度增大，两者的原理是一样的。本文仅讨论对燃料稀释后与以上三者产生的关系，并相对应的提出优化建议。

（一）稀释燃料与发动机点火提前角的关系

一般来说，废弃循环率增大，点火提前角不变的情况下，油耗比会呈现先减少后直线增大的现象。尤其是当废弃循环再利用率保持在5%至20%时，油耗比将明显降低（约10%至20%），那么在这一前提条件下，调整发动机点火提前角，使之变为最佳状态，即使油耗比降低为20%。

（二）稀释燃料与比热容的关系分析

燃料经过稀释后，燃料的比热容上升，也就是说从阀门进入外界的氧气容量减少，缓解了燃料燃烧的速度，降低发动机温度，减少了氮氧化物的排放。

（三）稀释燃料与废弃循环再利用率的关系

通过实验可以发现，当废弃循环再利用率达到20%时，车辆的油耗将明显增强，说明不宜再提废弃循环再利用率的数值。因此，也就是设置利用率值保持在20%的情况下，然后对燃料进行对应的稀释，只要EGR率达到了20%，即燃料最佳稀释比例。

综上所述，基于低压直喷发动机稀释燃料过程优化时，首先得调试好发动机点火提前角，使之为最佳状态，然后将EGR率控制至20%时为最佳目标，以此前提下对燃料进行逐步稀释，EGR率达到20%的稀释燃料为最佳稀释比例，此时燃料的比热容值也是最佳的。

四、结语

基于低压直喷发动机，利用燃料配比，成功提高了燃料的使用效率，减少了能量损失，实验数据显示可降低汽车油耗10%至20%左右，成功提高了低压直喷发动机的燃料使用效率。

参考文献

[1]周华. 汽油机缸内直喷稀薄燃烧技术（GDI）[J]. 客车技术与研究，2007.

[2]石浩天. GDI 汽油机进气系统的数值模拟研究[D]. 天津大学，2008.

[2]刘鑫. 汽油机缸内直喷（GDI）稀薄燃烧技术[J]. 交通科技与经济，2011.

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