气门正时对增压汽油HCCI发动机NOx和CO排放影响的初步研究

气门正时对增压汽油HCCI发动机NOx和CO排放影响的初步研究

摘要 HCCI燃烧是一种新的发动机燃烧技术。文章研究了在不同的进气门和排气门最大开启点下，NOx和CO排放随气门正时变化的影响。结果表明，当排气门正时提前很多且增压压力和过量空气系数在增大时，NOx排放最低，而CO的排放最高。阐述了有效降低NOx和CO排放的方法。

引言

均质充量压缩燃烧方式（Homogeneous Charge Combustion lgnition，HCC1）是近年来发展起来的一种新型燃烧方式。HCCl是在进气及压缩过程形成均质的混合气，当活塞压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火。HCCI是稀薄（相对于SI发动机的混合气浓度）均质的混合工质压缩燃烧，其稀薄均匀混合物的燃烧在整个气缸容积内多点同时进行，没有火焰前锋，这使其燃烧温度较低，具有低温和反应快的特点，从而可以同时大大降低碳烟微粒（CPM）和氮氧化合物（NOx）的排放，但其CO排放较高。

1 试验装置与系统设计

1.1 发动机设置

本研究选择单缸四冲程的汽油发动机为实验发动机，并对其进行了改造，使其满足进行HCCI燃烧的条件。表1为实验发动机的性能参数。该发动机上装有1个直流测功机，用以保持发动机在设定的转速下运转。

1个型号为Kistler6125A的压力传感器固定在燃烧室壁上，它通过1个型号为Kistler5011的放大器与固定在IBM兼容PC机上的数据采集板相连。编码器是用来记录曲轴转角的，整个装置在LabVIEW的软件环境下。该软件环境下，要记录的数据有内缸压力VS曲轴转角、气门正时，发动机平均有效压力IMEP、CO2和CO未完全燃烧的碳氢化合物、氧气及氮氧化物的排放。

整个实验过程中，没有加载任何外部废气再循环和外部热，为了安全起见，最大加载压力小于等于120kPa。整个实验的发动机转速为1500r/min。本试验所用的燃料等级为95#的无铅汽油。

1.2气门正时设置

残余气体是通过负气门重叠捕捉的，并且在实验过程中发动机节流阀一直保持全开。在操作前，进气门和排气门正时由游标调节式凸轮轴手工设定，其范围由游标行程决定。

本文气门正时的定义如下：

1）本文给出了进气门和排气门的最大气门开启点MOP（Maximum opening points）；

2）在排气冲程上止点（TDC）之后进气门最大气门开启点MOP由曲轴转角给定；

3）在排气冲程上止点（TDC）之前排气门最大气门开启点MOP由曲轴转角给定。

1.3试验条件

试验条件如表2所示。在casel、case2及case3中，排气门MOP不变，进气门正时变化从提前进气门正时到延迟进气门正时，case2的气门正时为该状态下的标准气门正时。在case4、cases及case6中，进气门MOP不变，排气门正时变化从提前排气门正时到延迟排气门正时，case5的气门正时为该状态下的标准气门正时。

2结果与分析

2.1 NOx的排放

图1为NOx的排放随过量空气系数λ和增压压力变化而变化的关系图。由图1可知，NOx排放量随增压压力和过量空气系数λ的变化而明显改变。在高λ值和高压下，NOx排放达到最低。图1还表明了NOx排放量随λ值增大而减少的变化关系（当压力一定时）。当λ值最小并且低压时，NOx排放量最高，它随着λ值的增大和压力的增加而急剧下降。这是因为NOx排放与过量空气系数λ有关，过量空气系数λ的定义为燃烧1kg燃料的实际空气量和理论空气量之比，λ越大时，混合气越稀，NOx排放就下降，当增压压力增加时，NOx排放降低NOx排放随增压压力的增加而减少。

图2为NOx的排放随进气门最大开启点和增压压力变化而变化的关系图。由图2可以看出NOx排放随进气门正时和增压压力的变化而显著变化。从图2还可以很明显的看出，在增压压力一定的情况下，NOx排放曲线成浴盆形状，即进气门最大开启点在某一个位置时，NOx排放达到最小。任何进气门最大开启点偏离该位置时，NOx排放都会急剧上升。当增压压力越高时，该偏离对NO，排放的影响会越小。这是因为NOx排放与过量空气系数λ有关，它随λ值的增大而降低，而进气门最大开启点MOP与λ的关系呈反浴盆形状，导致了NOx的排放随进气门最大开启点MOP与λ的关系呈浴盆形状。

图3为NOx的排放随排气门最大开启点和增压压力变化而变化的关系图。从图3可知，当排气门正时提前最多并且增压压力很高时，NOx排放最低。NOx排放随增压压力的增加而缓慢下降。而当延迟排气门正时，即使增压压力最小时，NOx排放也很高。低压时，当排气门正时提前一点点时，NOx排放此时仍相当高；而当排气门正时提前很多时，增加了捕捉的残气量，稀释了燃料的浓度，λ值就变大，NOx排放降低。

由图1~图3可知，NOx的排放取决于过量空气系数λ，而进排气门最大开启点的变化又导致了λ的变化，最终导致了NOx的排放的变化，因此可以通过捕捉更多的残气量或者提高增压压力来降低NOx排放。

2.2 CO的排放

图4为CO的排放随进气门最大开启点和增压压力变化而变化的关系图。比较图2和图4可以看出，CO排放图和NOx排放图的变化趋势是相反的。当NOx排放最高时，CO排放最低。CO是不完全燃烧的产物，这是因为CO排放也由λ值决定，λ值越大CO排放越高，而λ值越大，NOx排放就越少。

图5为CO的排放随排气门最大开启点和增压压力变化而变化的关系图。从图5可知，当排气门正时提前很多且增压压力比较高时，CO的排放最高。这是因为在该条件下，稳定燃烧过程所需的过量空气系数A最大。因为CO为不完全燃烧的产物，故其排放高，表明燃烧效率低。这可以说明，当排气门正时提前时，燃烧效率低，故燃油消耗将会增加。

比较图3和图5可知，CO排放图和NOx排放图的变化趋势是相反的。当NOx排放最高是，CO排放最低。排气门正时延迟最多且增压压力相当高时，CO的排放最高。

由图4和图5可知，可以通过降压和提前排气门最大开启点来降低CO的排放，但这会提高NOx排放，这是一对矛盾。

2.3 小结

根据上面的图解与分析，可以得出，如表3所示。

由表3可以看出，通过增压，进气门正时，排气门正时方法降低NOx排放和CO排放的措施是相反的，这是因为NOx排放和CO排放都取决于过量空气系数λ（该试验条件下）。而过量空气系数λ对NOx排放和CO排放的影响是相反的。通过表3还可以得出，通过改变进气门正时对降低NOx排放和CO排放影响不大，这是因为，根据上面的分析知道，为了NOx排放的排放，进气门最大开启点MOP存在一个最佳的开启点，在该点NOx排放最低，但CO的排放最高。任何进气门正时对该点的偏离都会导致NOx排放升高，而CO排放降低。

为了得到更低的NOx排放，可以通过增加增压压力或者延迟排气门正时或者二者同时操作来得到。为了得到更低的CO排放，可以通过减少增压压力或者延迟排气门正时或者二者同时操作来得到。降低NOx排放和降低CO排放，是一对矛盾，这有待进一步研究。

3 结论

通过改变气门正时对带有残气捕捉的增压式汽油HCCI排放的分析，得出如下结论：

1）当排气门最大开启点MOP不变时，我们发现，改变进气门正时NOx也随之改变。存在一个最佳的进气门正时点，在该点，NOx排放的排放最小，而当进气门正时偏离该最佳点时，NOx排放都会增加，偏离越多，NOx排放增加就越多；

2）当进气门最大开启点MOP不变时，我们发现，改变排气门正时，NOx排放也随之改变，当延迟排气门正时时，NOx排放会降低；

3）NOx排放曲线和CO的排放曲线是相反的，当NOx排放排放最高时，CO的排放是最低的，反之亦然。这是一对矛盾；

4）增加压力或者是增加残气捕捉量，NOx排放都会降低，但CO排放会增加。