涡轮增压发动机低辛烷值燃料的试验研究

戴晓旭，曹海波，谷家鑫，于洪涛，贺燕铭，田安民Dai Xiaoxu，Cao Haibo，Gu Jiaxin，Yu Hongtao，He Yanming，Tian Anmin（北京汽车动力总成有限公司　技术中心，北京　101106）

涡轮增压发动机低辛烷值燃料的试验研究

戴晓旭，曹海波，谷家鑫，于洪涛，贺燕铭，田安民
Dai Xiaoxu，Cao Haibo，Gu Jiaxin，Yu Hongtao，He Yanming，Tian Anmin
（北京汽车动力总成有限公司技术中心，北京101106）

研究基于一台2.3 L四缸的涡轮增压汽油机，国内的推荐燃油为RON95汽油。由于匹配该发动机的车型要出口伊朗，当地的燃油多为RON85汽油；因此，需要在台架上进行低辛烷值燃料的性能开发试验。试验中需要综合调整点火提前角（Spark advanced Angle，SA）、空燃比（Air Fuel Ratio，AFR）以及最大增压压力确保该发动机在任何工况下正常运行，且不发生爆震现象。结果表明：由于使用燃料的辛烷值降低，点火提前角普遍减小。而点火提前角的降低又会引起排气温度的升高，降低空燃比进行催化器保护。接近外特性工况下，通过降低最大增压压力，牺牲发动机的性能来确保其稳定运行。

辛烷值；点火提前角；空燃比；涡轮增压；汽油机

0　引　言

B235R汽油发动机是引进瑞典SAAB技术生产的第一代技术产品，其压缩比为 10.5，在国内使用的标准汽油是RON95。搭载该发动机的整车出口伊朗，当地使用的汽油辛烷值多为RON85；因此，为满足客户的需求，发动机主机厂需要对发动机结构或标定数据进行调整以适应当地客户车辆的运行条件，当然也包括低辛烷值汽油的适用性。

不同类型汽油发动机匹配燃料的核心依据是压缩比，即发动机总容积和燃烧室容积的比值。一般而言，发动机压缩比越高，燃烧效率也越高，但更容易产生爆震；因此，较高压缩比的发动机所使用的汽油应该具有较强的抗爆性，而汽油的辛烷值是表征其抗爆性的指标。如果将匹配好的汽油辛烷值降低，强烈的爆震会对发动机造成不可逆转的损害[1-2]。可以通过调整发动机的缸内几何机构，降低压缩比，以适应低辛烷值的汽油。但对于主机厂而言，发动机尺寸的变更并非易事。而改变发动机的控制参数，调整发动机的标定数据，可以快速实现对低辛烷值燃料的适应。通过综合调整SA、AFR和最大增压压力以确保发动机在任何工况下稳定运行，且不发生爆震现象[3-4]。

1　试验系统及方案

1.1试验系统

如图1所示，发动机是2.3 L直列四缸涡轮增压汽油机。发动机的测控系统主要包括：Schorch LN8250M-AZ89Z-Z型测功机，主要用于控制发动机的转速和负荷。恒温进气系统控制发动机进气的温度和湿度。Emerson CMF010M300NWFZGZZZ型燃油流量计计算燃油消耗量，FEV G1 basic型燃油温度、压力控制装置调节燃油温度和压力以及发动机冷却液的温度，FEV CoolSim KLQ6型温控装置调节发动机增压进气的温度，Hanwei ACS1500Ⅱ型温控装置调节发动机的进气温度，ETAS ES630.1型空燃比分析仪通过检测发动机原始尾气的宽域氧传感器测量实际的空燃比。通过计算机调整电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）中的控制参数，实现对SA、AFR和最大增压压力等参数的调节。

1.2试验方案

试验在充分暖机后进行，试验室的恒温进气系统将进气和燃油温度控制在25±1 ℃，发动机冷却水和机油的温度为90±1 ℃；涡轮增压器前端排温限定在950 ℃，催化器排温限定在850 ℃。通过台架控制将发动机的转速和负荷调整到目标值，该目标值对应的是原标定数据中SA主表中的转速和最大制动转矩所对应的平均指示压力（Indicated Mean Effective Pressure_Maxium Brake Torque，IMEP_MBT）。由于试验所用汽油辛烷值为RON85，而原机匹配汽油的辛烷值为RON95，发动机的爆震倾向显著提升。因此，首先要推迟点火，通过减小SA的方式来抑制爆震；但是，SA的减小会推迟缸内混合物的燃烧，增加催化器的热负荷，严重时会导致涡轮增压器的抱死以及催化器的烧结；因此需要对催化器进行加浓保护，降低其热负荷。但SA和AFR不能过大幅度地调整，SA过小，会严重影响发动机的燃烧效率和燃油经济性，而AFR过低则会导致油耗过高，甚至缸内失火。因此，当上述 2个参数的调整已经触及边界时，则需要降低最大增压压力，牺牲部分性能来保证发动机正常运行。

2　试验结果及分析

利用标定软件INCA，通过修改ECU中的标定数据，综合调整SA、AFR和涡轮增压压力，以适应低辛烷值汽油的工作条件，从而保证发动机在任何工况下可以稳定运行，并有效避免爆震的发生。

2.1SA分析

汽油发动机从点火时刻到活塞达到压缩上止点这段时间内曲轴转过的角度称为SA。在活塞到达上止点前就进行点火是由于混合气从火花塞点火到完全燃烧有一个时间过程。最佳SA的作用就是在各种不同工况下，使气体膨胀趋势最大时活塞做功下降，这样效率最高、振动最小。SA最重要的2个影响因素是转速和负荷，当转速升高时，转过同样角度的时间变短，只有更大的提前角才能得到相应的提前时间；而当负荷升高时，混合气则燃烧越快，SA就越小[5]。

SA过高会造成爆震，爆震是一种缸内混合气自燃的现象，即混合气不是被点燃而是由于高温、高压而自燃。爆震会增加发动机的机械负荷和热负荷，严重时会对发动机造成不可逆转的损害。试验中将爆震传感器的信号转接至音箱，通过发动机缸体发出的声音来鉴别是否发生爆震。由于试验中使用的汽油与标准匹配的汽油辛烷值相比降低，因此爆震倾向显著，需要在爆震区域内对发动机的SA进行调整。如图2所示，分别选取2000r/min，3600r/min和5200r/min3个转速，在不同辛烷值汽油的前提下，对比B235R发动机SA的变化。可以看出，切换到RON85号汽油之后，与其标配RON95号汽油相比，随着负荷的升高，IMEP_MBT的增大，SA也在减小。当转速为5200r/min，IMEP_MBT为2000kPa时，二者的差距甚至达到了11°CA。由于RON85号汽油的辛烷值较低，抗爆性弱，缸内混合气燃烧时爆震倾向明显；因此，切换RON85号汽油时，通过减小SA来抑制爆震的发生。

2.2AFR分析

可燃混合气中空气质量与燃油质量之比为空燃比，表示空气和燃料的混合比。AFR是发动机运转时的一个重要参数，它对发动机的动力性、经济性以及尾气排放都有很大的影响[6]。试验中使用的汽油辛烷值有所降低，导致点火提前角减小，缸内混合气的燃烧速度降低，催化器的热负荷加大；因此，需要通过加浓混合气，降低AFR，从而防止催化器因温度过高而烧结。加浓混合气可以使更多的雾状燃油进入燃烧室，而燃油的蒸发需要吸收热量，缸内混合气的燃烧温度降低，通过催化器的排气温度也会随之降低。如图3所示，由于低转速排气系统的热负荷不高，不需要进行动力加浓，因此选取2400r/min，4000r/min和5200r/min3个转速，对比RON95和RON85号汽油对B235R发动机空燃比的影响。可以看出，随着发动机负荷加大，进气歧管压力升高，切换RON85号汽油，AFR有所降低，尤其是在较高转速工况下。这是由于SA的减小，进气量的不断加大，缸内燃烧被推迟，发动机排气系统的热负荷增大，需要更浓的混合气对三元催化器进行排温保护。

2.3增压压力分析

发动机是靠燃料在气缸内燃烧做功来产生功率的，由于输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制，因此发动机所产生的功率也会受到限制。如果发动机的运转性能已处于最佳状态，继续增加输出功率只能通过吸入更多的压缩进气以及增加燃料量，来提高发动机的做功能力。因此，增压技术应运而生。目前增压技术的主要应用形式有废气涡轮增压和机械增压；机械增压的低速响应性好，但需要消耗发动机曲轴输出的功；废气涡轮增压，是一种利用内燃机运转产生的废气驱动空气压缩机的技术，它不用消耗发动机的输出功，但由于涡轮的转动惯量较大，低速响应性较差。对于废气涡轮增压而言，增压压力是影响发动机性能的关键因素。试验中，需要对SA和AFR进行调整，以上2个参数的调整也有各自的边界条件。因此，当不能通过调整SA和AFR确保发动机稳定运行的时候，则需要降低最大增压压力，牺牲一部分发动机的性能。如图4所示，切换RON85号汽油后，当SA和AFR均达到各自的边界条件后，则需要降低最大增压压力来保证发动机的安全运转。此时，B235R发动机的最大增压压力与之前相比，在不同的转速下，有着不同幅度的降低，尤其在靠近增压器介入转速和最大转速附近明显。

2.4外特性分析

汽油机节气门完全开启的速度特性，称为发动机的外特性，它表示发动机所能达到的最大动力性能。从外特性曲线上可以看到发动机所能输出的最大扭矩和最大功率等。图5和图6分别表示在不同辛烷值燃料条件下，B235R发动机在不同转速下的外特性扭矩和功率。可以看出，由于SA和最大增压压力的降低，以RON85号汽油为燃料时，B235R发动机的性能受到很大程度的约束，扭矩输出下降明显。另外，转速3200r/min是一个临界点，低于该转速时，发动机主要受爆震制约；而高于该转速时，发动机主要受排温制约。因此，原来的“扭矩平台”被“峰状”的外特性扭矩曲线取代。另外，受到SA、AFR和最大增压压力的边界条件约束，发动机的缸内燃烧被推迟，燃烧效率降低，发动机的输出功率降低，而且排气系统的热负荷增强，则需要通过加浓混合气来进行催化器排温保护。

3　结　论

主要探究涡轮增压发动机B235R在低辛烷值燃料RON85号汽油的条件下，所需要调整的控制参数和性能输出特性，并与标配RON95号汽油的试验结果进行对比。结果表明，与RON95号汽油相比，RON85号汽油的抗爆性降低，SA减小。SA的减小推迟缸内混合气的燃烧，降低燃烧效率，并且会导致排气系统中三元催化器的热负荷增大。因此需要进一步进行动力加浓，通过喷入更多的燃油降低缸内燃烧温度，实现对催化器的排温保护。与此同时，加浓在一定程度上抑制爆震，也在一定程度上增加油耗。当SA和AFR都已经调整到各自的边界值时，出于安全考虑，降低最大增压压力同时也限制了外特性工况下的扭矩和功率输出。对于发动机主机厂而言，这种调整发动机标定数据的方法是切换低辛烷值汽油，满足整车出口最快捷的方法之一。

[1]唐辉.燃料性质对HCCI燃烧过程的影响[D].长春：吉林大学，2007.

[2]张飚.发动机爆震异响故障的诊断及排除方法[J].科技创新导报，2011（17）：75.

[3]戴晓旭，谷家鑫，于洪涛，等.正交设计法在涡轮增压发动机开发中的应用[J].北京汽车，2016（2）：1-4.

[4]Heywood, JB.Internal Combustion Engine Fundamentals [M].New York: McGraw-Hill, 1988.

[5]Lyon D.Knock and Cyclic Dispersion in a Spark Ignition Engine [C]// International Conference on Petroleum Based Fuels and Automotive Applications.IMechE Conference Publications 1986-11.Paper No.C307/86, 1986.

[6]Changwei Ji, Xiaoxu Dai, Bingjie Ju, et al.Improving the Performance of a Spark-ignited Gasoline Engine with the Addition of Syngas Produced by Onboard Ethanol Steaming Reforming[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(9): 7860-7868.

U467.2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.04.004

1002-4581（2016）04-0015-04

2016-03-04--