重型柴油機(jī)瞬態(tài)工況排放和EGR影響的試驗(yàn)研究*

趙靖華，洪 偉，韓林沛，韓永強(qiáng)，解方喜

(1. 吉林師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四平 136000; 2. 吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130025)

前言

車輛在行駛過程中特別是在城市街道中，大部分時(shí)間都處于起步、加速和減速等瞬態(tài)工況，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是時(shí)刻變化的[1]。在瞬態(tài)工況下，引入EGR和渦輪增壓技術(shù)的重型柴油機(jī)的排放特性和穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大的差別。為了滿足日益嚴(yán)厲的排放法規(guī)，大量研究人員開始著手于瞬態(tài)工況下EGR優(yōu)化控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放的研究[2-4]。然而，昂貴的瞬態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架和復(fù)雜的瞬態(tài)工況排放測試過程，制約了對(duì)重型柴油機(jī)瞬態(tài)工況下控制EGR流量以改善排放的研究。EGR率是混合氣形成和燃燒邊界的重要核心參數(shù)之一，目前在重型柴油機(jī)瞬變工況研究中，關(guān)于EGR率對(duì)排放的影響和如何控制EGR率來改善排放，尚無確定的結(jié)論和做法[5-6]。

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)工況下很少使用EGR和減速過程中NOx與碳煙的排放水平均未達(dá)到惡化的程度[7]，本文中主要研究瞬態(tài)加速工況下不同的轉(zhuǎn)矩瞬變率對(duì)NOx和碳煙排放的影響，以印證引入EGR和通過控制EGR流量來改善排放的必要性；同時(shí)通過EGR閥關(guān)閉階躍試驗(yàn)，揭示其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，尤其時(shí)排放性能的影響及其響應(yīng)歷程的規(guī)律，為EGR瞬態(tài)控制策略提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)臺(tái)架和原機(jī)瞬變性能分析

本研究對(duì)象為CY6D180重型柴油機(jī)，該機(jī)型主要配置有增壓器、中冷器和電控共軌系統(tǒng)等，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)基本參數(shù)

多種類型的高速傳感器和精密的測量儀器，配合PCL-818HG和PCI-9111數(shù)據(jù)采集卡組成了本研究平臺(tái)的實(shí)時(shí)參數(shù)采集與控制系統(tǒng)，主要測量儀器和具體參數(shù)如表2所示。為了研究瞬態(tài)加速工況下CY6D180柴油機(jī)排放性能惡化的原因和改進(jìn)方法，利用上述測控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油耗、煙度和NOx排放、渦前渦后溫度、節(jié)氣閥流量與開度、廢氣流量與回流閥開度、中冷前后壓力、排氣壓力、渦后壓力、進(jìn)氣歧管溫度和中冷前后溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)測量和記錄。

表2 試驗(yàn)用主要儀器設(shè)備

考慮到重型柴油機(jī)EGR技術(shù)應(yīng)用的研究重點(diǎn)在加速狀態(tài)，同時(shí)基于本研究平臺(tái)的實(shí)際測控水平，研究在瞬態(tài)加速工況特性分析的基礎(chǔ)上將其分解為恒速增矩和恒矩增速等工況，并將恒速增矩作為瞬態(tài)加速的代表工況[8]，通過CW440型電渦流測功機(jī)工況瞬變率設(shè)置的功能實(shí)現(xiàn)了該工況下的試驗(yàn)。

研究以ESC測試循環(huán)B轉(zhuǎn)速(1 473r/min)和該轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩變化范圍為最大轉(zhuǎn)矩的10%～90%之間(85～765N·m)，作為本研究瞬態(tài)恒速增矩的代表工況，首先考察了CY6D180原機(jī)瞬態(tài)工況下柴油機(jī)性能變化的一般規(guī)律。通過測功機(jī)分別設(shè)定了5、10和15s 3種轉(zhuǎn)矩瞬變率，圖1為各擋瞬變率下發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度的時(shí)間歷程。試驗(yàn)在10%最大負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行到8s時(shí)刻，分別開始3種瞬變率的時(shí)間調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩線性增大至90%最大轉(zhuǎn)矩并保持穩(wěn)定，圖2～圖4分別示出不同瞬變率下煙度、NOx和進(jìn)氣量的瞬態(tài)響應(yīng)。

由圖2可見，5s恒速增矩瞬變過程中煙度峰值為2.78%；10s瞬變中略有降低，為2.29%；而轉(zhuǎn)矩瞬變時(shí)間最長的15s瞬變過程中僅為0.97%，上述3種瞬變率下碳煙排放的程度均未超過發(fā)動(dòng)機(jī)性能可接受的范圍4%[5]。由圖3可見，3種瞬變率下進(jìn)氣量只是變化有快有慢，幅度差別并不明顯，這主要是由于進(jìn)氣系統(tǒng)中只有新鮮空氣存在。由圖4可見，NOx排放體積分?jǐn)?shù)的增幅在3種瞬變率下均超過200%，惡化情況較為嚴(yán)重，這主要是由于隨負(fù)荷的增加進(jìn)氣量和燃燒溫度都有所提高，高溫富氧共同導(dǎo)致NOx排放增加。

根據(jù)上述原機(jī)瞬變工況排放分析結(jié)果可知，理論上引入EGR技術(shù)可以降低NOx排放水平。但實(shí)際上，EGR作為重要的混合氣形成其燃燒邊界條件之一，在瞬變過程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響遠(yuǎn)不止這些，下文將通過試驗(yàn)做進(jìn)一步探討。

2 引入EGR后瞬變排放性能分析

本文中首先以原機(jī)性能為參考，對(duì)ESC測試循環(huán)B轉(zhuǎn)速各個(gè)負(fù)荷工況進(jìn)行EGR優(yōu)化。優(yōu)化原則為：在維持燃油消耗率最大增幅不超過3%、消光煙度值不超過4%的前提下，以NOx排放降低的幅度最大為目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)EGR閥得到各個(gè)工況點(diǎn)的最優(yōu)EGR流量。研究以此EGR流量MAP為控制目標(biāo)，在15s瞬變率條件下進(jìn)行NOx排放測試，結(jié)果如圖5所示。由圖可見，引入EGR優(yōu)化后瞬態(tài)NOx排放得到很大改善，特別是在低負(fù)荷和瞬變前期，改善效果尤為明顯。分析其原因，主要是由于EGR的引入降低了缸內(nèi)燃燒溫度和氧含量，同時(shí)瞬態(tài)過程中增壓器的延遲也會(huì)導(dǎo)致EGR超調(diào)和進(jìn)氣量減少，在噴油脈譜不變的情況下空燃比下降，進(jìn)一步抑制了NOx排放的產(chǎn)生。此外，由于高負(fù)荷時(shí)引入的EGR量本來就很小，并且EGR瞬變超調(diào)現(xiàn)象也已經(jīng)結(jié)束，所以高負(fù)荷和瞬變后期的改善效果相對(duì)不明顯。

穩(wěn)態(tài)EGR流量MAP控制下3種瞬變率的碳煙排放和穩(wěn)態(tài)EGR優(yōu)化后的碳煙度排放的對(duì)比如圖6所示。由圖可見，3種瞬變過程中的煙度排放水平都遠(yuǎn)高于穩(wěn)態(tài)EGR優(yōu)化后的煙度最大值和原機(jī)瞬變過程最差消光煙度峰值3%(圖2)，5s瞬變率的消光煙度甚至達(dá)到近80%，這一時(shí)間段恰恰對(duì)應(yīng)圖5中EGR率超調(diào)最嚴(yán)重的階段。并且，煙度瞬態(tài)變化持續(xù)時(shí)間均出現(xiàn)或多或少的延遲，其中5、10和15s瞬變條件下，分別出現(xiàn)了5、2和1s左右的延遲。分析其原因，瞬變過程中渦輪增壓器響應(yīng)延遲造成進(jìn)氣量減少和EGR率超調(diào)，如果噴油量未做出調(diào)整就會(huì)導(dǎo)致空燃比驟降，由此引發(fā)的油氣混合效果差、燃燒不完全，最終造成煙度急劇惡化。并且，瞬態(tài)率越高，瞬變延遲時(shí)間越長，EGR超調(diào)時(shí)間也越長，煙度惡化越嚴(yán)重。

綜上所述，EGR的瞬態(tài)排放響應(yīng)明顯和穩(wěn)態(tài)不同，在引入EGR后的瞬變工況中使用穩(wěn)態(tài)最優(yōu)開度MAP會(huì)導(dǎo)致碳煙排放水平急劇惡化。從優(yōu)化瞬變響應(yīng)歷程的角度考慮，適當(dāng)停止EGR，控制空燃比下降程度，理論上可以緩解碳煙排放的惡化。

3 直流電機(jī)EGR閥關(guān)閉階躍試驗(yàn)

在瞬態(tài)加速工況下停止EGR可視為系統(tǒng)的階躍響應(yīng)[9]，而且在工況運(yùn)行模式轉(zhuǎn)化過程中跟蹤EGR標(biāo)定MAP也必然會(huì)產(chǎn)生階躍的瞬態(tài)過程。以ESC-B轉(zhuǎn)速(1 473r/min)、轉(zhuǎn)矩605.81N·m和EGR全開時(shí)EGR率7.18%為起始工況，通過直流電機(jī)EGR閥的關(guān)閉階躍試驗(yàn)，探討其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響及其響應(yīng)歷程，結(jié)果如圖7所示，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的EGR閥從最大開度6mm完成關(guān)閉動(dòng)作，階躍信號(hào)大約經(jīng)歷了0.1s的時(shí)間。圖8～圖13中分別示出隨EGR閥關(guān)閉階躍，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)參數(shù)的響應(yīng)曲線，參數(shù)變化的起始和結(jié)束分別以和關(guān)閉階躍前后的穩(wěn)態(tài)數(shù)值相差10%的時(shí)刻為準(zhǔn)。

下面從發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)響應(yīng)延遲和響應(yīng)時(shí)間兩方面來分析EGR閥關(guān)閉階躍試驗(yàn)的結(jié)果。響應(yīng)延遲就是從EGR閥關(guān)閉到各個(gè)參數(shù)開始變化之間的延遲時(shí)間；而響應(yīng)時(shí)間則就是從參數(shù)響應(yīng)開始到響應(yīng)結(jié)束所經(jīng)歷的時(shí)間。

在圖8～圖13中，EGR閥約在16.52s時(shí)刻開始關(guān)閉，除了EGR率(圖8)和進(jìn)氣量(圖9)的響應(yīng)延遲不明顯以外，其他性能參數(shù)均出現(xiàn)一定的延遲現(xiàn)象。相比消光煙度的變化約有0.55s的響應(yīng)延遲(圖12)，NOx排放約產(chǎn)生長達(dá)5s的延遲(圖13)，這主要是由于測量的布置引起的(如排放分析儀到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的接連管道過長，長度超過5m)。轉(zhuǎn)矩變化約有0.2s的延遲響應(yīng)(圖10)可能是測功機(jī)控制系統(tǒng)導(dǎo)致，因?yàn)闇y功機(jī)對(duì)輸出勵(lì)磁的調(diào)節(jié)控制需要時(shí)間。由于發(fā)動(dòng)機(jī)上述各項(xiàng)性能參數(shù)的響應(yīng)延遲主要都是由本CY6D180重型柴油機(jī)臺(tái)架及測控系統(tǒng)固有的特性和測量限制造成的，故在瞬態(tài)性能參數(shù)采集時(shí)應(yīng)盡量減小此延遲，同時(shí)在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也應(yīng)給予充分考慮。

再從響應(yīng)時(shí)間觀察上述試驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)矩、缸內(nèi)最高燃燒壓力和放熱率峰值的響應(yīng)時(shí)間較短，轉(zhuǎn)矩從605.81N·m提高到612.76N·m大約經(jīng)歷了0.9s左右的時(shí)間(圖10)；最高燃燒壓力和放熱率峰值都需要大約16個(gè)燃燒循環(huán)，約為1.3s(圖11)。而與進(jìn)排氣系統(tǒng)相關(guān)的參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間則都比較長，EGR率從7.18%下降到0.03%大約需要6s(圖8)；進(jìn)氣流量從493.16kg/h提高到546.48kg/h經(jīng)歷約3.4s(圖9)；NOx排放隨EGR閥的關(guān)閉從1 143×10-6上升到1 462×10-6經(jīng)歷約4.9s(圖13)；煙度隨EGR閥的關(guān)閉從1.51%下降到了0.39%，經(jīng)歷約2.3s(圖12)。缸內(nèi)氣體流動(dòng)、混合氣形成和缸內(nèi)物質(zhì)與壁面間導(dǎo)熱等都存在延遲效應(yīng)，共同導(dǎo)致上述性能參數(shù)響應(yīng)時(shí)間的存在和差異。上述燃燒邊界條件都須經(jīng)歷特定的燃燒過程以后才可能達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，需要在瞬態(tài)EGR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中給予充分考慮。

綜上所述，設(shè)計(jì)瞬態(tài)EGR控制器時(shí)，要盡量減少測控臺(tái)架系統(tǒng)造成的響應(yīng)延遲，充分考慮NOx和碳煙排放響應(yīng)周期較長的問題，控制器的信息采集與執(zhí)行要分別持續(xù)到上述邊界條件到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)為止。

4 結(jié)論

(1) 通過原機(jī)瞬態(tài)工況排放分析可知，NOx排放體積分?jǐn)?shù)的增幅在3種瞬變率下均超過200%，惡化情況較為嚴(yán)重，引入EGR理論上可以改善NOx排放水平。

(2) 通過引入EGR后的瞬態(tài)工況排放分析可知，3種瞬變過程中的煙度排放皆趨于惡化，5s瞬變率的消光煙度甚至上升至近80%，瞬變工況中使用穩(wěn)態(tài)EGR最優(yōu)開度MAP會(huì)導(dǎo)致煙度排放水平急劇惡化，適當(dāng)停止EGR，理論上可以降低碳煙排放惡化的程度。

(3) 通過直流電機(jī)EGR閥關(guān)閉階躍試驗(yàn)可知，發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)或多或少都存在響應(yīng)延遲和響應(yīng)時(shí)間存有差異。在設(shè)計(jì)瞬態(tài)EGR控制器時(shí)，要盡量減少測控臺(tái)架系統(tǒng)造成的響應(yīng)延遲，充分考慮NOx與碳煙排放響應(yīng)周期較長的問題，控制器信息的采集與執(zhí)行要分別持續(xù)到上述邊界條件到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)為止。

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