基于配氣正時的柴油機高排氣背壓性能優(yōu)化

鄒玉紅，盧 勇，裴普成

（1.清華大學(xué)汽車工程系，北京 100084；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084）

為了提高性能，柴油機上會搭載渦輪增壓器、尾氣后處理裝置（如選擇性催化還原器、微粒捕集器、顆粒過濾器）及能量回收系統(tǒng)，但這會使得排氣背壓升高［1－5］。此外，用隔熱材料對排氣歧管、渦輪增壓器及排氣管路進(jìn)行包裹［5］，排氣通道堵塞［6］，汽車底盤匹配不合理［7］，這些均會引起柴油機排氣系統(tǒng)背壓升高，背壓甚至可達(dá)0.15MPa以上［1］。

排氣背壓升高會造成泵氣功損失增加，從而導(dǎo)致機械功消耗增多，機械效率降低［4，7］。同時，背壓過高使得殘余廢氣系數(shù)增大（一定程度上類似于高溫EGR）［1］，導(dǎo)致燃燒不充分，燃燒做功減少，燃油經(jīng)濟性惡化［3－5］。殘余廢氣系數(shù)過大還會引起排氣溫度升高，煙度加大，排放惡化［5］，若安裝渦輪增壓器，其工作環(huán)境變差，柴油機進(jìn)氣壓力相應(yīng)減少［6］。

目前，針對柴油機排氣背壓過高帶來的性能惡化的問題主要通過兩種途徑進(jìn)行改善：一種是直接控制排氣背壓，如設(shè)計排氣系統(tǒng)時減少急變的彎頭、盡可能簡短排氣管路、優(yōu)化催化后至一消前及一消后至二消前管徑、柴油顆粒過濾器（DPF）再生［3－5］等；另一種是采取其他措施來保持柴油機背壓較高時性能不變，如減小渦輪增壓柴油機渦輪流通面積［8］。這些方法中大部分都是優(yōu)化排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，很少對柴油機本身進(jìn)行優(yōu)化。

隨著渦輪增壓器、排放后處理裝置的加裝，柴油機的排氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，僅靠優(yōu)化排氣系統(tǒng)改善柴油機高排氣背壓問題已經(jīng)越來越困難。因此，除了繼續(xù)優(yōu)化柴油機排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，還需要進(jìn)一步對柴油機本身進(jìn)行優(yōu)化。大量研究已經(jīng)證明，合理優(yōu)化柴油機的配氣相位能夠提升柴油機的性能［2，9－13］，因此，本研究提出通過優(yōu)化配氣正 時 的 方法來改善柴油機因排氣背壓升高帶來的一系列性能惡化的問題?？紤]到柴油機背壓的升高不僅僅是渦輪增壓器引起的，本研究不進(jìn)行發(fā)動機與渦輪增壓器的匹配計算，主要研究背壓升高后的解決方案。

1 優(yōu)化參數(shù)的確定

在進(jìn)排氣門升程曲線不變的情況下，配氣正時可優(yōu)化的對象只有進(jìn)氣提前角（晚關(guān)角）、排氣提前角（晚關(guān)角）。氣門重疊角對殘余廢氣系數(shù)的影響不能忽視，排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角相加就是氣門重疊角。排氣門適當(dāng)晚關(guān)可以使排氣過程更加充分，獲得較好的排氣效果，減小殘余廢氣系數(shù)。相關(guān)研究也表明，如果排氣晚關(guān)角過小，可能導(dǎo)致留在缸內(nèi)的殘余廢氣相對質(zhì)量增大［14］。進(jìn)氣門早開，對進(jìn)氣過程有利，所以通過增大進(jìn)氣提前角也有可能減小殘余廢氣系數(shù)。排氣背壓升高導(dǎo)致內(nèi)燃機性能惡化的原因是泵氣功和殘余廢氣系數(shù)的增加，因此，本研究認(rèn)為柴油機在高排氣背壓下工作時，可以通過優(yōu)化排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角來改善其性能，并對這兩個參數(shù)進(jìn)行更加深入的研究。

2 柴油機仿真模型的建立

2.1 仿真模型

為了研究排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角對柴油機高排氣背壓下性能的影響，選擇了LD1110普通單缸柴油機作為研究對象，利用GT－Power計算軟件對其建立仿真模型。

LD1110柴油機的主要參數(shù)見表1。根據(jù)試驗，入口和出口環(huán)境均為大氣環(huán)境，壓力設(shè)為0.1MPa，溫度為298K，組分為空氣。

表1 LD1110柴油機參數(shù)發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

在性能仿真計算模型中采用了Woschni傳熱模型和Wiebe燃燒模型。Woschni模型在氣門開啟期間會適當(dāng)提高傳熱系數(shù)，能更加真實地模擬實際柴油機缸內(nèi)傳熱。大量內(nèi)燃機試驗數(shù)據(jù)已經(jīng)證實了Woschni模型可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測缸內(nèi)傳熱情況［15］。缸內(nèi)燃燒采用兩區(qū)域燃燒模型［16］，該模型將缸內(nèi)分為未燃區(qū)域和燃燒區(qū)域。起始時刻，缸內(nèi)為未燃區(qū)域，之后可燃混合氣根據(jù)燃燒速率由未燃區(qū)域向燃燒區(qū)域轉(zhuǎn)移。進(jìn)入燃燒區(qū)域的氣體可根據(jù)化學(xué)平衡方程和燃燒模型計算出燃燒產(chǎn)物和能量，之后根據(jù)流體運動模型計算出2個區(qū)域的溫度和缸內(nèi)壓力。燃燒速率通過Wiebe模型計算。在沒有缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)矯正的情況下，利用Wiebe燃燒模型可以計算出較為合理的且接近真實的燃燒放熱率。對于進(jìn)氣系統(tǒng)模塊，忽略空氣濾清器的影響，根據(jù)相關(guān)參數(shù)建立LD1110單缸柴油機的原機模型（見圖1）。

2.2 模型的校驗

由于沒有缸內(nèi)壓力的試驗數(shù)據(jù)，因此采用內(nèi)燃機性能校對模型進(jìn)行校驗，選取該柴油機外特性曲線進(jìn)行模擬計算，扭矩和燃油消耗率的模擬計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比分別見圖2與圖3。仿真曲線與試驗數(shù)據(jù)吻合得很好，該柴油機仿真計算模型可用于后續(xù)研究。

3 結(jié)果與分析

渦輪增壓柴油機的排氣背壓一般在0.16～0.18MPa［17－18］，有時甚至可以高達(dá)0.4MPa［18］，因此，本研究將模擬計算中的柴油機排氣背壓設(shè)為0.3MPa。柴油機入口壓力為0.1MPa，進(jìn)排氣門升程曲線保持不變。為了提高仿真研究的準(zhǔn)確性，將模型校驗的工況點設(shè)為研究對象，分析低中高3種 轉(zhuǎn) 速 （即 轉(zhuǎn) 速 1 000r／min，1 600r／min，2 200r／min）下，配氣正時對內(nèi)燃機性能的影響，比較低速與高速下優(yōu)化配氣正時后內(nèi)燃機性能的改善情況。各轉(zhuǎn)速下的噴油量校驗值見表2。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的噴油量校驗值

3.1 配氣正時對殘余廢氣系數(shù)的影響規(guī)律

殘余廢氣系數(shù)是指進(jìn)氣過程結(jié)束時，缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量與新鮮混合氣質(zhì)量的比值［19］。進(jìn)氣壓力為定值時，殘余廢氣系數(shù)隨排氣背壓的升高呈線性增加，主要原因是由于氣門重疊期內(nèi)進(jìn)氣門早開，廢氣灌入進(jìn)氣道并隨著進(jìn)氣返回缸內(nèi)，而排氣門晚關(guān)又使得廢氣從排氣道倒灌進(jìn)缸內(nèi)［20］。圖4示出了在進(jìn)氣提前角或者排氣晚關(guān)角保持不變時，殘余廢氣系數(shù)隨排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角變化的曲線，計算選取了1 000r／min，1 600r／min和2 200r／min 3種轉(zhuǎn)速工況。從圖中可以看出，增大排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角都可以降低殘余廢氣系數(shù)，且不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的曲線斜率不同。

圖5示出了轉(zhuǎn)速為2 200r／min、進(jìn)氣提前角為12°、背壓為0.3MPa時不同排氣晚關(guān)角下柴油機缸內(nèi)壓力曲線。圖5a中，排氣晚關(guān)角為10°，由于排氣門較早關(guān)閉，阻礙了廢氣流出，使得排氣沖程末期缸內(nèi)壓力升高。當(dāng)排氣晚關(guān)角增大到43°時，排氣沖程后期沒有出現(xiàn)壓力“陡增”的現(xiàn)象（見圖5b）。因此，較大的排氣晚關(guān)角可以使得排氣更加充分，減小排氣沖程末期缸內(nèi)壓力，從而降低殘余廢氣系數(shù)。

3.2 配氣正時對泵氣功的影響規(guī)律

泵氣功是指四沖程發(fā)動機的進(jìn)排氣沖程時工質(zhì)對活塞所做功，一般用泵氣平均有效壓力ppme來評價。圖6示出了排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角對柴油機ppme的影響，從圖中可以看出泵氣功隨著排氣晚關(guān)角的增加而降低，但是卻隨著進(jìn)氣提前角的增加而升高。

由圖6a可見，1 000r／min，1 600r／min，2 200r／min 3種轉(zhuǎn)速下，泵氣功隨排氣晚關(guān)角的增加近似于線性減小。排氣晚關(guān)角每增加5°，ppme就減小0.02MPa。排氣晚關(guān)角增大，在氣門持續(xù)期不變的情況下，排氣提前角就會減小，這有助于維持燃燒膨脹做功沖程缸內(nèi)壓力，可以使得缸內(nèi)最高壓力增大。排氣沖程前期，缸內(nèi)較大壓力使得排氣速度較快，缸內(nèi)壓力迅速下降。此外，較大的排氣晚關(guān)角可以降低排氣末期的缸內(nèi)壓力（見圖5），因此，柴油機的泵氣損失隨著排氣晚關(guān)角的增加而減小。

由圖6b可見，ppme隨進(jìn)氣提前角的增加呈線性增大，且轉(zhuǎn)速越大，直線斜率越大。轉(zhuǎn)速為2 200r／min時，進(jìn)氣提前角每增加5°，ppme就增加0.01MPa。雖然增加排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角都可以降低殘余廢氣系數(shù)，但是增加進(jìn)氣提前角會導(dǎo)致泵氣損失增加，因此，本研究認(rèn)為只能通過合理增大排氣晚關(guān)角來優(yōu)化高排氣背壓下的柴油機性能。

3.3 排氣晚關(guān)角對柴油機平均有效壓力的影響規(guī)律

進(jìn)氣提前角保持12°不變，分析排氣晚關(guān)角對柴油機平均有效壓力的影響。圖7示出了不同排氣晚關(guān)角下，平均有效壓力pme隨噴油量變化的曲線，分別給出了兩個轉(zhuǎn)速工況下的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，排氣晚關(guān)角為20°的pme曲線始終高于排氣晚關(guān)角為10°的曲線，由此可見，適當(dāng)增大高排氣背壓下的排氣晚關(guān)角可以提升柴油機的pme。

從圖7還可以看出，當(dāng)負(fù)荷（噴油量）大于某一數(shù)值（拐點）時，柴油機的pme開始下降。對比排氣晚關(guān)角為10°和20°兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，增大排氣晚關(guān)角可以提高拐點處負(fù)荷，使得柴油機在更大的噴油量范圍內(nèi)下獲得較高的輸出功。

圖8示出了轉(zhuǎn)速為2 200r／min時pme隨排氣晚關(guān)角的變化曲線。柴油機pme隨排氣晚關(guān)角的增大先增加后減小，在43°處出現(xiàn)最大值0.42MPa，較10°下的pme提高了28.33%。在排氣持續(xù)期不變的情況下，排氣晚關(guān)角過大會導(dǎo)致排氣提前角過小，這會造成排氣前期缸內(nèi)壓力過高，從而增加了排氣沖程的泵氣損失。

圖9示出了2 200r／min時柴油機pme隨著排氣背壓和排氣晚關(guān)角變化的分布，圖中還給出了不同排氣背壓下的最優(yōu)排氣晚關(guān)角。從圖中可以看出，排氣背壓越大，對應(yīng)的最優(yōu)排氣晚關(guān)角也越大。由此可見，隨著排氣背壓的升高，應(yīng)該逐漸增大排氣晚關(guān)角，因此可以考慮將汽油機的可變氣門正時技術(shù)（VVT）應(yīng)用于柴油機上，用于不同排氣背壓下的柴油機性能改善。

3.4 排氣晚關(guān)角對燃油消耗率的影響規(guī)律

進(jìn)氣提前角保持12°不變，分析2 200r／min下排氣晚關(guān)角對燃油消耗率的影響。圖10示出了不同排氣晚關(guān)角下柴油機有效燃油消耗率be隨噴油量變化的曲線。噴油量介于40～50mg之間時排氣晚關(guān)角由 10°增加到 20°，be降低了近60g／（kW·h）；當(dāng)噴油量大于50mg時，排氣晚關(guān)角為10°的燃油消耗率急劇增加，而排氣晚關(guān)角為20°的燃油消耗率卻繼續(xù)降低，直至58mg處才呈現(xiàn)上升趨勢。圖11示出了柴油機be隨著排氣晚關(guān)角的變化曲線，從圖中可以看出，be隨著排氣晚關(guān)角的增大先減小后升高，在43°處出現(xiàn)極小值，較10°的情況降低了22.08%。對比圖8和圖11可以發(fā)現(xiàn)，對于pme達(dá)到最大值時的最優(yōu)排氣晚關(guān)角，在該角下be出現(xiàn)最小值。這是因為柴油機的pme越大，輸出的有效功增多，在噴油量不變的情況下，be就應(yīng)該相應(yīng)地減小。同理，不同排氣背壓下pme和be的最優(yōu)排氣晚關(guān)角也應(yīng)該相同，這一點通過對比圖9和圖12可以看出來。

3.5 優(yōu)化前后柴油機的性能對比

根據(jù)仿真計算的結(jié)果，轉(zhuǎn)速為1 000r／min，2 000r／min時，0.3MPa的排氣背壓對應(yīng)的最優(yōu)排氣晚關(guān)角均為43°。圖13與圖14分別比較了兩種轉(zhuǎn)速下優(yōu)化前后柴油機的pme和be對比。轉(zhuǎn)速為1 000r／min時，排氣背壓由0.1MPa升高到0.3MPa，pme降低60.27%，be升高1.5倍。經(jīng)過優(yōu)化排氣晚關(guān)角后，0.3MPa下pme增加到0.1MPa時的52.43%，比不優(yōu)化提高了12.43%，be降低到0.1MPa時的1.9倍，比不優(yōu)化降低了60%。

轉(zhuǎn)速為2 000r／min時，排氣背壓由0.1MPa升高到0.3MPa，pme降低37.34%，燃油消耗率增加59.58%。排氣晚關(guān)角優(yōu)化后，背壓0.3MPa工況pme升高到0.1MPa時的75.48%，比不優(yōu)化提高了12.82%，be降低到0.1MPa時的1.325倍，比不優(yōu)化降低了27.1%。

雖然通過優(yōu)化排氣晚關(guān)角無法使排氣背壓為0.3MPa下的柴油機性能達(dá)到排氣背壓為0.1MPa下的水平，但是通過合理優(yōu)化排氣晚關(guān)角還是可以部分改善高排氣背壓下柴油機的動力性和經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

a）在進(jìn)排氣持續(xù)期不變的情況下，增大排氣晚關(guān)角和增加進(jìn)氣提前角均可減小殘余廢氣系數(shù)；增大進(jìn)氣提前角會導(dǎo)致泵氣損失增加，而增大排氣提前角可以降低泵氣損失，所以應(yīng)該選擇優(yōu)化排氣晚關(guān)角；

b）高排氣背壓下，柴油機的性能隨著排氣晚關(guān)角的增加先提升后降低，存在一個最優(yōu)的排氣晚關(guān)角；

c）柴油機的最優(yōu)排氣晚關(guān)角隨著排氣背壓的增加而增大；

d）通過優(yōu)化柴油機排氣晚關(guān)角可以改善高排氣背壓下的柴油機的性能，但是無法使其恢復(fù)到排氣背壓為0.1MPa時的情況。

［1］ Cong S，Garner C P，Mctaggart－Cowan G P.The effects of exhaust back pressure on conventional andlow－temperature diesel combustion［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering，2011，225（2）：222－235.

［2］ Lancefield T.The influence of variable valve actuation on the part load fuel economy of a modernlight－duty diesel engine［M］.Detroit：SAE International，2003.

［3］ Fu J，Gong J，Yuan W，et al.Study on the exhaust back－pressure threshold－value map for the diesel particulate filter regeneration［M］.Shanghai：IEEE Computer Society，2011：557－560.

［4］ 吳義磊，劉建祥，喬 曌，等.排氣背壓預(yù)測及其對發(fā)動機性能的影響研究［J］.內(nèi)燃機，2012（3）：10－12.

［5］ 張麗芳，李 志.柴油發(fā)動機排氣背壓設(shè)計計算［J］.船電技術(shù)，2012（增刊1）：57－58.

［6］ 刁愛民，梁衛(wèi)華，劉 鎮(zhèn).進(jìn)、排氣背壓對渦輪增壓柴油機工作過程影響的研究［J］.車用發(fā)動機，2008（增刊）：129－131.

［7］ 郭仲海.柴油機性能對排氣背壓的敏感性研究［J］.內(nèi)燃機，2010（4）：47－49.

［8］ 梁 辰，崔 毅，鄧康耀，等.排氣背壓對增壓柴油機功率的影響分析及其改進(jìn)方法［J］.柴油機，2013（3）：16－20.

［9］ 周岳康，董堯清，韓文艷.轎車柴油機氣門正時和噴油嘴流量仿真與試驗研究［J］.汽車技術(shù)，2010（4）：12－16.

［10］ 丁技峰，強永平，鄭 昊.D150A柴油機氣門正時的模擬計算［J］.裝備制造技術(shù)，2006（4）：70－71.

［11］ Lancefield T，Methley I，Rase U，et al.The application of variable event valve timing to a modern diesel engine［M］.Detroit：SAE International，2000.

［12］ Parvate－Patil G B，Hong H，Gordon B.Analysis of variable valve timing events and their effects on single cylinder diesel engine［M］.Tampa：SAE International，2004.

［13］ Deng J，Stobart R.BSFC investigation using variable valve timing in a heavy duty diesel engine［M］.Detroit：SAE International，2009.

［14］ 桂 勇，鄧康耀，石 磊.排氣正時與增壓對柴油HCCI燃燒影響的試驗研究［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2008（5）：385－391.

［15］ Gamma T.GT－Power Users Manual Version 6.2［M］.［S.l.］：USAGamma Technologies Inc，2006.

［16］ 盧 勇，裴普成.配氣正時對工質(zhì)移缸類非常規(guī)循環(huán)內(nèi)燃機性能的影響規(guī)律［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2013（9）：41－48.

［17］ 段遠(yuǎn)才，帥石金，劉會猛.高背壓環(huán)境條件下渦輪增壓柴油機排氣系統(tǒng)適應(yīng)性研究［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，1991（2）：137－142.

［18］ Cedrone K，Cheng WK.Using valve timing and exhaust back pressure to improve catalyst warm－up time［M］.Seoul：SAE International，2013.

［19］ 王建昕，帥石金.汽車發(fā)動機原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［20］ Cong S，Mctaggart－Cowan G P，Garner C P.Measurement of Residual Gas Fraction in a Single Cylinder HSDI Diesel Engine through Skip－firing［M］.［S.l.］：SAE International，2009.