進氣管噴氣對柴油機加速加載過程的影響研究

王銀燕，馬正茂，胡松，王賀春，高占斌,2

(1.哈爾濱工程大學(xué)動力能源工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

相繼增壓技術(shù)因可以改善柴油機低工況的性能而被廣泛使用，但也存在一些問題[1-2]：柴油機在加速及加載過程中，由于進排氣管內(nèi)氣體的可壓縮性以及增壓器響應(yīng)遲滯等因素，造成供氣量不足，缸內(nèi)燃燒惡化，炭煙排放急劇增加。提高增壓器響應(yīng)性能是改善渦輪增壓柴油機瞬態(tài)特性的關(guān)鍵，而增壓器的響應(yīng)性能可以通過采用可變截面渦輪增壓系統(tǒng)(VGT)和噴氣裝置等具體措施加以提高[3-7]。VGT是近年來發(fā)展比較迅速的一種方案，不僅能改善柴油機在低工況的運行性能，還能解決高工況增壓壓力過高的問題，但VGT葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高昂，可靠性差，難以推廣。而向進氣管噴氣因為結(jié)構(gòu)簡單、效果明顯得到較為廣泛的應(yīng)用[8]。

為了改善柴油機在加速及加載瞬態(tài)過程中的排放性能，減小瞬態(tài)過程轉(zhuǎn)速波動并降低煙度，本研究在柴油機加速及加載過程中進行了進氣管噴氣試驗，研究了不同的噴氣壓力和噴孔直徑對柴油機加速、加載過程中排放的影響，對試驗以及計算結(jié)果進行對比分析，以柴油機的排放性能為優(yōu)化目標(biāo)，得出柴油機加速及加載過程中的最佳噴氣策略。

1 試驗臺架及測試設(shè)備

試驗所用柴油機型號為TBD234V12，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能參數(shù)見表1。

表1 柴油機主要參數(shù)

本研究對原柴油機進行了相繼增壓系統(tǒng)改造，并添加了進氣管噴氣系統(tǒng)及測試設(shè)備，試驗臺結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 試驗臺結(jié)構(gòu)示意

試驗采集的主要數(shù)據(jù)包括柴油機轉(zhuǎn)速、扭矩、柴油機的進排氣壓力、排氣成分、煙度、缸內(nèi)壓力等。試驗所用的主要儀器及設(shè)備見表2，所有的儀器及設(shè)備均能滿足瞬態(tài)數(shù)據(jù)測量精度的要求。

表2 主要儀器及設(shè)備

2 噴氣對加速和加載過程的影響

2.1 試驗方案

為了研究噴氣技術(shù)對相繼增壓柴油機加速的響應(yīng)特性以及定轉(zhuǎn)速加載瞬態(tài)響應(yīng)特性的影響，以TBD234V12柴油機為試驗樣機，在扭矩分別1 000 N·m和1 500 N·m工況進行了不同噴氣壓力對加速過程的影響試驗，在1 000 r/min和1 500 r/min工況進行了噴氣對加載過程的影響試驗，具體試驗方案見表3和表4。表中1TC表示只有基本增壓器工作，2TC表示基本增壓器和受控增壓器同時工作，pin表示噴氣壓力，ti表示噴氣時間。

表3 加速過程試驗方案

表4 加載過程試驗方案

2.2 進氣壓力對比分析

圖2示出加速過程中不同扭矩下進氣壓力p的變化曲線。由圖可知，Ttq為1 000 N·m時，柴油機在加速前p約為0.119 MPa，而加速后p穩(wěn)定在0.131 MPa左右。不噴氣時，p從0.119 MPa增加到0.131 MPa所用時間為8 s；pin為0.3 MPa時，所用時間為6.5 s，進氣壓力穩(wěn)定時間縮短了16.7%；pin為0.6 MPa時，所用時間為5 s，進氣壓力穩(wěn)定時間比不噴氣時縮短了37%。在Ttq為1 500 N·m工況，pin為0.3 MPa時進氣壓力穩(wěn)定時間縮短了約13%，pin為0.6 MPa時壓力穩(wěn)定時間縮短了約34%。對比不噴氣時，柴油機在加速過程中采用噴氣技術(shù)后進氣壓力都有所提高，并且噴氣壓力越大，進氣壓力就越高，達到穩(wěn)定的時間也越短。

圖2 加速過程中進氣壓力對比曲線

由以上分析可知，在加速過程中，柴油機的進氣壓力相對轉(zhuǎn)速存在一定的響應(yīng)滯后。采用噴氣技術(shù)后，由于進氣壓力升高更快，柴油機進氣量增加，渦輪增壓器的響應(yīng)得到改善，噴氣壓力越高，進氣壓力響應(yīng)滯后現(xiàn)象改善效果越明顯；由于低轉(zhuǎn)速、低扭矩時進氣量少，因此在相同的噴氣壓力下，低轉(zhuǎn)速、低扭矩時改善效果優(yōu)于高轉(zhuǎn)速、高扭矩時。

圖3示出柴油機加載過程中不同轉(zhuǎn)速工況下進氣壓力變化曲線。由圖可知，在n為1 000 r/min工況，不噴氣時柴油機加載過程中進氣壓力達到穩(wěn)定值時需要13 s，pin為0.3 MPa時進氣壓力穩(wěn)定時間縮短了2 s，pin為0.6 MPa時進氣壓力穩(wěn)定時間縮短了3.5 s；在n為1 500 r/min工況，pin為0.3 MPa時進氣壓力穩(wěn)定時間縮短了1 s，pin為0.6 MPa時進氣壓力穩(wěn)定時間縮短了2 s。

由以上分析可知，在加載過程中采用噴氣技術(shù)后，柴油機進氣壓力均要高于不噴氣時，并且噴氣壓力越大，柴油機的進氣壓力越高，達到穩(wěn)定的時間也越短；其他條件不變時，高轉(zhuǎn)速下的進氣壓力比低轉(zhuǎn)速升高得快，達到穩(wěn)定的時間也更短。

圖3 加載過程中進氣壓力變化曲線

2.3 最高燃燒壓力和平均指示壓力對比分析

圖4示出不同扭矩下加速過程中柴油機缸內(nèi)最大燃燒壓力變化曲線。由圖可知，Ttq為1 000 N·m時，柴油機缸內(nèi)最大燃燒壓力在加速前為7.5 MPa左右，而加速后缸內(nèi)最大燃燒壓力為10 MPa左右，不噴氣時柴油機的缸內(nèi)最大燃燒壓力從7.5 MPa增加到10 MPa需要經(jīng)過約165個氣缸循環(huán)，pin為0.3 MPa時需要經(jīng)過約125個氣缸循環(huán)，缸內(nèi)最大燃燒壓力穩(wěn)定時柴油機的循環(huán)數(shù)縮短了24%；pin為0.6 MPa時需要經(jīng)過85個氣缸循環(huán)，缸內(nèi)最大燃燒壓力穩(wěn)定時柴油機的循環(huán)數(shù)縮短了40%。

圖4 加速過程中缸內(nèi)最大燃燒壓力對比曲線

在Ttq為1 500 N·m時，采用噴氣技術(shù)后缸內(nèi)最大燃燒壓力穩(wěn)定時所需循環(huán)數(shù)都得到了縮短，pin為0.3 MPa時缸內(nèi)最大燃燒壓力達到穩(wěn)定時間縮短了約17%，pin為0.6 MPa時柴油機缸內(nèi)最大燃燒壓力穩(wěn)定時間縮短了約31%。

由以上分析可知，在加速過程中，噴氣后柴油機缸內(nèi)最大燃燒壓力增加，并且噴氣壓力越大，缸內(nèi)最大燃燒壓力越高，且達到穩(wěn)定的時間越短。

圖5示出不同扭矩下加速過程中噴氣與不噴氣時柴油機缸內(nèi)平均指示壓力變化曲線。在Ttq為1 000 N·m時，柴油機缸內(nèi)平均指示壓力在加速前為0.7 MPa左右，而加速后缸內(nèi)平均指示壓力為1 MPa左右，不噴氣時柴油機的缸內(nèi)平均指示壓力從0.7 MPa增加到1 MPa需要經(jīng)過約150個氣缸循環(huán)；pin為0.3 MPa時需要經(jīng)過約115個氣缸循環(huán)，缸內(nèi)平均指示壓力穩(wěn)定時柴油機的循環(huán)數(shù)縮短了約23.3%；pin為0.6 MPa時需要經(jīng)過65個氣缸循環(huán)，缸內(nèi)平均指示壓力穩(wěn)定時柴油機的循環(huán)數(shù)縮短了56.6%。

圖5 加速過程中缸內(nèi)平均指示壓力對比曲線

在Ttq為1 500 N·m時，采用噴氣技術(shù)后缸內(nèi)平均指示壓力穩(wěn)定時所需循環(huán)數(shù)都得到了縮短，pin為0.3 MPa時缸內(nèi)平均指示壓力達到穩(wěn)定時間縮短了約21%，pin為0.6 MPa時柴油機缸內(nèi)平均指示壓力穩(wěn)定時間縮短了約48%。

圖6示出不同轉(zhuǎn)速工況下柴油機加載過程中噴氣與不噴氣時的缸內(nèi)最大燃燒壓力變化曲線。由圖可以看出，噴氣后，缸內(nèi)最大燃燒壓力上升速率比不噴氣時快，并且噴氣壓力越高，缸內(nèi)最大燃燒壓力上升越快，達到穩(wěn)定時經(jīng)歷的氣缸循環(huán)數(shù)越少。由圖可知，在n為1 000 r/min的加載過程中，不噴氣時，柴油機的缸內(nèi)最大燃燒壓力達到穩(wěn)定需要經(jīng)過135個氣缸循環(huán)，pin為0.3 MPa時需要經(jīng)過100個氣缸循環(huán)，pin為0.6 MPa時只需要經(jīng)過70個氣缸循環(huán)。在n為1 500 r/min時的加載過程中，柴油機的缸內(nèi)最大燃燒壓力達到穩(wěn)定時需要經(jīng)過156個氣缸循環(huán)，當(dāng)pin為0.3 MPa和0.6 MPa時，缸內(nèi)最大燃燒壓力達到穩(wěn)定時的氣缸循環(huán)數(shù)分別縮短了45個和85個。

圖6 加載過程中缸內(nèi)最大燃燒壓力對比曲線

圖7示出不同轉(zhuǎn)速工況下柴油機加載過程中噴氣與不噴氣時的缸內(nèi)平均指示壓力變化曲線。由圖可知，在柴油機加載過程中，柴油機的缸內(nèi)平均指示壓力變化趨勢與缸內(nèi)最大燃燒壓力相同，隨著噴氣壓力的增加，柴油機缸內(nèi)平均指示壓力都迅速增加，最后達到穩(wěn)定值，對比噴氣與不噴氣時缸內(nèi)平均指示壓力變化曲線可知，噴氣后，缸內(nèi)平均指示壓力較不噴氣時高，達到穩(wěn)定的時間縮短。

圖7 加載過程中缸內(nèi)平均指示壓力對比曲線

2.4 排放性能對比分析

圖8示出柴油機加速過程中噴氣壓力不同時煙度和NOx排放體積分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖可知，Ttq為1 000 N·m時，柴油機加速前煙度穩(wěn)定在0.07 m-1左右，加速后，柴油機的煙度穩(wěn)定在0.3 m-1。對比噴氣與不噴氣時的柴油機煙度可知：不噴氣時，柴油機的煙度峰值為0.84 m-1；當(dāng)pin為0.3 MPa時，煙度峰值為0.61 m-1，煙度最大值減少了27%，加速過程的炭煙排放量減少約25%；pin為0.6 MPa時，煙度峰值為0.54 m-1，煙度峰值減少了36%，加速過程的炭煙排放量減少約30%。Ttq為1 500 N·m工況，當(dāng)pin為0.3 MPa時柴油機的煙度最大值減少了14.5%，加速過程中的炭煙排放量減少約11%；當(dāng)pin為0.6 MPa時，柴油機的煙度最大值為0.69 m-1，煙度最大值減少了27%，加速過程中的炭煙排放量減少約25%。

圖8 加速過程中排放對比曲線

在加速過程中，柴油機的煙度迅速增加，采用噴氣技術(shù)對加速過程的煙度改善效果明顯，并且噴氣壓力越大，煙度改善幅度越大，達到穩(wěn)定時所需的時間也越短。隨著扭矩增加，加速過程中NOx排放體積分?jǐn)?shù)迅速升高，且噴氣與不噴氣時的NOx排放體積分?jǐn)?shù)差別很小，其原因主要是NOx生成受缸內(nèi)溫度、氧氣濃度以及油氣混合物在高溫中滯留時間的影響，雖然噴氣后缸內(nèi)進氣量增加，但由于轉(zhuǎn)速增加，油氣混合物在高溫中滯留的時間縮短，因此噴氣后NOx排放體積分?jǐn)?shù)與不噴氣時差別不大。

圖9示出柴油機加載過程中噴氣壓力不同時煙度和NOx排放體積分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖可知，在加載過程中，柴油機的煙度迅速增加，在進氣壓力穩(wěn)定后過量空氣系數(shù)升高，煙度也隨之下降到一個平穩(wěn)值。對比不噴氣時的情況，噴氣對加載過程中的煙度有所改善，并且噴氣壓力越大，改善幅度越大。隨著轉(zhuǎn)速增加，加載過程中NOx排放體積分?jǐn)?shù)迅速升高，對比不噴氣時的NOx排放體積分?jǐn)?shù)變化曲線可知，噴氣后，缸內(nèi)氧含量增加，因此NOx排放體積分?jǐn)?shù)比不噴氣時高，并且噴氣壓力越大，進氣量越多，NOx排放體積分?jǐn)?shù)越高。

圖9 加載過程中排放對比曲線

3 噴孔直徑對加速及加載過程中排放性能的影響

3.1 加速過程對比分析

本研究對不同噴孔直徑di下的加速過程進行了試驗研究，di分別為10 mm，15 mm和20 mm。由上文可知，pin為0.6 MPa在改善進氣壓力、燃燒和排放上比pin為0.3 MPa均有優(yōu)勢，故選擇噴氣壓力為0.6 MPa，噴氣時間為3 s，噴氣始點為加速開始時刻。

圖10示出Ttq為1 000 N·m和Ttq為1 500 N·m工況下，加速過程中不同噴孔直徑下柴油機的排放對比曲線。從圖中可以看出，當(dāng)di為10 mm時加速過程中煙度最高，而di為20 mm時最小，低扭矩工況di為15 mm和di為20 mm時兩者差別不大。在高低扭矩工況不同噴孔直徑下加速過程中NOx排放體積分?jǐn)?shù)差別不大。

圖10 加速過程中不同噴孔直徑下排放對比曲線

3.2 加載過程對比分析

對不同噴孔直徑下的加載過程進行了試驗，di分別為10 mm，15 mm和20 mm，pin為0.6 MPa，ti為5 s，噴氣始點為加載起點時刻。

圖11示出n為1 000 r/min和n為1 500 r/min時加載過程中不同噴孔直徑下柴油機的排放對比曲線。從圖中可以看出，當(dāng)di為10 mm時加載過程中煙度最高，di為20 mm時最小，且低轉(zhuǎn)速時di為15 mm和di為20 mm差別不大。

圖11 加載過程中不同噴孔直徑時排放對比曲線

對比NOx排放體積分?jǐn)?shù)可知，di越大，NOx排放體積分?jǐn)?shù)越大。這是因為在相同的噴氣壓力下，噴孔面積越大，柴油機進氣壓力越高，缸內(nèi)氧含量增加，因此導(dǎo)致NOx排放體積分?jǐn)?shù)的增加。

由以上分析可知，在柴油機加速過程中，當(dāng)pin為0.6 MPa時，Ttq為1 000 N·m工況di為15 mm最優(yōu)，而Ttq為1 500 N·m工況di為20 mm最優(yōu)。在柴油機加載過程中，當(dāng)pin為0.6 MPa時，1 000 r/min工況di為15 mm時最優(yōu)，而1 500 r/min工況di為20 mm最優(yōu)。這主要是因為柴油機在低轉(zhuǎn)速低扭矩的加速及加載過程中，由于柴油機的噴油量少于高轉(zhuǎn)速、高扭矩時，燃燒所需要的空氣量少，因此，在相同的噴氣壓力下，高轉(zhuǎn)速高扭矩時的加速及加載過程中需要的噴孔直徑更大。

4 結(jié)論

a) 在加速及加載過程中，采用噴氣技術(shù)后，由于進氣量增加，柴油機進氣壓力穩(wěn)定時間縮短，并且噴氣壓力越高，柴油機的進氣壓力越高，柴油機進氣壓力穩(wěn)定時間越短；

b) 在加速及加載過程中，采用噴氣技術(shù)后，柴油機缸內(nèi)最大燃燒壓力和平均指示壓力均有所提高，并且噴氣壓力越高，缸內(nèi)最大燃燒壓力上升越快，達到穩(wěn)定時經(jīng)歷的氣缸循環(huán)數(shù)越少；低扭矩下的缸內(nèi)最大燃燒壓力和平均指示壓力均比高扭矩下低，但提高的速度更快，達到穩(wěn)定的氣缸循環(huán)數(shù)更少；

c) 由于柴油機在低轉(zhuǎn)速和低扭矩時燃燒所需要的空氣量少，在相同的噴氣壓力下，柴油機轉(zhuǎn)速和扭矩越低，加速及加載過程中需要的噴孔直徑越小，進氣壓力改善更明顯，炭煙排放更少；在加載過程中，噴氣壓力和噴孔直徑增加會導(dǎo)致排氣中NOx排放增加，而在加速過程中，噴氣對NOx排放影響較小。