基于GT-power的兩級(jí)增壓可變氣門柴油機(jī)排放和燃燒簡(jiǎn)述

徐金源

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在早期主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。隨著柴油機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與成熟，現(xiàn)代柴油機(jī)采用了高壓共軌，渦輪增壓中冷，EGR，VVT等技術(shù)在排放、體積、重量、性能、油耗、噪聲等方面都有了很大的突破，達(dá)到了汽油機(jī)的水平，已完全能夠滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的要求，在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)主要分為機(jī)械增壓，廢氣渦輪增壓和復(fù)合增壓三種。機(jī)械增壓系統(tǒng)，依靠曲軸傳遞的動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)增壓器進(jìn)行壓縮空氣，具有動(dòng)力輸出流暢，瞬態(tài)工況下響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。但是由于機(jī)械增壓需要耗費(fèi)機(jī)械功，因此機(jī)械效率會(huì)降低，而且其只能增加有限的增壓壓力，所以現(xiàn)在單純的機(jī)械增壓運(yùn)用的越來(lái)越少，一般用于低增壓發(fā)動(dòng)機(jī)或者與渦輪增壓組成復(fù)合增壓系統(tǒng)［1］。

2 可變氣門正時(shí)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)（Variable Valve Timing，簡(jiǎn)稱VVT）技術(shù)，在提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面有重要影響?；谄渌麄鹘y(tǒng)凈化措施，采用VVT技術(shù)可以進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)多工況下的排氣汚染物。

對(duì)于柴油機(jī)，VVT可以用來(lái)降低排放。進(jìn)氣門早關(guān)（Early Intake Valve Closing， EIVC）可使在壓縮過(guò)程中的返流降低或消失，泵氣損失降低。減少了進(jìn)氣量，降低了壓縮過(guò)程中溫度和壓力，降低了NOx排放。而進(jìn)氣門晚關(guān)（Late Intake Valve Closing，LIVC）在壓縮過(guò)程中一部分氣體返流進(jìn)入進(jìn)氣管。泵氣損失降低，返流導(dǎo)致進(jìn)氣減少，壓縮過(guò)程中溫度和壓力降低，NOx降低。EIVC和LIVC對(duì)于降低缸內(nèi)排放具有相似的效果。

3 兩級(jí)增壓柴油機(jī)模型的建立

3.1 仿真軟件的簡(jiǎn)介

GT-SUITE軟件是由美國(guó)的Gamma Technologies公司開(kāi)發(fā)的，是針對(duì)汽車，內(nèi)燃機(jī)及零部件的模擬軟件。涵蓋了汽車，內(nèi)燃機(jī)、燃油供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、曲軸機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)等六個(gè)方面，是內(nèi)燃機(jī)制造公司和汽車廠非常理想的CAE工具。該軟件主要包括了以下幾個(gè)模塊：GT-POWER、GT-DRIVE、GT-COOL、GTFUEL；GT-CRANK和GT-VTRAIN，這六個(gè)模塊可以進(jìn)行完全的耦合計(jì)算［3］。

3.2 相關(guān)模型的建立

啟動(dòng)GT-ISE，創(chuàng)建新模型，調(diào)出摸板庫(kù)，選擇Window/Tile With Template Library，通過(guò)復(fù)制粘貼選擇相關(guān)的模板，定義進(jìn)口環(huán)境和指針變量“air”定義柴油機(jī)進(jìn)排氣管和氣道定義氣缸：雙擊模型管理器中的“Eng Cylinder”，點(diǎn)擊其中的綠色字體進(jìn)行指針變量的設(shè)計(jì)。從上往下，分別為壁溫實(shí)體，流動(dòng)實(shí)體，傳熱實(shí)體，燃燒實(shí)體。定義曲軸箱：雙擊模型管理器中的“EngCrankTrain”，并輸入相關(guān)參數(shù)。設(shè)置氣缸點(diǎn)火順序，定義噴油器：雙擊模型管理器中的“InjProfileConn”，并輸入相關(guān)參數(shù)，定義進(jìn)排氣門：進(jìn)雙擊模型管理器中的“ValueCamConn”，并輸入相關(guān)參數(shù)，在建模區(qū)域內(nèi)分別放置各個(gè)部件，并連接成單缸機(jī)，在單缸機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制粘貼，形成四缸機(jī)，并進(jìn)行連接。

3.3 添加附加模型

為基本的四缸柴油機(jī)匹配中冷器，兩級(jí)增壓，以及旁通閥。兩級(jí)增壓的部分參數(shù)，在高壓級(jí)渦輪機(jī)前加一個(gè)旁通閥，分別設(shè)置“Compressor”、“Turbine”、“ShaftTurbo”等模塊的相關(guān)參數(shù)。最后基于進(jìn)排氣系統(tǒng)將所有的模型鏈接：設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，點(diǎn)擊“Run”中的“Case Setup”來(lái)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，點(diǎn)擊“strat simulation proprpcessing”進(jìn)行預(yù)運(yùn)算，查看是否有錯(cuò)誤，若無(wú)錯(cuò)誤，再點(diǎn)擊“strat simulation”進(jìn)行運(yùn)算，查看結(jié)果。

4 兩級(jí)增壓與進(jìn)氣門早關(guān)對(duì)燃燒和排放的影響

增壓器的選擇要符合發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，匹配狀況良好的情況下，壓氣機(jī)的運(yùn)行Map圖要在高效率區(qū)［2］。通過(guò)研究數(shù)據(jù)，在固定噴油量的情況下，隨壓縮比的增大，NOx排放量逐漸上升，CO和HC排放量逐漸減少。在中小負(fù)荷下，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間的提前，功率逐漸上升，BSFC逐漸下降，排放污染物除了CO外均在逐漸下降，CO在高轉(zhuǎn)速下，排放量也會(huì)有下降趨勢(shì)，所以在中小負(fù)荷下合理的進(jìn)氣門早關(guān)角度，對(duì)于降低排放污染物濃度，優(yōu)化燃燒有很大的影響。

5 結(jié)論

1.在噴油量固定的情況下，隨著增壓比的變大，最高燃燒壓力明顯上升。對(duì)于排放物，主要是氧氣量的影響，進(jìn)氣量增多，燃燒更加充分，NOx生成量上升，CO和HC排放量逐漸減少。但是兩級(jí)增壓造成了燃燒壓力大幅上漲，這對(duì)氣缸損害加深。所以可以匹配EIVC技術(shù)，降低燃燒的最高燃燒壓力。

2.在小負(fù)荷工況下，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的提前，氣缸內(nèi)的最高壓力明顯下降，而最高燃燒溫度也呈上升趨勢(shì)。氣缸內(nèi)壓力明顯上升的原因是進(jìn)氣門越早關(guān)，有效壓縮比越小，壓縮終點(diǎn)的壓力和溫度減小，滯燃期增長(zhǎng)，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的提前，缸內(nèi)著火放熱的相位逐漸后移，這些因素是引起燃燒過(guò)程中缸內(nèi)壓力變小的原因。而滯燃期的增長(zhǎng)，使得著火推遲，這就意味著在滯燃期內(nèi)混合均勻燃料增加，工質(zhì)總熱容降低，使得氣缸內(nèi)氣體溫度増加，溫度上升的另一個(gè)原因是由于進(jìn)氣減少，排氣所帶走的熱量也隨之減少，使得缸內(nèi)溫度升高。綜上所述，意味著采用合理的EIVC能夠改變著火放熱相位，可以使點(diǎn)火推遲，缸內(nèi)混合氣混合更加均勻，提高了燃燒效率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃燒。

3.在小負(fù)荷工況下，對(duì)于排放污染物來(lái)說(shuō)，隨著進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的提前，NOx和HC均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，對(duì)于CO來(lái)說(shuō)，在高轉(zhuǎn)速下，CO有下降的趨勢(shì)，在中低轉(zhuǎn)速下，CO呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但是總的趨勢(shì)來(lái)看，CO排放量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。