噴油壓力和EGR 策略對(duì)柴油機(jī)瞬變性能的影響

宮寶利 姚實(shí)聰 彭樂(lè)高 崔連波 胡 君 蔣大榮 韓 恒

（1-中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司 重慶 401122 2-東風(fēng)日產(chǎn)技術(shù)中心 3-德?tīng)柛＃ㄉ虾＃﹦?dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)有限公司 4-吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

引言

車用柴油機(jī)大部分時(shí)間運(yùn)行在瞬時(shí)負(fù)荷變化（簡(jiǎn)稱瞬變）工況下，而增壓柴油機(jī)在瞬變工況下進(jìn)氣滯后于噴油，造成柴油機(jī)性能惡化[1-3]。為了降低瞬變過(guò)程中的煙度峰值，David Heuwetter 等人[4]和Kihoon Nam 等人[5]探討了噴油策略和EGR 策略在改善燃油經(jīng)濟(jì)性和降低煙度方面的優(yōu)勢(shì)。顏燕等人[6]和Yao M.F.等人[7]的研究表明，調(diào)整噴油策略，能實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，避開(kāi)NOx和碳煙的生成區(qū)域，但會(huì)造成燃油消耗率升高。劉忠長(zhǎng)等人[8]和張龍平等人[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著噴油壓力提高，燃燒性能得到改善，煙度降低，NOx排放增加，CA10 和CA50 等燃燒特征參數(shù)提高。許丹丹等人[10]和隋菱歌等人[11]對(duì)ETC 瞬變測(cè)試循環(huán)工況進(jìn)行了分析，得知，瞬變測(cè)試循環(huán)工況包括反拖工況、怠速工況、穩(wěn)態(tài)工況、恒轉(zhuǎn)速工況、恒轉(zhuǎn)矩工況以及轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩同時(shí)變化工況。其中，恒轉(zhuǎn)速工況和恒轉(zhuǎn)矩工況占總測(cè)試循環(huán)時(shí)間的44%。任何一個(gè)復(fù)雜的瞬變工況都可以從微觀上分解成恒轉(zhuǎn)速工況和恒轉(zhuǎn)矩工況的復(fù)合，可以從相對(duì)簡(jiǎn)單的恒轉(zhuǎn)速工況和恒轉(zhuǎn)矩工況入手，研究柴油機(jī)在復(fù)雜的瞬變工況下的性能。噴油參數(shù)對(duì)柴油機(jī)的燃燒會(huì)產(chǎn)生重要的影響[12-15]，其中，提高噴油壓力，能促進(jìn)燃油和空氣的有效混合。因此，噴油壓力提高，能降低增壓柴油機(jī)尾氣排放中的煙度。

前期研究表明，柴油機(jī)在恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的瞬變過(guò)程中，性能會(huì)發(fā)生畸變。以5 s 的瞬變工況為例，在瞬變過(guò)程開(kāi)始后的3 s 左右，煙度達(dá)到峰值，為8%，之后，迅速下降到1.2%。煙度在瞬變過(guò)程中急劇上升的原因大致是：噴油量隨著油門電壓的線性增加而增加，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速較高以及渦輪機(jī)和增壓器的慣性造成增壓柴油機(jī)的進(jìn)氣響應(yīng)滯后于噴油。因此，瞬變過(guò)程中，煙度在瞬變開(kāi)始后的3 s 左右達(dá)到峰值。

針對(duì)柴油機(jī)在瞬變過(guò)程的前期煙度并沒(méi)有上升，瞬變過(guò)程的中后期煙度急劇上升這一特別現(xiàn)象，本文利用INCA 標(biāo)定系統(tǒng)在一臺(tái)高壓共軌增壓柴油機(jī)上開(kāi)展了噴油壓力對(duì)柴油機(jī)瞬變過(guò)程中性能和排放的影響規(guī)律的研究。

1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)與試驗(yàn)方案

1.1 測(cè)控系統(tǒng)

試驗(yàn)在一臺(tái)高壓共軌增壓中冷車用柴油機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)用柴油機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要參數(shù)

柴油機(jī)的瞬變工況由飛思卡爾單片機(jī)通過(guò)DA模塊輸出電壓控制。試驗(yàn)及測(cè)量裝置包括AVL439煙度計(jì)、DEWE-2010 燃燒分析儀、FCMM 燃油質(zhì)量流量計(jì)、南峰CW440 電渦流測(cè)功機(jī)、SIMENS 溫控裝置等，同時(shí)采用高響應(yīng)速率傳感器和高速A/D 采集卡實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)排氣溫度和壓力、煙度、進(jìn)氣流量、尾氣排放等參數(shù)進(jìn)行采集。瞬變?cè)囼?yàn)臺(tái)架和測(cè)控平臺(tái)如圖1 所示。

圖1 瞬變?cè)囼?yàn)臺(tái)架和測(cè)控平臺(tái)示意圖

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)工況為：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 650 r/min，通過(guò)課題組設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)控制負(fù)荷從0 線性比例上升到100%，對(duì)應(yīng)的油門電壓從2.301 V 線性上升到3.299 V。通過(guò)改變噴油壓力，研究噴油壓力和起始負(fù)荷對(duì)柴油機(jī)瞬變工況下煙度的影響。同時(shí)研究EGR開(kāi)度及噴油壓力共同作用下柴油機(jī)煙度的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 EGR 對(duì)柴油機(jī)瞬變性能的影響

采用中冷高-低壓EGR，通過(guò)EGR 中冷使EGR溫度降到120℃以下，因此忽略EGR 溫度的影響。通過(guò)試驗(yàn)，研究固定轉(zhuǎn)速下，采用5%EGR 率，全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)柴油機(jī)瞬變性能的影響。圖2 為恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的瞬變工況下，EGR 率和煙度的突變情況。

圖2 瞬變工況下EGR 率和煙度的突變

從圖2 可以看出，當(dāng)EGR 閥固定在EGR 率為5%的開(kāi)度時(shí)，由于EGR 流量固定，在恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的瞬變工況下，進(jìn)氣量由瞬變前的量緩慢增加到穩(wěn)態(tài)工況所需求的量，因此相對(duì)于穩(wěn)態(tài)工況，瞬變過(guò)程中，EGR 率相對(duì)更高。煙度在瞬變過(guò)程中急劇升高，峰值達(dá)到23%。原因是：在瞬變過(guò)程中，由于渦輪機(jī)的遲滯效應(yīng)，進(jìn)氣相對(duì)延遲，瞬變過(guò)程中的煙度急劇升高，EGR 的加入加劇了進(jìn)氣不足的現(xiàn)象，因此煙度升高程度更加嚴(yán)重。

2.2 全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)瞬變性能的影響

全程原機(jī)噴油壓力策略是在原發(fā)動(dòng)機(jī)噴油壓力MAP 的基礎(chǔ)上，將噴油壓力分別增加10 MPa、20 MPa。由于在恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的瞬變工況下引入EGR，造成煙度升高更加嚴(yán)重，因此，首先研究分析在5%的EGR 率下，全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)0～100%負(fù)荷瞬變過(guò)程排放性能的影響規(guī)律。圖3 為不同策略下，柴油機(jī)瞬變工況NOx排放、煙度以及進(jìn)氣量的變化情況。

圖3 不同策略下柴油機(jī)瞬變工況NOx排放、煙度以及進(jìn)氣量的變化情況

從圖3 可以看出，在5%EGR 率下，恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變過(guò)程中后期出現(xiàn)煙度急劇升高的現(xiàn)象，煙度峰值達(dá)到30%。全程原機(jī)噴油壓力策略使瞬變過(guò)程中的NOx排放有所上升，但煙度峰值變化不大，進(jìn)氣量也沒(méi)有明顯變化。噴油壓力增加越多，尾氣中NOx的排放越高。原因是：在瞬變過(guò)程中，增加噴油壓力，能夠提高缸內(nèi)燃燒溫度，提高燃油霧化質(zhì)量，增大油束貫穿距離，使燃油和空氣的混合更加充分，有利于NOx生成。但噴油壓力的提高對(duì)瞬變過(guò)程中進(jìn)氣量的影響不大，因此全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)瞬變過(guò)程中煙度影響不明顯。

圖4 為在5%EGR 率下，全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的瞬變工況下柴油機(jī)燃燒性能的影響。

圖4 全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)燃燒性能的影響

從圖4 可以看出，在瞬變過(guò)程前期，全程原機(jī)噴油壓力策略能提高最大氣缸壓力，且最大氣缸壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角減小，促使燃燒持續(xù)期縮短。瞬變過(guò)程后期，全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)燃燒的各項(xiàng)參數(shù)影響不大。原因是：在較短的時(shí)間內(nèi)將同等質(zhì)量的燃油噴入氣缸，能改善燃油霧化，促進(jìn)缸內(nèi)混合氣燃燒。因此，在瞬變過(guò)程中，增加噴油壓力，對(duì)燃燒會(huì)產(chǎn)生有利的影響，但NOx排放升高。在瞬變工況下，由于進(jìn)氣響應(yīng)延遲，導(dǎo)致缸內(nèi)空氣密度減小，因此，較大的噴油壓力會(huì)導(dǎo)致較大的油束貫穿距離，從而引起濕壁，造成瞬變過(guò)程中煙度增加。

2.3 不同的起始負(fù)荷對(duì)瞬變性能的影響

全程原機(jī)噴油壓力策略能夠影響瞬變前期的燃燒，但是對(duì)煙度影響較小?？紤]到小負(fù)荷增加噴油壓力可能造成過(guò)度濕壁的現(xiàn)象，研究分析了瞬變過(guò)程的起始負(fù)荷對(duì)柴油機(jī)煙度的影響規(guī)律。具體策略為：研究分析在5%EGR 率下，0～100%（負(fù)荷從0 線性比例上升到100%）、10%～100%（負(fù)荷從10%線性比例上升到100%）、20%～100%（負(fù)荷從20%線性比例上升到100%）瞬變過(guò)程中煙度的變化規(guī)律。圖5 為瞬變過(guò)程的起始負(fù)荷對(duì)柴油機(jī)煙度和進(jìn)氣量的影響。

圖5 瞬變過(guò)程的起始負(fù)荷對(duì)柴油機(jī)煙度和進(jìn)氣量的影響

從圖5 可以看出，在瞬變過(guò)程中的初始時(shí)刻采用較大的負(fù)荷，能有效降低煙度峰值。在20%～100%瞬變過(guò)程中，煙度峰值最低，為24.7%。在起始負(fù)荷較大的工況下，瞬變過(guò)程前期的進(jìn)氣量有相應(yīng)的提高，對(duì)應(yīng)的煙度峰值較低。原因是：較大的起始負(fù)荷能提高瞬變過(guò)程的進(jìn)氣量，燃燒更加充分。

圖6 為20%～100%瞬變工況下全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)燃燒性能的影響。

圖6 20%～100%瞬變工況下全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)燃燒性能的影響

從圖6 可以看出，在20%～100%的恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的瞬變工況下，全程原機(jī)噴油壓力策略能有效降低煙度峰值，煙度峰值從原機(jī)的24.7%降低到19%，降幅為23%。原因是：和起始負(fù)荷較小的瞬變工況相比，在起始負(fù)荷大的瞬變工況，缸內(nèi)空氣較多，提高了缸內(nèi)熱氛圍，當(dāng)噴油壓力提高時(shí)，燃油和空氣的混合質(zhì)量得到改善，從而提高了燃燒質(zhì)量。

綜上所述，在較大的負(fù)荷下開(kāi)始增加噴油壓力，能更有效地降低柴油機(jī)瞬變過(guò)程中的煙度峰值。

2.4 分段軌壓策略對(duì)瞬變性能的影響

分段軌壓策略的控制邏輯是：在柴油機(jī)的瞬變過(guò)程中，當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，噴油壓力保持和原機(jī)一致；當(dāng)負(fù)荷超過(guò)一定限值時(shí)，噴油壓力會(huì)在原機(jī)的噴油壓力上增加一個(gè)量，最大增量為20 MPa，但是受原機(jī)最大噴油壓力限制，最大噴油壓力不超過(guò)160 MPa。

圖7 為分段軌壓策略的控制邏輯。

圖7 分段軌壓策略的控制邏輯

由之前的分析可知，在20%～100%瞬變工況下，噴油壓力增加20 MPa，瞬變過(guò)程中的煙度峰值降幅最大。因此，分段軌壓策略定為：EGR 率為5%，在20%～100%瞬變工況，分別在210 N·m、350 N·m、490 N·m、630 N·m 負(fù)荷下將噴油壓力增加20 MPa。分段軌壓的具體策略如表2 所示。

表2 分段軌壓具體策略

在5%EGR 率下，研究分析分段軌壓策略對(duì)恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變工況柴油機(jī)排放性能的影響規(guī)律。

瞬變過(guò)程中，累計(jì)煙度可通過(guò)下面的公式計(jì)算：

式中：R 為累計(jì)煙度，%；N 為瞬時(shí)煙度，%；t1為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間，s；t2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間，s。

圖8 為在20%～100%瞬變工況下分段軌壓策略對(duì)累積煙度的影響情況。

圖8 20%～100%瞬變工況下分段軌壓策略對(duì)累積煙度的影響

圖8b 對(duì)累積煙度比例進(jìn)行了定義，設(shè)定0～100%、10%～100%、20%～100%的瞬變工況下，原機(jī)的煙度比例為100%，定義分段軌壓策略下的累積煙度比例為該策略下的累積煙度與原機(jī)的累積煙度比值。比例越低，說(shuō)明該策略對(duì)煙度的降低越明顯。

從圖8 可以看出，分段軌壓策略中，在起始負(fù)荷分別為210 N·m、350 N·m、490 N·m、630 N·m 的瞬變工況下，提高噴油壓力，瞬變過(guò)程中累積煙度的降低差異比較明顯。在起始負(fù)荷為490 N·m（策略3）時(shí)，提高噴油壓力，累積煙度和煙度峰值降低十分明顯。總體說(shuō)來(lái)，在20%～100%瞬變工況，在起始負(fù)荷為490 N·m（策略3）時(shí)，提高噴油壓力，煙度降低最多。

圖9 為分段軌壓策略對(duì)柴油機(jī)煙度、最大氣缸壓力以及CA50 的影響。

圖9 分段軌壓策略對(duì)柴油機(jī)煙度、最大氣缸壓力以及CA50 的影響

從圖9 可以看出，分段軌壓策略能提高最大氣缸壓力，使CA50 提前。原因是：提高噴油壓力，能減小噴油持續(xù)期，從而促進(jìn)油氣混合，改善燃燒，因此，煙度峰值明顯減小。但煙度降低的程度差異較為明顯，原因是：起始負(fù)荷為210N·m（策略1）時(shí)，增加噴油壓力，由于缸內(nèi)空氣密度低，導(dǎo)致油束貫穿距離大，引起濕壁現(xiàn)象。當(dāng)起始負(fù)荷為490N·m（策略3）時(shí)，油束貫穿距離縮短，能避免濕壁現(xiàn)象。

2.5 EGR 策略對(duì)瞬變性能的影響

在20%～100%瞬變工況下，采用EGR，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣量不足，EGR 率的相對(duì)值發(fā)生突變，煙度急劇增加。

圖10 為20%～100%瞬變工況下EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻對(duì)進(jìn)氣量的影響。

圖10 20%～100%瞬變工況下EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻對(duì)進(jìn)氣量的影響

從圖10 可知，在20%～100%瞬變工況下，關(guān)閉EGR 閥時(shí)，同等負(fù)荷下，與打開(kāi)EGR 閥相比，進(jìn)氣量有較大幅度的提高。

圖11 為20%～100%瞬變工況下EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻對(duì)EGR 率的影響。

圖11 20%～100%瞬變工況下EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻對(duì)EGR 率的影響

從圖11 可知，EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻對(duì)EGR 率有明顯的影響。原因主要是：在瞬變過(guò)程中，雖然伴有增壓器的延遲效應(yīng)，但由于EGR 閥的關(guān)閉，使EGR 率的超調(diào)幅度減小，使進(jìn)氣量有明顯提高。

圖12 為20%～100%瞬變工況下EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻和分段軌壓策略對(duì)煙度的影響。

圖12 20%～100%瞬變工況下EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻和分段軌壓策略對(duì)煙度的影響

從圖12 可知，在20%～100%瞬變工況下，在不同的EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻，采用分段軌壓策略，能更加有效地降低煙度峰值。在最佳EGR 閥關(guān)閉時(shí)刻（1.5 s），起始負(fù)荷為490 N·m 時(shí)，將噴油壓力提高20 MPa，能使煙度峰值（絕對(duì)值）降低3%。原因是：關(guān)閉EGR閥，能提高瞬變過(guò)程中的進(jìn)氣量，在更加充足的空氣條件下，增加噴油壓力，能更大程度地改善燃燒。在瞬變過(guò)程開(kāi)始后的1.5 s 關(guān)閉EGR 閥以及在起始負(fù)荷為490 N·m 時(shí)提高噴油壓力，能最有效地降低瞬變過(guò)程中的煙度。煙度從21%下降到8%，降幅為62%。在此基礎(chǔ)上采用分段軌壓策略，能使煙度進(jìn)一步降低，煙度最低值達(dá)到6.8%，降幅為67.6%。

3 結(jié)論

1）在EGR 率為5%的恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變工況下，煙度在瞬變過(guò)程中后期急劇升高，且煙度峰值達(dá)到30%。同時(shí)，全程原機(jī)噴油壓力策略對(duì)瞬變過(guò)程中煙度峰值影響較小。

2）在分段軌壓策略中，起始負(fù)荷為490N·m時(shí)，提高噴油壓力，能極大程度地降低累積煙度和煙度峰值，煙度峰值達(dá)到最低，累積煙度為原機(jī)的76.8%。

3）在EGR 率為5%的20%～100%恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變工況下，增加起始負(fù)荷，能使煙度峰值降低至24.7%；全程原機(jī)噴油壓力策略使煙度峰值從原機(jī)的24.7%降低到19%，降幅為23%。

4）在20%～100%的恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變過(guò)程開(kāi)始后的1.5 s 關(guān)閉EGR 閥，煙度降低至8%，下降幅度為62%。結(jié)合分段軌壓策略，能使煙度進(jìn)一步降低至6.8%。