煙度限制策略對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響研究

申立忠，文潔，王正江，黃粉蓮，萬明定

(昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

柴油機(jī)因其熱效率高、功率范圍廣、耐久可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域，為社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但帶來的環(huán)境污染問題也日益突出。在柴油機(jī)的瞬態(tài)工況中，由于柴油機(jī)進(jìn)氣滯后于噴油[1-3]，導(dǎo)致瞬態(tài)工況下油氣不匹配過量空氣系數(shù)以及缸內(nèi)混合氣形成質(zhì)量下降，燃燒不完全，使得柴油機(jī)瞬態(tài)過程中產(chǎn)生大量炭煙[4-5]，造成柴油機(jī)出現(xiàn)冒煙的現(xiàn)象[6]。

日益嚴(yán)格的排放法規(guī)對(duì)柴油機(jī)的排放限值提出了更高的要求，因此，對(duì)于柴油機(jī)瞬態(tài)工況的排放研究已成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。田徑等[7]在高壓共軌柴油機(jī)上，研究了恒轉(zhuǎn)速增扭矩瞬變工況下排放特性，研究結(jié)果表明，瞬變工況的煙度峰值比穩(wěn)態(tài)工況高17.5倍。Rakopoulos等[8]對(duì)不同瞬態(tài)工況(包括加速、負(fù)荷變化和起動(dòng))下的排放特性和炭煙形成機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：渦輪增壓器滯后是柴油機(jī)瞬態(tài)工況煙度較高的主要原因；發(fā)動(dòng)機(jī)從較高負(fù)荷開始快速加載時(shí)，經(jīng)歷的冒煙期會(huì)更長(zhǎng)；起動(dòng)過程中，空氣的缺乏及其與燃料供應(yīng)的不匹配導(dǎo)致了過量的炭煙。Hagena等[9]研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量的每次突增都會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)運(yùn)行工況下煙度顯著增加，且炭煙排放占總顆粒物排放量的53%。王忠恕等[10]針對(duì)低速大負(fù)荷排煙較差的特點(diǎn)，研究了恒轉(zhuǎn)速增扭矩瞬變工況下，不同扭矩變化率對(duì)煙度的影響，結(jié)果表明，隨著扭矩變化率增加煙度升高。

為了改善瞬態(tài)工況煙度，國(guó)內(nèi)外研究者開展了大量的研究。主要通過減小加載率、控制EGR閥開度、增加噴射壓力、采用電動(dòng)增壓器等來降低瞬態(tài)工況下的煙度。Filipi等[11]采用V-8柴油機(jī)研究了瞬態(tài)工況下的排放特性，結(jié)果表明：在負(fù)荷變化的情況下，隨加載時(shí)間的縮短，煙度水平顯著增加，可通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷加載率來降低煙度。Indranil等[12]采用GT-power對(duì)重型電控柴油機(jī)渦輪增壓器延遲期的瞬態(tài)煙度進(jìn)行了建模，結(jié)果表明：在渦輪增壓器遲滯期控制EGR閥開度，可以降低煙度峰值。張龍平等[13]研究了運(yùn)行在瞬態(tài)條件下重型渦輪增壓柴油機(jī)的燃燒過程，研究發(fā)現(xiàn)，瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)燃燒相位延遲，燃燒顯著惡化，導(dǎo)致煙度和燃料消耗快速增加，可以通過調(diào)整燃料噴射參數(shù)來優(yōu)化瞬態(tài)燃燒過程，如增加噴射壓力來降低煙度。Florian等[14]利用AVL煙度計(jì)或LII傳感器的反饋信息來設(shè)置共軌壓力，結(jié)果表明，通過對(duì)共軌壓力曲線進(jìn)行優(yōu)化，可以使柴油機(jī)瞬態(tài)工況下的煙度減少50%以上?；粲龔?qiáng)、姚春德等[15-16]使用電動(dòng)增壓器增加加速時(shí)進(jìn)入缸內(nèi)的進(jìn)氣量，進(jìn)而改善燃料燃燒質(zhì)量，降低柴油機(jī)瞬態(tài)工況下的煙度。

根據(jù)指定的過量空氣系數(shù)(φa)限值對(duì)循環(huán)噴油量進(jìn)行限制是一種降低柴油機(jī)瞬態(tài)過程煙度的有效措施。為此本研究針對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)工況出現(xiàn)冒煙的問題，基于實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的ECU，設(shè)計(jì)了一種基于扭矩協(xié)調(diào)的煙度限制控制策略，試驗(yàn)研究了不同運(yùn)行瞬態(tài)工況下、不同φa限值對(duì)瞬態(tài)動(dòng)力性能和排放性能的影響。研究結(jié)果對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)工況下φa限值的標(biāo)定優(yōu)化提供了理論依據(jù)，對(duì)現(xiàn)代柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重大意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用了1臺(tái)D20TCI高壓共軌、增壓中冷、4缸柴油機(jī)，其主要性能參數(shù)如表1所示。瞬態(tài)測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1—進(jìn)氣流量計(jì)； 2—壓氣機(jī)； 3—中冷器； 4—進(jìn)氣節(jié)氣門； 5—EGR閥； 6—EGR冷卻器； 7—共軌系統(tǒng)； 8—發(fā)動(dòng)機(jī)； 9—渦輪增壓器； 10—交流電力測(cè)功機(jī)； 11—燃油質(zhì)量流量計(jì)；12—燃油溫度控制系統(tǒng)；13—AVL AMA i60氣體排放分析儀；14—AVL 439煙度計(jì)；15—燃燒分析儀；16—電子控制單元ECU；17—PUMA控制系統(tǒng)。圖1 臺(tái)架測(cè)試示意

臺(tái)架試驗(yàn)用到的測(cè)試設(shè)備主要有AVL電力測(cè)功機(jī)、進(jìn)氣流量計(jì)、AVL 735S燃油質(zhì)量流量計(jì)、AVL 753C燃油溫度控制系統(tǒng)、AVL AMA i60常規(guī)氣體排放分析儀、AVL439透光煙度計(jì)等。主要測(cè)試設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 測(cè)試儀器設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于自主開發(fā)的控制策略與自主開發(fā)的ECU集成，在不同的運(yùn)行條件下，試驗(yàn)選取1 200 r/min、2 200 r/min和3 200 r/min 3個(gè)恒定轉(zhuǎn)速工況，研究不同過量空氣系數(shù)對(duì)瞬態(tài)性能和排放的影響。φa限值分別取1.01，1.13，1.26，1.38，1.51，進(jìn)行負(fù)荷從0%增加到100%，加載時(shí)間為0 s的恒轉(zhuǎn)速增扭矩試驗(yàn)。具體工況參數(shù)見表3。

表3 瞬變過程試驗(yàn)工況參數(shù)

2 基于扭矩協(xié)調(diào)的煙度限制控制策略

圖2示出扭矩-油量協(xié)調(diào)架構(gòu)示意圖。柴油機(jī)在工作過程中的循環(huán)噴油量根據(jù)駕駛員的需求扭矩計(jì)算得到，煙度限制策略根據(jù)當(dāng)前的循環(huán)進(jìn)氣量以及計(jì)算出的φa限值，計(jì)算得到柴油機(jī)允許的最大噴油量，通過油量-扭矩轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)闊煻认拗婆ぞ亍Ｔ谂ぞ貐f(xié)調(diào)控制中，當(dāng)駕駛員的需求扭矩超過煙度限制扭矩時(shí)，駕駛員的需求扭矩的最大值被限制在煙度限制扭矩，輸出的設(shè)定扭矩等于煙度限制扭矩，設(shè)定扭矩經(jīng)過扭矩-油量轉(zhuǎn)換模塊確定出柴油機(jī)在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的循環(huán)噴油量，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。由此確保在柴油機(jī)瞬態(tài)過程中，達(dá)到限制循環(huán)噴油量的目的。

圖2 扭矩-油量協(xié)調(diào)架構(gòu)示意

其中，φa限值根據(jù)基礎(chǔ)值與環(huán)境修正值之和來確定，如式(1)所示。

φa=φBase+φCor。

(1)

φa限值的基礎(chǔ)值由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和循環(huán)進(jìn)氣量MAP圖確定，為了滿足不同復(fù)雜環(huán)境的需求，不同的工況模式下需要不同的φa限值，因此在φa限值計(jì)算中引入了φa修正值，如式(2)所示。

φCor=φSt·βSt+φP·βP+φEGR·βEGR。

(2)

式中：φa為過量空氣系數(shù)限值；φBase為過量空氣系數(shù)基本值；φCor為過量空氣系數(shù)修正值；φSt為發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)修正值；βSt為冷起動(dòng)修正系數(shù)；φP為大氣壓力修正值；βP為大氣壓力修正系數(shù)；φEGR為EGR閥修正值；βEGR為EGR閥修正系數(shù)。

根據(jù)循環(huán)進(jìn)氣量和φa限值計(jì)算出柴油機(jī)允許的最大噴油量，計(jì)算公式如式(3)所示，其中柴油機(jī)化學(xué)計(jì)量空燃比設(shè)定為14.5。

(3)

式中：qmax為噴油量；mAir為每缸循環(huán)進(jìn)氣量；l0為化學(xué)計(jì)量空燃比；φa為過量空氣系數(shù)。

圖3示出標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，0 s和5 s瞬變過程中過量空氣系數(shù)的變化。0 s瞬變過程中，過量空氣系數(shù)突然減小，當(dāng)小于1.26時(shí)，被限制至1.26；5s瞬變過程中，過量空氣系數(shù)一直保持在φa限值1.26以上。所以煙度限制策略能夠保證柴油機(jī)工作過程中過量空氣系數(shù)在φa限值以上?？梢酝ㄟ^標(biāo)定合適的φa限值，保證瞬態(tài)過程中過量空氣系數(shù)不會(huì)太小，從而改善煙度。

圖3 柴油機(jī)瞬變過程中過量空氣系數(shù)變化

3 不同φa限值對(duì)柴油機(jī)性能的影響分析

3.1 對(duì)噴油量的影響

圖4、圖5、圖6分別示出1 200 r/min、2 200 r/min、3 200 r/min轉(zhuǎn)速下，從0負(fù)載0 s突變到100%過程中，φa限值從1.01增加到1.51時(shí)噴油量的變化規(guī)律。由圖4可知，隨著φa限值的增加，煙度限制噴油量和循環(huán)噴油量最大值不斷減小。在30 s之前，發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速、小負(fù)荷工況，噴入氣缸的燃油量較小，為3.4 mg，而在φa限值1.51時(shí)煙度限制噴油量最小為12.3 mg，實(shí)際循環(huán)噴油量不受煙度限制最大噴油量的約束。30 s之后循環(huán)噴油量快速增加至煙度限制下的最大噴油量，受煙度限制的影響與煙度限制噴油量一致；最后ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速和油門信號(hào)檢測(cè)并判斷出當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)值一致時(shí)，循環(huán)噴油量保持穩(wěn)定。

圖4 1 200 r/min轉(zhuǎn)速下φa限值對(duì)噴油量的影響

圖5 2 200 r/min轉(zhuǎn)速下φa限值對(duì)噴油量的影響

圖6 3 200 r/min轉(zhuǎn)速下φa限值對(duì)噴油量的影響

與1 200 r/min時(shí)一樣，2 200 r/min、3 200 r/min轉(zhuǎn)速下，煙度限制噴油量隨著φa限值的增加不斷減小(見圖5和圖6)，25～30 s內(nèi)循環(huán)噴油量不受煙度限制噴油量的約束，但在30 s之后，φa限值在1.38以下煙度限制噴油量較大，最高可達(dá)到82 mg，較大的噴油量導(dǎo)致混合氣過濃，煙度惡化。為了改善煙度，實(shí)際循環(huán)噴油量被限制在60 mg和52 mg，φa限值增加至1.51時(shí)，循環(huán)噴油量繼續(xù)被限制在50 mg和45 mg。

3.2 對(duì)扭矩的影響

圖7示出不同恒定轉(zhuǎn)速下，從0負(fù)載0 s突變到100%過程中，φa限值從1.01增加到1.51時(shí)扭矩的變化規(guī)律。圖8示出不同恒定轉(zhuǎn)速、不同φa限值對(duì)扭矩響應(yīng)時(shí)間的影響。由圖7、圖8可知，扭矩從30 s之后開始遞增，增長(zhǎng)幅度與φa限值呈負(fù)相關(guān)。循環(huán)噴油量決定了發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的輸出，當(dāng)φa限值較小時(shí)，對(duì)噴油量的抑制作用弱，使得循環(huán)噴油量相對(duì)略高，扭矩快速增加；隨著φa限值的增大，循環(huán)噴油量相對(duì)減小，扭矩增加幅度減緩，對(duì)應(yīng)的峰值降低，扭矩響應(yīng)所需時(shí)間加長(zhǎng)，瞬態(tài)響應(yīng)特性變差。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下φa限值對(duì)扭矩的影響

圖8 不同恒定轉(zhuǎn)速下φa限值對(duì)扭矩響應(yīng)時(shí)間的影響

由圖7a結(jié)合圖8可知，φa限值為1.01和1.51時(shí)，對(duì)應(yīng)的扭矩峰值分別為180.2 N·m和114.6 N·m，扭矩峰值下降幅度為36%，而扭矩響應(yīng)時(shí)間分別為0.5 s和1.2 s，扭矩響應(yīng)時(shí)間延遲了58%。由圖7b和圖7c可見，扭矩峰值在φa限值為1.38以下時(shí)，變化趨勢(shì)不明顯，當(dāng)φa限值增加到1.51時(shí)，扭矩峰值明顯下降。最大扭矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)，扭矩響應(yīng)時(shí)間隨φa限值的增加而增加。圖7b結(jié)合圖8可知，φa限值1.01和1.51對(duì)應(yīng)的最大扭矩分別為333.3 N·m和299.3 N·m，響應(yīng)時(shí)間分別為0.4 s和0.8 s，扭矩峰值下降了10%，扭矩響應(yīng)時(shí)間延遲了50%。圖7c結(jié)合圖8可知，φa限值1.01和1.51對(duì)應(yīng)的最大扭矩分別為275.4 N·m和258.2 N·m，響應(yīng)時(shí)間分別為0.3 s和0.7 s，扭矩峰值下降了6%，扭矩響應(yīng)時(shí)間延遲了57%。

由上述分析可知：發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速加載瞬變過程中，當(dāng)φa限值太小(為1.01)時(shí)，循環(huán)噴油量相對(duì)較高，瞬態(tài)響應(yīng)特性較好；φa限值過大(為1.51)時(shí)，循環(huán)噴油量相對(duì)較小，限制扭矩輸出致使扭矩最大值變小，導(dǎo)致柴油機(jī)瞬態(tài)過程中動(dòng)力響應(yīng)變慢。為了保證柴油機(jī)在瞬態(tài)工況下的動(dòng)力性需求，應(yīng)該標(biāo)定合適的φa限值。

3.3 對(duì)排放的影響

圖9示出不同轉(zhuǎn)速下，從0負(fù)載0 s突變到100%過程中，φa限值從1.01增加到1.51時(shí)NOx的排放規(guī)律。由圖9可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的逐漸增加，NOx排放峰值增大，從30 s開始NOx排放先緩慢增加然后快速增加達(dá)到峰值。這是因?yàn)樗沧冞^程中負(fù)荷突增，缸內(nèi)熱力狀態(tài)升高，但進(jìn)氣滯后于供油，缸內(nèi)缺氧程度嚴(yán)重，煙度急劇惡劣，缸內(nèi)缺氧抑制了NOx的生成，NOx排放增加緩慢。隨著進(jìn)氣量的逐漸增加，缸內(nèi)缺氧環(huán)境得到改善，NOx排放增長(zhǎng)加快。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下φa限值對(duì)NOx排放的影響

由圖9a可知，隨φa限值的增加，NOx排放增長(zhǎng)速度加快，NOx排放最大值隨著φa限值的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。φa限值為1.01時(shí)，循環(huán)噴油量高于較大φa限值時(shí)的噴油量，進(jìn)氣滯后嚴(yán)重，缸內(nèi)缺氧嚴(yán)重，抑制了NOx生成，φa限值為1.01時(shí)NOx的排放峰值最小為106.6 g/h。隨著φa限值不斷增加，達(dá)到1.38時(shí)，在這個(gè)過程中過量空氣系數(shù)最低值增大，缸內(nèi)氧濃度增加，促進(jìn)NOx的生成，NOx的排放峰值達(dá)到最大，為156.3 g/h。當(dāng)φa限值增加到1.51時(shí)，嚴(yán)重限制了瞬態(tài)工況下允許的最大噴油量，使缸內(nèi)燃燒惡化，缸內(nèi)壓力和溫度隨之降低，導(dǎo)致NOx排放峰值下降為135.8 g/h，相比φa限值1.38時(shí)下降了20.5 g/h。由圖9b、圖9c可知，與低轉(zhuǎn)速1 200 r/min相比，中高轉(zhuǎn)速下φa限值對(duì)NOx排放峰值變化影響不明顯。如圖9b所示，NOx排放峰值隨φa限值的增加增幅較小，當(dāng)φa限值為1.01時(shí)，NOx排放峰值為715.6 g/h，當(dāng)φa限值增加至1.38時(shí)，NOx排放峰值達(dá)到最大值，為756.5 g/h；隨著φa限值繼續(xù)增大至1.51，NOx排放峰值略微下降至703.1 g/h。

圖10示出不同恒定轉(zhuǎn)速下，從0負(fù)載0 s突變到100%過程中，φa限值從1.01增加到1.51時(shí)煙度峰值的變化規(guī)律。AVL439測(cè)量煙度的最大量程為10 m-1，從圖10可以看出，當(dāng)φa限值為1.01時(shí)，在1 200 r/min、2 200 r/min、3 200 r/min 3個(gè)恒轉(zhuǎn)速下的煙度峰值都滿量程，均為9.9 m-1。隨著φa限值的增加，煙度峰值迅速降低。過量空氣系數(shù)過低是導(dǎo)致此時(shí)瞬變工況下煙度急劇惡化的主要因素。發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)變化過程中，到達(dá)相應(yīng)的扭矩應(yīng)增加噴油量，缸內(nèi)噴油量增加的同時(shí)使得可燃混合氣中氧含量過低，空燃比下降，從而導(dǎo)致燃燒惡化，煙度急劇增加。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速(1 200 r/min)大負(fù)荷工況，由于增壓器的遲滯效應(yīng)，排氣流量無法驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，致使進(jìn)氣量不足，缸內(nèi)混合氣過濃，煙度急劇惡化，滿量程現(xiàn)象較為明顯。

圖10 不同恒定轉(zhuǎn)速下φa限值對(duì)煙度峰值的影響

不同的φa限值條件下，可通過限制柴油機(jī)的實(shí)際噴油量限制煙度峰值的排放；隨著φa限值的不斷增大，循環(huán)噴油量最大值減小，進(jìn)而降低了煙度。轉(zhuǎn)速1 200 r/min下，φa限值從1.01增加到1.51，煙度峰值分別為9.9 m-1和1.6 m-1，煙度峰值下降了84%。轉(zhuǎn)速2 200 r/min下，φa限值為1.01和1.51時(shí)，煙度峰值分別為9.9 m-1和1.3 m-1，煙度峰值下降了87%。轉(zhuǎn)速3 200 r/min下，φa限值為1.01和1.51時(shí)，煙度峰值分別為9.9 m-1和1.2 m-1，煙度峰值下降了88%。

對(duì)比3個(gè)轉(zhuǎn)速下的煙度峰值變化規(guī)律可知，在φa限值不變的條件下，煙度峰值隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降；低速時(shí)增壓器效果較差，進(jìn)氣量不足導(dǎo)致煙度升高；發(fā)動(dòng)機(jī)由低轉(zhuǎn)速過渡到高轉(zhuǎn)速時(shí)，增壓器效果越來越明顯，進(jìn)氣響應(yīng)提高，充氣效率提高，空燃比增大，煙度得以改善，煙度峰值下降。

4 結(jié)論

a) 基于扭矩協(xié)調(diào)的煙度控制策略能夠有效地限制柴油機(jī)允許的最大噴油量，進(jìn)而改善煙度；

b) 低轉(zhuǎn)速下，NOx排放峰值隨著φa限值的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，扭矩峰值隨著φa限值的增加而降低；隨著轉(zhuǎn)速的升高，φa限值對(duì)NOx排放峰值和扭矩峰值影響減??；

c)φa限值為1.51時(shí)，限制扭矩輸出柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)較差，與φa限值1.01相比，1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，扭矩峰值幅度下降36%，扭矩響應(yīng)時(shí)間延遲了58%；3 200 r/min轉(zhuǎn)速下，扭矩峰值幅度下降6%，扭矩響應(yīng)延遲了57%；

d)φa限值為1.01時(shí)，煙度惡化，隨著φa限值的增加，煙度峰值迅速降低；φa限值從1.01增加到1.51時(shí)，1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，煙度峰值降幅達(dá)84%，3 200 r/min轉(zhuǎn)速下煙度峰值降幅達(dá)88%；

e)φa限值過大，柴油機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)變慢，φa限值過小，煙度較高；為了確保柴油機(jī)滿足瞬態(tài)工況下的動(dòng)力性需求，防止瞬態(tài)過程過量空氣系數(shù)過小而導(dǎo)致過高的煙度，應(yīng)該標(biāo)定合適的φa限值。