變海拔下米勒循環(huán)對柴油機及DPF性能的影響

彭益源，李 青，陳貴升，李春敏，賀 如，張 涵

（1.云內(nèi)動力股份有限公司，昆明 650501；2.昆明理工大學云南省內(nèi)燃機重點實驗室，昆明 650500）

柴油機因其熱效率高、經(jīng)濟性好、功率輸出大等優(yōu)點而被廣泛應用，但同時也帶來了較為嚴重的環(huán)境污染問題。為了緩解柴油機排放帶來的環(huán)境污染問題，世界各國均不斷加嚴排放法規(guī)對其加以限制。在有效控制柴油機排放的前提下，提高柴油機熱效率是未來柴油機發(fā)展的重點和難點。

米勒循環(huán)技術(shù)不僅可以有效降低柴油機NO 排放，還能通過改變有效壓縮比來提高發(fā)動機熱效率。米勒循環(huán)技術(shù)通過控制進氣門的關(guān)閉時刻來實現(xiàn)發(fā)動機有效壓縮比的變化。當前，米勒循環(huán)技術(shù)在柴油機上應用相對較少，汽油機已經(jīng)普遍采用了米勒循環(huán)技術(shù)。米勒循環(huán)技術(shù)應用在汽油機上可以取消節(jié)氣門，以減少泵氣損失，提高充氣效率。GONCA等研究了燃油蒸汽噴射對米勒循環(huán)柴油機排放性能和動力性能的影響，發(fā)現(xiàn)蒸汽噴射雖然會使米勒循環(huán)柴油機NO 排放降低并減少碳排放，但同時也會使柴油機動力性和經(jīng)濟性下降，CO和HC排放增加。CUIYi等認為渦輪增壓可使米勒循環(huán)柴油機動力性提高，且不會增加NO 排放。張炯等指出米勒循環(huán)柴油機匹配增壓中冷能有效增大柴油機的負荷范圍。WU等指出高效的增壓器是米勒循環(huán)發(fā)動機提高動力性且有效控制排放的重要手段。以上研究者均致力于通過米勒循環(huán)同時實現(xiàn)對柴油機排放、熱效率的改善，并一致認為高效的增壓器可以進一步達到效果。BISHOP等認為海拔的升高會使柴油機動力下降，辛志鵬等認為柴油機顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）會使柴油機油耗升高，動力性能下降。

以往的研究者分別考慮海拔、米勒循環(huán)和DPF對柴油機性能的影響進行了分析。而米勒循環(huán)柴油機在實際應用過程中同樣需要考慮海拔和DPF對柴油機的影響，以及海拔和DPF對米勒循環(huán)作用效果的影響。因此，海拔耦合米勒循環(huán)對柴油機以及DPF性能的研究十分必要。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過一維熱力學仿真方法對米勒循環(huán)耦合海拔對柴油機及DPF的性能影響進行了深入研究，在不同海拔下對耦合的米勒循環(huán)進行優(yōu)化，以使發(fā)動機效率和DPF捕集效率同時達到最優(yōu)效果。對米勒循環(huán)柴油機在國六背景下加載DPF的實際應用過程具有一定的指導作用。

1 模型構(gòu)建與驗證

1.1 模型構(gòu)建

本研究所用DPF均采用壁流式碳化硅（SiC）載體，該材料具有耐高溫性好、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞等優(yōu)點。圖1為DPF內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，排氣從進口孔道流入，經(jīng)過多孔介質(zhì)壁面從相鄰的出口孔道流出，DPF壁面的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)通過重力沉積、慣性碰撞、擴散攔截等方式將顆粒物捕集下來。圖2為非對稱DPF截面示意圖。

圖1 DPF內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 非對稱DPF截面示意圖

排氣在DPF孔道內(nèi)滿足質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒三大定律，如式（1）～（3）所示。

連續(xù)性方程如式（1）所示：

動量方程如式（2）所示：

能量方程如式（3）所示：

熱力學模型基于某四缸四沖程柴油機進行構(gòu)建，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機相關(guān)參數(shù)

由于傳統(tǒng)的韋伯經(jīng)驗燃燒模型精度較低，已經(jīng)無法滿足當前柴油機技術(shù)的開發(fā)與研究，所以本文中的燃燒模型采用準維燃燒模型。準維燃燒模型是采用以時間為唯一自變量的常微分方程，通過熱力學原理對缸內(nèi)燃燒過程進行分析，對燃燒空間進行分區(qū)處理，其預測精度大大提高。

發(fā)動機缸內(nèi)的傳熱主要為燃燒室壁面與工質(zhì)之間的熱量交換?；钊斆?、氣缸蓋底面等燃燒室壁面與工質(zhì)的熱量交換可以通過壁面的平均溫度和工質(zhì)對燃燒室壁面的瞬時平均換熱系數(shù)α計算得到。

根據(jù)傳熱學牛頓公式，單位曲軸轉(zhuǎn)角的換熱量可以表示為：

式中：為角速度；α為瞬時平均換熱系數(shù)；為換熱面積；為氣缸內(nèi)工質(zhì)瞬時溫度；為壁面的平均溫度；=1是氣缸蓋；=2為活塞；=3為氣缸套。

泵氣損失如式（5）所示：式中：pmepc 為第缸的缸內(nèi)平均有效壓力；為瞬時氣缸壓力；為氣缸單缸排量。

柴油機耦合DPF的一維熱力學仿真模型如圖3所示，更加詳細的模型構(gòu)建方法參見文獻［16］。

圖3 柴油機耦合DPF的一維熱力學仿真模型

米勒循環(huán)通過控制進氣門的早關(guān)（EIVC）和晚關(guān)（LIVC）來改變進氣量。圖4、圖5分別為模型中（M0～M-30）EIVC和（M0～M30）LIVC策略對應的氣門升程曲線。

圖4 EIVC的氣門升程曲線

圖5 LIVC氣門升程曲線

1.2 一維熱力學模型驗證

為了保證模型計算的準確性，需要對模型進行可靠性驗證。模型驗證時DPF的碳載量設(shè)置為2 g/L。圖6分別為柴油機轉(zhuǎn)矩、功率、進氣流量、有效燃油消耗率（BSFC）、排氣溫度及NO 排放的模擬值與試驗值對比，各工況下模擬值與試驗值精度匹配均較高；圖7為DPF碳煙加載過程的模型驗證，由于試驗中載體經(jīng)過多次再生，不可避免存在殘余灰分，而模擬中初始灰分設(shè)置為0 g/L，所以壓降的試驗值略高于模擬值，但差異較小且趨勢一致。為進一步驗證DPF碳煙模型，在碳載量為2 g/L的條件下，對不同工況下DPF壓降再次進行驗證，如圖8所示，誤差均在8%以內(nèi)。說明本文所構(gòu)建的模型相對可靠，可用于仿真計算。

圖6 模擬值與試驗值對比

圖7 DPF碳煙加載過程驗證

圖8 不同工況下DPF壓降對比

2 不同DPF結(jié)構(gòu)對柴油機性能的影響

DPF會導致柴油機的排氣背壓增加，從而對柴油機性能造成影響，但不同結(jié)構(gòu)的DPF對柴油機性能的影響存在差異，較大碳煙和灰分加載時，差異會更大。本節(jié)內(nèi)容對碳煙量為6 g/L，灰分量為20 g/L的條件下，不同結(jié)構(gòu)DPF對柴油機性能的影響進行了研究，DPF相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 四種碳化硅載體參數(shù)

圖9為DPF對柴油機動力性的影響，其中方案4轉(zhuǎn)矩最大，方案1轉(zhuǎn)矩最低。這是由于200目載體單個孔道累積的碳煙和灰分更多，產(chǎn)生的排氣背壓更大，使進氣量減少（圖9b），燃燒變差，柴油機的動力性下降。

圖9 不同結(jié)構(gòu)DPF對柴油機動力性的影響

圖10為不同結(jié)構(gòu)DPF對柴油機經(jīng)濟性的影響。方案1有效燃油消耗率最高，方案4最低（圖10a），這是由于200目載體排氣背壓的增大會使缸內(nèi)殘余廢氣量增加，新鮮進氣量減少，燃料燃燒不充分，燃燒效果變差，導致有效燃油消耗率升高。方案1的有效熱效率最低，方案4有效熱效率最高（圖10b），這是因為200目DPF排氣背壓較高導致缸內(nèi)燃燒效果變差，排氣溫度增加（圖10c），能量損失變大，熱效率下降。

圖10 不同結(jié)構(gòu)DPF對柴油機經(jīng)濟性的影響

圖11a為不同結(jié)構(gòu)DPF對柴油機排放特性的影響，雖然搭載200目DPF的柴油機缸內(nèi)溫度有所升高，但進氣量的減小破壞了缸內(nèi)的富氧環(huán)境，其中氧濃度的下降是產(chǎn)生NO 的主要原因，因此，搭載200目DPF的柴油機NO 排放最低。圖11b為DPF對柴油機碳煙排放的影響，由于碳煙的產(chǎn)生條件為高溫缺氧，剛好與NO 的生成條件相反，因此，搭載200目DPF的柴油機碳煙排放量最大。

圖11 不同結(jié)構(gòu)DPF對柴油機排放特性的影響

圖12為不同結(jié)構(gòu)DPF壓降對比，200目對稱低孔隙率DPF壓降最大，300目非對稱低孔隙率DPF壓降最小。說明非對稱結(jié)構(gòu)DPF壓降特性優(yōu)于對稱結(jié)構(gòu)DPF，適當增加DPF目數(shù)有利于提高DPF容灰能力，降低DPF壓降。

圖12 不同結(jié)構(gòu)DPF壓降對比

綜合以上4個方案DPF對柴油機動力、經(jīng)濟性及排放特性的影響，發(fā)現(xiàn)方案4的DPF對柴油機性能影響最小。因此，本文采用300目非對稱孔載體進行變海拔下米勒循環(huán)對柴油機及DPF性能的影響研究。

3 EIVC與LIVC對柴油機燃燒、排放特性及DPF性能的影響

3.1 不同海拔下EIVC對柴油機及DPF性能的影響

針對柴油機2 400 r/min全負荷工況，研究了ELVC耦合海拔對柴油機性能的影響，通過更改發(fā)動機進氣參數(shù)以模擬不同海拔下EIVC對柴油機及DPF性能的影響，見表3。

表3 不同海拔條件下進氣參數(shù)

圖13為不同海拔條件下EIVC對柴油機動力性的影響，同一海拔條件下，隨著進氣門的提前關(guān)閉，柴油機的放熱率增加且放熱始點滯后（圖13a）。這是因為進氣門提前關(guān)閉減小了進氣量，壓縮終點缸內(nèi)壓力降低，滯燃期延長，著火時刻推遲。但同時滯燃期形成了更多的均勻混合氣，預混燃燒程度增加導致放熱迅速。相同米勒度下，海拔升高同樣會使放熱始點推遲，這是因為海拔上升也會導致進氣量減小，增加預混燃燒程度。

相同米勒度條件下，缸內(nèi)壓力隨海拔升高逐漸下降；同一海拔條件下，隨著米勒度的增加，缸內(nèi)壓力逐漸下降（圖13 b）。這是由于海拔的升高和進氣門提前關(guān)閉都使進氣量減小，從而降低了缸內(nèi)最大壓力。在4 km海拔耦合M-30時，發(fā)動機已經(jīng)發(fā)生失火現(xiàn)象。

圖13 不同海拔條件下EIVC對柴油機動力性的影響

圖14為不同海拔條件下EIVC對DPF性能的影響。由圖14a可知，隨著進氣門的提前關(guān)閉，DPF的壓降逐漸降低。這是由于進氣門早關(guān)時刻增加，排氣流量減小，排氣流速降低，流經(jīng)載體孔道內(nèi)部和壁面的摩擦阻力減小，所以產(chǎn)生的壓降減小。在同一米勒度下，海拔上升會導致DPF壓降增大，這是因為隨著海拔的升高燃燒性能變差，顆粒物的生成量增加，DPF內(nèi)部形成的碳煙濾餅層變厚，DPF壓降增加。由圖14b可知，海拔的升高和進氣門早關(guān)時刻增加都會使DPF的捕集效率提高。這是由于隨著海拔的增加和米勒度的增加，排氣溫度也隨之上升，排氣的氣體粘度變大，微粒的布朗運動加強，并且排氣顆粒物增加時碳煙餅層變厚，碳煙餅層的過濾作用增強，所以捕集效率提高。

圖14 不同海拔條件下EIVC對DPF性能的影響

綜合EIVC和海拔對柴油機及DPF性能的影響，隨著海拔增加，應當減小氣門早關(guān)時刻以增加進氣量，促進缸內(nèi)燃燒。

3.2 不同海拔下LIVC對柴油機及DPF性能的影響

針對2 400 r/min全負荷工況，研究了LIVC耦合海拔對柴油機及DPF性能的影響。

圖15為不同海拔條件下LIVC對柴油機動力性的影響，圖15a為LIVC對缸內(nèi)放熱率的影響不大。0 km和2 km條件下，隨著進氣門晚關(guān)時刻的增加，缸內(nèi)壓力先上升后下降（圖15b）。這是因為增加進氣門關(guān)閉時刻有利于提高進氣量，改善缸內(nèi)燃燒品質(zhì)，增大缸內(nèi)壓力，但過度增加進氣門晚關(guān)時刻會導致壓縮比降低，減小缸內(nèi)壓力。4 km條件下，隨著進氣門晚關(guān)時刻增加，缸內(nèi)壓力一直增加，這是因為4 km條件下大氣濃度下降較大，進氣門晚關(guān)時刻增加提高進氣量的效果大于因進氣門晚關(guān)時刻增加而導致有效壓縮比降低的作用。

圖15 不同海拔條件下LIVC對柴油機動力性的影響

圖16所示為不同海拔條件下LIVC對DPF性能的影響，LIVC策略和海拔對DPF壓降影響不大（圖16a）、由圖16b可知，在同一海拔條件下，隨著進氣門晚關(guān)時刻增加，捕集效率先下降后上升；相同米勒度條件下，海拔升高，DPF捕集效率提高。主要原因是排氣溫度越高，微粒擴散加強，捕集效率提高。

圖16 不同海拔條件下LIVC對DPF性能的影響

綜合LIVC和海拔對柴油機及DPF性能的影響，隨著海拔增加，應適當增加氣門晚關(guān)時刻，在提高進氣量和降低有效壓縮比之間折衷考慮。

3.3 海拔及米勒時刻對2 400 r/min全負荷工況下柴油機性能的影響

針對2 400 r/min全負荷工況，研究了0～4 km海拔耦合米勒時刻對柴油機及DPF性能的影響（M-30在4 km海拔時失火，因此不考慮M-30）。由圖17可知，相對于原機，EIVC可以提高發(fā)動機動力性，M-20耦合2 km以下海拔達到最優(yōu)，隨著海拔的升高發(fā)動機的動力性也隨之下降。LIVC策略使柴油機動力性先下降后升高。

圖18為米勒循環(huán)耦合海拔對柴油機經(jīng)濟性的影響。EIVC可以降低有效燃油消耗率，M-20策略下，在海拔2.5 km以上柴油機的經(jīng)濟性能開始下降。這是由于高海拔地區(qū)大氣稀薄，如果過早地提前關(guān)閉進氣門會使缸內(nèi)進氣量不足，燃燒性能變差，經(jīng)濟性下降。而LIVC在M10、M20策略下，相比于原機都使柴油機經(jīng)濟性能下降；M30策略下柴油機經(jīng)濟性能開始上升且高于原機。說明要達到提高柴油機經(jīng)濟性的效果，匹配LIVC需要米勒度大一些，而EIVC米勒度需要小一些。

圖18 米勒循環(huán)耦合海拔對柴油機經(jīng)濟性的影響

由圖19可知，EIVC減少了缸內(nèi)進氣量，使混合氣變濃，同時缸內(nèi)殘余廢氣增加，缸內(nèi)氣體熱容量降低，導致排氣溫度升高。而LIVC策略由于增加了進氣門晚關(guān)時刻，可以提高進氣流量，缸內(nèi)氣體熱容增加且燃燒效果更好，排氣溫度降低。

圖19 米勒循環(huán)耦合海拔下進氣流量、排溫對比

由圖20a可知，增加進氣門早關(guān)時刻和海拔的升高均會導致傳熱損失增加。傳熱損失主要與缸內(nèi)溫度以及燃燒持續(xù)期有關(guān)，進氣門早關(guān)時刻增加，缸內(nèi)廢氣量增加，氣體溫度壓力增加，滯燃期縮短，缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，傳熱損失降低。進氣門晚關(guān)時刻增加，缸內(nèi)氣體的溫度、壓力均下降，使滯燃期延長，預混燃燒程度增加，缸內(nèi)燃燒溫度上升，傳熱損失增加。

由圖20b可知，海拔4 km耦合M-20與海拔0 km耦合M20的排氣損失均較大，這是因為高海拔條件下，增加進氣門早關(guān)時刻會導致進氣量急劇下降，缸內(nèi)混合氣過濃導致溫度過高，排氣損失增加；而低海拔條件下，增加進氣門晚關(guān)時刻將提高進氣量，使滯燃期延長，同樣會提高缸內(nèi)溫度，排氣損失增加。

圖20 米勒循環(huán)耦合海拔對柴油機能量分配的影響

由圖20c可知，隨著海拔的升高泵氣損失降低，推遲進氣門關(guān)閉時刻會使進氣量增加，同時DPF導致的排氣背壓增加，泵氣損失增加。隨著海拔增加，雖然大氣壓力下降會使泵氣損失呈增加的趨勢，但缸內(nèi)進氣量降低，掃氣作用下降，殘余廢氣增加，排氣壓力下降，泵氣損失下降。

圖21為米勒循環(huán)耦合海拔對柴油機機械效率的影響，隨著進氣門關(guān)閉時刻的提前，柴油機的機械效率逐漸增大。這是由于進氣門關(guān)閉時刻提前可以降低柴油機傳熱損失、排氣損失、泵氣損失，機械效率提高。

圖21 米勒循環(huán)耦合海拔對機械效率的影響

圖22為米勒循環(huán)耦合海拔對柴油機排放特性的影響。由圖22a可知，海拔的增加以及進氣門提前關(guān)閉會使柴油機碳煙排放增加，這是因為進氣門提前關(guān)閉和海拔增加都會導致進氣量減少，缸內(nèi)創(chuàng)造出高溫缺氧的條件，有利于碳煙的生成。

與碳煙的形成相反，推遲進氣門關(guān)閉時刻以及海拔降低均有利于進氣，缸內(nèi)氧濃度增加，NO 生成量增加（圖22b）。

圖22 米勒循環(huán)耦合海拔對柴油機排放特性的影響

4 結(jié)論

（1）適當增加DPF目數(shù)以及采用非對稱結(jié)構(gòu)有利于增大載體容灰能力，降低DPF壓降，同時降低對柴油機動力性、經(jīng)濟性及排放特性的影響。

（2）高海拔耦合EIVC低米勒度、低海拔耦合EIVC高米勒度可改善柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性，同時可降低DPF壓降，提高DPF的捕集效率。

（3）低海拔耦合LIVC策略在M10、M20時會使柴油機經(jīng)濟性、動力性、熱效率下降，高海拔耦合M30時作用效果相反；LIVC策略在低轉(zhuǎn)速時可以降低DPF壓降，提高DPF的捕集效率，高轉(zhuǎn)速則相反。

（4）在2 400 r/min全負荷工況下，不同海拔下米勒循環(huán)對柴油機性能影響存在較大差異。EIVC策略下，隨著海拔的升高耦合低米勒度可使柴油機性能達到最優(yōu)；LIVC策略下，高米勒度耦合高海拔可改善柴油機性能。