鄒玉紅，盧 勇，裴普成

（1.清華大學(xué)汽車工程系，北京 100084；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

為了提高性能，柴油機(jī)上會(huì)搭載渦輪增壓器、尾氣后處理裝置（如選擇性催化還原器、微粒捕集器、顆粒過濾器）及能量回收系統(tǒng)，但這會(huì)使得排氣背壓升高［1－5］。此外，用隔熱材料對(duì)排氣歧管、渦輪增壓器及排氣管路進(jìn)行包裹［5］，排氣通道堵塞［6］，汽車底盤匹配不合理［7］，這些均會(huì)引起柴油機(jī)排氣系統(tǒng)背壓升高，背壓甚至可達(dá)0.15MPa以上［1］。

排氣背壓升高會(huì)造成泵氣功損失增加，從而導(dǎo)致機(jī)械功消耗增多，機(jī)械效率降低［4，7］。同時(shí)，背壓過高使得殘余廢氣系數(shù)增大（一定程度上類似于高溫EGR）［1］，導(dǎo)致燃燒不充分，燃燒做功減少，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化［3－5］。殘余廢氣系數(shù)過大還會(huì)引起排氣溫度升高，煙度加大，排放惡化［5］，若安裝渦輪增壓器，其工作環(huán)境變差，柴油機(jī)進(jìn)氣壓力相應(yīng)減少［6］。

目前，針對(duì)柴油機(jī)排氣背壓過高帶來的性能惡化的問題主要通過兩種途徑進(jìn)行改善：一種是直接控制排氣背壓，如設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)時(shí)減少急變的彎頭、盡可能簡短排氣管路、優(yōu)化催化后至一消前及一消后至二消前管徑、柴油顆粒過濾器（DPF）再生［3－5］等；另一種是采取其他措施來保持柴油機(jī)背壓較高時(shí)性能不變，如減小渦輪增壓柴油機(jī)渦輪流通面積［8］。這些方法中大部分都是優(yōu)化排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，很少對(duì)柴油機(jī)本身進(jìn)行優(yōu)化。

隨著渦輪增壓器、排放后處理裝置的加裝，柴油機(jī)的排氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，僅靠優(yōu)化排氣系統(tǒng)改善柴油機(jī)高排氣背壓問題已經(jīng)越來越困難。因此，除了繼續(xù)優(yōu)化柴油機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外，還需要進(jìn)一步對(duì)柴油機(jī)本身進(jìn)行優(yōu)化。大量研究已經(jīng)證明，合理優(yōu)化柴油機(jī)的配氣相位能夠提升柴油機(jī)的性能［2，9－13］，因此，本研究提出通過優(yōu)化配氣正 時(shí) 的 方法來改善柴油機(jī)因排氣背壓升高帶來的一系列性能惡化的問題?？紤]到柴油機(jī)背壓的升高不僅僅是渦輪增壓器引起的，本研究不進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪增壓器的匹配計(jì)算，主要研究背壓升高后的解決方案。

1 優(yōu)化參數(shù)的確定

在進(jìn)排氣門升程曲線不變的情況下，配氣正時(shí)可優(yōu)化的對(duì)象只有進(jìn)氣提前角（晚關(guān)角）、排氣提前角（晚關(guān)角）。氣門重疊角對(duì)殘余廢氣系數(shù)的影響不能忽視，排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角相加就是氣門重疊角。排氣門適當(dāng)晚關(guān)可以使排氣過程更加充分，獲得較好的排氣效果，減小殘余廢氣系數(shù)。相關(guān)研究也表明，如果排氣晚關(guān)角過小，可能導(dǎo)致留在缸內(nèi)的殘余廢氣相對(duì)質(zhì)量增大［14］。進(jìn)氣門早開，對(duì)進(jìn)氣過程有利，所以通過增大進(jìn)氣提前角也有可能減小殘余廢氣系數(shù)。排氣背壓升高導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)性能惡化的原因是泵氣功和殘余廢氣系數(shù)的增加，因此，本研究認(rèn)為柴油機(jī)在高排氣背壓下工作時(shí)，可以通過優(yōu)化排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角來改善其性能，并對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行更加深入的研究。

2 柴油機(jī)仿真模型的建立

2.1 仿真模型

為了研究排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角對(duì)柴油機(jī)高排氣背壓下性能的影響，選擇了LD1110普通單缸柴油機(jī)作為研究對(duì)象，利用GT－Power計(jì)算軟件對(duì)其建立仿真模型。

LD1110柴油機(jī)的主要參數(shù)見表1。根據(jù)試驗(yàn)，入口和出口環(huán)境均為大氣環(huán)境，壓力設(shè)為0.1MPa，溫度為298K，組分為空氣。

表1 LD1110柴油機(jī)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在性能仿真計(jì)算模型中采用了Woschni傳熱模型和Wiebe燃燒模型。Woschni模型在氣門開啟期間會(huì)適當(dāng)提高傳熱系數(shù)，能更加真實(shí)地模擬實(shí)際柴油機(jī)缸內(nèi)傳熱。大量內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)證實(shí)了Woschni模型可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測缸內(nèi)傳熱情況［15］。缸內(nèi)燃燒采用兩區(qū)域燃燒模型［16］，該模型將缸內(nèi)分為未燃區(qū)域和燃燒區(qū)域。起始時(shí)刻，缸內(nèi)為未燃區(qū)域，之后可燃混合氣根據(jù)燃燒速率由未燃區(qū)域向燃燒區(qū)域轉(zhuǎn)移。進(jìn)入燃燒區(qū)域的氣體可根據(jù)化學(xué)平衡方程和燃燒模型計(jì)算出燃燒產(chǎn)物和能量，之后根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算出2個(gè)區(qū)域的溫度和缸內(nèi)壓力。燃燒速率通過Wiebe模型計(jì)算。在沒有缸內(nèi)壓力數(shù)據(jù)矯正的情況下，利用Wiebe燃燒模型可以計(jì)算出較為合理的且接近真實(shí)的燃燒放熱率。對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)模塊，忽略空氣濾清器的影響，根據(jù)相關(guān)參數(shù)建立LD1110單缸柴油機(jī)的原機(jī)模型（見圖1）。

2.2 模型的校驗(yàn)

由于沒有缸內(nèi)壓力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此采用內(nèi)燃機(jī)性能校對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)，選取該柴油機(jī)外特性曲線進(jìn)行模擬計(jì)算，扭矩和燃油消耗率的模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分別見圖2與圖3。仿真曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好，該柴油機(jī)仿真計(jì)算模型可用于后續(xù)研究。

3 結(jié)果與分析

渦輪增壓柴油機(jī)的排氣背壓一般在0.16～0.18MPa［17－18］，有時(shí)甚至可以高達(dá)0.4MPa［18］，因此，本研究將模擬計(jì)算中的柴油機(jī)排氣背壓設(shè)為0.3MPa。柴油機(jī)入口壓力為0.1MPa，進(jìn)排氣門升程曲線保持不變。為了提高仿真研究的準(zhǔn)確性，將模型校驗(yàn)的工況點(diǎn)設(shè)為研究對(duì)象，分析低中高3種 轉(zhuǎn) 速 （即 轉(zhuǎn) 速 1 000r／min，1 600r／min，2 200r／min）下，配氣正時(shí)對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能的影響，比較低速與高速下優(yōu)化配氣正時(shí)后內(nèi)燃機(jī)性能的改善情況。各轉(zhuǎn)速下的噴油量校驗(yàn)值見表2。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的噴油量校驗(yàn)值

3.1 配氣正時(shí)對(duì)殘余廢氣系數(shù)的影響規(guī)律

殘余廢氣系數(shù)是指進(jìn)氣過程結(jié)束時(shí)，缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量與新鮮混合氣質(zhì)量的比值［19］。進(jìn)氣壓力為定值時(shí)，殘余廢氣系數(shù)隨排氣背壓的升高呈線性增加，主要原因是由于氣門重疊期內(nèi)進(jìn)氣門早開，廢氣灌入進(jìn)氣道并隨著進(jìn)氣返回缸內(nèi)，而排氣門晚關(guān)又使得廢氣從排氣道倒灌進(jìn)缸內(nèi)［20］。圖4示出了在進(jìn)氣提前角或者排氣晚關(guān)角保持不變時(shí)，殘余廢氣系數(shù)隨排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角變化的曲線，計(jì)算選取了1 000r／min，1 600r／min和2 200r／min 3種轉(zhuǎn)速工況。從圖中可以看出，增大排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角都可以降低殘余廢氣系數(shù)，且不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的曲線斜率不同。

圖5示出了轉(zhuǎn)速為2 200r／min、進(jìn)氣提前角為12°、背壓為0.3MPa時(shí)不同排氣晚關(guān)角下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力曲線。圖5a中，排氣晚關(guān)角為10°，由于排氣門較早關(guān)閉，阻礙了廢氣流出，使得排氣沖程末期缸內(nèi)壓力升高。當(dāng)排氣晚關(guān)角增大到43°時(shí)，排氣沖程后期沒有出現(xiàn)壓力“陡增”的現(xiàn)象（見圖5b）。因此，較大的排氣晚關(guān)角可以使得排氣更加充分，減小排氣沖程末期缸內(nèi)壓力，從而降低殘余廢氣系數(shù)。

3.2 配氣正時(shí)對(duì)泵氣功的影響規(guī)律

泵氣功是指四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣沖程時(shí)工質(zhì)對(duì)活塞所做功，一般用泵氣平均有效壓力ppme來評(píng)價(jià)。圖6示出了排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角對(duì)柴油機(jī)ppme的影響，從圖中可以看出泵氣功隨著排氣晚關(guān)角的增加而降低，但是卻隨著進(jìn)氣提前角的增加而升高。

由圖6a可見，1 000r／min，1 600r／min，2 200r／min 3種轉(zhuǎn)速下，泵氣功隨排氣晚關(guān)角的增加近似于線性減小。排氣晚關(guān)角每增加5°，ppme就減小0.02MPa。排氣晚關(guān)角增大，在氣門持續(xù)期不變的情況下，排氣提前角就會(huì)減小，這有助于維持燃燒膨脹做功沖程缸內(nèi)壓力，可以使得缸內(nèi)最高壓力增大。排氣沖程前期，缸內(nèi)較大壓力使得排氣速度較快，缸內(nèi)壓力迅速下降。此外，較大的排氣晚關(guān)角可以降低排氣末期的缸內(nèi)壓力（見圖5），因此，柴油機(jī)的泵氣損失隨著排氣晚關(guān)角的增加而減小。

由圖6b可見，ppme隨進(jìn)氣提前角的增加呈線性增大，且轉(zhuǎn)速越大，直線斜率越大。轉(zhuǎn)速為2 200r／min時(shí)，進(jìn)氣提前角每增加5°，ppme就增加0.01MPa。雖然增加排氣晚關(guān)角和進(jìn)氣提前角都可以降低殘余廢氣系數(shù)，但是增加進(jìn)氣提前角會(huì)導(dǎo)致泵氣損失增加，因此，本研究認(rèn)為只能通過合理增大排氣晚關(guān)角來優(yōu)化高排氣背壓下的柴油機(jī)性能。

3.3 排氣晚關(guān)角對(duì)柴油機(jī)平均有效壓力的影響規(guī)律

進(jìn)氣提前角保持12°不變，分析排氣晚關(guān)角對(duì)柴油機(jī)平均有效壓力的影響。圖7示出了不同排氣晚關(guān)角下，平均有效壓力pme隨噴油量變化的曲線，分別給出了兩個(gè)轉(zhuǎn)速工況下的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，排氣晚關(guān)角為20°的pme曲線始終高于排氣晚關(guān)角為10°的曲線，由此可見，適當(dāng)增大高排氣背壓下的排氣晚關(guān)角可以提升柴油機(jī)的pme。

從圖7還可以看出，當(dāng)負(fù)荷（噴油量）大于某一數(shù)值（拐點(diǎn)）時(shí)，柴油機(jī)的pme開始下降。對(duì)比排氣晚關(guān)角為10°和20°兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，增大排氣晚關(guān)角可以提高拐點(diǎn)處負(fù)荷，使得柴油機(jī)在更大的噴油量范圍內(nèi)下獲得較高的輸出功。

圖8示出了轉(zhuǎn)速為2 200r／min時(shí)pme隨排氣晚關(guān)角的變化曲線。柴油機(jī)pme隨排氣晚關(guān)角的增大先增加后減小，在43°處出現(xiàn)最大值0.42MPa，較10°下的pme提高了28.33%。在排氣持續(xù)期不變的情況下，排氣晚關(guān)角過大會(huì)導(dǎo)致排氣提前角過小，這會(huì)造成排氣前期缸內(nèi)壓力過高，從而增加了排氣沖程的泵氣損失。

圖9示出了2 200r／min時(shí)柴油機(jī)pme隨著排氣背壓和排氣晚關(guān)角變化的分布，圖中還給出了不同排氣背壓下的最優(yōu)排氣晚關(guān)角。從圖中可以看出，排氣背壓越大，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)排氣晚關(guān)角也越大。由此可見，隨著排氣背壓的升高，應(yīng)該逐漸增大排氣晚關(guān)角，因此可以考慮將汽油機(jī)的可變氣門正時(shí)技術(shù)（VVT）應(yīng)用于柴油機(jī)上，用于不同排氣背壓下的柴油機(jī)性能改善。

3.4 排氣晚關(guān)角對(duì)燃油消耗率的影響規(guī)律

進(jìn)氣提前角保持12°不變，分析2 200r／min下排氣晚關(guān)角對(duì)燃油消耗率的影響。圖10示出了不同排氣晚關(guān)角下柴油機(jī)有效燃油消耗率be隨噴油量變化的曲線。噴油量介于40～50mg之間時(shí)排氣晚關(guān)角由 10°增加到 20°，be降低了近60g／（kW·h）；當(dāng)噴油量大于50mg時(shí)，排氣晚關(guān)角為10°的燃油消耗率急劇增加，而排氣晚關(guān)角為20°的燃油消耗率卻繼續(xù)降低，直至58mg處才呈現(xiàn)上升趨勢。圖11示出了柴油機(jī)be隨著排氣晚關(guān)角的變化曲線，從圖中可以看出，be隨著排氣晚關(guān)角的增大先減小后升高，在43°處出現(xiàn)極小值，較10°的情況降低了22.08%。對(duì)比圖8和圖11可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于pme達(dá)到最大值時(shí)的最優(yōu)排氣晚關(guān)角，在該角下be出現(xiàn)最小值。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的pme越大，輸出的有效功增多，在噴油量不變的情況下，be就應(yīng)該相應(yīng)地減小。同理，不同排氣背壓下pme和be的最優(yōu)排氣晚關(guān)角也應(yīng)該相同，這一點(diǎn)通過對(duì)比圖9和圖12可以看出來。

3.5 優(yōu)化前后柴油機(jī)的性能對(duì)比

根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果，轉(zhuǎn)速為1 000r／min，2 000r／min時(shí)，0.3MPa的排氣背壓對(duì)應(yīng)的最優(yōu)排氣晚關(guān)角均為43°。圖13與圖14分別比較了兩種轉(zhuǎn)速下優(yōu)化前后柴油機(jī)的pme和be對(duì)比。轉(zhuǎn)速為1 000r／min時(shí)，排氣背壓由0.1MPa升高到0.3MPa，pme降低60.27%，be升高1.5倍。經(jīng)過優(yōu)化排氣晚關(guān)角后，0.3MPa下pme增加到0.1MPa時(shí)的52.43%，比不優(yōu)化提高了12.43%，be降低到0.1MPa時(shí)的1.9倍，比不優(yōu)化降低了60%。

轉(zhuǎn)速為2 000r／min時(shí)，排氣背壓由0.1MPa升高到0.3MPa，pme降低37.34%，燃油消耗率增加59.58%。排氣晚關(guān)角優(yōu)化后，背壓0.3MPa工況pme升高到0.1MPa時(shí)的75.48%，比不優(yōu)化提高了12.82%，be降低到0.1MPa時(shí)的1.325倍，比不優(yōu)化降低了27.1%。

雖然通過優(yōu)化排氣晚關(guān)角無法使排氣背壓為0.3MPa下的柴油機(jī)性能達(dá)到排氣背壓為0.1MPa下的水平，但是通過合理優(yōu)化排氣晚關(guān)角還是可以部分改善高排氣背壓下柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

a）在進(jìn)排氣持續(xù)期不變的情況下，增大排氣晚關(guān)角和增加進(jìn)氣提前角均可減小殘余廢氣系數(shù)；增大進(jìn)氣提前角會(huì)導(dǎo)致泵氣損失增加，而增大排氣提前角可以降低泵氣損失，所以應(yīng)該選擇優(yōu)化排氣晚關(guān)角；

b）高排氣背壓下，柴油機(jī)的性能隨著排氣晚關(guān)角的增加先提升后降低，存在一個(gè)最優(yōu)的排氣晚關(guān)角；

c）柴油機(jī)的最優(yōu)排氣晚關(guān)角隨著排氣背壓的增加而增大；

d）通過優(yōu)化柴油機(jī)排氣晚關(guān)角可以改善高排氣背壓下的柴油機(jī)的性能，但是無法使其恢復(fù)到排氣背壓為0.1MPa時(shí)的情況。

［1］ Cong S，Garner C P，Mctaggart－Cowan G P.The effects of exhaust back pressure on conventional andlow－temperature diesel combustion［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering，2011，225（2）：222－235.

［2］ Lancefield T.The influence of variable valve actuation on the part load fuel economy of a modernlight－duty diesel engine［M］.Detroit：SAE International，2003.

［3］ Fu J，Gong J，Yuan W，et al.Study on the exhaust back－pressure threshold－value map for the diesel particulate filter regeneration［M］.Shanghai：IEEE Computer Society，2011：557－560.

［4］ 吳義磊，劉建祥，喬 曌，等.排氣背壓預(yù)測及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究［J］.內(nèi)燃機(jī)，2012（3）：10－12.

［5］ 張麗芳，李 志.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.船電技術(shù)，2012（增刊1）：57－58.

［6］ 刁愛民，梁衛(wèi)華，劉 鎮(zhèn).進(jìn)、排氣背壓對(duì)渦輪增壓柴油機(jī)工作過程影響的研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008（增刊）：129－131.

［7］ 郭仲海.柴油機(jī)性能對(duì)排氣背壓的敏感性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)，2010（4）：47－49.

［8］ 梁 辰，崔 毅，鄧康耀，等.排氣背壓對(duì)增壓柴油機(jī)功率的影響分析及其改進(jìn)方法［J］.柴油機(jī)，2013（3）：16－20.

［9］ 周岳康，董堯清，韓文艷.轎車柴油機(jī)氣門正時(shí)和噴油嘴流量仿真與試驗(yàn)研究［J］.汽車技術(shù)，2010（4）：12－16.

［10］ 丁技峰，強(qiáng)永平，鄭 昊.D150A柴油機(jī)氣門正時(shí)的模擬計(jì)算［J］.裝備制造技術(shù)，2006（4）：70－71.

［11］ Lancefield T，Methley I，Rase U，et al.The application of variable event valve timing to a modern diesel engine［M］.Detroit：SAE International，2000.

［12］ Parvate－Patil G B，Hong H，Gordon B.Analysis of variable valve timing events and their effects on single cylinder diesel engine［M］.Tampa：SAE International，2004.

［13］ Deng J，Stobart R.BSFC investigation using variable valve timing in a heavy duty diesel engine［M］.Detroit：SAE International，2009.

［14］ 桂 勇，鄧康耀，石 磊.排氣正時(shí)與增壓對(duì)柴油HCCI燃燒影響的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008（5）：385－391.

［15］ Gamma T.GT－Power Users Manual Version 6.2［M］.［S.l.］：USAGamma Technologies Inc，2006.

［16］ 盧 勇，裴普成.配氣正時(shí)對(duì)工質(zhì)移缸類非常規(guī)循環(huán)內(nèi)燃機(jī)性能的影響規(guī)律［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（9）：41－48.

［17］ 段遠(yuǎn)才，帥石金，劉會(huì)猛.高背壓環(huán)境條件下渦輪增壓柴油機(jī)排氣系統(tǒng)適應(yīng)性研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1991（2）：137－142.

［18］ Cedrone K，Cheng WK.Using valve timing and exhaust back pressure to improve catalyst warm－up time［M］.Seoul：SAE International，2013.

［19］ 王建昕，帥石金.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［20］ Cong S，Mctaggart－Cowan G P，Garner C P.Measurement of Residual Gas Fraction in a Single Cylinder HSDI Diesel Engine through Skip－firing［M］.［S.l.］：SAE International，2009.