丁云龍， 劉忠長， 張龍平， 田徑， 牛吉祥

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130025)

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加載停滯時(shí)間對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)性能的影響

丁云龍， 劉忠長， 張龍平， 田徑， 牛吉祥

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130025)

為了改善柴油機(jī)瞬態(tài)加載過程中燃燒與排放性能惡化的問題，在一臺(tái)增壓中冷柴油機(jī)上，利用瞬態(tài)測(cè)控系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了先快后慢的多段加載策略，探索不同的加載停滯時(shí)間對(duì)柴油機(jī)θCA10，θCA50，煙度和CO，NOx等排放物的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：與勻速加載策略相比，加載停滯時(shí)間越長，排放性能越好，煙度和CO峰值最大分別降低20.8%和38.32%，但NOx略有增加；在第二段加載過程中θCA10和θCA50延后程度降低；加載過程后期缸內(nèi)空燃比下降趨勢(shì)更加緩和。

增壓柴油機(jī)； 瞬態(tài)工況； 加載策略； 排放； 燃燒相位

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車保有量不斷增長，能源危機(jī)加劇，環(huán)境日益惡化，汽車的燃油消耗和尾氣排放受到廣泛關(guān)注。柴油機(jī)作為高效、可靠、強(qiáng)勁的動(dòng)力裝置，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域迅速發(fā)展。但車用柴油機(jī)大部分時(shí)間都處于瞬態(tài)工況，尤其是在城市路面狀態(tài)，其負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化頻繁，而大部分排放物產(chǎn)生于速度或扭矩急劇變化的瞬態(tài)過程[1-2]。因此，探究瞬態(tài)過程有效的優(yōu)化策略是國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)研究者亟需解決的科學(xué)和工程問題。研究表明：瞬態(tài)加載過程中扭矩、θCA10及θCA50等核心參數(shù)均發(fā)生不同程度的滯后現(xiàn)象，燃燒與排放性能惡化[3-7]。采用先快后慢的加載策略能夠有效改善扭矩響應(yīng)并降低排放[8-11]。然而瞬態(tài)加載過程中缸內(nèi)熱力狀態(tài)響應(yīng)較慢也是造成燃燒與排放性能惡化的重要原因之一[12]，而通過調(diào)整加載策略改善缸內(nèi)熱力狀態(tài)進(jìn)而優(yōu)化燃燒、降低排放的研究卻很少。

本研究在1臺(tái)高壓共軌、增壓中冷重型柴油機(jī)上對(duì)ETC測(cè)試循環(huán)[13]中恒轉(zhuǎn)速增扭矩瞬態(tài)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究不同加載策略對(duì)柴油機(jī)扭矩響應(yīng)性能、θCA10、θCA50、煙度和CO，NOx等排放物的影響規(guī)律。

1 測(cè)控系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

1.1 瞬態(tài)工況試驗(yàn)臺(tái)架

該試驗(yàn)臺(tái)架包括瞬態(tài)油門電壓控制器、南峰CW440電渦流測(cè)功機(jī)、高響應(yīng)速率的傳感器和高速A/D采集卡(毫秒級(jí)精度)、HORIBA排放分析儀、FCMM燃油質(zhì)量流量計(jì)、AVL439煙度計(jì)等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、燃油消耗量、燃燒參數(shù)、進(jìn)氣流量、消光煙度、進(jìn)排氣壓力及溫度和尾氣排放等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和同步采集。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選擇恒轉(zhuǎn)速增扭矩典型瞬態(tài)工況(保持轉(zhuǎn)速1 650 r/min不變，負(fù)荷在設(shè)定時(shí)間內(nèi)從10%增加到100%)。試驗(yàn)開始前保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 650 r/min，負(fù)荷為10%，穩(wěn)定運(yùn)行5 s，試驗(yàn)開始時(shí)控制瞬態(tài)油門電壓控制器，按設(shè)定的供油模式進(jìn)行先快后慢的多段加載。本試驗(yàn)涉及的加載策略為多段加載策略，根據(jù)前期的研究結(jié)果，選取較為合理的加載率[2-3,10,13]，第一段加載率保持665 N·m/s不變，第二段加載率保持201.52 N·m/s不變，加載停滯時(shí)間不同，加載停滯負(fù)荷為50%負(fù)荷。加載停滯時(shí)間是指發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷加載到加載停滯負(fù)荷時(shí)所停滯的時(shí)間。詳細(xì)加載策略見表2和圖1。

表2 加載策略

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 柴油機(jī)瞬態(tài)工況燃燒劣變分析

圖2示出了勻速加載策略供油量與供氣量響應(yīng)對(duì)比。從圖中可以看出，柴油機(jī)瞬態(tài)工況下供氣響應(yīng)滯后于供油，這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)瞬態(tài)加載過程中廢氣渦輪增壓器存在滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)氣延遲，隨著負(fù)荷的增大，噴油量逐漸增大，因此缸內(nèi)空燃比急劇下降，燃燒發(fā)生惡化；另外由于進(jìn)氣充量的減少導(dǎo)致進(jìn)氣壓力降低，降低了缸內(nèi)混合氣的湍動(dòng)能，削弱了油氣混合速率和擴(kuò)散燃燒速率，導(dǎo)致炭煙的后期氧化能力下降，煙度急劇升高[15]。柴油機(jī)瞬態(tài)加載過程中缸壁溫度存在熱慣性，響應(yīng)滯后，溫度上升緩慢，導(dǎo)致瞬變過程中傳熱損失增加，影響燃油蒸發(fā)、霧化和油氣混合過程，這也是造成瞬態(tài)加載過程中燃燒與排放性能惡化的一個(gè)重要原因[12,14]。因此，本研究采用多段加載策略，在加載到50%負(fù)荷處停滯一定時(shí)間以改善缸內(nèi)較差的熱氛圍及渦輪增壓器滯后的狀態(tài)，之后再繼續(xù)加載，達(dá)到優(yōu)化燃燒、降低排放的目的。

2.2 加載停滯時(shí)間對(duì)排放性能的影響

圖3示出了加載停滯時(shí)間對(duì)排放性能的影響。從圖中可以看出：策略1與勻速加載策略的排放值持平；策略2～4能夠較大幅度地降低煙度和CO峰值，且加載停滯時(shí)間越大，排放性能越好。其中策略4的煙度和CO峰值最小，相較勻速加載策略分別降低了20.8%和38.32%，但NOx排放值略有增加。這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)瞬態(tài)加載過程中廢氣渦輪增壓器響應(yīng)延遲，進(jìn)氣量滯后，導(dǎo)致扭矩響應(yīng)滯后，煙度惡化。而較大的第一段加載率(665 N·m/s)能夠充分利用瞬變初期缸內(nèi)充足的空氣量，提高渦輪機(jī)初期獲得的能量(見圖4)，增強(qiáng)渦輪增壓器的做功能力，縮短渦輪增壓器的響應(yīng)時(shí)間，改善加載過程后期缸內(nèi)燃燒缺氧的狀態(tài)，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)瞬變前期扭矩響應(yīng)性能；加載停滯時(shí)間增大后，改善了第一段加載過程中缸內(nèi)熱力狀態(tài)不斷滯后的狀態(tài)(在加載停滯階段，缸壁熱量不斷累積，熱力狀態(tài)不斷上升，縮短了響應(yīng)時(shí)間)，提高了燃油蒸發(fā)和霧化質(zhì)量，缸內(nèi)油氣混合更為均勻，這使得缸內(nèi)的燃燒速率增加、燃燒溫度升高(有利于炭煙的后期氧化)，因此NOx排放增加，煙度值和CO降低。

圖4示出了加載策略對(duì)進(jìn)排氣性能的影響。從圖中可以看出：較大的第一段加載率能提高第一段加載過程的排氣能量，進(jìn)而提高進(jìn)氣壓力，但由于瞬變初期進(jìn)氣滯后，供油量較大，導(dǎo)致缸內(nèi)空燃比急劇下降；加載停滯時(shí)間越長，第二段加載過程中缸內(nèi)空燃比越大(見圖5)，表明采取加載停滯措施能夠緩解缸內(nèi)空燃比急劇下降的趨勢(shì)，且加載停滯時(shí)間越長，效果越好。

這是因?yàn)榧虞d停滯時(shí)缸內(nèi)熱力狀態(tài)不斷上升，燃油蒸發(fā)、霧化和混合較好，且加載停滯階段供油速率保持不變，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速不斷提高，進(jìn)氣壓力不斷增大，第二段加載過程中進(jìn)氣滯后程度縮小，缸內(nèi)油氣混合更為均勻，因此缸內(nèi)空燃比較大。

從圖5中可以看出，由于第一段加載過程加載率一致，空燃比下降趨勢(shì)一致，但經(jīng)過加載停滯階段，由于加載停滯時(shí)間不同，加載過程后期(第二段加載率相同)空燃比下降趨勢(shì)出現(xiàn)了明顯的不同。隨著加載停滯時(shí)間的增長，加載過程后期空燃比下降趨勢(shì)較為緩和，表明采取加載停滯措施能夠使得缸內(nèi)油氣混合較為均勻，緩解加載過程后期空燃比急劇下降的趨勢(shì)。

為了更好地說明加載停滯時(shí)間與缸內(nèi)空燃比的關(guān)系，定義了空燃比下降加速度a來表征第二段加載過程中缸內(nèi)空燃比的下降趨勢(shì)，a越小表明缸內(nèi)油氣混合越均勻。

具體公式如下：

式中：a為空燃比下降加速度；λstar為第二段加載過程開始時(shí)缸內(nèi)空燃比；λend為第二段加載過程結(jié)束時(shí)缸內(nèi)空燃比；Δt為第二段加載過程所用時(shí)間，由于多段加載策略第二段加載過程加載率相同，因此Δt為3.3 s，而勻速加載策略第二段加載過程開始時(shí)刻為6.2 s。

圖6示出了加載策略對(duì)第二段加載過程空燃比下降加速度的影響規(guī)律。從圖中可以看出，策略1與勻速加載策略的空燃比下降加速度基本相同，而策略2～4的空燃比下降加速度明顯小于勻速加載策略，且隨著加載停滯時(shí)間的增大，空燃比下降加速度逐漸減小。表明加載停滯時(shí)間越長，加載過程后期缸內(nèi)空燃比下降趨勢(shì)越緩和，油氣混合越均勻。

2.3 加載停滯時(shí)間對(duì)燃燒參數(shù)的影響

瞬態(tài)加載過程中θCA10和θCA50均發(fā)生不同程度的滯后，主要原因是瞬變過程存在進(jìn)氣延遲和缸內(nèi)熱力狀態(tài)滯后的現(xiàn)象[15]。

圖7示出了加載停滯時(shí)間對(duì)燃燒參數(shù)的影響。從圖中可以看出，在第一段加載過程中，相比勻速加載策略，多段加載策略的θCA10和θCA50發(fā)生滯后，而第二段加載過程中θCA10和θCA50相比勻速加載策略提前，且隨著加載停滯時(shí)間的增長，提前程度變大。這是因?yàn)榈谝欢渭虞d過程中供油量較大，而瞬變初期缸內(nèi)溫度較低，燃油蒸發(fā)、霧化及混合質(zhì)量較差，加之進(jìn)氣滯后，且加載率越大，進(jìn)氣滯后程度越嚴(yán)重，導(dǎo)致油氣不匹配，造成混合不均勻，富油區(qū)增多，因此第一段加載過程中θCA10和θCA50相較勻速加載策略發(fā)生滯后。在加載停滯階段，供油速率保持不變，但渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高，進(jìn)氣量不斷增加，減小了第一段加載過程中供氣滯后于供油的程度，緩解了第二段加載過程中缸內(nèi)空燃比下降的趨勢(shì)；加載停滯時(shí)間越長，第二段加載過程中缸內(nèi)熱力狀態(tài)滯后程度越小，燃油蒸發(fā)、霧化質(zhì)量越高，油氣混合越均勻，加之第二段加載過程中進(jìn)氣壓力大，提高了缸內(nèi)的湍動(dòng)能，燃燒速率變快，因此，第二段加載過程中，滯燃期縮短，燃燒重心更靠近上止點(diǎn)。

從圖7中也可以看出，多段加載策略與勻速加載策略的θCA10在加載過程前期存在交叉點(diǎn)，這是因?yàn)樵诩虞d過程初期，雖然空燃比降低，但缸內(nèi)絕對(duì)空燃比大，空氣量充足，因此，加載過程前期增加噴油量可以使缸內(nèi)混合氣濃度更早達(dá)到著火條件，θCA10與θCA50比勻速加載策略更靠近上止點(diǎn)，因此在瞬變過程前期出現(xiàn)交叉；但隨著加載過程的進(jìn)行，進(jìn)氣遲滯以及噴油量的增多使得缸內(nèi)空燃比急劇下降，油氣混合不均勻，導(dǎo)致θCA10和θCA50滯后比勻速加載策略滯后。

從宏觀來看，第二段加載過程中θCA10與θCA50相比勻速加載策略更靠近上止點(diǎn)，但由于試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)存在一定的波動(dòng)，因此從曲線中看出并不是完全提前。而且從圖中可以看出出現(xiàn)波動(dòng)的曲線是加載停滯時(shí)間較短的策略，這也從側(cè)面說明加載停滯對(duì)于加載過程后期的燃燒優(yōu)化具有一定效果，且加載停滯時(shí)間長短影響較大。

3 結(jié)論

a) 采用先快后慢的多段加載策略能夠充分利用瞬變初期缸內(nèi)充足的空氣量，并提高瞬變初期渦輪機(jī)獲得的能量，增強(qiáng)了渦輪增壓器的做功能力，改善了加載過程后期缸內(nèi)燃燒缺氧的狀態(tài)；

b) 加載停滯時(shí)間越長，第二段加載過程中缸內(nèi)熱力狀態(tài)滯后和進(jìn)氣延遲程度越小，第二段加載過程中θCA10和θCA50延后程度越低，當(dāng)加載停滯時(shí)間為2 s時(shí)，煙度和CO峰值最小，相較勻速加載策略分別降低了20.8%和38.32%，空燃比下降加速度最小，為2.44。

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[編輯： 姜曉博]

Effects of Loading Stagnation Time on Diesel Engine Performance under Transient Operations

DING Yunlong, LIU Zhongchang, ZHANG Longping, TIAN Jing, NIU Jixiang

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control of Jilin University, Changchun 130025, China )

In order to improve the deterioration of combustion and emissions in transient loading process, the first fast and then slow multi-stage loading strategy was researched on a turbocharged inter-cooling diesel engine with transient measurement and control system to analyze the influence of loading stagnation time onθCA10,θCA50, soot, CO and NOxemissions. The results show that longer loading stagnation time can lead to better emission performance compared with the uniform loading strategy. The peak of soot and CO decreases by 20.8% and 38.32% respectively, but the NOxemission increases slightly. In the second loading stage, the delay ofθCA10andθCA50decreases. And the in-cylinder fuel-air ratio drops more steadily during the later loading period.

turbocharged diesel engine; transient operation; loading strategy; emission; combustion phase

2014-12-26；

2015-01-20

國家重大基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目(973項(xiàng)目)(2013CB228402)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206060);吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2014015)

丁云龍(1991—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)公害與控制；1084910249@qq.com。

劉忠長(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)公害與控制；liuzc@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.005

TK421.5

B

1001-2222(2015)03-0022-05