高官龍， 李盛成， 劉忠長， 田徑， 韓恒， 于凱波

(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 130022)

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EGR柴油機(jī)瞬態(tài)性能優(yōu)化研究

高官龍， 李盛成， 劉忠長， 田徑， 韓恒， 于凱波

(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 130022)

以降低瞬態(tài)過程煙度和NOx排放為目標(biāo)，在一臺高壓共軌電控重型柴油機(jī)上進(jìn)行了EGR對柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速增扭矩5 s典型瞬態(tài)過程燃燒和排放性能影響的優(yōu)化研究。結(jié)果表明：瞬態(tài)過程中固定EGR閥開度造成EGR率“超調(diào)”、煙度劇增；與“全程軌壓”策略相比，“分段軌壓”有利于改善小負(fù)荷工況的燃燒熱氛圍，提高瞬態(tài)起始負(fù)荷并耦合“分段軌壓”可以有效降低瞬態(tài)過程煙度峰值；EGR閥的開閉對瞬態(tài)性能影響最大，瞬態(tài)過程1.5 s關(guān)閥、4 s開閥的策略可以實(shí)現(xiàn)較好的煙度和NOx排放折中，消光煙度峰值為9.2%，NOx峰值稍有增加但增幅不大。

增壓柴油機(jī)； 瞬態(tài)工況； 噴油壓力； 廢氣再循環(huán)； 煙度； 氮氧化物

車用柴油機(jī)大部分運(yùn)行時間處于瞬態(tài)工況下，增壓柴油機(jī)瞬態(tài)工況下進(jìn)氣嚴(yán)重滯后于噴油，會導(dǎo)致柴油機(jī)性能劣變[1]。與穩(wěn)態(tài)工況相比，瞬態(tài)工況下存在噪聲激增、排放及燃油經(jīng)濟(jì)性惡化等問題[2]，特別是引入EGR系統(tǒng)后，若將穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化時所采用的EGR閥開度直接運(yùn)用于瞬態(tài)工況，更是加劇了排放及燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化程度[3]。為此，如何解決EGR柴油機(jī)瞬態(tài)過程的性能惡化問題已成為內(nèi)燃機(jī)性能開發(fā)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

為應(yīng)對柴油機(jī)瞬態(tài)性能劣變問題，國內(nèi)外柴油機(jī)研究機(jī)構(gòu)更偏向于通過噴油參數(shù)柔性調(diào)制與EGR閥耦合控制等常用穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)化策略來解決。比如，將實(shí)現(xiàn)低溫燃燒模式的高噴油壓力和多次噴射方式[3-6]直接運(yùn)用于瞬態(tài)工況，理論上有助于避開NOx和炭煙生成區(qū)域。這主要得益于高噴油壓力會提高燃油油束動量，促進(jìn)發(fā)動機(jī)瞬態(tài)過程燃油和空氣的混合，降低柴油機(jī)尾氣中的顆粒物排放。此外，EGR閥動態(tài)響應(yīng)差導(dǎo)致原機(jī)瞬態(tài)過程缸內(nèi)油氣混合狀態(tài)較穩(wěn)態(tài)工況明顯偏離等因素，促使對柴油機(jī)瞬態(tài)性能的研究領(lǐng)域也側(cè)重在EGR系統(tǒng)設(shè)計和控制方面，比如在EGR低壓回路或低高壓雙回路實(shí)現(xiàn)對EGR率寬范圍閾值可控[7-9]前提下，借助尾氣中氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為EGR閥反饋控制參數(shù)[10]或構(gòu)建EGR閥PID模塊控制[11-12]等，均在一定程度上有效抑制了EGR超調(diào)現(xiàn)象及顆粒物峰值排放惡化問題。從而不難看出當(dāng)下對柴油機(jī)瞬態(tài)性能優(yōu)化研究主要集中于較為單一的優(yōu)化方式探索，尚缺乏科學(xué)的系統(tǒng)性瞬態(tài)性能優(yōu)化路徑分析。為此，本研究主要針對EGR導(dǎo)致瞬態(tài)性能嚴(yán)重劣變這一特征，在一臺增壓中冷高壓共軌重型柴油機(jī)上從EGR閥控制、噴油參數(shù)、瞬態(tài)工況特征等多個角度探討典型恒轉(zhuǎn)速增扭矩瞬態(tài)過程性能優(yōu)化的可行性，為制定EGR瞬態(tài)性能優(yōu)化路徑提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)測控系統(tǒng)及研究方法

增壓中冷高壓共軌電控重型柴油機(jī)樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)臺架裝置及測控系統(tǒng)見圖1。研究采用毫秒級A/D數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)的高速傳感器構(gòu)建了實(shí)時(10 ms)參數(shù)測量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、進(jìn)排氣溫度及壓力、消光式煙度和尾氣排放的實(shí)時測量和記錄；共軌平臺下發(fā)動機(jī)工況控制最終信號為油門電壓，瞬態(tài)工況點(diǎn)控制借助單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，具備了高響應(yīng)速度和高精度優(yōu)點(diǎn)，配合電渦流測功機(jī)可實(shí)現(xiàn)典型瞬態(tài)工況的重復(fù)再現(xiàn)。

此外，本研究采用高—低回路EGR循環(huán)方式，回流廢氣從渦輪機(jī)之前引出，廢氣流經(jīng)單向閥后再進(jìn)入EGR中冷器，最終引入壓氣機(jī)前。利用步進(jìn)電機(jī)控制EGR閥開度，并根據(jù)穩(wěn)態(tài)工況EGR率優(yōu)化結(jié)果利用單片機(jī)查詢轉(zhuǎn)速和負(fù)荷MAP可以實(shí)時控制EGR閥的最優(yōu)開度(EGR閥全開60步，單步執(zhí)行時間為20 ms)。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要參數(shù)

圖1 瞬態(tài)試驗(yàn)臺架和測控平臺示意

試驗(yàn)過程中柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 650 r/min，負(fù)荷在5 s時間內(nèi)從0%，10%或20%線性地上升到滿負(fù)荷。試驗(yàn)中采用體積濃度的方法計算EGR率：

式中：(CO2)atm為環(huán)境中CO2體積分?jǐn)?shù)；(CO2)exh為排氣管中CO2體積分?jǐn)?shù)；(CO2)int為進(jìn)氣管中CO2體積分?jǐn)?shù)。CO2濃度由MEXA-7200DEGR排放分析儀進(jìn)行檢測，并且能夠同時對尾氣中的CO，THC，NOx等進(jìn)行實(shí)時測量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)首先研究瞬態(tài)過程中固定EGR閥開度對柴油機(jī)性能的影響(見圖2)。以典型的恒轉(zhuǎn)速增扭矩瞬態(tài)過程(1 650 r/min、負(fù)荷在0～5 s時間內(nèi)從0%線性增至100%)入手，固定EGR閥開度恒定在1 650 r/min，50%負(fù)荷時達(dá)到5%EGR率時所對應(yīng)的開度。

圖2 瞬態(tài)工況下EGR率的突變

從圖2中可以看出，EGR閥開度固定時，瞬態(tài)過程中EGR率和穩(wěn)態(tài)工況相比明顯升高(最大差值為2.6%)。EGR率的“超調(diào)”加重了瞬態(tài)過程中進(jìn)氣量不足的現(xiàn)象，造成消光煙度峰值急劇升高(峰值達(dá)到31.4%)。為了抑制煙度，試驗(yàn)依次研究了噴油壓力和EGR閥開度對瞬態(tài)過程的影響。

2.1 噴油壓力策略對瞬態(tài)性能的影響

為了描述瞬態(tài)性能的變化趨勢，本研究均將瞬態(tài)過程開始時間(0 s)設(shè)定為第0個工作循環(huán)，5 s內(nèi)共經(jīng)歷69個工作循環(huán)。

2.1.1 “全程軌壓”策略對瞬態(tài)性能的影響

在恒轉(zhuǎn)速增扭矩的瞬態(tài)工況下，進(jìn)氣中引入EGR加劇了煙度惡化。為了改善加EGR以后的瞬態(tài)性能，首先研究“全程軌壓”策略對加EGR以后的瞬態(tài)性能的影響?！叭誊墘骸辈呗灾敢栽瓩C(jī)軌壓MAP為基礎(chǔ)，分別將軌壓增加10 MPa和20 MPa，受限于最高軌壓(160 MPa)，軌壓的最大增量設(shè)置為20 MPa。

圖3示出“全程軌壓”策略對瞬態(tài)過程排放和進(jìn)氣量的影響。從圖3可以看出，瞬態(tài)過程中隨軌壓增加NOx排放升高，而消光煙度變化較小。采取“全程軌壓”策略有利于促進(jìn)燃油與空氣的混合，改善缸內(nèi)燃燒過程，增加缸內(nèi)NOx的生成。但從圖3c可以看出，提高軌壓對于瞬態(tài)過程進(jìn)氣量響應(yīng)幾乎無影響。又由于EGR的引入，缸內(nèi)氧濃度降低，這對炭煙的生成起到主要促進(jìn)作用。

圖4示出“全程軌壓”策略對瞬態(tài)過程燃燒性能的影響?？梢钥闯觯谒矐B(tài)過程的前期，“全程軌壓”策略造成缸壓峰值增加，缸壓峰值對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角和燃燒重心提前，燃燒持續(xù)期縮短；瞬態(tài)過程的中后期，“全程軌壓”策略對燃燒性能的影響減弱。推測其原因：瞬態(tài)工況前期(小負(fù)荷階段)，由于進(jìn)氣響應(yīng)延遲，缸內(nèi)工質(zhì)密度較低，進(jìn)氣氣流運(yùn)動相對較弱，此時增加噴油壓力又引起油束貫穿距離增加，極有可能造成燃油“濕壁”現(xiàn)象。此外，進(jìn)氣氣流運(yùn)動與噴油壓力的不匹配還會加劇瞬態(tài)工況熱力狀態(tài)的延遲，給瞬態(tài)過程中后期帶來不利影響，抵消增加軌壓對燃燒過程的改善效果。

圖3 “全程軌壓”策略對瞬態(tài)過程排放和進(jìn)氣量的影響

圖4 “全程軌壓”策略對燃燒性能的影響

2.1.2 起始負(fù)荷對瞬態(tài)性能的影響

通過研究發(fā)現(xiàn)，“全程軌壓”策略對0%—100%負(fù)荷瞬態(tài)工況煙度的改善較小?？紤]到瞬態(tài)過程小負(fù)荷階段增加噴油壓力可能造成燃油“濕壁”，加劇缸內(nèi)熱力狀態(tài)延遲，試驗(yàn)繼續(xù)研究提高瞬態(tài)起始負(fù)荷對加EGR以后瞬態(tài)性能的影響。具體的策略為：采取和前文相同的EGR閥開度(1 650 r/min，50%負(fù)荷時達(dá)到5%EGR率時所對應(yīng)的開度)和瞬態(tài)時間(5 s)，分別探究0%—100%，10%—100%和20%—100%瞬態(tài)過程下的性能變化規(guī)律。

圖5示出不同起始負(fù)荷對瞬態(tài)過程煙度和進(jìn)氣量的影響。從圖5a可以看出，提高瞬態(tài)過程的起始負(fù)荷能夠有效降低柴油機(jī)瞬態(tài)過程中的煙度峰值，20%—100%瞬態(tài)工況下的消光煙度峰值為20.5%，與0%—100%過程相比降幅達(dá)34.7%。煙度降低主要受益于進(jìn)氣量的增加，如圖5b所示，瞬態(tài)起始負(fù)荷為20%時的進(jìn)氣量相比0%負(fù)荷時增加89 kg/h。此外，較高的起始負(fù)荷下具有更好的缸內(nèi)燃燒熱氛圍，有利于緩解瞬態(tài)工況熱力狀態(tài)的延遲。

圖5 起始負(fù)荷對瞬態(tài)過程煙度和進(jìn)氣量的影響

2.1.3 “分段軌壓”策略對瞬態(tài)性能的影響

雖然提高瞬態(tài)過程的起始負(fù)荷能夠減小煙度，但是受限于柴油機(jī)實(shí)際使用過程，起始負(fù)荷不能太高。因此，為了進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)進(jìn)氣加EGR后的瞬態(tài)性能，本試驗(yàn)采取“分段軌壓”策略(見圖6)，即在小負(fù)荷時保持原機(jī)軌壓，當(dāng)達(dá)到某一設(shè)定負(fù)荷時(45%負(fù)荷)，在原機(jī)的基礎(chǔ)上增加軌壓(增加20 MPa)。

試驗(yàn)中采取的“分段軌壓”策略見表2，在20%—100%負(fù)荷瞬態(tài)工況下，保持EGR閥開度恒定，分別以20%，25%，35%和45%負(fù)荷為軌壓增加的拐點(diǎn)負(fù)荷，將原機(jī)軌壓增加20 MPa。

圖6 “分段軌壓”策略示意

策略1234軌壓增加拐點(diǎn)負(fù)荷/%20253545拐點(diǎn)負(fù)荷的扭矩/N·m280350490630

圖7示出“分段軌壓”策略對瞬態(tài)過程煙度的影響。為了更加直觀地比較瞬態(tài)過程煙度的差別，本研究定義累計煙度比例的概念：以20%—100%原機(jī)瞬態(tài)過程的累計煙度為1，“分段軌壓”策略下的累計煙度與其比值就是該策略下的累計煙度比例。累計煙度的比例越小(小于1)，則表明該策略對瞬態(tài)過程煙度的優(yōu)化能力越強(qiáng)。瞬態(tài)過程中累計煙度的計算方法為

式中：t1為瞬態(tài)加載開始時刻；t2為瞬態(tài)加載結(jié)束時刻；N為瞬時煙度值。

從圖7可以看出，“分段軌壓”對消光煙度峰值的影響較小(略有降低)，但“分段軌壓”策略對煙度的生成歷程影響較為明顯。如圖7b所示，490 N·m之后增加噴油壓力(策略3)對累計煙度(76.7%)的優(yōu)化效果最好。由圖7a可見，“分段軌壓”策略對瞬態(tài)過程中、大負(fù)荷煙度的改善程度增加，這印證了保持原機(jī)軌壓更有利于改善小負(fù)荷工況的燃燒熱氛圍，間接證明“全程軌壓”的局限性。

圖7 “分段軌壓”對煙度的影響

圖8示出“分段軌壓”策略對燃燒性能的影響。由圖8可見，采取“分段軌壓”策略后缸壓峰值顯著增加，燃燒重心明顯提前。其原因是：隨著噴油壓力的增加，噴油持續(xù)期減小，油氣混合更加均勻且混合速率加快，燃燒更加集中，促進(jìn)了燃料的快速、充分燃燒。

圖8 “分段軌壓”策略對燃燒性能的影響

2.2 EGR策略對瞬態(tài)性能的影響

2.2.1 EGR閥關(guān)閉時刻對瞬態(tài)性能的影響

增加起始負(fù)荷和采取“分段軌壓”策略都能降低柴油機(jī)瞬態(tài)過程中的煙度，但是由于瞬態(tài)過程固定EGR閥開度，不可避免地引起EGR率的“超調(diào)”，煙度峰值仍然較大。因此，試驗(yàn)繼續(xù)研究瞬態(tài)過程中EGR閥關(guān)閉時刻對性能的影響。仍然在20%—100%負(fù)荷瞬態(tài)工況下，計瞬態(tài)過程開始時刻為0 s，分別設(shè)置EGR閥關(guān)閉時刻為0 s，0.5 s，1 s，1.5 s和2 s。

圖9示出EGR閥關(guān)閉時刻對瞬態(tài)過程排放性能的影響?？梢钥闯?，關(guān)閉EGR閥后NOx排放大幅增加，而煙度大幅減小。選取1.5 s為最優(yōu)的關(guān)閥時刻時，消光煙度峰值為8.9%，與20%—100%負(fù)荷原機(jī)瞬態(tài)過程相比，降幅為56.6%。結(jié)合圖10可以發(fā)現(xiàn)，隨著EGR閥的關(guān)閉，EGR率迅速減小至0，進(jìn)氣量相比原機(jī)明顯增加。采取關(guān)閥措施可以避免EGR率的“超調(diào)”并在一定程度上緩解加EGR后引起的進(jìn)氣量減少，因此可以有效抑制煙度。

圖9 EGR閥關(guān)閉時刻對瞬態(tài)排放性能的影響

圖10 EGR閥關(guān)閉時刻對進(jìn)氣量和EGR率的影響

在前文研究的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)又將EGR閥關(guān)閉時刻和“分段軌壓”策略相結(jié)合，進(jìn)一步研究降低煙度的可能性。

圖11示出20%—100%瞬態(tài)過程中，1.5 s關(guān)閉EGR閥結(jié)合“分段軌壓”(策略3)對煙度的影響。如圖所示，使用“分段軌壓”策略后瞬態(tài)過程中煙度峰值進(jìn)一步降低至6.8%。EGR閥的關(guān)閉在一定程度上增加了進(jìn)氣量，進(jìn)氣與供油的匹配性更優(yōu)，燃燒狀況改善更大。

圖11 EGR閥關(guān)閉時刻結(jié)合“分段軌壓”策略對 消光煙度的影響

2.2.2 EGR閥開啟時刻對瞬態(tài)性能的影響

通過結(jié)合EGR閥關(guān)閉策略和“分段軌壓”策略能滿足對煙度的要求，但NOx排放增加較大。試驗(yàn)為達(dá)到煙度和NOx排放的折中，以最優(yōu)EGR閥關(guān)閉時刻(1.5 s)和“分段軌壓”策略(策略3)為基礎(chǔ)，繼續(xù)研究EGR閥的開啟時刻對瞬態(tài)排放性能的影響。其中，分別設(shè)置EGR閥的打開時刻為瞬態(tài)開始后的2.5 s，3 s，3.5 s和4 s，再次打開時EGR閥的開度與關(guān)閉之前相同。

圖12示出EGR閥開啟時刻對瞬態(tài)排放性能的影響。從圖12a可以看出，EGR閥再次開啟會引起煙度增加，且開啟時刻越早，煙度增幅越大；結(jié)合圖12b，再次開啟EGR閥可以明顯改善NOx排放。數(shù)據(jù)表明，4 s時開啟EGR閥可以得到最優(yōu)的煙度和NOx排放折中，此時，消光煙度峰值比原機(jī)(固定閥開度)降低了55.1%(從20.5%降低至9.2%)，而NOx排放在出現(xiàn)短暫的峰值后連續(xù)降低，NOx峰值僅比原機(jī)增加17%(從559×10-6升至657×10-6)。EGR閥再次打開的時刻較晚有兩個好處：一方面，進(jìn)氣滯后得到較大緩解，EGR的引入對進(jìn)氣量影響較小，所以煙度變化較小，消光煙度峰值相比1.5 s關(guān)閥而不開閥時僅增加了2.4%；另一方面，瞬態(tài)過程后期缸內(nèi)燃燒溫度達(dá)到較高值，EGR的熱效應(yīng)和稀釋效應(yīng)起主導(dǎo)作用，可以有效抑制NOx生成。

圖12 EGR閥開啟時刻對瞬態(tài)排放性能的影響

3 結(jié)論

a) 瞬態(tài)過程中固定EGR閥開度會引起EGR率“超調(diào)”現(xiàn)象，造成煙度嚴(yán)重惡化；

b) “全程軌壓”策略對進(jìn)氣加EGR后的瞬態(tài)性能改善程度很小，在小負(fù)荷時過高的噴油壓力還會引起燃油“濕壁”現(xiàn)象；

c) 適當(dāng)提高瞬態(tài)起始負(fù)荷，并結(jié)合使用“分段軌壓”策略，可以較好地避開瞬態(tài)過程小負(fù)荷階段熱力狀態(tài)延遲問題，優(yōu)化煙度性能；

d) EGR閥的開閉對瞬態(tài)性能影響明顯，1.5 s關(guān)閉EGR閥，并結(jié)合“分段軌壓”策略可以使煙度峰值降低至6.8%，但NOx排放增幅較大；進(jìn)一步設(shè)置4 s時開啟EGR閥可以得到最優(yōu)的煙度和NOx排放折中，此時，煙度峰值為9.2%，NOx峰值僅比原機(jī)(固定EGR閥開度)增加17%。

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[編輯： 袁曉燕]

Optimization of Transient Performance for Diesel Engine with EGR

GAO Guanlong, LI Shengcheng, LIU Zhongchang, TIAN Jing, HAN Heng, YU Kaibo

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control of Jilin University, Changchun 130022, China)

In order to reduce the NOxand smoke emissions during the transient process, the influences of EGR on combustion and emission were studied though the test of 5 s torque increase at constant speed on a high pressure common rail electronically-controlled heavy duty diesel engine. The results show that the EGR rate will overshoot so that the soot emission drastically increases if the EGR opening keeps constant during the transient process. Compared with the full-stage rail pressure strategy, the multi-stage fuel injection strategy helps to form the better thermo-atmosphere, which can reduce the peak soot emission effectively combined with higher initial loads. In addition, the opening and closing behavior of EGR valve have a great influence on engine transient performance. The 1.5 s opening and 4.0 s closing strategy can realize the compromise between soot and NOxemissions, while the peak smoke opacity is 9.2% and the peak NOxemission has little increase.

turbocharged diesel engine; transient process; injection pressure; exhaust gas recirculation(EGR); smoke; nitrogen oxides

2017-03-03；

2017-03-29

吉林省科技發(fā)展計劃項(xiàng)目(20150520113JH)

高官龍(1991—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)公害與控制；ggld1991@163.com。

李盛成(1965—)，男，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)公害與控制；lisc@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.008

TK421.5

B

1001-2222(2017)03-0042-07