程小鋼 周斌 張釗，2 楊燕妮 黃祎

（1.西南交通大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院，成都 611743）

主題詞：柴油機(jī) 電動增壓器 排放特性

1 前言

采用廢氣渦輪增壓技術(shù)的柴油機(jī)具有較高的動力性和良好的經(jīng)濟(jì)性[1-2]，但廢氣渦輪增壓柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速較低時(shí)排氣能量不足，導(dǎo)致渦輪增壓器綜合效率較低，進(jìn)氣量較少，因此無法通過額外噴油來提升低速段扭矩。對于此問題，可采用變噴嘴渦輪增壓器、電輔助增壓器、復(fù)合諧振進(jìn)氣系統(tǒng)、電動增壓器[3-8]等來解決，其中可變噴嘴渦輪增壓器和電動輔助增壓器的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，改裝成本較高；復(fù)合諧振進(jìn)氣系統(tǒng)體積龐大且在發(fā)動機(jī)上布置困難；電動增壓器結(jié)構(gòu)相對簡單，易于控制[9-11]。本文采用電動增壓器提供額外進(jìn)氣來提升廢氣渦輪柴油機(jī)低速段的扭矩，并分析了扭矩提升后電動增壓器對廢氣渦輪增壓柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、燃燒特性和排放特性的影響，為電動增壓器與廢氣渦輪增壓柴油機(jī)的匹配提供了理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)備和方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用4JB1T-4A柴油機(jī)，其主要參數(shù)見表1，圖1為試驗(yàn)臺架。

表1 4JB1T-4A柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)臺架示意

試驗(yàn)選用的電動增壓器由無極變頻器控制，調(diào)節(jié)范圍為0～50 Hz，流量特性見圖2。根據(jù)表1中的參數(shù)可計(jì)算出該柴油機(jī)在額定工況下的理論進(jìn)氣量為654 kg/h，而該電動增壓器能提供的最大流量為922 kg/h,遠(yuǎn)大于發(fā)動機(jī)的最大理論進(jìn)氣量，故選擇此電動增壓器為該柴油機(jī)提供低速提扭所需的額外空氣。

圖2 電動增壓器流量特性

2.2 試驗(yàn)方案

首先對未加裝電動增壓器的原機(jī)進(jìn)行外特性試驗(yàn)，測得各轉(zhuǎn)速下的最大爆發(fā)壓力如圖3所示。由圖3可看出，最高爆發(fā)壓力點(diǎn)在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)達(dá)到最大值12.35 MPa，以此爆發(fā)壓力為扭矩提升的邊界條件。然后標(biāo)定ECU使柴油機(jī)在低速段最大噴油量增加，以此提高低速段扭矩至期望值，同時(shí)開啟電動增壓器補(bǔ)氣以確保柴油機(jī)能夠在扭矩提升后正常運(yùn)行，并且用其控制扭矩提升程度。在此過程中，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)有轉(zhuǎn)速和扭矩輕微波動的“游車”現(xiàn)象，其原因可能是電動增壓器在工作時(shí)受到氣門間歇性開閉的影響而發(fā)生了一定的諧振。發(fā)動機(jī)是強(qiáng)周期工作的裝置，而電動增壓器則受外部電源控制穩(wěn)定工作，當(dāng)氣門按照一定規(guī)律啟閉時(shí)，必然影響傳輸氣路的工作穩(wěn)定性，因此將各提扭轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速波動率小于1%作為另外一個(gè)邊界條件。由上述兩個(gè)邊界條件確定試驗(yàn)的扭矩值如圖4所示，與未加裝電動增壓器時(shí)柴油機(jī)外特性扭矩相比，提扭后的扭矩提升了9%～25%。最后以扭矩提升后的4個(gè)工況（1 000 r/min、200 N·m，1 200 r/min、210 N·m，1 400 r/min、220 N·m，1 600 r/min、240 N·m）作為試驗(yàn)點(diǎn)，對比分析電動增壓器各工作頻率對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、燃燒特性和排放特性的影響。為了便于描述，此后所提到的“原機(jī)”均指相應(yīng)轉(zhuǎn)速下未加裝電動增壓器的外特性工況點(diǎn)，而“0～50 Hz”指在上述4個(gè)工況下不同補(bǔ)氣程度的工況點(diǎn)，其中“0 Hz”指提扭后未啟動電動增壓器補(bǔ)氣的工況。

圖3 原機(jī)外特性上的最大爆發(fā)壓力

圖4 外特性扭矩曲線對比

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 過量空氣系數(shù)

圖5為不同電動增壓器頻率下，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。原機(jī)扭矩提升前過量空氣系數(shù)在1.9～2.2之間，且隨轉(zhuǎn)速的升高呈下降趨勢，這是因?yàn)殡娍貑误w泵的供油壓力隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，改善了燃油的霧化混合質(zhì)量，所以高轉(zhuǎn)速工況下的過量空氣系數(shù)相對較低。

而柴油機(jī)提升扭矩后，在未進(jìn)行電動增壓時(shí)，過量空氣系數(shù)降至1.6左右，噴油量的增量大于進(jìn)氣量的增量；在進(jìn)行電動增壓后，過量空氣系數(shù)隨變頻器頻率的提高而增大，且在30 Hz時(shí)過量空氣系數(shù)超過原機(jī)，此時(shí)噴油量基本不變而進(jìn)氣量大幅增加。

圖5 過量空氣系數(shù)對比

3.2 燃油消耗率

燃油消耗率隨電動增壓器頻率的變化如圖6所示。圖6中實(shí)線部分為扭矩提升后的燃油消耗率，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)提扭前后不在同一工況，故圖中未提扭工況與0～50 Hz之間用虛線連接。由圖6可看出，原機(jī)的燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，這是因?yàn)橐环矫嫒加蛧娚鋲毫﹄S轉(zhuǎn)速升高而增大，缸內(nèi)氣體流動增強(qiáng)，傳熱損失減小，對混合氣形成及燃燒有利；另一方面，機(jī)械效率會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，兩者（燃燒改善和機(jī)械效率下降）中燃燒的改善占主導(dǎo)作用。而提扭后，噴油量增加，過量空氣系數(shù)減少，使燃燒惡化，燃油消耗率上升。由圖6還可看出，隨電動增壓器頻率的升高，燃油消耗率先上升后下降，這是因?yàn)樵陔妱釉鰤浩黝l率為10 Hz時(shí)，電動增壓器雖對原機(jī)做泵氣正功，但串聯(lián)電動增壓器后改變了原氣動環(huán)境，使得電動增壓器成為柴油機(jī)的負(fù)載，增大了柴油機(jī)的泵氣損失，為了保證功率，需增加噴油量，使得燃油消耗率上升；燃油消耗率后下降是因?yàn)殡S頻率的增加，電動增壓器的負(fù)載作用減弱。總之，提扭后燃油消耗率雖呈先上升后下降的趨勢，但其最終略高于原機(jī)水平，在電動增壓器頻率為50 Hz時(shí)燃油消耗率相比原機(jī)增加1.14%～4.44%。

圖6 燃油消耗率隨電動增壓器頻率的變化

3.3 燃燒特性

對低速扭矩提升的4個(gè)工況進(jìn)行燃燒特性分析后發(fā)現(xiàn)，其燃燒特性隨電動增壓器頻率的變化趨勢一致，故選取1 400 r/min、220 N·m的數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行分析。

圖7為不同電動增壓器頻率的缸內(nèi)壓力對比。曲線在362°CA和376°CA左右有兩個(gè)峰值，這是由于滯燃期的存在使得燃燒始點(diǎn)出現(xiàn)在上止點(diǎn)之后，因而出現(xiàn)了壓縮壓力峰。缸內(nèi)壓縮壓力隨頻率的增加而增大，這是因?yàn)檫M(jìn)氣量增加而進(jìn)氣溫度基本不變，使得壓力上升。第2個(gè)峰為燃燒壓力峰，由圖可知其相位基本不變，而峰值隨頻率增加略有上升，這也是由于進(jìn)氣量增加導(dǎo)致的。

圖7 不同電動增壓器頻率的缸內(nèi)壓力對比

圖8為不同電動增壓器頻率的缸內(nèi)燃燒溫度對比。由圖8可看出，隨著頻率的增大，缸內(nèi)燃燒溫度逐漸下降，其最大值從2 157 K降到了1 170 K，降幅達(dá)46%，這是因?yàn)檫M(jìn)入氣缸的大量空氣有一定的熱容效應(yīng)，使缸內(nèi)溫度降低。

圖8 缸內(nèi)燃燒溫度對比

圖9為不同電動增壓器頻率的放熱率對比。由圖9可看出，各頻率的放熱率均出現(xiàn)了3段放熱。除了明顯的預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒階段，在預(yù)混燃燒之前形成了一個(gè)強(qiáng)度很低的放熱峰，這是由于試驗(yàn)用柴油機(jī)采用了雙彈簧噴油器，實(shí)現(xiàn)了燃油預(yù)噴所致。由圖9可知，隨著頻率的增加，3個(gè)階段的放熱峰值均有減小的趨勢，其受兩方面因素影響，一方面，缸內(nèi)氧含量增多，促進(jìn)燃燒；另一方面，進(jìn)氣量增多使缸內(nèi)溫度下降，抑制燃燒。在此工況抑制作用占主導(dǎo)。

圖9 不同電動增壓器頻率的放熱率對比

本文中燃燒始點(diǎn)定義為在上止點(diǎn)附近壓力升高率由減小到突增的相位點(diǎn)，燃燒持續(xù)期定義為燃燒始點(diǎn)與90%累計(jì)放熱量時(shí)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之差。不同電動增壓器頻率的燃燒始點(diǎn)和燃燒持續(xù)期對比如圖10所示。由圖10可看出，燃燒始點(diǎn)隨頻率的增加基本不變，因?yàn)槿紵键c(diǎn)主要受壓縮溫度和壓力的影響，在燃燒始點(diǎn)附近缸內(nèi)壓力逐漸上升但缸內(nèi)溫度逐漸降低，兩者的作用相互抵消，使燃燒始點(diǎn)基本不變。燃燒持續(xù)期隨頻率的增加有增大的趨勢，主要是因?yàn)楦變?nèi)燃燒溫度下降，對燃燒有抑制作用，使燃燒持續(xù)期延長。

圖10 燃燒持續(xù)期隨電動增壓器頻率的變化

電動增壓器頻率對最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率的影響如圖11所示。由圖11可看出，隨頻率的增加，最大爆發(fā)壓力有增大的趨勢，而最大壓力升高率有逐漸降低的趨勢。因?yàn)閴嚎s終點(diǎn)壓力逐漸升高使得最大爆發(fā)壓力也相應(yīng)升高；放熱率峰值的不斷降低導(dǎo)致了最大壓力升高率的降低。

圖11 最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率對比

3.4 排放特性

圖12為煙度隨電動增壓器頻率的變化，其中實(shí)線部分為扭矩提升后的煙度。由圖12可看出，原機(jī)煙度隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸下降，因?yàn)檫^量空氣系數(shù)雖在下降，但其絕對值仍然很大，同時(shí)缸內(nèi)噴油壓力增高，最終使得煙度下降。扭矩提升后，各工況下煙度均有所增大，轉(zhuǎn)速越低增大幅度越明顯，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越低，噴油壓力越低，導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量下降，油氣混合的宏觀和微觀均勻性惡化，致使煙度增大。隨電動增壓器頻率的增加，各轉(zhuǎn)速下的煙度均出現(xiàn)了先上升后下降的趨勢，煙度先上升同樣是因?yàn)榇?lián)的電動增壓器改變了原氣動環(huán)境，使得電動增壓器成為柴油機(jī)的負(fù)載，增大了柴油機(jī)的泵氣損失，為了保證輸出功率，需增加噴油量，導(dǎo)致燃燒惡化，煙度上升；而煙度后下降也同樣是因?yàn)殡S著頻率的增加，電動增壓器的負(fù)載作用減弱，燃燒改善，煙度降低。在電動增壓器頻率為50 Hz時(shí)，過量空氣系數(shù)遠(yuǎn)大于原機(jī)，煙度雖沒能降到原機(jī)以下，但比扭矩提升后未采用電動增壓器時(shí)大幅下降，降幅為37.4%～44.9%。

圖12 煙度隨電動增壓器頻率的變化

NOx排放量隨電動增壓器頻率的變化如圖13所示，其中的實(shí)線為扭矩提升后的NOx排放量。由圖13可看出，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，原機(jī)的NOx排放量達(dá)到最大，因?yàn)樵诖宿D(zhuǎn)速下溫度較高，過量空氣系數(shù)較大，氧含量較高。而轉(zhuǎn)速低于1 400 r/min時(shí)的過量空氣系數(shù)雖較大，但燃燒溫度較低；而在轉(zhuǎn)速高于1 400 r/min時(shí)的燃燒溫度較高，但過量空氣系數(shù)較小，所以NOx排放量均沒有轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)高。扭矩提升后，NOx排放均有提高。在未采用電動增壓時(shí)，雖然過量空氣系數(shù)均下降，但缸內(nèi)燃燒溫度大幅提高，溫升占主導(dǎo)作用，NOx排放提高。采用電動增壓后，額外的空氣一方面使缸內(nèi)氧氣濃度增加，另一方面使缸內(nèi)總工質(zhì)增加，導(dǎo)致燃燒溫度下降。而在試驗(yàn)工況下，富氧導(dǎo)致的NOx上升效果和降溫導(dǎo)致的NOx降低效果二者相互抵消，因此從結(jié)果來看NOx受電動增壓器頻率的影響甚微。

圖13 NOx隨電動增壓器頻率的變化

4 結(jié)束語

為解決柴油機(jī)低速段扭矩過低問題，利用加裝電動增壓器來提升渦輪增壓柴油機(jī)低速段的扭矩，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到如下結(jié)論：

a.扭矩提升受到兩個(gè)方面因素的影響，一是柴油機(jī)的最大爆發(fā)壓力，二是電動增壓器受到氣門開閉影響而發(fā)生的諧振，因此扭矩最大能提升9%～25%。

b.電動增壓器對燃燒特性有一定影響，隨電動增壓器頻率增大，缸內(nèi)壓縮壓力上升，缸內(nèi)溫度下降，放熱率峰值下降，燃燒始點(diǎn)基本不變，燃燒持續(xù)期拉長，爆發(fā)壓力上升，最大壓力升高率下降。

c.燃油消耗率隨電動增壓器頻率的增大呈先上升后下降趨勢，最終略高于原機(jī)水平，電動增壓器頻率為50 Hz時(shí)，燃油消耗率相比原機(jī)增加1.14%～4.44%。

d.煙度隨電動增壓器頻率的增大呈先上升后下降趨勢，電動增壓器頻率為50 Hz時(shí)比0 Hz時(shí)降幅為37.4%～44.9%。NOx排放在提扭后均有提高，隨著電動增壓器頻率的增大并無明顯規(guī)律。

e.從排放物變化趨勢來看，如果繼續(xù)提高電動增壓器轉(zhuǎn)速，提升其壓氣能力，將有可能在提扭的同時(shí)降低排放，而代價(jià)僅是油耗的小幅上升，此方案具有一定的可行性和實(shí)用性。