雷 蕾，於永華，申立忠，萬明定，黃粉蓮，王正江

(1.昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點實驗室，云南 昆明 650500；2.昆明云內(nèi)動力股份有限公司，云南 昆明 650200)

車輛實際運行過程中，發(fā)動機(jī)頻繁經(jīng)歷加減速、負(fù)荷變化等瞬態(tài)過程[1].對于增壓柴油機(jī)而言，由于增壓器遲滯等原因，造成瞬態(tài)工況下柴油機(jī)空燃比和廢氣再循環(huán)(EGR)率偏離穩(wěn)態(tài)優(yōu)化值，導(dǎo)致柴油機(jī)瞬態(tài)排放與穩(wěn)態(tài)工況差異較大[2-3].因此，柴油機(jī)瞬態(tài)性能和排放倍受國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注.

Yum等[4]研究了柴油機(jī)負(fù)荷變化時的有效燃油消耗率和氮氧化合物(NOx)排放.Luján等[5]研究了定轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩從低負(fù)荷到高負(fù)荷、高負(fù)荷到低負(fù)荷和低負(fù)荷到中等負(fù)荷3種瞬態(tài)工況下低壓EGR在進(jìn)氣歧管中的傳遞現(xiàn)象.許允等[6]研究了不同的加載率、起始負(fù)荷和加載持續(xù)時間對恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)過程的影響，并定義了平均增量空燃比和空燃比平均減速度等瞬態(tài)加載過程評價參數(shù).張眾杰等[7]研究了不同海拔下恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速瞬態(tài)工況時可變截面渦輪增壓系統(tǒng)(VGT)開度的調(diào)節(jié)特性，比較了不同VGT開度控制策略對柴油機(jī)瞬態(tài)特性的影響.為改善柴油機(jī)瞬態(tài)排放，Yokomura等[8]針對柴油機(jī)瞬態(tài)工況下碳煙排放過高的問題，提出基于過量空氣系數(shù)的瞬態(tài)EGR控制策略.Alberer等[9]針對柴油機(jī)瞬態(tài)工況下NOx和顆粒物(PM)排放較高的問題，提出基于燃燒前后缸內(nèi)氧濃度的瞬態(tài)控制策略.韓曉梅等[10]針對某重型柴油機(jī)提出了基于EGR閥預(yù)控制和瞬態(tài)需求空氣量的EGR瞬態(tài)修正策略.然而，絕大部分關(guān)于柴油機(jī)瞬態(tài)排放的研究都是在平原環(huán)境下進(jìn)行的.中國地形地勢變化復(fù)雜，海拔1km以上的面積占全國總面積的58%，2km以上的面積占33%[11].對于不同海拔下柴油機(jī)瞬態(tài)排放試驗，除在不同海拔下進(jìn)行實地環(huán)境試驗外，還可以通過模擬海拔進(jìn)行試驗.但是兩種方法均存在設(shè)備要求較高、試驗成本較高等問題，導(dǎo)致國內(nèi)外不同海拔下柴油機(jī)瞬態(tài)排放的試驗研究報道較少.

為滿足中國第Ⅵ階段排放標(biāo)準(zhǔn)對高原環(huán)境下機(jī)動車實際駕駛排放的控制要求[12]，高原環(huán)境下柴油機(jī)瞬態(tài)排放控制已成為柴油機(jī)優(yōu)化控制的主要任務(wù)之一.柴油機(jī)在高原環(huán)境下的瞬態(tài)排放變化規(guī)律研究對于優(yōu)化實際駕駛排放具有重要意義.為此，以滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌柴油機(jī)為研究對象，筆者利用大氣壓力模擬系統(tǒng)，在0、1.0、2.0和2.4km海拔下，研究了定轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)模式下柴油機(jī)NOx、煙度、PM排放和顆粒數(shù)(PN)的變化規(guī)律，以期為高原環(huán)境下柴油機(jī)瞬態(tài)排放優(yōu)化控制提供參考.

1 試驗發(fā)動機(jī)及設(shè)備

試驗發(fā)動機(jī)為一款直列4缸、配備可變噴嘴渦輪增壓器(VNT)和高壓冷卻EGR系統(tǒng)的車用高壓共軌柴油機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示.臺架設(shè)備包括交流電力測功機(jī)、空氣流量計、AVL AMA i60氣體排放分析儀、AVL 439煙度計、AVL 489顆粒計數(shù)器、AVL 478顆粒物采樣系統(tǒng)、大氣壓力模擬系統(tǒng)、CAN總線通訊接口模塊和INCA標(biāo)定軟件等.試驗臺架布置如圖1所示.

圖1 試驗臺架布局Fig.1 Layout of test bench

2 試驗工況及空氣系統(tǒng)控制

2.1 瞬態(tài)控制及數(shù)據(jù)采集

選擇在轉(zhuǎn)速為2000r/min下，采用定轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)模式使柴油機(jī)從0%負(fù)荷對應(yīng)油門開度增大至油門100%開度.圖2為不同海拔下、油門100%開度響應(yīng)時間分別設(shè)置為階躍(時間為0s，實際響應(yīng)時間為0.2s)、2.5s和5.0s的具體變化過程.瞬態(tài)試驗時，發(fā)動機(jī)在0%負(fù)荷點運行2min后開始數(shù)據(jù)采樣(采樣頻率為10Hz).當(dāng)采樣時間達(dá)到10s時，發(fā)動機(jī)按設(shè)置的油門100%開度響應(yīng)時間執(zhí)行瞬態(tài)過程.油門開度達(dá)到100%開度后，發(fā)動機(jī)保持在油門100%開度下運行，待各響應(yīng)參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定值后瞬態(tài)過程結(jié)束，采樣完成.

圖2 油門100%開度響應(yīng)過程Fig.2 Response process of 100% acceleration pedal

2.2 大氣壓力調(diào)節(jié)

試驗當(dāng)?shù)睾０螢?.0km，通過進(jìn)氣加壓和排氣背壓閥模擬0km和1.0km海拔下柴油機(jī)的進(jìn)/排氣壓力環(huán)境，通過進(jìn)氣節(jié)流和排氣抽負(fù)壓模擬2.4km海拔下柴油機(jī)進(jìn)/排氣壓力環(huán)境.不同海拔下，柴油機(jī)進(jìn)氣溫度和濕度分別設(shè)置為(25±2.5)℃和(50±5)%(相對濕度).

2.3 空氣系統(tǒng)控制

因VNT開度和EGR閥控制方式(開環(huán)或閉環(huán))以及閉環(huán)控制目標(biāo)不同會造成瞬態(tài)過程中柴油機(jī)增壓壓力、進(jìn)氣量和EGR率不同，進(jìn)而導(dǎo)致瞬態(tài)排放變化差異.試驗用柴油機(jī)空氣系統(tǒng)采用基于增壓壓力和進(jìn)氣量的閉環(huán)控制.ECU根據(jù)目標(biāo)增壓壓力和目標(biāo)進(jìn)氣量自動調(diào)節(jié)VNT開度和EGR閥開度.當(dāng)瞬態(tài)過程目標(biāo)增壓壓力和目標(biāo)進(jìn)氣量增大時，VNT開度和EGR閥開度迅速減小，提高增壓壓力和進(jìn)氣量響應(yīng).

3 結(jié)果與分析

3.1 不同海拔下噴油策略及控制參數(shù)變化

不同海拔下，噴油策略(噴油次數(shù)及組合方式)和控制參數(shù)對柴油機(jī)性能和排放具有顯著影響.試驗用柴油機(jī)在試驗轉(zhuǎn)速下采用多次噴射噴油策略，且噴油次數(shù)、噴油正時等僅與循環(huán)噴油量、運行環(huán)境相關(guān)，而與油門100%開度響應(yīng)時間無關(guān)，具體噴油策略及控制參數(shù)如圖3所示.不同海拔下，0%負(fù)荷對應(yīng)循環(huán)噴油量至15mg循環(huán)噴油量及50mg循環(huán)噴油量至油門100%開度對應(yīng)循環(huán)噴油量兩個階段下采用“1次預(yù)噴＋主噴”的噴油策略，循環(huán)噴油量在15mg至50mg之間時采用“1次預(yù)噴＋主噴＋1次后噴”的噴油策略.隨著海拔升高，預(yù)噴油量保持不變見圖3a，預(yù)噴正時逐漸提前見圖3b，軌壓基本保持不變見圖3c，后噴油量及后噴正時均保持不變見圖3d及圖3e.隨著海拔升高，柴油機(jī)主噴正時逐漸提前見圖3f.當(dāng)海拔從0km升高至1.0km時，主噴正時平均提前0.76°CA；當(dāng)海拔從1.0km升高至2.0km時，主噴正時平均提前0.76°CA；當(dāng)海拔從2.0km升高至2.4km時，主噴正時平均提前1.51°CA.這主要是由于：隨著海拔升高，柴油機(jī)最佳噴油正時需提前，以改善高原環(huán)境下動力性和經(jīng)濟(jì)性[13].

圖3 不同海拔下噴油策略和控制參數(shù)的變化Fig.3 Change of fuel injection strategy and control parameters at different altitudes

3.2 不同海拔下增壓壓力、過量空氣系數(shù)及EGR率變化

柴油機(jī)空氣系統(tǒng)參數(shù)(增壓壓力、過量空氣系數(shù)和EGR率等)響應(yīng)對柴油機(jī)瞬態(tài)排放具有較大影響.瞬態(tài)增壓壓力響應(yīng)將影響柴油機(jī)進(jìn)氣，造成瞬態(tài)過量空氣系數(shù)和EGR率發(fā)生變化，進(jìn)而直接影響柴油機(jī)NOx和PM排放.

圖4為不同海拔下瞬態(tài)增壓壓力的變化規(guī)律.油門100%開度階躍響應(yīng)時，0、1.0、2.0和2.4km海拔下增壓壓力響應(yīng)時間(指油門開度開始響應(yīng)至增壓壓力首次達(dá)到最終穩(wěn)定值的95%所經(jīng)歷的時間)分別為1.8、1.8、2.1和2.5s；油門100%開度2.5s響應(yīng)時間分別為2.6、2.7、2.9和3.3s；油門100%開度5.0s響應(yīng)時間分別為4.5、4.5、4.6和4.7s.在相同海拔下，油門100%開度響應(yīng)時間越短，增壓壓力響應(yīng)時間與油門100%開度響應(yīng)時間之差越大，即增壓壓力響應(yīng)延遲越大.這主要是由于：(1)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管具有一定容積，建立需求壓力需要經(jīng)歷一定的時間[2]；(2)油門100%開度響應(yīng)時間越短，噴油率越大，容易觸發(fā)煙度限值(詳見圖5)，造成柴油機(jī)噴油量受到限制，導(dǎo)致渦輪獲得的排氣能量下降，影響了增壓壓力增大速率.在相同油門100%開度響應(yīng)時間下，隨著海拔升高，增壓壓力響應(yīng)時間延長，增壓壓力響應(yīng)延遲加劇.這主要是由于：隨著海拔升高，大氣壓力降低，進(jìn)氣量減少，渦輪可獲得的驅(qū)動能量減少，導(dǎo)致增壓壓力增大速率降低.雖然減小VNT開度能提高增壓壓力響應(yīng)速率，但較小的VNT開度會導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓升高，造成泵氣損失增加，進(jìn)而影響柴油機(jī)瞬態(tài)性能響應(yīng).因此，不同海拔下增壓壓力瞬態(tài)響應(yīng)特性是綜合增壓壓力和柴油機(jī)瞬態(tài)性能響應(yīng)的結(jié)果.

圖4 不同海拔下瞬態(tài)增壓壓力的變化Fig.4 Change of transient boost pressure at different altitudes

圖5 不同海拔下瞬態(tài)過量空氣系數(shù)的變化Fig.5 Change of transient excess air ratio at different altitudes

圖5為不同海拔下瞬態(tài)過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律.在同一海拔下，隨著油門100%開度響應(yīng)時間縮短，瞬態(tài)過程過量空氣系數(shù)逐漸減小.原因是：隨著油門100%開度響應(yīng)時間縮短，噴油速率增大.與噴油速率相比，由于增壓壓力響應(yīng)延遲導(dǎo)致進(jìn)氣滯后，因而過量空氣系數(shù)降低.不同海拔下，油門100%開度階躍響應(yīng)時，過量空氣系數(shù)均達(dá)到一個相同的最小值后，再逐漸達(dá)到最終穩(wěn)定值.主要原因是：油門開度增大的瞬態(tài)過程中，進(jìn)氣量滯后嚴(yán)重，噴油速率遠(yuǎn)大于進(jìn)氣量響應(yīng)速率導(dǎo)致過量空氣系數(shù)急劇降低，造成碳煙排放增大[14].為防止碳煙排放過大，通過煙度限值(最小過量空氣系數(shù))限制噴油量[10].因此，油門100%開度階躍響應(yīng)時，噴油速率過大觸發(fā)了煙度限值，噴油速率下降以防止過量空氣系數(shù)進(jìn)一步降低.油門100%開度2.5s和5.0s響應(yīng)時，隨著海拔升高，過量空氣系數(shù)逐漸降低.這主要是由于：隨著海拔升高，大氣壓力降低，增壓壓力下降導(dǎo)致進(jìn)氣量響應(yīng)延遲加劇，造成過量空氣系數(shù)降低.

圖6為不同海拔下EGR率的變化規(guī)律.不同海拔下，瞬態(tài)過程開始時，EGR率快速減小，隨著油門開度響應(yīng)時間縮短，整個瞬態(tài)過程EGR率減小.油門100%開度響應(yīng)時間相同時，隨著海拔升高，整個瞬態(tài)過程的EGR率減小.造成這種現(xiàn)象的主要原因在于：EGR閥的控制目標(biāo)是進(jìn)氣量，當(dāng)實際進(jìn)氣量低于目標(biāo)進(jìn)氣量時，EGR閥開度減小甚至關(guān)閉以提高實際進(jìn)氣量.當(dāng)實際進(jìn)氣量滿足目標(biāo)進(jìn)氣需求時，EGR閥開度增大，以防止NOx排放過高.瞬態(tài)過程開始時，噴油量快速增大；但增壓壓力響應(yīng)延遲導(dǎo)致實際進(jìn)氣量低于目標(biāo)需求進(jìn)氣量.因此，為保證進(jìn)氣量響應(yīng)，EGR閥開度迅速減小，導(dǎo)致EGR率減小.同時，油門100%開度響應(yīng)時間越短，噴油響應(yīng)越快，目標(biāo)進(jìn)氣需求也快速增大，因而整個瞬態(tài)過程EGR率也越小.同樣地，相同油門100%開度響應(yīng)時，隨著海拔升高，進(jìn)氣響應(yīng)延遲增大，為保證高原環(huán)境下柴油機(jī)進(jìn)氣響應(yīng)，EGR閥開度減小導(dǎo)致整個瞬態(tài)過程EGR率降低.

圖6 不同海拔下瞬態(tài)EGR率的變化Fig.6 Change of transient EGR rate at different altitudes

3.3 不同海拔下NOx、煙度和PN排放變化

圖7為不同海拔下NOx體積分?jǐn)?shù)變化.油門100%開度階躍和2.5s響應(yīng)時，不同海拔下NOx體積分?jǐn)?shù)均未出現(xiàn)明顯的排放峰值，而油門100%開度5.0s響應(yīng)時，不同海拔下在瞬態(tài)過程開始后2.0s左右時出現(xiàn)一次較小的排放峰值.總體而言，不同海拔、轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著油門增加，負(fù)荷逐漸增大，NOx體積分?jǐn)?shù)逐漸增大.這是因為隨油門開度增大，柴油機(jī)噴油量逐漸增大，缸內(nèi)燃燒放熱量增加，缸內(nèi)溫度升高，促進(jìn)了NOx的生成[15].油門100%開度響應(yīng)時間相同時，綜合對比增壓壓力、過量空氣系數(shù)和EGR率達(dá)到穩(wěn)定值前、后NOx體積分?jǐn)?shù)變化發(fā)現(xiàn)，隨著海拔升高，在增壓壓力、過量空氣系數(shù)和EGR率尚未達(dá)到油門100%開度的穩(wěn)定值時，NOx體積分?jǐn)?shù)略微增大.而在增壓壓力、過量空氣系數(shù)和EGR率均趨于穩(wěn)定后，NOx體積分?jǐn)?shù)逐漸減小(1.0km海拔除外).這主要是由于：在增壓壓力、過量空氣系數(shù)和EGR率尚未達(dá)到穩(wěn)定值時，隨著海拔升高，柴油機(jī)主噴正時提前(圖3c)和EGR率降低(圖6).而主噴正時提前和EGR率降低均會導(dǎo)致NOx體積分?jǐn)?shù)增大.隨著瞬態(tài)過程的進(jìn)行，在增壓壓力、過量空氣系數(shù)和EGR率趨于穩(wěn)定后，不同海拔下EGR率均為0.即使高原環(huán)境下主噴正時提前，但其過量空氣系數(shù)降低，缸內(nèi)氧濃度下降.因此，NOx體積分?jǐn)?shù)降低.

圖7 不同海拔下瞬態(tài)NOx體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.7 Change of transient NOx volume fraction at different altitude

不同海拔下柴油機(jī)進(jìn)氣量、EGR率及動力性等變化均會導(dǎo)致質(zhì)量排放或體積排放出現(xiàn)差異，單純從NOx體積分?jǐn)?shù)并不能看出NOx排放變化的規(guī)律.因此，NOx排放隨海拔的變化將通過WHTC循環(huán)排放進(jìn)行對比.

圖8和圖9分別為不同海拔下煙度和PN排放變化規(guī)律.煙度與PN排放變化均出現(xiàn)明顯峰值，不同海拔下，隨著油門100%開度響應(yīng)時間縮短，煙度和PN峰值逐漸增大.相同油門100%開度響應(yīng)時間下，隨著海拔升高，煙度和PN峰值逐漸增大.與0km海拔相比，油門100%開度階躍響應(yīng)時，1.0km海拔下的煙度和PN峰值分別增大了2.36%和14.48%，2.0km海拔下分別增大了6.39%和53.11%，2.4km海拔下分別增大了10.99%和63.33%.油門100%開度2.5s響應(yīng)時，1.0km海拔下的煙度和PN峰值分別增大了45.18%和46.29%，2.0km海拔下分別增大了102.62%和130.70%，2.4km海拔下分別增大了116.86%和133.18%；油門100%開度5.0s響應(yīng)時，1.0km海拔下的煙度和PN峰值分別增大了26.07%和97.06%，2.0km海拔下分別增大了55.87%和198.58%，2.4km海拔下分別增大了76.36%和247.62%.造成這種現(xiàn)象的主要原因是：隨著油門100%開度響應(yīng)時間縮短和海拔升高，過量空氣系數(shù)下降，缸內(nèi)氧濃度下降，燃料與空氣混合不充分，預(yù)混燃燒的比例下降，大部分燃料集中于擴(kuò)散燃燒階段燃燒，過濃的可燃混合氣導(dǎo)致燃料分子未能完全氧化燃燒，高溫作用下裂解生成碳核，導(dǎo)致煙度與PN峰值增大.隨著海拔升高，即使噴油正時提前，滯燃期延長，增加了燃料與空氣的混合時間，但海拔升高引起的過量空氣系數(shù)下降對燃料分子氧化速率的影響更顯著.因而隨著海拔升高，煙度和PN峰值均增大.

圖8 不同海拔下瞬態(tài)不透光煙度的變化Fig.8 Change of transient opacity smoke at different altitudes

圖9 不同海拔下瞬態(tài)PN排放的變化Fig.9 Change of transient PN at different altitudes

3.4 不同海拔下WHTC排放變化

柴油機(jī)污染物排放控制重點是NOx和PM，為綜合評價不同海拔下柴油機(jī)瞬態(tài)NOx、PM和PN排放變化規(guī)律，根據(jù)《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第Ⅵ階段)》[12]的測試要求及污染物計算方法，在0、1.0、2.0和2.4km海拔下對柴油機(jī)進(jìn)行WHTC測試.并對WHTC實際循環(huán)功、NOx、PM和PN循環(huán)累積排放量進(jìn)行了計算，結(jié)果如表2所示.

表2 WHTC循環(huán)計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of WHTC

隨海拔升高，柴油機(jī)WHTC循環(huán)功逐漸降低，熱態(tài)NOx累積排放質(zhì)量呈先增大后減小的趨勢，PM累積排放質(zhì)量逐漸增大，PN累積排放數(shù)量增大.

圖10為不同海拔下NOx、PM和PN的WHTC循環(huán)排放變化.隨著海拔升高，WHTC循環(huán)NOx、PM和PN排放逐漸增大.與0km海拔相比，1.0km海拔下NOx、PM和PN排放分別增大了7.17%、3.78%和21.49%，2.0km海拔下分別增大了12.69%、13.64%和48.86%，2.4km海拔下分別增大了16.90%、24.88%和58.70%.由排放計算可知，排放與污染物排放量及實際循環(huán)功密切相關(guān).NOx排放在不同的瞬態(tài)階段隨海拔變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律，但發(fā)動機(jī)功率隨海拔升高而下降，導(dǎo)致NOx排放呈現(xiàn)出隨海拔升高而增大的變化趨勢.PM與PN排放隨海拔升高而增大.因此，PM與PN排放均呈現(xiàn)隨海拔升高而增大的變化趨勢.

圖10 不同海拔下WHTC排放Fig.10 Emissions of WHTC at different altitudes

4 結(jié) 論

(1) 由于油門100%開度響應(yīng)時間縮短和海拔升高，增壓壓力響應(yīng)延遲導(dǎo)致進(jìn)氣滯后嚴(yán)重；造成柴油機(jī)瞬態(tài)過量空氣系數(shù)隨油門100%開度響應(yīng)時間和海拔升高逐漸降低；為保證進(jìn)氣量響應(yīng)，改善發(fā)動機(jī)瞬態(tài)動力性與經(jīng)濟(jì)性，需減小甚至關(guān)閉EGR閥開度以保證實際進(jìn)氣量響應(yīng)；隨油門100%開度響應(yīng)時間縮短及海拔升高，柴油機(jī)瞬態(tài)過程EGR率逐漸降低.

(2) 不同海拔下，隨著油門增大、負(fù)荷增加，NOx體積分?jǐn)?shù)逐漸增大；油門100%開度響應(yīng)時間相同時，在增壓壓力、過量空氣系數(shù)和EGR率尚未達(dá)到穩(wěn)定之前，NOx體積分?jǐn)?shù)隨海拔升高而增大；而在增壓壓力、過量空氣系數(shù)和EGR率均趨于穩(wěn)定后，NOx體積分?jǐn)?shù)隨海拔升高而降低.

(3) 不同海拔下，柴油機(jī)瞬態(tài)煙度和PN排放均出現(xiàn)明顯的排放峰值；隨著油門100%開度響應(yīng)時間縮短及海拔升高，煙度和PN峰值逐漸升高.

(4) WHTC測試結(jié)果表明：隨著海拔升高，NOx、PM和PN循環(huán)排放均增大；與0km海拔相比，1.0km海拔下NOx、PM和PN排放分別增大了7.17%、3.78%和21.49%，2.0km海拔下分別增大了12.69%、13.64%和48.86%，2.4km海拔下分別增大了16.90%、24.88%和58.70%.