增壓柴油機加速過程炭煙排放的仿真研究

施 新，李 斌

（北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081）

采用渦輪增壓技術可以提高柴油機功率密度、降低油耗和排放，但是由于增壓器的滯后效應，柴油機在加速過程中炭煙排放升高［1－2］?？勺兘孛鏈u輪增壓器（VGT）可以實現與柴油機在不同工況下的良好匹配［3－4］，通過改變VGT噴嘴環角度，可以提高增壓器轉速，改善增壓器的滯后效應，以降低柴油機加速過程的炭煙排放。目前，對柴油機加速過程排放的研究主要集中在對噴油規律的改善［5－6］，而對加速過程可調渦輪控制規律的研究較少。本文對柴油機定轉矩加速過程進行了仿真，計算了柴油機負荷、加速時間、VGT開度等因素對加速過程炭煙排放的影響，并對加速過程中VGT控制規律進行了計算。

1 原機模型的建立與驗證

本文的研究對象是英國Jaguar公司的Lion V6渦輪增壓柴油機。該柴油機結構為V形6缸，匹配雙渦輪增壓器，每3個氣缸連接一個增壓器。其結構參數和性能參數如表1所示。

表1 Lion V6柴油機主要技術參數

1.1 模型的建立與驗證

仿真軟件采用Ricardo公司的 WAVE軟件，燃燒模型采用Wiebe模型，該燃燒模型將燃燒過程分為預混燃燒階段和擴散燃燒階段，可以比較精確的計算柴油機的動力特性。為了計算柴油機的排放特性，需要在燃燒模型中加入Diesel Jet模型。在Jet模型中，按照燃油的噴射距離，氣缸內空間被劃分為幾個區域分別作為仿真計算的單元。

在仿真計算中，VGT開度設置與發動機試驗時一致（表2）。選取發動機外特性上7個轉速進行計算，并與試驗結果進行了對比（圖1）。通過對比發現，發動機外特性的扭矩和燃油消耗率計算結果與試驗結果吻合較好，只有2 500r／min時誤差稍大，但在3%以內，表明計算模型可以用來進行加速過程的仿真計算。

表2 VGT開度的設置

圖1 仿真和試驗數據對比

1.2 穩態工況下炭煙排放

首先計算了發動機在全負荷、不同轉速下的炭煙排放。計算結果（圖2）表明，發動機轉速在1 900～3 000 r／min之間時炭煙排放較低，在1 500r／min、4 000r／min時炭煙排放較高。

為改善柴油機加速過程炭煙排放，需要優化加速起始點（1 500r／min）的VGT開度。由于柴油機加速過程是由部分負荷時開始，因此計算了柴油機在1 500r／min，負荷為33%，50%和67%時，不同VGT開度下的炭煙排放，計算結果如圖3所示。由圖可以看出，在中低負荷時，炭煙排放較低，且VGT開度對炭煙排放影響不大，這是由于柴油機供油量較低，空燃比較大所導致的；當柴油機負荷較大時，炭煙排放較高，并隨著VGT開度的增大而增大，這是由于隨著供油量的增加，柴油機需要增壓器提供更多的空氣來保證空燃比，從而需要減小VGT開度來提高渦輪膨脹比。

圖2 不同轉速下的炭煙排放

圖3 VGT開度對穩態工況下炭煙的影響

2 加速過程仿真原理

在WAVE中，柴油機的加速過程仿真是分兩步進行的：首先，計算柴油機加速起始點的穩態特性；然后在起始工況計算結果的基礎上，通過改變部分參數來實現瞬態工況的仿真計算。

圖4 加速過程仿真原理

計算過程如圖4所示。在每個計算步中，通過增加供油量，結合當前時間步的發動機轉速計算出該時刻發動機輸出扭矩，并與發動機負載相比較計算出發動機的加速扭矩，從而計算出下一計算步的發動機轉速（瞬態轉速），如此循環計算實現發動機的加速過程仿真。這種仿真模型與現實情況下發動機加速過程原理是一致的，可以比較準確的反映發動機加速的工作過程。

3 柴油機加速過程炭煙排放計算

3.1 起始負荷對加速過程炭煙的影響

由于柴油機負荷不同，加速過程的供油量及其增加量也會不同，因此負荷對炭煙的排放有很大的影響。本節分別計算了柴油機起始負荷為33%，50%以及67%，柴油機從1 500r／min加速到3 000r／min的過程，加速過程中VGT開度保持不變。根據1.3節穩態計算結果，VGT開度設置為0.5，仿真結果如圖5所示。

從仿真結果可以看出67%負荷時的炭煙排放遠高于其他兩種工況，其炭煙排放在加速初期急劇惡化，50%，33%負荷下炭煙排放量在加速過程中基本保持不變，50%負荷下的排放略高于33%負荷。這是由于隨著柴油機負荷的增加，過量空氣系數也隨之下降，因此炭煙排放惡化，尤其是在加速初期，由于增壓器的滯后效應，柴油機供氣量滯后于供油量的增加所導致的；而對于小負荷工況，柴油機過量空氣系數較大，即使供油量增加，柴油機原有的供氣量也可以使燃油正常燃燒，因而在加速過程中炭煙排放基本不變。

圖5 負荷對加速過程炭煙的影響

3.2 加速時間對加速過程炭煙的影響

柴油機一般是在低轉速、中低負荷開始加速過程。本節以1 500r／min、50%負荷作為加速起始點，計算了柴油機分別在5，10s以及15s內加速到3 000r／min的過程。根據穩態計算結果，將VGT開度設為0.7，并在加速過程中保持不變。仿真結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，炭煙排放的峰值隨著加速時間的增加而減小，并且峰值出現的時間要推后，其持續時間變短，15s加速過程中，炭煙排放量在加速中期就已經很低。這是由于隨著加速時間的延長，氣缸內燃油增加率就會變緩，使得增壓器的滯后效應減弱，柴油機供氣量的增加速度能夠滿足燃燒需要，因此炭煙排放量較低。

圖6 時間對加速過程炭煙的影響

3.3 VGT開度對加速過程炭煙的影響

由于67%負荷時柴油機炭煙排放遠大于其他兩種工況，選擇67%負荷作為研究工況，計算了柴油機在5s內由1 500r／min加速到3 000r／min的過程，VGT開度分別設置為0.3、0.4、0.5及0.6，以計算不同 VGT開度對加速過程炭煙的影響。計算結果如圖7所示，由圖可以看出，炭煙排放隨VGT開度的減小而減少，當VGT開度為0.4時，炭煙排放最低，當VGT開度繼續降低時，炭煙排放反而升高。適當減小VGT開度可以降低炭煙排放，這是由于隨著VGT開度的減小，增壓器的轉速上升，彌補了渦輪增壓器的遲滯效應，迅速提升柴油機的空燃比，減少炭煙排放；而VGT開度過小，會使排氣背壓過大，增加泵氣損失，降低柴油機工作效率，使炭煙排放增加。

圖7 VGT開度對加速過程炭煙的影響

3.4 加速過程VGT控制規律的優化

從圖5中可以看出，在加速過程中期，炭煙排放處于很低的水平，此時柴油機排氣量能夠滿足柴油機的要求，如果柴油機轉速繼續增加，增壓器轉速也隨之增加，可能會使排氣背壓過大，增加發動機泵氣功，這對柴油機工作是不利的，因此，需要在加速過程中適當增加VGT開度，利用上一節選取的最佳VGT開度作為初始開度，選用4種控制方案（如圖8），在加速過程中逐漸增加VGT開度。計算不同控制方案對加速過程的影響，計算結果如圖9所示。

圖8 加速過程不同VGT控制方案

從計算結果中可以看出，4種控制方案的炭煙排放量差別不大。燃油消耗率在加速初期逐漸降低，當發動機轉速大于2 500r／min時，方案1、2的燃油消耗率開始增加，且方案1的燃油消耗率增加迅速，方案3、4的燃油消耗率基本保持不變，但方案4的炭煙排量及燃油消耗率較方案3高。說明在加速過程中存在最佳的控制策略，在加速過程中VGT開度增加過快或過慢都會導致燃油消耗率的上升。這是由于在加速初期，隨著柴油機轉速的增加，增壓器轉速上升，空氣流量增加，燃油能夠更充分的燃燒，燃油消耗率開始下降；當柴油機轉速增加到一定程度后，隨著柴油機轉速的上升，增壓器轉速繼續增加，空氣流量過大，排氣背壓過大，導致柴油機燃油消耗率上升。因此，在加速過程中適當逐漸增加VGT開度則可以防止排氣背壓過大，降低加速后期的燃油消耗率。而VGT開度增加過大，則無法保證增壓器有足夠的轉速來提供新鮮空氣。

圖9 加速過程中VGT的調整

4 結論

利用Ricardo WAVE建立了柴油機的加速過程模型，并研究了不同工況下的煙氣排放，經過初步分析，得出結論如下：

（1）柴油機加速過程中炭煙排放規律。柴油機在加速過程中，炭煙排放惡化現象發生在加速初期，隨著加速時間的推移，炭煙排放降低。

（2）影響柴油機加速過程炭煙排放的因素包括負載，加速時間，VGT開度。其中，負載越大，加速時間越短，炭煙排放越高。而VGT在加速過程中存在一個最佳開度，在最佳開度處炭煙排放最低，燃油消耗率最低。

（3）加速過程中VGT應該采取動態控制，根據不同的影響因素調整VGT，以獲得最低的炭煙排放以及燃油消耗率。

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