柴油機瞬變工況的動態響應及燃燒劣變研究

黃闖+郝朝增+王海波+邊超然

摘 要：在相同的加載時間下，柴油發動機的油量、轉矩、進氣量和NOx的滯后系數依次增大。然而，隨著加載時間的縮短或轉速的減慢，各參數的滯后系數逐漸增大。與穩態工況相比，瞬變過程中發動機存在進氣延遲、空燃比降低、滯后系數增大、絕對響應時間增加、燃燒相位推遲、煙度和燃油消耗率增加等燃燒劣變問題，且隨著加載時間的縮短或轉速的減慢，上述問題越發嚴重。

關鍵詞：柴油機；瞬變工況；動態響應；燃燒劣變

中圖分類號：TK421+.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.110

1 測控系統及試驗工況

1.1 測控系統

試驗所用的高壓共軌、增壓中冷柴油機的主要參數為缸徑112 mm，活塞行程145 mm，總排量8.6 L，壓縮比17，標定功率為257 kW（100 r/min），最大轉矩1 500 N·m（1 330 r/min）；噴油系統為高壓共軌，進氣類型為增壓中冷，增壓器為HOLSET400。瞬態測控系統采用單片機精確控制油門電壓信號，配合電渦流測功機實現發動機恒轉速增轉矩的典型瞬變工況。在整個柴油機發動的過程中，采用高響應速率的傳感器和高速A/D采集卡搭建實時測控系統，同時實現對發動機轉速、轉矩、進氣量、消光式煙度、進/排氣壓力、溫度等數據的采集。

1.2 試驗方案

在試驗的恒轉速增轉矩瞬變過程中選擇了3個典型的轉速。在瞬變開始時，先在各個恒定轉速的零負荷情況下穩定工作10 s，然后勻速增加柴油機的油門電壓。在此過程中，需要保證加載時間勻速增加，使柴油發動機的負荷從該轉速的初始負荷增加到100%負荷，整個加載過程所用的時間為3 s。我們對1 600 r/min的轉速進行了不同加載時間（3 s、5 s、7 s）的試驗。當恒轉速為1 330 r/min時，加載時間為3 s，起始噴油量為10.82 mg/cycle，循環噴油平均增加率為4.189 mg/cycle-2；當恒轉速為1 965 r/min時，加載時間為3 s，起始噴油量為16.14 mg/cycle，循環噴油平均增加率為1.85 mg/cycle-2。

2 試驗結果及分析

2.1 柴油發動機性能參數的動態響應

2.1.1 不同加載時間下性能參數的動態響應

在瞬變過程中，油門電壓會在一定范圍內增加。在增加的過程中，油量的線性度不如油門電壓的線性度，且在油量增加的過程中，噴油壓力會出現一定的滯后和波動。這種情況會導致燃油噴油量的波動，且加載時間越短，波動越明顯。轉矩的增加歷程類似于油量的增加，而進氣量的響應相對于上述參數（油門電壓、軌壓、油量、轉矩、進氣量、空燃比、煙度和NOx的滯后系數）存在延遲現象。這主要是因為柴油發動機發生瞬變的過程中增壓器的響應存在嚴重的滯后現象，導致進氣量延遲，空燃比相應降低。

除此之外，各個參數的滯后系數隨著加載時間的延長，其絕對響應時間也延長，但油門電壓和循環噴油量的增加率降低，各個參數的延后現象逐漸減輕。同時，參數之間的滯后系數隨著加載時間的延長而減小。

2.1.2 不同轉速下性能參數的動態響應

在1 330 r/min、1 650 r/min和1 965 r/min的恒轉速，相同的加載時間下，柴油發動機主要性能參數的響應歷程不同，其油量不是呈線性增加。隨著轉速的增加，油量響應加快。這主要是因為油量的響應與噴油壓力、噴油器電磁閥加電時間有關。在一定的情況下，柴油發電機轉速越快，高壓油泵的工作頻率越高。因此，建立油壓的時間越短，軌壓波動越小，油量的響應越快。

對于轉矩和進氣量的響應而言，在1 650 r/min時，不同的加載時間呈現出相似的規律——無論是油量變化，還是進氣量的原因，轉速越低，進氣量的滯后越明顯。在整個柴油發動機瞬變的過程中，煙度隨著轉速的降低，其劣化后果越嚴重。當柴油發動機的轉速降低時，其排量就會減少，在整個瞬變過程中增壓器的響應速度變慢，從而使充氣量降低。這樣一來，在需要達到柴油發動機的初始速度時，硝煙排放量就會增加，使得燃燒劣化。

2.2 瞬變工況的燃燒劣變分析

在1 650 r/min，不同加載時間瞬變過程中，隨著轉矩的增加，空燃比會逐漸減小。在整個燃燒劣變過程中，空燃比降低。這是因為在柴油發動機瞬變的過程中，進氣量存在嚴重的滯后現象。同時，在同樣的情況下，加載時間越短，進氣的滯后性現象越嚴重。這說明，在相同的噴油情況下，由于存在燃燒劣化，柴油發動機的瞬變工況達不到穩定工況的轉矩值。

在不同恒轉速、相同加載時間的瞬變工況下，隨著轉速的增加，空燃比、燃油消耗率、煙度和CO排放量依次降低。柴油發動機在工作時，其煙度峰值會隨著加載時間的縮短而增加。之所以會出現這樣的情況，主要是因為隨著加載時間的縮短，循環噴油的概率增加，使得進氣量相對于油量的滯后現象越來越嚴重，從而使缸內發生嚴重的缺氧現象，柴油發動機的燃燒不均勻，出現柴油浪費或者燃燒推遲的現象。同時，由于缸內的空氣混合程度發生了改變，氧氣含量下降，造成柴油燃燒嚴重劣化。但是，隨著加載時間的縮短，NOx的響應速度加快，達到穩定的時間較長。

3 結束語

綜上所述，在柴油發動機瞬變的過程中，發動機的油量、轉矩、進氣量和NOx的響應速度依次降低，滯后系數依次增加。與穩態相比，瞬變過程中柴油發動機往往存在進氣延遲、空燃比降低等問題。因此，進氣量滯后而空燃比下降是導致瞬變過程燃燒劣化的主要原因。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕