電動補(bǔ)氣策略對廢氣渦輪增壓柴油機(jī)加速煙度影響的試驗(yàn)研究

霍育強(qiáng), 周斌, 張釗，2, 楊潔, 李文秀 , 曲磊, 邱偉

(1. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610097; 2. 四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 四川 成都 611743)

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電動補(bǔ)氣策略對廢氣渦輪增壓柴油機(jī)加速煙度影響的試驗(yàn)研究

霍育強(qiáng)1, 周斌1, 張釗1，2, 楊潔1, 李文秀1, 曲磊1, 邱偉1

(1. 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610097; 2. 四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 四川 成都 611743)

通過改變柴油機(jī)的加速時(shí)間及負(fù)荷進(jìn)行試驗(yàn)，對比電動補(bǔ)氣不同策略對加速煙度的影響。結(jié)果表明：由1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，加速時(shí)間為12 s，通過采用電動增壓器并改變相關(guān)補(bǔ)氣策略，使原機(jī)的最大峰值煙度由0.602 m-1降至0.420 m-1，降幅30.2%；上述加速加載過程中，在無初始補(bǔ)氣量的情況下，電動增壓器的最終頻率越高越好，且采用直線型響應(yīng)曲線比采用S型響應(yīng)曲線的煙度低；在有一定初始補(bǔ)氣量的情況下，電動增壓器理想補(bǔ)氣方式為先緩后急。

電動增壓器； 渦輪增壓器； 柴油機(jī)； 瞬態(tài)； 煙度

柴油機(jī)在加速加載時(shí)易于冒黑煙，是因?yàn)椴裼蜋C(jī)在加速加載時(shí)氣缸內(nèi)進(jìn)氣量的增加明顯滯后于噴油量的增加，導(dǎo)致氣缸內(nèi)燃料燃燒不充分形成炭煙使尾氣煙度惡化[5]。改善此時(shí)的煙度須增大進(jìn)氣量，目前國內(nèi)外的研究人員提出了幾種改善方案：1) 復(fù)合諧振增壓系統(tǒng)，是將多缸機(jī)進(jìn)氣相位互不重疊的氣缸與諧振系統(tǒng)的一個(gè)諧振箱相連，在發(fā)動機(jī)低速區(qū)的最大扭矩點(diǎn)附近發(fā)生共振，提高內(nèi)燃機(jī)的沖量系數(shù)，但系統(tǒng)體積太大，在發(fā)動機(jī)上布置困難[2]；2) 可變噴嘴渦輪增壓器，它能夠隨發(fā)動機(jī)流量的減小相應(yīng)減小渦輪的流通截面，渦輪機(jī)可保持膨脹比基本不變，以提供能量使壓氣機(jī)具有足夠的增壓比，但其調(diào)節(jié)范圍太大時(shí)，渦輪效率下降大，且結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高[1]；3) 機(jī)械輔助增壓，是由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動機(jī)械增壓器，其轉(zhuǎn)速不受排氣量的限制，但是機(jī)械輔助增壓器的制造成本高，技術(shù)工藝復(fù)雜，油耗高，難以運(yùn)用到量產(chǎn)車型上[3]。電動增壓器在提高渦輪增壓器響應(yīng)性、降低煙度等方面具有重大潛力[4]。故本研究采用可變流量的電動增壓系統(tǒng)，通過改變柴油機(jī)的加速時(shí)間及負(fù)荷進(jìn)行試驗(yàn)，對比電動補(bǔ)氣不同策略對加速煙度的影響，分析電動補(bǔ)氣各策略對加速煙度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)柴油機(jī)的主要參數(shù)見表1，電動增壓器的流量特性見表2。

表1 4JB1T-4A柴油機(jī)主要參數(shù)

表2 電動增壓器流量特性

試驗(yàn)裝置及瞬態(tài)測量系統(tǒng)見圖1，主要儀器設(shè)備有電渦流測功機(jī)、AVL439消光式煙度計(jì)、空氣流量計(jì)等。

1.2 試驗(yàn)方案

為了較真實(shí)地反映實(shí)際使用情況，用測控系統(tǒng)軟件控制原機(jī)從低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷的1 400 r/min，50 N·m加速加載到中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷的2 500 r/min，100 N·m，調(diào)整測控系統(tǒng)的PID值保證加速加載時(shí)間為12 s。再使用電動增壓器，改變變頻器頻率，按如下頻率運(yùn)行：0～40 Hz，0～50 Hz；后調(diào)整電動增壓器的響應(yīng)曲線：S型,直線型；接著通過改變變頻器頻率使電動增壓器按如下頻率運(yùn)行：0～50 Hz,10～50 Hz,20～50 Hz和30～50 Hz;然后在進(jìn)氣旁通閥打開和關(guān)閉情況下進(jìn)行對比試驗(yàn)；再調(diào)整測控系統(tǒng)的PID值改變加速加載時(shí)間為15 s。最后改變工況，從低轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷的1 400 r/min，110 N·m加速加載到中等轉(zhuǎn)速中大負(fù)荷的2 500 r/min，160 N·m，進(jìn)行對比試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 電動增壓器工作頻率對煙度的影響

圖2和圖3示出由1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，電動增壓器頻率為0～40 Hz，0～50 Hz時(shí)煙度和空氣流量與原機(jī)的對比。

由圖2可知，采用電動增壓后，空氣流量在加速前半程略高于原機(jī)，且0～50 Hz略低于0～40 Hz，后半程明顯高于原機(jī)，且0～50 Hz明顯高于0～40 Hz。由圖3可知，第1 s煙度沒有明顯增加，因?yàn)樵鰤浩鳌⑷加拖到y(tǒng)等均有滯后；煙度有兩個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在第2 s和第3 s，此時(shí)進(jìn)氣量增加不多，導(dǎo)致煙度減少不理想；3 s后煙度下降明顯，原因是3 s之后油耗的增量開始小于空氣流量的增量，貧氣現(xiàn)象開始緩解[5]；5 s之后的煙度趨于穩(wěn)定且此時(shí)各進(jìn)氣情況下煙度值幾乎沒差別，因?yàn)榇藭r(shí)雖空氣增多，但多出來的空氣又沒有用。采用0～40 Hz，0～50 Hz電動增壓后的峰值煙度比原機(jī)峰值煙度分別下降了15.9%和9.8%，但是0～50 Hz的次最大煙度比0～40 Hz的次最大煙度下降了31.0%。故電動增壓器的最終頻率越高越好。

2.2 電動增壓器響應(yīng)曲線對煙度的影響

圖4示出電動增壓器變頻器自帶的加速響應(yīng)曲線示意圖。圖5和圖6示出從1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，電動增壓器頻率為0～50 Hz，響應(yīng)曲線為直線型和S型情況下的空氣流量和煙度對比。

從圖4可以看出，電動增壓器所用的S型曲線的頻率增長特點(diǎn)是前期緩慢，中期快，后期慢；而直線型響應(yīng)曲線以一定速率穩(wěn)定增長。從圖5可以看出，在整個(gè)加速加載過程中，直線型響應(yīng)曲線的空氣流量都略高于S型響應(yīng)曲線，從而導(dǎo)致電動增壓器直線型響應(yīng)時(shí)煙度相比較S型響應(yīng)時(shí)下降了34.7%(見圖6)。故在無初始補(bǔ)氣量的情況下，采用直線型響應(yīng)曲線比采用S型響應(yīng)曲線的煙度低。

2.3 初始頻率對煙度的影響

圖7和圖8示出從1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min,100 N·m，電動增壓器的頻率變化為0～50 Hz，10～50 Hz，20～50 Hz和30～50 Hz下的空氣流量和峰值煙度對比。圖9示出各頻率下煙度的對比。

從圖7可以看出，隨著電動增壓器初始頻率的增加，初始進(jìn)氣量增加，加速加載過程中的進(jìn)氣量也隨著初始頻率的增加而增加，但電動增壓器最終頻率一定，導(dǎo)致加速末期的進(jìn)氣量趨于一致，且初始頻率越小趨于一致的時(shí)間越早。由圖8可知，峰值煙度不是隨著進(jìn)氣量的增加而線性變化，最佳點(diǎn)出現(xiàn)在10～50 Hz。由圖9看出，加速煙度達(dá)到最大值前，10～50 Hz的煙度比其他頻率的煙度低；加速煙度達(dá)到最大值后，30～50 Hz的煙度下降速度最快。以上現(xiàn)象的原因可能是：在峰值煙度點(diǎn)之前，10～50 Hz對柴油機(jī)有補(bǔ)氣作用，使煙度下降，20～50 Hz和30～50 Hz雖有補(bǔ)氣作用，但同時(shí)氣流對渦輪機(jī)有反推作用，使氣缸內(nèi)炭煙來不及氧化就被排出，導(dǎo)致其煙度相對于10～50 Hz的煙度有所增加；在峰值煙度點(diǎn)之后，30～50 Hz因補(bǔ)氣量較其他情況多且氣流對渦輪機(jī)的反推作用不明顯，使該情況的煙度下降最快。故在有一定初始補(bǔ)氣量的情況下，進(jìn)氣量的理想趨勢是先緩后急。

2.4 進(jìn)氣旁通閥開閉對煙度的影響

圖10和圖11示出從1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min,100 N·m，電動增壓器頻率為10～50 Hz時(shí)進(jìn)氣旁通閥開、閉情況下的進(jìn)氣量和煙度對比。由圖10可知，旁通閥關(guān)閉時(shí)的進(jìn)氣量比旁通閥打開時(shí)的進(jìn)氣量多。由圖11可看出，旁通閥打開時(shí)的峰值煙度較小，相對于旁通閥關(guān)閉時(shí)下降了28.7%；在峰值煙度點(diǎn)前，旁通閥關(guān)閉時(shí)的煙度較大；在峰值煙度點(diǎn)后，旁通閥關(guān)閉時(shí)的煙度下降速率更快。以上現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是由于在最大煙度點(diǎn)之前旁通閥關(guān)閉時(shí)的氣流對渦輪機(jī)的反推作用明顯，導(dǎo)致煙度較大；峰值煙度之后旁通閥關(guān)閉時(shí)的進(jìn)氣量較多且氣流對渦輪機(jī)的反推作用不明顯，故煙度下降更快。

2.5 加速加載時(shí)間對煙度的影響

圖12和圖13示出從1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min,100 N·m，電動增壓器在頻率為10～50 Hz、加速時(shí)間分別為12 s和15 s時(shí)進(jìn)氣量和煙度與原機(jī)的對比。由圖12可以看出，原機(jī)狀態(tài)下，加載時(shí)間為15 s的進(jìn)氣量比12 s少，因加載時(shí)間為12 s時(shí)柴油機(jī)功率增加較快，使排氣能量增加較多。采用電動增壓器后，15 s加速加載前期的進(jìn)氣量相比12 s多，后期進(jìn)氣量趨于一致。15 s加速加載前期進(jìn)氣量較多的原因是，渦輪增壓器轉(zhuǎn)速增長較慢導(dǎo)致電動增壓器前后壓差較大。由圖13可知，原機(jī)狀態(tài)下12 s加載時(shí)峰值煙度明顯高于15 s。在采用電動增壓的情況下，15 s加載時(shí)的峰值煙度較原機(jī)下降6.8%，原因是進(jìn)氣量對燃燒的改善作用略大于氣流對渦輪機(jī)的反推作用。故電動增壓在加速時(shí)間較短時(shí)對加速煙度有明顯改善。

2.6 柴油機(jī)不同工況下電動增壓對煙度的影響

圖14和圖15示出電動增壓器頻率為10～50 Hz時(shí)不同柴油機(jī)加載工況下的進(jìn)氣量和煙度對比，工況1為1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，即從低負(fù)荷到中負(fù)荷的加速加載，工況2為1 400 r/min，110 N·m加速加載到2 500 r/min，160 N·m，即從中負(fù)荷到中大負(fù)荷的加速加載。圖16和圖17示出不同電動增壓器初始頻率和加載工況下，旁通閥常開時(shí)峰值煙度對應(yīng)的進(jìn)氣量以及峰值煙度的對比。由于工況1的最小峰值煙度點(diǎn)已出現(xiàn)且該點(diǎn)后的峰值煙度變化呈上升趨勢，故40～50 Hz，50 Hz旁通閥常開的試驗(yàn)未進(jìn)行。

由圖14和圖16可以看出，工況1的進(jìn)氣量比工況2少，而且工況1的峰值煙度對應(yīng)的進(jìn)氣量在各電動增壓情況下都小于工況2，原因是在工況2柴油機(jī)輸出功率較大，排氣能量較多。由圖15和圖17可知，工況1的煙度明顯小于工況2，而且工況1的峰值煙度在各電動增壓情況下都小于工況2，同時(shí)工況2的峰值煙度比工況1 晚1 s到達(dá)。原因是工況2的負(fù)荷較大，柴油機(jī)在加速加載時(shí)氣缸內(nèi)進(jìn)氣量滯后較多；工況1峰值煙度的最小值出現(xiàn)在10～50 Hz，而工況2最小峰值煙度出現(xiàn)在40～50 Hz，原因是電動增壓器在工況2的40～50 Hz及之前以補(bǔ)氣作用為主，在50 Hz常開反推作用大于補(bǔ)氣作用；工況1的最小峰值煙度比原機(jī)下降了30.2%，工況2的最小峰值煙度比原機(jī)下降了22.3%。故電動增壓器對小負(fù)荷峰值煙度的降幅率大于大負(fù)荷。

3 結(jié)論

a) 由1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，加速時(shí)間為12 s，通過采用電動增壓器并改變相關(guān)補(bǔ)氣策略，使原機(jī)的最大峰值煙度由0.602 m-1降至0.420 m-1，降幅30.2%；

b) 上述加速加載過程中，在無初始補(bǔ)氣量的情況下，電動增壓器的最終頻率越高越好，且采用直線型響應(yīng)曲線比采用S型響應(yīng)曲線的煙度低；在有一定初始補(bǔ)氣量的情況下，電動增壓器理想補(bǔ)氣方式為先緩后急；

c) 電動補(bǔ)氣在加速時(shí)間較短時(shí)對加速煙度有明顯改善，且在小負(fù)荷情況下對峰值煙度的降幅率大于大負(fù)荷。

[1] 姚春德,韓偉強(qiáng),徐廣蘭.電動增壓器對廢氣渦輪增壓器影響的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(8)：188-193.

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[3] Thomas N.Potential of additional mechanical supper-charging for commercial vehicle engine[C].SAE Paper 942268，1994.

[4] 周紅秀.應(yīng)用電動壓氣機(jī)減少柴油機(jī)加速煙度排放的研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

[5] 姚春德,劉小平,周紅秀.電動增壓器減少柴油機(jī)加速煙度的試驗(yàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(4)：118-122.

[6] Newman P,Luard N,Jarvis S,et al.Electrical supercharging for future diesel powertrain applications[C]//Institution of Mechanical Engineers-11th International Conference on Turbochargers and Turbocharging.London：IMechE，2014：207-216.

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[8] Nishiwaki K,Iezawa M,Tanaka H，et al.Development of High Speed Motor and Inverter for Electric Supercharger[C].SAE Paper 2013-01-0931.

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[編輯: 李建新]

Effect of Electric-controlled Air Supplement Strategy on Smoke of Turbocharged Diesel Engine during Accelerating Process

HUO Yuqiang1, ZHOU Bin1, ZHANG Zhao1，2, YANG Jie1, LI Wenxiu1, QU Lei1, QIU Wei1

(1.School of mechanical engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610097， China;2.Sichuan TOP IT Vocational Institute, Chengdu 611743， China)

The effects of different electric-controlled air supplement strategies on smoke during acceleration were compared through the experiment by changing acceleration time and bearing load of diesel engine. The results show that it costs 12 s when the engine switches from the conditions of 1 400 r/min and 50 N·m to 2 500 r/min and 100 N·m, and the peak smoke of original engine decreases to 0.420 m-1from 0.602 m-1(about 30.2% decrease) by adjusting the related air supplement strategy with the electric supercharger. Under the condition of initial air non-supplement, the high final frequency of electric supercharger was helpful to reduce the soot and the linear type response curve was easier to lead to a low smoke than S-typed response curve. While under the condition of certain initial air supplement, the ideal air supplement strategy should be slow first and then fast.

electric supercharger; turbocharger; diesel engine; transient; smoke

2016-02-05;

2016-07-24

西南交通大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃國家創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510613033)

霍育強(qiáng)(1995—)，男，本科，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制；490475694@qq.com。

周斌(1962—)，女，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與排放控制；bzhou@swjtu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.006

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0033-05