噴油壓力和EGR 策略對柴油機瞬變性能的影響

宮寶利 姚實聰 彭樂高 崔連波 胡 君 蔣大榮 韓 恒

（1-中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 401122 2-東風日產技術中心 3-德爾福（上海）動力推進系統有限公司 4-吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室）

引言

車用柴油機大部分時間運行在瞬時負荷變化（簡稱瞬變）工況下，而增壓柴油機在瞬變工況下進氣滯后于噴油，造成柴油機性能惡化[1-3]。為了降低瞬變過程中的煙度峰值，David Heuwetter 等人[4]和Kihoon Nam 等人[5]探討了噴油策略和EGR 策略在改善燃油經濟性和降低煙度方面的優勢。顏燕等人[6]和Yao M.F.等人[7]的研究表明，調整噴油策略，能實現低溫燃燒，避開NOx和碳煙的生成區域，但會造成燃油消耗率升高。劉忠長等人[8]和張龍平等人[9]研究發現，隨著噴油壓力提高，燃燒性能得到改善，煙度降低，NOx排放增加，CA10 和CA50 等燃燒特征參數提高。許丹丹等人[10]和隋菱歌等人[11]對ETC 瞬變測試循環工況進行了分析，得知，瞬變測試循環工況包括反拖工況、怠速工況、穩態工況、恒轉速工況、恒轉矩工況以及轉速和轉矩同時變化工況。其中，恒轉速工況和恒轉矩工況占總測試循環時間的44%。任何一個復雜的瞬變工況都可以從微觀上分解成恒轉速工況和恒轉矩工況的復合，可以從相對簡單的恒轉速工況和恒轉矩工況入手，研究柴油機在復雜的瞬變工況下的性能。噴油參數對柴油機的燃燒會產生重要的影響[12-15]，其中，提高噴油壓力，能促進燃油和空氣的有效混合。因此，噴油壓力提高，能降低增壓柴油機尾氣排放中的煙度。

前期研究表明，柴油機在恒轉速增轉矩的瞬變過程中，性能會發生畸變。以5 s 的瞬變工況為例，在瞬變過程開始后的3 s 左右，煙度達到峰值，為8%，之后，迅速下降到1.2%。煙度在瞬變過程中急劇上升的原因大致是：噴油量隨著油門電壓的線性增加而增加，渦輪機轉速較高以及渦輪機和增壓器的慣性造成增壓柴油機的進氣響應滯后于噴油。因此，瞬變過程中，煙度在瞬變開始后的3 s 左右達到峰值。

針對柴油機在瞬變過程的前期煙度并沒有上升，瞬變過程的中后期煙度急劇上升這一特別現象，本文利用INCA 標定系統在一臺高壓共軌增壓柴油機上開展了噴油壓力對柴油機瞬變過程中性能和排放的影響規律的研究。

1 試驗測試系統與試驗方案

1.1 測控系統

試驗在一臺高壓共軌增壓中冷車用柴油機上進行，試驗用柴油機主要參數見表1。

表1 試驗用柴油機主要參數

柴油機的瞬變工況由飛思卡爾單片機通過DA模塊輸出電壓控制。試驗及測量裝置包括AVL439煙度計、DEWE-2010 燃燒分析儀、FCMM 燃油質量流量計、南峰CW440 電渦流測功機、SIMENS 溫控裝置等，同時采用高響應速率傳感器和高速A/D 采集卡實時采集系統對柴油機的轉速、轉矩、進排氣溫度和壓力、煙度、進氣流量、尾氣排放等參數進行采集。瞬變試驗臺架和測控平臺如圖1 所示。

圖1 瞬變試驗臺架和測控平臺示意圖

1.2 試驗方案

試驗工況為：柴油機轉速穩定在1 650 r/min，通過課題組設計的控制系統控制負荷從0 線性比例上升到100%，對應的油門電壓從2.301 V 線性上升到3.299 V。通過改變噴油壓力，研究噴油壓力和起始負荷對柴油機瞬變工況下煙度的影響。同時研究EGR開度及噴油壓力共同作用下柴油機煙度的變化。

2 試驗結果與分析

2.1 EGR 對柴油機瞬變性能的影響

采用中冷高-低壓EGR，通過EGR 中冷使EGR溫度降到120℃以下，因此忽略EGR 溫度的影響。通過試驗，研究固定轉速下，采用5%EGR 率，全程原機噴油壓力策略對柴油機瞬變性能的影響。圖2 為恒轉速增轉矩的瞬變工況下，EGR 率和煙度的突變情況。

圖2 瞬變工況下EGR 率和煙度的突變

從圖2 可以看出，當EGR 閥固定在EGR 率為5%的開度時，由于EGR 流量固定，在恒轉速增轉矩的瞬變工況下，進氣量由瞬變前的量緩慢增加到穩態工況所需求的量，因此相對于穩態工況，瞬變過程中，EGR 率相對更高。煙度在瞬變過程中急劇升高，峰值達到23%。原因是：在瞬變過程中，由于渦輪機的遲滯效應，進氣相對延遲，瞬變過程中的煙度急劇升高，EGR 的加入加劇了進氣不足的現象，因此煙度升高程度更加嚴重。

2.2 全程原機噴油壓力策略對瞬變性能的影響

全程原機噴油壓力策略是在原發動機噴油壓力MAP 的基礎上，將噴油壓力分別增加10 MPa、20 MPa。由于在恒轉速增轉矩的瞬變工況下引入EGR，造成煙度升高更加嚴重，因此，首先研究分析在5%的EGR 率下，全程原機噴油壓力策略對0～100%負荷瞬變過程排放性能的影響規律。圖3 為不同策略下，柴油機瞬變工況NOx排放、煙度以及進氣量的變化情況。

圖3 不同策略下柴油機瞬變工況NOx排放、煙度以及進氣量的變化情況

從圖3 可以看出，在5%EGR 率下，恒轉速增轉矩瞬變過程中后期出現煙度急劇升高的現象，煙度峰值達到30%。全程原機噴油壓力策略使瞬變過程中的NOx排放有所上升，但煙度峰值變化不大，進氣量也沒有明顯變化。噴油壓力增加越多，尾氣中NOx的排放越高。原因是：在瞬變過程中，增加噴油壓力，能夠提高缸內燃燒溫度，提高燃油霧化質量，增大油束貫穿距離，使燃油和空氣的混合更加充分，有利于NOx生成。但噴油壓力的提高對瞬變過程中進氣量的影響不大，因此全程原機噴油壓力策略對瞬變過程中煙度影響不明顯。

圖4 為在5%EGR 率下，全程原機噴油壓力策略對恒轉速增轉矩的瞬變工況下柴油機燃燒性能的影響。

圖4 全程原機噴油壓力策略對燃燒性能的影響

從圖4 可以看出，在瞬變過程前期，全程原機噴油壓力策略能提高最大氣缸壓力，且最大氣缸壓力所對應的曲軸轉角減小，促使燃燒持續期縮短。瞬變過程后期，全程原機噴油壓力策略對燃燒的各項參數影響不大。原因是：在較短的時間內將同等質量的燃油噴入氣缸，能改善燃油霧化，促進缸內混合氣燃燒。因此，在瞬變過程中，增加噴油壓力，對燃燒會產生有利的影響，但NOx排放升高。在瞬變工況下，由于進氣響應延遲，導致缸內空氣密度減小，因此，較大的噴油壓力會導致較大的油束貫穿距離，從而引起濕壁，造成瞬變過程中煙度增加。

2.3 不同的起始負荷對瞬變性能的影響

全程原機噴油壓力策略能夠影響瞬變前期的燃燒，但是對煙度影響較小。考慮到小負荷增加噴油壓力可能造成過度濕壁的現象，研究分析了瞬變過程的起始負荷對柴油機煙度的影響規律。具體策略為：研究分析在5%EGR 率下，0～100%（負荷從0 線性比例上升到100%）、10%～100%（負荷從10%線性比例上升到100%）、20%～100%（負荷從20%線性比例上升到100%）瞬變過程中煙度的變化規律。圖5 為瞬變過程的起始負荷對柴油機煙度和進氣量的影響。

圖5 瞬變過程的起始負荷對柴油機煙度和進氣量的影響

從圖5 可以看出，在瞬變過程中的初始時刻采用較大的負荷，能有效降低煙度峰值。在20%～100%瞬變過程中，煙度峰值最低，為24.7%。在起始負荷較大的工況下，瞬變過程前期的進氣量有相應的提高，對應的煙度峰值較低。原因是：較大的起始負荷能提高瞬變過程的進氣量，燃燒更加充分。

圖6 為20%～100%瞬變工況下全程原機噴油壓力策略對燃燒性能的影響。

圖6 20%～100%瞬變工況下全程原機噴油壓力策略對燃燒性能的影響

從圖6 可以看出，在20%～100%的恒轉速增轉矩的瞬變工況下，全程原機噴油壓力策略能有效降低煙度峰值，煙度峰值從原機的24.7%降低到19%，降幅為23%。原因是：和起始負荷較小的瞬變工況相比，在起始負荷大的瞬變工況，缸內空氣較多，提高了缸內熱氛圍，當噴油壓力提高時，燃油和空氣的混合質量得到改善，從而提高了燃燒質量。

綜上所述，在較大的負荷下開始增加噴油壓力，能更有效地降低柴油機瞬變過程中的煙度峰值。

2.4 分段軌壓策略對瞬變性能的影響

分段軌壓策略的控制邏輯是：在柴油機的瞬變過程中，當負荷較小時，噴油壓力保持和原機一致；當負荷超過一定限值時，噴油壓力會在原機的噴油壓力上增加一個量，最大增量為20 MPa，但是受原機最大噴油壓力限制，最大噴油壓力不超過160 MPa。

圖7 為分段軌壓策略的控制邏輯。

圖7 分段軌壓策略的控制邏輯

由之前的分析可知，在20%～100%瞬變工況下，噴油壓力增加20 MPa，瞬變過程中的煙度峰值降幅最大。因此，分段軌壓策略定為：EGR 率為5%，在20%～100%瞬變工況，分別在210 N·m、350 N·m、490 N·m、630 N·m 負荷下將噴油壓力增加20 MPa。分段軌壓的具體策略如表2 所示。

表2 分段軌壓具體策略

在5%EGR 率下，研究分析分段軌壓策略對恒轉速增轉矩瞬變工況柴油機排放性能的影響規律。

瞬變過程中，累計煙度可通過下面的公式計算：

式中：R 為累計煙度，%；N 為瞬時煙度，%；t1為試驗開始時間，s；t2為試驗結束時間，s。

圖8 為在20%～100%瞬變工況下分段軌壓策略對累積煙度的影響情況。

圖8 20%～100%瞬變工況下分段軌壓策略對累積煙度的影響

圖8b 對累積煙度比例進行了定義，設定0～100%、10%～100%、20%～100%的瞬變工況下，原機的煙度比例為100%，定義分段軌壓策略下的累積煙度比例為該策略下的累積煙度與原機的累積煙度比值。比例越低，說明該策略對煙度的降低越明顯。

從圖8 可以看出，分段軌壓策略中，在起始負荷分別為210 N·m、350 N·m、490 N·m、630 N·m 的瞬變工況下，提高噴油壓力，瞬變過程中累積煙度的降低差異比較明顯。在起始負荷為490 N·m（策略3）時，提高噴油壓力，累積煙度和煙度峰值降低十分明顯。總體說來，在20%～100%瞬變工況，在起始負荷為490 N·m（策略3）時，提高噴油壓力，煙度降低最多。

圖9 為分段軌壓策略對柴油機煙度、最大氣缸壓力以及CA50 的影響。

圖9 分段軌壓策略對柴油機煙度、最大氣缸壓力以及CA50 的影響

從圖9 可以看出，分段軌壓策略能提高最大氣缸壓力，使CA50 提前。原因是：提高噴油壓力，能減小噴油持續期，從而促進油氣混合，改善燃燒，因此，煙度峰值明顯減小。但煙度降低的程度差異較為明顯，原因是：起始負荷為210N·m（策略1）時，增加噴油壓力，由于缸內空氣密度低，導致油束貫穿距離大，引起濕壁現象。當起始負荷為490N·m（策略3）時，油束貫穿距離縮短，能避免濕壁現象。

2.5 EGR 策略對瞬變性能的影響

在20%～100%瞬變工況下，采用EGR，會導致進氣量不足，EGR 率的相對值發生突變，煙度急劇增加。

圖10 為20%～100%瞬變工況下EGR 閥關閉時刻對進氣量的影響。

圖10 20%～100%瞬變工況下EGR 閥關閉時刻對進氣量的影響

從圖10 可知，在20%～100%瞬變工況下，關閉EGR 閥時，同等負荷下，與打開EGR 閥相比，進氣量有較大幅度的提高。

圖11 為20%～100%瞬變工況下EGR 閥關閉時刻對EGR 率的影響。

圖11 20%～100%瞬變工況下EGR 閥關閉時刻對EGR 率的影響

從圖11 可知，EGR 閥關閉時刻對EGR 率有明顯的影響。原因主要是：在瞬變過程中，雖然伴有增壓器的延遲效應，但由于EGR 閥的關閉，使EGR 率的超調幅度減小，使進氣量有明顯提高。

圖12 為20%～100%瞬變工況下EGR 閥關閉時刻和分段軌壓策略對煙度的影響。

圖12 20%～100%瞬變工況下EGR 閥關閉時刻和分段軌壓策略對煙度的影響

從圖12 可知，在20%～100%瞬變工況下，在不同的EGR 閥關閉時刻，采用分段軌壓策略，能更加有效地降低煙度峰值。在最佳EGR 閥關閉時刻（1.5 s），起始負荷為490 N·m 時，將噴油壓力提高20 MPa，能使煙度峰值（絕對值）降低3%。原因是：關閉EGR閥，能提高瞬變過程中的進氣量，在更加充足的空氣條件下，增加噴油壓力，能更大程度地改善燃燒。在瞬變過程開始后的1.5 s 關閉EGR 閥以及在起始負荷為490 N·m 時提高噴油壓力，能最有效地降低瞬變過程中的煙度。煙度從21%下降到8%，降幅為62%。在此基礎上采用分段軌壓策略，能使煙度進一步降低，煙度最低值達到6.8%，降幅為67.6%。

3 結論

1）在EGR 率為5%的恒轉速增轉矩瞬變工況下，煙度在瞬變過程中后期急劇升高，且煙度峰值達到30%。同時，全程原機噴油壓力策略對瞬變過程中煙度峰值影響較小。

2）在分段軌壓策略中，起始負荷為490N·m時，提高噴油壓力，能極大程度地降低累積煙度和煙度峰值，煙度峰值達到最低，累積煙度為原機的76.8%。

3）在EGR 率為5%的20%～100%恒轉速增轉矩瞬變工況下，增加起始負荷，能使煙度峰值降低至24.7%；全程原機噴油壓力策略使煙度峰值從原機的24.7%降低到19%，降幅為23%。

4）在20%～100%的恒轉速增轉矩瞬變過程開始后的1.5 s 關閉EGR 閥，煙度降低至8%，下降幅度為62%。結合分段軌壓策略，能使煙度進一步降低至6.8%。