煙度限制策略對柴油機瞬態性能的影響研究

申立忠，文潔，王正江，黃粉蓮，萬明定

(昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室，云南 昆明 650500)

柴油機因其熱效率高、功率范圍廣、耐久可靠等優點，廣泛應用于交通運輸、工程機械、農業機械等多個領域，為社會的經濟發展做出了巨大貢獻，但帶來的環境污染問題也日益突出。在柴油機的瞬態工況中，由于柴油機進氣滯后于噴油[1-3]，導致瞬態工況下油氣不匹配過量空氣系數以及缸內混合氣形成質量下降，燃燒不完全，使得柴油機瞬態過程中產生大量炭煙[4-5]，造成柴油機出現冒煙的現象[6]。

日益嚴格的排放法規對柴油機的排放限值提出了更高的要求，因此，對于柴油機瞬態工況的排放研究已成為研究的熱點和重點。田徑等[7]在高壓共軌柴油機上，研究了恒轉速增扭矩瞬變工況下排放特性，研究結果表明，瞬變工況的煙度峰值比穩態工況高17.5倍。Rakopoulos等[8]對不同瞬態工況(包括加速、負荷變化和起動)下的排放特性和炭煙形成機理進行了試驗研究，結果表明：渦輪增壓器滯后是柴油機瞬態工況煙度較高的主要原因；發動機從較高負荷開始快速加載時，經歷的冒煙期會更長；起動過程中，空氣的缺乏及其與燃料供應的不匹配導致了過量的炭煙。Hagena等[9]研究表明，發動機噴油量的每次突增都會導致瞬態運行工況下煙度顯著增加，且炭煙排放占總顆粒物排放量的53%。王忠恕等[10]針對低速大負荷排煙較差的特點，研究了恒轉速增扭矩瞬變工況下，不同扭矩變化率對煙度的影響，結果表明，隨著扭矩變化率增加煙度升高。

為了改善瞬態工況煙度，國內外研究者開展了大量的研究。主要通過減小加載率、控制EGR閥開度、增加噴射壓力、采用電動增壓器等來降低瞬態工況下的煙度。Filipi等[11]采用V-8柴油機研究了瞬態工況下的排放特性，結果表明：在負荷變化的情況下，隨加載時間的縮短，煙度水平顯著增加，可通過減小發動機負荷加載率來降低煙度。Indranil等[12]采用GT-power對重型電控柴油機渦輪增壓器延遲期的瞬態煙度進行了建模，結果表明：在渦輪增壓器遲滯期控制EGR閥開度，可以降低煙度峰值。張龍平等[13]研究了運行在瞬態條件下重型渦輪增壓柴油機的燃燒過程，研究發現，瞬態運行時燃燒相位延遲，燃燒顯著惡化，導致煙度和燃料消耗快速增加，可以通過調整燃料噴射參數來優化瞬態燃燒過程，如增加噴射壓力來降低煙度。Florian等[14]利用AVL煙度計或LII傳感器的反饋信息來設置共軌壓力，結果表明，通過對共軌壓力曲線進行優化，可以使柴油機瞬態工況下的煙度減少50%以上。霍育強、姚春德等[15-16]使用電動增壓器增加加速時進入缸內的進氣量，進而改善燃料燃燒質量，降低柴油機瞬態工況下的煙度。

根據指定的過量空氣系數(φa)限值對循環噴油量進行限制是一種降低柴油機瞬態過程煙度的有效措施。為此本研究針對柴油機瞬態工況出現冒煙的問題，基于實驗室自主開發的ECU，設計了一種基于扭矩協調的煙度限制控制策略，試驗研究了不同運行瞬態工況下、不同φa限值對瞬態動力性能和排放性能的影響。研究結果對柴油機瞬態工況下φa限值的標定優化提供了理論依據，對現代柴油機實現節能減排具有重大意義。

1 試驗設備和試驗方案設計

1.1 試驗設備

試驗選用了1臺D20TCI高壓共軌、增壓中冷、4缸柴油機，其主要性能參數如表1所示。瞬態測試平臺示意圖如圖1所示。

表1 柴油機主要技術參數

1—進氣流量計； 2—壓氣機； 3—中冷器； 4—進氣節氣門； 5—EGR閥； 6—EGR冷卻器； 7—共軌系統； 8—發動機； 9—渦輪增壓器； 10—交流電力測功機； 11—燃油質量流量計；12—燃油溫度控制系統；13—AVL AMA i60氣體排放分析儀；14—AVL 439煙度計；15—燃燒分析儀；16—電子控制單元ECU；17—PUMA控制系統。圖1 臺架測試示意

臺架試驗用到的測試設備主要有AVL電力測功機、進氣流量計、AVL 735S燃油質量流量計、AVL 753C燃油溫度控制系統、AVL AMA i60常規氣體排放分析儀、AVL439透光煙度計等。主要測試設備參數如表2所示。

表2 測試儀器設備

1.2 試驗方案設計

基于自主開發的控制策略與自主開發的ECU集成，在不同的運行條件下，試驗選取1 200 r/min、2 200 r/min和3 200 r/min 3個恒定轉速工況，研究不同過量空氣系數對瞬態性能和排放的影響。φa限值分別取1.01，1.13，1.26，1.38，1.51，進行負荷從0%增加到100%，加載時間為0 s的恒轉速增扭矩試驗。具體工況參數見表3。

表3 瞬變過程試驗工況參數

2 基于扭矩協調的煙度限制控制策略

圖2示出扭矩-油量協調架構示意圖。柴油機在工作過程中的循環噴油量根據駕駛員的需求扭矩計算得到，煙度限制策略根據當前的循環進氣量以及計算出的φa限值，計算得到柴油機允許的最大噴油量，通過油量-扭矩轉換模塊轉變為煙度限制扭矩。在扭矩協調控制中，當駕駛員的需求扭矩超過煙度限制扭矩時，駕駛員的需求扭矩的最大值被限制在煙度限制扭矩，輸出的設定扭矩等于煙度限制扭矩，設定扭矩經過扭矩-油量轉換模塊確定出柴油機在當前轉速下的循環噴油量，控制發動機的運行。由此確保在柴油機瞬態過程中，達到限制循環噴油量的目的。

圖2 扭矩-油量協調架構示意

其中，φa限值根據基礎值與環境修正值之和來確定，如式(1)所示。

φa=φBase+φCor。

(1)

φa限值的基礎值由發動機轉速和循環進氣量MAP圖確定，為了滿足不同復雜環境的需求，不同的工況模式下需要不同的φa限值，因此在φa限值計算中引入了φa修正值，如式(2)所示。

φCor=φSt·βSt+φP·βP+φEGR·βEGR。

(2)

式中：φa為過量空氣系數限值；φBase為過量空氣系數基本值；φCor為過量空氣系數修正值；φSt為發動機冷起動修正值；βSt為冷起動修正系數；φP為大氣壓力修正值；βP為大氣壓力修正系數；φEGR為EGR閥修正值；βEGR為EGR閥修正系數。

根據循環進氣量和φa限值計算出柴油機允許的最大噴油量，計算公式如式(3)所示，其中柴油機化學計量空燃比設定為14.5。

(3)

式中：qmax為噴油量；mAir為每缸循環進氣量；l0為化學計量空燃比；φa為過量空氣系數。

圖3示出標定轉速下，0 s和5 s瞬變過程中過量空氣系數的變化。0 s瞬變過程中，過量空氣系數突然減小，當小于1.26時，被限制至1.26；5s瞬變過程中，過量空氣系數一直保持在φa限值1.26以上。所以煙度限制策略能夠保證柴油機工作過程中過量空氣系數在φa限值以上。可以通過標定合適的φa限值，保證瞬態過程中過量空氣系數不會太小，從而改善煙度。

圖3 柴油機瞬變過程中過量空氣系數變化

3 不同φa限值對柴油機性能的影響分析

3.1 對噴油量的影響

圖4、圖5、圖6分別示出1 200 r/min、2 200 r/min、3 200 r/min轉速下，從0負載0 s突變到100%過程中，φa限值從1.01增加到1.51時噴油量的變化規律。由圖4可知，隨著φa限值的增加，煙度限制噴油量和循環噴油量最大值不斷減小。在30 s之前，發動機處于低速、小負荷工況，噴入氣缸的燃油量較小，為3.4 mg，而在φa限值1.51時煙度限制噴油量最小為12.3 mg，實際循環噴油量不受煙度限制最大噴油量的約束。30 s之后循環噴油量快速增加至煙度限制下的最大噴油量，受煙度限制的影響與煙度限制噴油量一致；最后ECU根據轉速和油門信號檢測并判斷出當前狀態與目標值一致時，循環噴油量保持穩定。

圖4 1 200 r/min轉速下φa限值對噴油量的影響

圖5 2 200 r/min轉速下φa限值對噴油量的影響

圖6 3 200 r/min轉速下φa限值對噴油量的影響

與1 200 r/min時一樣，2 200 r/min、3 200 r/min轉速下，煙度限制噴油量隨著φa限值的增加不斷減小(見圖5和圖6)，25～30 s內循環噴油量不受煙度限制噴油量的約束，但在30 s之后，φa限值在1.38以下煙度限制噴油量較大，最高可達到82 mg，較大的噴油量導致混合氣過濃，煙度惡化。為了改善煙度，實際循環噴油量被限制在60 mg和52 mg，φa限值增加至1.51時，循環噴油量繼續被限制在50 mg和45 mg。

3.2 對扭矩的影響

圖7示出不同恒定轉速下，從0負載0 s突變到100%過程中，φa限值從1.01增加到1.51時扭矩的變化規律。圖8示出不同恒定轉速、不同φa限值對扭矩響應時間的影響。由圖7、圖8可知，扭矩從30 s之后開始遞增，增長幅度與φa限值呈負相關。循環噴油量決定了發動機扭矩的輸出，當φa限值較小時，對噴油量的抑制作用弱，使得循環噴油量相對略高，扭矩快速增加；隨著φa限值的增大，循環噴油量相對減小，扭矩增加幅度減緩，對應的峰值降低，扭矩響應所需時間加長，瞬態響應特性變差。

圖7 不同轉速下φa限值對扭矩的影響

圖8 不同恒定轉速下φa限值對扭矩響應時間的影響

由圖7a結合圖8可知，φa限值為1.01和1.51時，對應的扭矩峰值分別為180.2 N·m和114.6 N·m，扭矩峰值下降幅度為36%，而扭矩響應時間分別為0.5 s和1.2 s，扭矩響應時間延遲了58%。由圖7b和圖7c可見，扭矩峰值在φa限值為1.38以下時，變化趨勢不明顯，當φa限值增加到1.51時，扭矩峰值明顯下降。最大扭矩轉速2 200 r/min時，扭矩響應時間隨φa限值的增加而增加。圖7b結合圖8可知，φa限值1.01和1.51對應的最大扭矩分別為333.3 N·m和299.3 N·m，響應時間分別為0.4 s和0.8 s，扭矩峰值下降了10%，扭矩響應時間延遲了50%。圖7c結合圖8可知，φa限值1.01和1.51對應的最大扭矩分別為275.4 N·m和258.2 N·m，響應時間分別為0.3 s和0.7 s，扭矩峰值下降了6%，扭矩響應時間延遲了57%。

由上述分析可知：發動機在中高轉速加載瞬變過程中，當φa限值太小(為1.01)時，循環噴油量相對較高，瞬態響應特性較好；φa限值過大(為1.51)時，循環噴油量相對較小，限制扭矩輸出致使扭矩最大值變小，導致柴油機瞬態過程中動力響應變慢。為了保證柴油機在瞬態工況下的動力性需求，應該標定合適的φa限值。

3.3 對排放的影響

圖9示出不同轉速下，從0負載0 s突變到100%過程中，φa限值從1.01增加到1.51時NOx的排放規律。由圖9可知，隨著發動機轉速的逐漸增加，NOx排放峰值增大，從30 s開始NOx排放先緩慢增加然后快速增加達到峰值。這是因為瞬變過程中負荷突增，缸內熱力狀態升高，但進氣滯后于供油，缸內缺氧程度嚴重，煙度急劇惡劣，缸內缺氧抑制了NOx的生成，NOx排放增加緩慢。隨著進氣量的逐漸增加，缸內缺氧環境得到改善，NOx排放增長加快。

圖9 不同轉速下φa限值對NOx排放的影響

由圖9a可知，隨φa限值的增加，NOx排放增長速度加快，NOx排放最大值隨著φa限值的增加呈現先升高后下降的趨勢。φa限值為1.01時，循環噴油量高于較大φa限值時的噴油量，進氣滯后嚴重，缸內缺氧嚴重，抑制了NOx生成，φa限值為1.01時NOx的排放峰值最小為106.6 g/h。隨著φa限值不斷增加，達到1.38時，在這個過程中過量空氣系數最低值增大，缸內氧濃度增加，促進NOx的生成，NOx的排放峰值達到最大，為156.3 g/h。當φa限值增加到1.51時，嚴重限制了瞬態工況下允許的最大噴油量，使缸內燃燒惡化，缸內壓力和溫度隨之降低，導致NOx排放峰值下降為135.8 g/h，相比φa限值1.38時下降了20.5 g/h。由圖9b、圖9c可知，與低轉速1 200 r/min相比，中高轉速下φa限值對NOx排放峰值變化影響不明顯。如圖9b所示，NOx排放峰值隨φa限值的增加增幅較小，當φa限值為1.01時，NOx排放峰值為715.6 g/h，當φa限值增加至1.38時，NOx排放峰值達到最大值，為756.5 g/h；隨著φa限值繼續增大至1.51，NOx排放峰值略微下降至703.1 g/h。

圖10示出不同恒定轉速下，從0負載0 s突變到100%過程中，φa限值從1.01增加到1.51時煙度峰值的變化規律。AVL439測量煙度的最大量程為10 m-1，從圖10可以看出，當φa限值為1.01時，在1 200 r/min、2 200 r/min、3 200 r/min 3個恒轉速下的煙度峰值都滿量程，均為9.9 m-1。隨著φa限值的增加，煙度峰值迅速降低。過量空氣系數過低是導致此時瞬變工況下煙度急劇惡化的主要因素。發動機在瞬態變化過程中，到達相應的扭矩應增加噴油量，缸內噴油量增加的同時使得可燃混合氣中氧含量過低，空燃比下降，從而導致燃燒惡化，煙度急劇增加。當發動機處于低速(1 200 r/min)大負荷工況，由于增壓器的遲滯效應，排氣流量無法驅動渦輪旋轉，致使進氣量不足，缸內混合氣過濃，煙度急劇惡化，滿量程現象較為明顯。

圖10 不同恒定轉速下φa限值對煙度峰值的影響

不同的φa限值條件下，可通過限制柴油機的實際噴油量限制煙度峰值的排放；隨著φa限值的不斷增大，循環噴油量最大值減小，進而降低了煙度。轉速1 200 r/min下，φa限值從1.01增加到1.51，煙度峰值分別為9.9 m-1和1.6 m-1，煙度峰值下降了84%。轉速2 200 r/min下，φa限值為1.01和1.51時，煙度峰值分別為9.9 m-1和1.3 m-1，煙度峰值下降了87%。轉速3 200 r/min下，φa限值為1.01和1.51時，煙度峰值分別為9.9 m-1和1.2 m-1，煙度峰值下降了88%。

對比3個轉速下的煙度峰值變化規律可知，在φa限值不變的條件下，煙度峰值隨著轉速的升高而下降；低速時增壓器效果較差，進氣量不足導致煙度升高；發動機由低轉速過渡到高轉速時，增壓器效果越來越明顯，進氣響應提高，充氣效率提高，空燃比增大，煙度得以改善，煙度峰值下降。

4 結論

a) 基于扭矩協調的煙度控制策略能夠有效地限制柴油機允許的最大噴油量，進而改善煙度；

b) 低轉速下，NOx排放峰值隨著φa限值的增加呈現先升高后下降的趨勢，扭矩峰值隨著φa限值的增加而降低；隨著轉速的升高，φa限值對NOx排放峰值和扭矩峰值影響減小；

c)φa限值為1.51時，限制扭矩輸出柴油機瞬態響應較差，與φa限值1.01相比，1 200 r/min轉速下，扭矩峰值幅度下降36%，扭矩響應時間延遲了58%；3 200 r/min轉速下，扭矩峰值幅度下降6%，扭矩響應延遲了57%；

d)φa限值為1.01時，煙度惡化，隨著φa限值的增加，煙度峰值迅速降低；φa限值從1.01增加到1.51時，1 200 r/min轉速下，煙度峰值降幅達84%，3 200 r/min轉速下煙度峰值降幅達88%；

e)φa限值過大，柴油機瞬態響應變慢，φa限值過小，煙度較高；為了確保柴油機滿足瞬態工況下的動力性需求，防止瞬態過程過量空氣系數過小而導致過高的煙度，應該標定合適的φa限值。