壓端與渦端旁通對Soot排放差異的影響研究

摘要： 針對WP12重型柴油機，試驗研究了兩級增壓系統中壓端與渦端旁通引起的滯燃期、峰值缸溫、燃氧當量比差異導致的Soot排放差異。結果表明，兩種不同的旁通方式可以達到近乎相同的進氣壓力，在本試驗工況下，壓端旁通Soot排放要明顯高于渦端旁通Soot排放，其Soot排放差異隨進氣壓力的增大先增加后減少。渦端旁通滯燃期比壓端旁通滯燃期更長，但滯燃期差異變化很小，且與Soot排放差異相關系數較低，為0.35。壓端旁通峰值缸溫要明顯高于渦端旁通峰值缸溫，在高進氣壓力下，峰值缸溫差異對Soot排放差異作用更顯著，且峰值缸溫差異與Soot排放差異相關系數最大，為0.95。壓端旁通燃氧當量比要高于渦端旁通燃氧當量比，說明渦端旁通可以擁有更大的進氣流量，在低進氣壓力下，燃氧當量比差異對Soot排放差異作用更顯著，且燃氧當量比差異與Soot排放差異相關系數較大，為0.75。

關鍵詞： 兩級增壓；旁通閥；碳煙；滯燃期；峰值缸溫；燃氧當量比

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.004

中圖分類號： TK427" 文獻標志碼： B" 文章編號： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００27 ０7

隨著能源與環境問題日益突出以及排放法規的日益嚴格^{［1 2］}，實現柴油機高效清潔燃燒不僅是現實之要也是眾人之望。兩級增壓技術能夠使發動機擁有較寬的流量特性、達到較高的增壓比，從而顯著地拓展其運行邊界并降低排放^{［3 4］}。可調式兩級增壓系統中壓端與渦端的旁通閥可以實現對高、低壓級渦輪增壓器的能量與流量的調節^{［5 7］}，使得增壓壓力能夠滿足柴油機全工況條件下的需求^［8］，從而提升柴油機性能。

張文強^［9］通過試驗研究了渦端旁通閥對柴油機排放的影響，結果表明：在渦端旁通閥開啟時柴油機獲得的新鮮空氣量充足與否會影響Soot的排放。Sunyoup LEE等^［10］采用兩級增壓系統，在高進氣壓力下對一多缸發動機采用高壓縮天然氣進行了RCCI燃燒和排放的試驗研究，結果表明：當量比為0.65時，在最高進氣壓力和一定EGR率的情況下有著更好的CO排放，并且進氣條件與顆粒物排放之間存在強相關性。李魯寧^［11］建立了帶高壓EGR的單級及二級增壓柴油機性能測試平臺，研究了EGR耦合不同增壓方式對發動機排放特性的影響，結果表明：隨著進氣量增大，缸內局部過濃區域減少，能夠降低發動機各模態下排放的微粒數量。韓志強等^［12］通過調整渦端旁通閥對兩級增壓系統的能量比例進行了分配，探究了渦端旁通閥開度對柴油機排放的影響，結果表明：隨著渦端旁通閥的開啟，低轉速時發動機進氣量減少，排放惡化，高轉速時存在排放變化不大的折中點。陳貴升等^［13］在一臺電控高壓共軌柴油機上，采用單級增壓、兩級增壓和可變幾何截面增壓3種增壓方式，進行了EGR的燃燒與排放試驗研究，結果表明：大負荷等EGR率時，兩級增壓方式NOx排放量較高，Soot與HC排放量較低。黃粉蓮等^［14］提出一種帶有廢氣旁通閥的兩級增壓匹配方案，通過高原環境模擬試驗臺架，研究海拔對增壓系統運行參數的影響，結果表明：隨著海拔升高，柴油機CO，THC，NOx排放量升高，動力性和經濟性下降。劉忠長等^［15］在一臺搭載可調兩級增壓系統的重型柴油機上，研究了不同旁通閥開度對排放特性的影響，結果表明：轉速與工況的改變會導致NOx排放出現不同的變化趨勢，隨著旁通閥開度增加，在低轉速小負荷工況下NOx排放量降低，在中高轉速小負荷工況下NOx排放量增加，在中高負荷工況下NOx排放量降低。

上述學者采用兩級增壓系統分析了其對發動機排放等方面的影響，但對于壓端旁通與渦端旁通兩種旁通方式對發動機造成的差異進而導致的Soot排放差異還鮮有研究。盡管兩級增壓系統中通過調整壓端旁通閥開度與渦端旁通閥開度均可得到近乎相同的進氣壓力，但兩種旁通方式在控制策略和作用機制上存在差異，這些差異最終會影響缸內燃燒狀態，從而導致不同的Soot排放。滯燃期的長短直接影響缸內混合氣濃度、分布以及燃燒過程的劇烈程度，峰值缸溫則直接關系到燃燒效率和燃燒產物的生成特性，燃氧當量比影響燃燒過程中的氧化反應程度，進而影響Soot的生成和排放。為了研究兩種旁通方式對Soot排放的影響差異，本研究將導致Soot排放差異（Δφ（Soot））的主要原因分為滯燃期差異（Δτi）、峰值缸溫差異（ΔTmax）和燃氧當量比差異（Δα），均為壓端數據減去渦端數據得到的差值。試驗通過改變渦端與壓端的旁通閥開度，使得兩種旁通閥在不同開度下進氣壓力一致，探究滯燃期、峰值缸溫、燃氧當量比對Soot排放的影響差異，并提出影響關聯程度的強弱關系。

1 試驗裝置和方法

試驗所采用的發動機是濰柴藍擎WP12重型柴油機，其主要技術參數如表1所示。在原機的基礎上，對柴油機進排氣系統重新匹配了滿足流量需求的可調式兩級增壓裝置，并對其旁通通道及相關連接管路進行重新設計。如圖1所示，可調式兩級增壓系統由兩個不同尺寸的渦輪增壓器串聯布置而成，高壓級采用小增壓器，低壓級采用大增壓器，在高壓級增壓器渦輪端和壓氣機端帶有旁通閥。廢氣從排氣歧管出來以后匯集到排氣總管，經高壓級渦輪增壓器，將廢氣的熱能和動能轉化為高壓級渦輪增壓器的動能，然后通過同軸旋轉將動能轉移到高壓級壓氣機，壓氣機將動能轉化為壓力能，對從進氣管流入的氣體做功，實現進氣第二級增壓。隨后廢氣進入低壓級渦輪增壓器，同樣原理，實現進氣第一級增壓。在第一級增壓與第二級增壓之間、第二級增壓與進氣歧管之間都有相應大小的中冷器冷卻增壓后空氣。與高壓級渦輪并聯的渦端旁通閥可以使部分廢氣不流經高壓級渦輪即可到達低壓級渦輪，減少高壓級增壓器分配的氣體能量，此時高壓級壓氣機的流量特性曲線朝著喘振線方向移動，由此調節進氣流量和等熵效率，從而降低進氣壓力。同理與高壓級壓氣機并聯的壓端旁通閥可以使部分新鮮空氣不流經高壓級渦輪即可直接進入進氣歧管，而高壓級增壓器壓氣機端旁通閥門打開時，高壓級壓氣機出口氣體與旁通閥之間形成一個氣流流動循環，旁通閥開度越大，參與循環氣體也就越多，此時高壓級壓氣機的流量特性曲線向阻塞線方向移動，以此調節進氣流量和等熵效率，通過該方式同樣可以降低進氣壓力。

本試驗轉速為1 900 r/min，負荷為50%，EGR率為8%，高壓共軌壓力為160 MPa，采用兩次噴射的方式，主噴定時為7.5° ATDC（85%油量），后噴定時為32° ATDC（15%油量），試驗時壓端旁通與渦端旁通的開度變化如表2所示。試驗測試設備如表3所示，Soot數值采用AVL415煙度計測得的煙度值換算得到，其換算公式^［16］為

φ（Soot）=10.405×5.32×SF×e^{0.306 2×SF}×0.001×（mair+mfuel）/（1.292 9×Pi）。（1）

式中：SF為煙度計測試的煙度值； mair為進氣流量； mfuel為柴油機燃油消耗量；Pi為發動機功率。

2 結果分析

圖2示出進氣壓力對Soot排放量的影響差異。隨著壓端旁通閥開度增加，進氣壓力從0.318 MPa降低至0.282 MPa，Soot排放量隨進氣壓力的增加而減小，且在相同進氣壓力差值下，進氣壓力越高Soot減少的趨勢越明顯。當進氣壓力為0.318 MPa時Soot排放量最低，為0.017 6 g/（kW·h），當進氣壓力為0.282 MPa時Soot排放量最高，為0.022 4 g/（kW·h）。隨著渦端旁通閥開度增加，進氣壓力同樣從0.318 MPa降低至0.282 MPa，與壓端旁通不同的是，在相同進氣壓力差值下，隨著進氣壓力升高Soot減少的趨勢減緩，當進氣壓力為0.318 MPa時Soot排放量最低，為0.013 3 g/（kW·h），進氣壓力為0.282 MPa時Soot排放量最高，為0.016 6 g/（kW·h）。進一步分析可知，在相同進氣壓力下，相比采用壓端旁通降低進氣壓力的方式，采用渦端旁通可以更好地抑制Soot的生成。兩種旁通方式差異導致的Soot排放量差異隨進氣壓力的增加呈現出先增加后減少的趨勢。

Soot是不完全燃燒的產物，對缸內溫度、混合氣濃度都有較大的敏感性。兩種旁通方式可以獲得相同的進氣壓力，但其對滯燃期、峰值缸溫、燃氧當量比的影響差異會促進或抑制Soot的生成，故針對Δτi，ΔTmax，Δα所導致的Δφ（Soot）進行研究。

2.1 滯燃期差異對Soot排放量差異的影響

圖3示出了兩種旁通方式對缸內瞬時壓力和瞬時放熱率的影響。在兩種旁通方式下，缸內壓力均隨進氣壓力增加而升高，值得注意的是，在進氣壓力為0.294 MPa與0.306 MPa時，兩種旁通方式近乎擁有相同的缸內最高壓力。在進氣壓力為0.282 MPa時，壓端旁通的缸內最高壓力大于渦端旁通，而在進氣壓力為0.318 MPa時，渦端旁通的缸內最高壓力大于壓端旁通。在進氣壓力小于等于0.306 MPa時，壓端旁通的燃燒放熱相位總先于渦端旁通，這與缸內最高壓力的變化趨勢一致。采用壓端的旁通方式，瞬時放熱率曲線總有3個峰值，在進氣壓力小于等于0.306 MPa時，放熱率曲線第一峰值隨進氣壓力的增加而升高，第二峰值則降低，放熱率曲線第一和第三峰值相位隨進氣壓力的增加而推遲，當進氣壓力增加至0.318 MPa時，所有峰值相位均提前。采用渦端的旁通方式，在進氣壓力小于等于0.306 MPa時，放熱率曲線的第一和第二峰值界限已不明顯，呈現出“兩峰”的趨勢，當進氣壓力增加至0.318 MPa時，才出現3個峰值，且第二峰值最高。

圖4示出不同旁通方式和進氣壓力對滯燃期與燃燒持續期影響差異。采用壓端旁通方式，滯燃期隨著進氣壓力增加呈現增加的趨勢，由8.5°增加至9°，而燃燒持續期隨進氣壓力的增加先增加后減少，當進氣壓力為0.306 MPa時燃燒持續期最大，為38°。采用渦端旁通方式，隨著進氣壓力增加，滯燃期保持11.5°不變，燃燒持續期變化較大，在進氣壓力為0.282 MPa時燃燒持續期最大，為38.5°，在進氣壓力為0.318 MPa時燃燒持續期最小，為36.5°。與渦端旁通方式相比，壓端旁通方式對滯燃期的影響更為顯著，兩種旁通方式導致的滯燃期差異隨著進氣壓力的增加而減小，最大的滯燃期差值為3°。

圖5示出了不同進氣壓力下的滯燃期影響率，滯燃期對Soot的影響率隨進氣壓力的增大先增加后減小。當進氣壓力為0.306 MPa時，滯燃期影響率為-2.97 mg/（kW·h·（°）），當進氣壓力為0.318 MPa時，滯燃期影響率為-1.68 mg/（kW·h·（°））。進一步分析可知，滯燃期對于Soot的影響呈此消彼長趨勢，滯燃期延長、燃燒持續期縮短可在一定程度上增加燃料混合時間，提高燃燒效率，減少非完全燃燒產物Soot的排放量。

2.2 峰值缸溫差異對Soot排放量差異的影響

圖6和圖7示出了不同進氣壓力下的缸內溫度與峰值缸溫。在兩種旁通方式作用下，隨著旁通閥開度減小，缸內平均溫度均隨進氣壓力增大而減小，而壓端旁通的缸內平均溫度大于渦端旁通的缸內平均溫度，缸內溫度更高，著火滯燃期縮短，這與圖4a結果一致。其中，在壓端旁通方式下，峰值缸溫由1 439 K降低至1 380 K，且隨著進氣壓力增加，峰值缸溫減小的趨勢愈發明顯。在渦端旁通方式下，隨進氣壓力增加，峰值缸溫由1 393 K降至1 349 K，且峰值缸溫隨進氣壓力的增加下降趨勢減緩。進一步分析可知，相比于渦端旁通方式，采用壓端旁通方式峰值缸溫下降幅度更大。隨著進氣壓力的增加，峰值缸溫差值先增大后減小，在進氣壓力為0.294 MPa時，峰值缸溫差值最大，達到了77 K，更高的峰值缸溫會促進燃料的裂解和聚合反應，增加了Soot的生成量。

圖8示出不同進氣壓力下的峰值缸溫影響率。隨著進氣壓力增加，峰值缸溫影響率呈現先減小后增大的趨勢，在進氣壓力為0.294 MPa時，峰值缸溫影響率最小，為0.096 mg/（ kW·h·K），在進氣壓力為0.318 MPa時最大，為0.14 mg/（kW·h·K）。進一步分析可知，在缸內溫度相對較低時，峰值缸溫的改變對Soot的影響更明顯，而在缸內溫度相對較高時，需要較大峰值缸溫變化才能對Soot有顯著影響。

2.3 燃氧當量比差異對Soot排放量差異的影響

燃氧當量比（α）直接表征了燃料與氧含量的關系，α值越小則表明混合氣含氧量越大。燃氧當量比計算公式如下：

α=md（Qin×32×yO2/100）×［28.9×（100-REGR）/100］×0.304。（2）

式中：md為柴油消耗量； Qin為進氣流量； yO2為環境氧體積分數；REGR為進氣EGR率。

圖9示出不同進氣壓力下α的影響差異。在壓端旁通方式下，α隨著進氣壓力的增大而減小，當進氣壓力為0.282 MPa時α最大，為0.431，當進氣壓力為0.318 MPa時α最小，為0.389。在渦端旁通作用下，α隨進氣壓力增加而減小，且減小的趨勢愈發明顯，當進氣壓力為0.282 MPa時α最大，為0.427，當進氣壓力為0.318 MPa時α最小，為0.372。在相同進氣壓力下，壓端旁通方式相比渦端旁通方式α更大，渦端旁通擁有更大的進氣流量，發動機缸內進氣流量的增加可以增強氧化能力，有助于減少Soot的生成量。兩種旁通方式對α差值的影響先增大后減小，這與對Soot排放差異的影響是一致的。

圖10示出進氣壓力對進氣流量的影響，在兩種旁通方式下，進氣流量均隨著進氣壓力的增加而增加。而在進氣壓力大于等于0.294 MPa時，采用渦端旁通方式的進氣流量要明顯高于采用壓端旁通方式。

圖11示出不同進氣壓力下燃氧當量比影響率。當進氣壓力為0.282 MPa時，燃氧當量比影響率最大，為1 400 mg/（kW·h），隨著進氣壓力升高，燃氧當量比影響率先急劇降低后略有上升。進一步分析可知，燃氧當量比升高可促進Soot的生成，并且在較低進氣壓力下，燃氧當量比對Soot的生成促進作用更加明顯。

2.4 斯皮爾曼相關系數分析

斯皮爾曼相關系數反映的是兩個變量之間的變化趨勢方向和強度之間的關聯，它是將兩個隨機變量的樣本值按數據大小順序排列位次，以各要素樣本值的位次代替實際數據而求得的一種統計量，量值區間為［-1，1］，相關系數為正代表變化趨勢相同，為負代表相反，其絕對值的大小反映兩者之間關聯程度。本研究分析兩種旁通方式的差異導致的Δτi，ΔTmax，Δα對Δφ（Soot）的影響，由于3種變量之間沒有合適的統一評價指標，所以采用斯皮爾曼相關系數分析3種變量差異與Soot排放量差異的關聯程度。首先對數據進行排序處理，排序結果見表4。

斯皮爾曼相關系數計算公式為

ρ=1-6∑di2n（n2-1）。（3）

式中：di為第i個所計算的兩組數據位次之差；n為數據個數。計算Δφ（Soot）分別與Δτi，ΔTmax，Δα之間的相關程度，可得ρ滯燃期=0.35，ρ峰值缸溫=0.95，ρ燃氧當量比=0.75。

由上述計算結果可知，壓端與渦端旁通方式造成的峰值缸溫的差異與Soot的排放結果差異相關程度最強，相關系數達到了0.95，而滯燃期差異與Soot的排放結果差異相關程度最弱，相關系數為0.35。

3 結論

a） 通過壓端與渦端旁通方式可獲得相同進氣壓力，但在同一進氣壓力下，壓端旁通方式下的Soot排放量要明顯高于渦端旁通方式，其Soot排放差異隨進氣壓力的增大先增大后減小；

b） 在本試驗工況下，峰值缸溫差異是與Soot排放差異關聯程度最大的影響因素，相關系數ρ峰值缸溫為0.95，滯燃期差異是與Soot排放差異關聯程度最小的影響因素，相關系數ρ滯燃期為0.35，燃氧當量比差異關聯程度介于兩者之間，其相關系數ρ燃氧當量比為0.75；

c） 在不同進氣壓力下，兩種旁通方式引起的滯燃期差異變化很小，在高進氣壓力下，缸內溫度相對較低，峰值缸溫差異對Soot的排放差異作用明顯，在低進氣壓力下，燃氧當量比相對較高，燃氧當量比差異對Soot的排放差異作用顯著。

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Influence of Compressor End and Turbine End Bypass on Soot Emission

LI Xuantao1，WU Yi^2，3，4，YAN Yan^2，3，4，ZUO Zinong^2，3，4，HAN Zhiqiang^2，3，4，WANG Jian5

（1.School of Automobile and Transportation，Xihua University，Chengdu 610039，China;2.Key Laboratory of Fluid Machinery and Engineering（Xihua University），Sichuan Province，Chengdu 610039，China;3.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery of Ministry of Education，Xihua University，Chengdu 610039，China;4.Engineering Research Center of Ministry of Education for Intelligent Air Ground Fusion Vehicles and Control，Xihua University，Chengdu 610039，China;5.School of Energy and Power Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

Abstract： The study was conducted on a WP12 heavy duty diesel engine to investigate the impact of bypass at the compressor end and the turbine end of a two stage turbocharging system on ignition delay， peak cylinder temperature， and fuel air equivalence ratio， and the influence of their differences on soot emission. The results indicated that both bypass methods could achieve nearly the same intake pressure. Under the test conditions， the soot emission with compressor end bypass was significantly higher than that with the turbine end bypass. The difference of soot emission first increased and then decreased with the increase of intake pressure. The ignition delay of the turbine end bypass was longer than that of the compressor end bypass， but the difference change in ignition delay was small. The correlation coefficient between ignition delay and soot emission was only 0.35. The peak cylinder temperature with the compressor end bypass was notably higher than that with the turbine end bypass. At high intake pressures， the difference of peak cylinder temperature had a more pronounced effect on soot emission， with a maximum correlation coefficient of 0.95. The fuel air equivalence ratio with the compressor end bypass was higher than that with the turbine end bypass， which indicated that the turbine end bypass allowed a greater intake flow. At low intake pressures， the difference of fuel air equivalence ratio had a more significant impact on soot emission， with a large correlation coefficient of 0.75.

Key" words： two stage turbocharging；bypass valve；soot；ignition delay；peak cylinder temperature；fuel air equivalence ratio

［編輯： 潘麗麗］