增压柴油机加速过程炭烟排放的仿真研究

施 新，李 斌

（北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081）

采用涡轮增压技术可以提高柴油机功率密度、降低油耗和排放，但是由于增压器的滞后效应，柴油机在加速过程中炭烟排放升高［1－2］。可变截面涡轮增压器（VGT）可以实现与柴油机在不同工况下的良好匹配［3－4］，通过改变VGT喷嘴环角度，可以提高增压器转速，改善增压器的滞后效应，以降低柴油机加速过程的炭烟排放。目前，对柴油机加速过程排放的研究主要集中在对喷油规律的改善［5－6］，而对加速过程可调涡轮控制规律的研究较少。本文对柴油机定转矩加速过程进行了仿真，计算了柴油机负荷、加速时间、VGT开度等因素对加速过程炭烟排放的影响，并对加速过程中VGT控制规律进行了计算。

1 原机模型的建立与验证

本文的研究对象是英国Jaguar公司的Lion V6涡轮增压柴油机。该柴油机结构为V形6缸，匹配双涡轮增压器，每3个气缸连接一个增压器。其结构参数和性能参数如表1所示。

表1 Lion V6柴油机主要技术参数

1.1 模型的建立与验证

仿真软件采用Ricardo公司的 WAVE软件，燃烧模型采用Wiebe模型，该燃烧模型将燃烧过程分为预混燃烧阶段和扩散燃烧阶段，可以比较精确的计算柴油机的动力特性。为了计算柴油机的排放特性，需要在燃烧模型中加入Diesel Jet模型。在Jet模型中，按照燃油的喷射距离，气缸内空间被划分为几个区域分别作为仿真计算的单元。

在仿真计算中，VGT开度设置与发动机试验时一致（表2）。选取发动机外特性上7个转速进行计算，并与试验结果进行了对比（图1）。通过对比发现，发动机外特性的扭矩和燃油消耗率计算结果与试验结果吻合较好，只有2 500r／min时误差稍大，但在3%以内，表明计算模型可以用来进行加速过程的仿真计算。

表2 VGT开度的设置

图1 仿真和试验数据对比

1.2 稳态工况下炭烟排放

首先计算了发动机在全负荷、不同转速下的炭烟排放。计算结果（图2）表明，发动机转速在1 900～3 000 r／min之间时炭烟排放较低，在1 500r／min、4 000r／min时炭烟排放较高。

为改善柴油机加速过程炭烟排放，需要优化加速起始点（1 500r／min）的VGT开度。由于柴油机加速过程是由部分负荷时开始，因此计算了柴油机在1 500r／min，负荷为33%，50%和67%时，不同VGT开度下的炭烟排放，计算结果如图3所示。由图可以看出，在中低负荷时，炭烟排放较低，且VGT开度对炭烟排放影响不大，这是由于柴油机供油量较低，空燃比较大所导致的；当柴油机负荷较大时，炭烟排放较高，并随着VGT开度的增大而增大，这是由于随着供油量的增加，柴油机需要增压器提供更多的空气来保证空燃比，从而需要减小VGT开度来提高涡轮膨胀比。

图2 不同转速下的炭烟排放

图3 VGT开度对稳态工况下炭烟的影响

2 加速过程仿真原理

在WAVE中，柴油机的加速过程仿真是分两步进行的：首先，计算柴油机加速起始点的稳态特性；然后在起始工况计算结果的基础上，通过改变部分参数来实现瞬态工况的仿真计算。

图4 加速过程仿真原理

计算过程如图4所示。在每个计算步中，通过增加供油量，结合当前时间步的发动机转速计算出该时刻发动机输出扭矩，并与发动机负载相比较计算出发动机的加速扭矩，从而计算出下一计算步的发动机转速（瞬态转速），如此循环计算实现发动机的加速过程仿真。这种仿真模型与现实情况下发动机加速过程原理是一致的，可以比较准确的反映发动机加速的工作过程。

3 柴油机加速过程炭烟排放计算

3.1 起始负荷对加速过程炭烟的影响

由于柴油机负荷不同，加速过程的供油量及其增加量也会不同，因此负荷对炭烟的排放有很大的影响。本节分别计算了柴油机起始负荷为33%，50%以及67%，柴油机从1 500r／min加速到3 000r／min的过程，加速过程中VGT开度保持不变。根据1.3节稳态计算结果，VGT开度设置为0.5，仿真结果如图5所示。

从仿真结果可以看出67%负荷时的炭烟排放远高于其他两种工况，其炭烟排放在加速初期急剧恶化，50%，33%负荷下炭烟排放量在加速过程中基本保持不变，50%负荷下的排放略高于33%负荷。这是由于随着柴油机负荷的增加，过量空气系数也随之下降，因此炭烟排放恶化，尤其是在加速初期，由于增压器的滞后效应，柴油机供气量滞后于供油量的增加所导致的；而对于小负荷工况，柴油机过量空气系数较大，即使供油量增加，柴油机原有的供气量也可以使燃油正常燃烧，因而在加速过程中炭烟排放基本不变。

图5 负荷对加速过程炭烟的影响

3.2 加速时间对加速过程炭烟的影响

柴油机一般是在低转速、中低负荷开始加速过程。本节以1 500r／min、50%负荷作为加速起始点，计算了柴油机分别在5，10s以及15s内加速到3 000r／min的过程。根据稳态计算结果，将VGT开度设为0.7，并在加速过程中保持不变。仿真结果如图6所示。

从图6中可以看出，炭烟排放的峰值随着加速时间的增加而减小，并且峰值出现的时间要推后，其持续时间变短，15s加速过程中，炭烟排放量在加速中期就已经很低。这是由于随着加速时间的延长，气缸内燃油增加率就会变缓，使得增压器的滞后效应减弱，柴油机供气量的增加速度能够满足燃烧需要，因此炭烟排放量较低。

图6 时间对加速过程炭烟的影响

3.3 VGT开度对加速过程炭烟的影响

由于67%负荷时柴油机炭烟排放远大于其他两种工况，选择67%负荷作为研究工况，计算了柴油机在5s内由1 500r／min加速到3 000r／min的过程，VGT开度分别设置为0.3、0.4、0.5及0.6，以计算不同 VGT开度对加速过程炭烟的影响。计算结果如图7所示，由图可以看出，炭烟排放随VGT开度的减小而减少，当VGT开度为0.4时，炭烟排放最低，当VGT开度继续降低时，炭烟排放反而升高。适当减小VGT开度可以降低炭烟排放，这是由于随着VGT开度的减小，增压器的转速上升，弥补了涡轮增压器的迟滞效应，迅速提升柴油机的空燃比，减少炭烟排放；而VGT开度过小，会使排气背压过大，增加泵气损失，降低柴油机工作效率，使炭烟排放增加。

图7 VGT开度对加速过程炭烟的影响

3.4 加速过程VGT控制规律的优化

从图5中可以看出，在加速过程中期，炭烟排放处于很低的水平，此时柴油机排气量能够满足柴油机的要求，如果柴油机转速继续增加，增压器转速也随之增加，可能会使排气背压过大，增加发动机泵气功，这对柴油机工作是不利的，因此，需要在加速过程中适当增加VGT开度，利用上一节选取的最佳VGT开度作为初始开度，选用4种控制方案（如图8），在加速过程中逐渐增加VGT开度。计算不同控制方案对加速过程的影响，计算结果如图9所示。

图8 加速过程不同VGT控制方案

从计算结果中可以看出，4种控制方案的炭烟排放量差别不大。燃油消耗率在加速初期逐渐降低，当发动机转速大于2 500r／min时，方案1、2的燃油消耗率开始增加，且方案1的燃油消耗率增加迅速，方案3、4的燃油消耗率基本保持不变，但方案4的炭烟排量及燃油消耗率较方案3高。说明在加速过程中存在最佳的控制策略，在加速过程中VGT开度增加过快或过慢都会导致燃油消耗率的上升。这是由于在加速初期，随着柴油机转速的增加，增压器转速上升，空气流量增加，燃油能够更充分的燃烧，燃油消耗率开始下降；当柴油机转速增加到一定程度后，随着柴油机转速的上升，增压器转速继续增加，空气流量过大，排气背压过大，导致柴油机燃油消耗率上升。因此，在加速过程中适当逐渐增加VGT开度则可以防止排气背压过大，降低加速后期的燃油消耗率。而VGT开度增加过大，则无法保证增压器有足够的转速来提供新鲜空气。

图9 加速过程中VGT的调整

4 结论

利用Ricardo WAVE建立了柴油机的加速过程模型，并研究了不同工况下的烟气排放，经过初步分析，得出结论如下：

（1）柴油机加速过程中炭烟排放规律。柴油机在加速过程中，炭烟排放恶化现象发生在加速初期，随着加速时间的推移，炭烟排放降低。

（2）影响柴油机加速过程炭烟排放的因素包括负载，加速时间，VGT开度。其中，负载越大，加速时间越短，炭烟排放越高。而VGT在加速过程中存在一个最佳开度，在最佳开度处炭烟排放最低，燃油消耗率最低。

（3）加速过程中VGT应该采取动态控制，根据不同的影响因素调整VGT，以获得最低的炭烟排放以及燃油消耗率。

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