加载停滞时间对柴油机瞬态性能的影响

丁云龙， 刘忠长， 张龙平， 田径， 牛吉祥

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130025)



加载停滞时间对柴油机瞬态性能的影响

丁云龙， 刘忠长， 张龙平， 田径， 牛吉祥

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130025)

为了改善柴油机瞬态加载过程中燃烧与排放性能恶化的问题，在一台增压中冷柴油机上，利用瞬态测控系统，试验研究了先快后慢的多段加载策略，探索不同的加载停滞时间对柴油机θCA10，θCA50，烟度和CO，NOx等排放物的影响规律。试验结果表明：与匀速加载策略相比，加载停滞时间越长，排放性能越好，烟度和CO峰值最大分别降低20.8%和38.32%，但NOx略有增加；在第二段加载过程中θCA10和θCA50延后程度降低；加载过程后期缸内空燃比下降趋势更加缓和。

增压柴油机； 瞬态工况； 加载策略； 排放； 燃烧相位

随着全球经济的高速发展，汽车保有量不断增长，能源危机加剧，环境日益恶化，汽车的燃油消耗和尾气排放受到广泛关注。柴油机作为高效、可靠、强劲的动力装置，在车用发动机领域迅速发展。但车用柴油机大部分时间都处于瞬态工况，尤其是在城市路面状态，其负载和转速变化频繁，而大部分排放物产生于速度或扭矩急剧变化的瞬态过程[1-2]。因此，探究瞬态过程有效的优化策略是国内外内燃机研究者亟需解决的科学和工程问题。研究表明：瞬态加载过程中扭矩、θCA10及θCA50等核心参数均发生不同程度的滞后现象，燃烧与排放性能恶化[3-7]。采用先快后慢的加载策略能够有效改善扭矩响应并降低排放[8-11]。然而瞬态加载过程中缸内热力状态响应较慢也是造成燃烧与排放性能恶化的重要原因之一[12]，而通过调整加载策略改善缸内热力状态进而优化燃烧、降低排放的研究却很少。

本研究在1台高压共轨、增压中冷重型柴油机上对ETC测试循环[13]中恒转速增扭矩瞬态工况进行试验研究，探究不同加载策略对柴油机扭矩响应性能、θCA10、θCA50、烟度和CO，NOx等排放物的影响规律。

1 测控系统及试验方案

1.1 瞬态工况试验台架

该试验台架包括瞬态油门电压控制器、南峰CW440电涡流测功机、高响应速率的传感器和高速A/D采集卡(毫秒级精度)、HORIBA排放分析仪、FCMM燃油质量流量计、AVL439烟度计等，可以实现对发动机转速、扭矩、燃油消耗量、燃烧参数、进气流量、消光烟度、进排气压力及温度和尾气排放等参数的实时测量和同步采集。发动机主要技术参数见表1。

表1 试验发动机基本技术参数

1.2 试验方案

本试验选择恒转速增扭矩典型瞬态工况(保持转速1 650 r/min不变，负荷在设定时间内从10%增加到100%)。试验开始前保持发动机转速为1 650 r/min，负荷为10%，稳定运行5 s，试验开始时控制瞬态油门电压控制器，按设定的供油模式进行先快后慢的多段加载。本试验涉及的加载策略为多段加载策略，根据前期的研究结果，选取较为合理的加载率[2-3,10,13]，第一段加载率保持665 N·m/s不变，第二段加载率保持201.52 N·m/s不变，加载停滞时间不同，加载停滞负荷为50%负荷。加载停滞时间是指发动机负荷加载到加载停滞负荷时所停滞的时间。详细加载策略见表2和图1。

表2 加载策略

2 试验结果与分析

2.1 柴油机瞬态工况燃烧劣变分析

图2示出了匀速加载策略供油量与供气量响应对比。从图中可以看出，柴油机瞬态工况下供气响应滞后于供油，这是因为柴油机瞬态加载过程中废气涡轮增压器存在滞后现象，导致进气延迟，随着负荷的增大，喷油量逐渐增大，因此缸内空燃比急剧下降，燃烧发生恶化；另外由于进气充量的减少导致进气压力降低，降低了缸内混合气的湍动能，削弱了油气混合速率和扩散燃烧速率，导致炭烟的后期氧化能力下降，烟度急剧升高[15]。柴油机瞬态加载过程中缸壁温度存在热惯性，响应滞后，温度上升缓慢，导致瞬变过程中传热损失增加，影响燃油蒸发、雾化和油气混合过程，这也是造成瞬态加载过程中燃烧与排放性能恶化的一个重要原因[12,14]。因此，本研究采用多段加载策略，在加载到50%负荷处停滞一定时间以改善缸内较差的热氛围及涡轮增压器滞后的状态，之后再继续加载，达到优化燃烧、降低排放的目的。

2.2 加载停滞时间对排放性能的影响

图3示出了加载停滞时间对排放性能的影响。从图中可以看出：策略1与匀速加载策略的排放值持平；策略2～4能够较大幅度地降低烟度和CO峰值，且加载停滞时间越大，排放性能越好。其中策略4的烟度和CO峰值最小，相较匀速加载策略分别降低了20.8%和38.32%，但NOx排放值略有增加。这是因为柴油机瞬态加载过程中废气涡轮增压器响应延迟，进气量滞后，导致扭矩响应滞后，烟度恶化。而较大的第一段加载率(665 N·m/s)能够充分利用瞬变初期缸内充足的空气量，提高涡轮机初期获得的能量(见图4)，增强涡轮增压器的做功能力，缩短涡轮增压器的响应时间，改善加载过程后期缸内燃烧缺氧的状态，同时提高发动机瞬变前期扭矩响应性能；加载停滞时间增大后，改善了第一段加载过程中缸内热力状态不断滞后的状态(在加载停滞阶段，缸壁热量不断累积，热力状态不断上升，缩短了响应时间)，提高了燃油蒸发和雾化质量，缸内油气混合更为均匀，这使得缸内的燃烧速率增加、燃烧温度升高(有利于炭烟的后期氧化)，因此NOx排放增加，烟度值和CO降低。

图4示出了加载策略对进排气性能的影响。从图中可以看出：较大的第一段加载率能提高第一段加载过程的排气能量，进而提高进气压力，但由于瞬变初期进气滞后，供油量较大，导致缸内空燃比急剧下降；加载停滞时间越长，第二段加载过程中缸内空燃比越大(见图5)，表明采取加载停滞措施能够缓解缸内空燃比急剧下降的趋势，且加载停滞时间越长，效果越好。

这是因为加载停滞时缸内热力状态不断上升，燃油蒸发、雾化和混合较好，且加载停滞阶段供油速率保持不变，涡轮增压器转速不断提高，进气压力不断增大，第二段加载过程中进气滞后程度缩小，缸内油气混合更为均匀，因此缸内空燃比较大。

从图5中可以看出，由于第一段加载过程加载率一致，空燃比下降趋势一致，但经过加载停滞阶段，由于加载停滞时间不同，加载过程后期(第二段加载率相同)空燃比下降趋势出现了明显的不同。随着加载停滞时间的增长，加载过程后期空燃比下降趋势较为缓和，表明采取加载停滞措施能够使得缸内油气混合较为均匀，缓解加载过程后期空燃比急剧下降的趋势。

为了更好地说明加载停滞时间与缸内空燃比的关系，定义了空燃比下降加速度a来表征第二段加载过程中缸内空燃比的下降趋势，a越小表明缸内油气混合越均匀。

具体公式如下：

式中：a为空燃比下降加速度；λstar为第二段加载过程开始时缸内空燃比；λend为第二段加载过程结束时缸内空燃比；Δt为第二段加载过程所用时间，由于多段加载策略第二段加载过程加载率相同，因此Δt为3.3 s，而匀速加载策略第二段加载过程开始时刻为6.2 s。

图6示出了加载策略对第二段加载过程空燃比下降加速度的影响规律。从图中可以看出，策略1与匀速加载策略的空燃比下降加速度基本相同，而策略2～4的空燃比下降加速度明显小于匀速加载策略，且随着加载停滞时间的增大，空燃比下降加速度逐渐减小。表明加载停滞时间越长，加载过程后期缸内空燃比下降趋势越缓和，油气混合越均匀。

2.3 加载停滞时间对燃烧参数的影响

瞬态加载过程中θCA10和θCA50均发生不同程度的滞后，主要原因是瞬变过程存在进气延迟和缸内热力状态滞后的现象[15]。

图7示出了加载停滞时间对燃烧参数的影响。从图中可以看出，在第一段加载过程中，相比匀速加载策略，多段加载策略的θCA10和θCA50发生滞后，而第二段加载过程中θCA10和θCA50相比匀速加载策略提前，且随着加载停滞时间的增长，提前程度变大。这是因为第一段加载过程中供油量较大，而瞬变初期缸内温度较低，燃油蒸发、雾化及混合质量较差，加之进气滞后，且加载率越大，进气滞后程度越严重，导致油气不匹配，造成混合不均匀，富油区增多，因此第一段加载过程中θCA10和θCA50相较匀速加载策略发生滞后。在加载停滞阶段，供油速率保持不变，但涡轮机转速不断提高，进气量不断增加，减小了第一段加载过程中供气滞后于供油的程度，缓解了第二段加载过程中缸内空燃比下降的趋势；加载停滞时间越长，第二段加载过程中缸内热力状态滞后程度越小，燃油蒸发、雾化质量越高，油气混合越均匀，加之第二段加载过程中进气压力大，提高了缸内的湍动能，燃烧速率变快，因此，第二段加载过程中，滞燃期缩短，燃烧重心更靠近上止点。

从图7中也可以看出，多段加载策略与匀速加载策略的θCA10在加载过程前期存在交叉点，这是因为在加载过程初期，虽然空燃比降低，但缸内绝对空燃比大，空气量充足，因此，加载过程前期增加喷油量可以使缸内混合气浓度更早达到着火条件，θCA10与θCA50比匀速加载策略更靠近上止点，因此在瞬变过程前期出现交叉；但随着加载过程的进行，进气迟滞以及喷油量的增多使得缸内空燃比急剧下降，油气混合不均匀，导致θCA10和θCA50滞后比匀速加载策略滞后。

从宏观来看，第二段加载过程中θCA10与θCA50相比匀速加载策略更靠近上止点，但由于试验发动机运行状态存在一定的波动，因此从曲线中看出并不是完全提前。而且从图中可以看出出现波动的曲线是加载停滞时间较短的策略，这也从侧面说明加载停滞对于加载过程后期的燃烧优化具有一定效果，且加载停滞时间长短影响较大。

3 结论

a) 采用先快后慢的多段加载策略能够充分利用瞬变初期缸内充足的空气量，并提高瞬变初期涡轮机获得的能量，增强了涡轮增压器的做功能力，改善了加载过程后期缸内燃烧缺氧的状态；

b) 加载停滞时间越长，第二段加载过程中缸内热力状态滞后和进气延迟程度越小，第二段加载过程中θCA10和θCA50延后程度越低，当加载停滞时间为2 s时，烟度和CO峰值最小，相较匀速加载策略分别降低了20.8%和38.32%，空燃比下降加速度最小，为2.44。

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[编辑： 姜晓博]

Effects of Loading Stagnation Time on Diesel Engine Performance under Transient Operations

DING Yunlong, LIU Zhongchang, ZHANG Longping, TIAN Jing, NIU Jixiang

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control of Jilin University, Changchun 130025, China )

In order to improve the deterioration of combustion and emissions in transient loading process, the first fast and then slow multi-stage loading strategy was researched on a turbocharged inter-cooling diesel engine with transient measurement and control system to analyze the influence of loading stagnation time onθCA10,θCA50, soot, CO and NOxemissions. The results show that longer loading stagnation time can lead to better emission performance compared with the uniform loading strategy. The peak of soot and CO decreases by 20.8% and 38.32% respectively, but the NOxemission increases slightly. In the second loading stage, the delay ofθCA10andθCA50decreases. And the in-cylinder fuel-air ratio drops more steadily during the later loading period.

turbocharged diesel engine; transient operation; loading strategy; emission; combustion phase

2014-12-26；

2015-01-20

国家重大基础研究发展规划资助项目(973项目)(2013CB228402)；国家自然科学基金资助项目(51206060);吉林大学研究生创新基金资助项目(2014015)

丁云龙(1991—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机公害与控制；1084910249@qq.com。

刘忠长(1956—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为内燃机公害与控制；liuzc@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.03.005

TK421.5

B

1001-2222(2015)03-0022-05