基于GT-power的两级增压可变气门柴油机排放和燃烧简述

徐金源

（长安大学，陕西 西安 710064）

柴油发动机在早期主要应用于农业机械领域。随着柴油机相关技术的发展与成熟，现代柴油机采用了高压共轨，涡轮增压中冷，EGR，VVT等技术在排放、体积、重量、性能、油耗、噪声等方面都有了很大的突破，达到了汽油机的水平，已完全能够满足日益严格的排放法规的要求，在汽车领域得到了广泛的应用。

1 内燃机增压技术

内燃机增压技术主要分为机械增压，废气涡轮增压和复合增压三种。机械增压系统，依靠曲轴传递的动力来驱动增压器进行压缩空气，具有动力输出流畅，瞬态工况下响应快的优点。但是由于机械增压需要耗费机械功，因此机械效率会降低，而且其只能增加有限的增压压力，所以现在单纯的机械增压运用的越来越少，一般用于低增压发动机或者与涡轮增压组成复合增压系统［1］。

2 可变气门正时技术

发动机可变气门正时（Variable Valve Timing，简称VVT）技术，在提升发动机动力性和经济性方面有重要影响。基于其他传统净化措施，采用VVT技术可以进一步降低内燃机多工况下的排气汚染物。

对于柴油机，VVT可以用来降低排放。进气门早关（Early Intake Valve Closing， EIVC）可使在压缩过程中的返流降低或消失，泵气损失降低。减少了进气量，降低了压缩过程中温度和压力，降低了NOx排放。而进气门晚关（Late Intake Valve Closing，LIVC）在压缩过程中一部分气体返流进入进气管。泵气损失降低，返流导致进气减少，压缩过程中温度和压力降低，NOx降低。EIVC和LIVC对于降低缸内排放具有相似的效果。

3 两级增压柴油机模型的建立

3.1 仿真软件的简介

GT-SUITE软件是由美国的Gamma Technologies公司开发的，是针对汽车，内燃机及零部件的模拟软件。涵盖了汽车，内燃机、燃油供给系统、冷却系统、曲轴机构、配气机构等六个方面，是内燃机制造公司和汽车厂非常理想的CAE工具。该软件主要包括了以下几个模块：GT-POWER、GT-DRIVE、GT-COOL、GTFUEL；GT-CRANK和GT-VTRAIN，这六个模块可以进行完全的耦合计算［3］。

3.2 相关模型的建立

启动GT-ISE，创建新模型，调出摸板库，选择Window/Tile With Template Library，通过复制粘贴选择相关的模板，定义进口环境和指针变量“air”定义柴油机进排气管和气道定义气缸：双击模型管理器中的“Eng Cylinder”，点击其中的绿色字体进行指针变量的设计。从上往下，分别为壁温实体，流动实体，传热实体，燃烧实体。定义曲轴箱：双击模型管理器中的“EngCrankTrain”，并输入相关参数。设置气缸点火顺序，定义喷油器：双击模型管理器中的“InjProfileConn”，并输入相关参数，定义进排气门：进双击模型管理器中的“ValueCamConn”，并输入相关参数，在建模区域内分别放置各个部件，并连接成单缸机，在单缸机的基础上进行复制粘贴，形成四缸机，并进行连接。

3.3 添加附加模型

为基本的四缸柴油机匹配中冷器，两级增压，以及旁通阀。两级增压的部分参数，在高压级涡轮机前加一个旁通阀，分别设置“Compressor”、“Turbine”、“ShaftTurbo”等模块的相关参数。最后基于进排气系统将所有的模型链接：设置运行参数，点击“Run”中的“Case Setup”来设置相关参数，点击“strat simulation proprpcessing”进行预运算，查看是否有错误，若无错误，再点击“strat simulation”进行运算，查看结果。

4 两级增压与进气门早关对燃烧和排放的影响

增压器的选择要符合发动机的性能，匹配状况良好的情况下，压气机的运行Map图要在高效率区［2］。通过研究数据，在固定喷油量的情况下，随压缩比的增大，NOx排放量逐渐上升，CO和HC排放量逐渐减少。在中小负荷下，随着进气门关闭时间的提前，功率逐渐上升，BSFC逐渐下降，排放污染物除了CO外均在逐渐下降，CO在高转速下，排放量也会有下降趋势，所以在中小负荷下合理的进气门早关角度，对于降低排放污染物浓度，优化燃烧有很大的影响。

5 结论

1.在喷油量固定的情况下，随着增压比的变大，最高燃烧压力明显上升。对于排放物，主要是氧气量的影响，进气量增多，燃烧更加充分，NOx生成量上升，CO和HC排放量逐渐减少。但是两级增压造成了燃烧压力大幅上涨，这对气缸损害加深。所以可以匹配EIVC技术，降低燃烧的最高燃烧压力。

2.在小负荷工况下，随着进气门关闭时刻的提前，气缸内的最高压力明显下降，而最高燃烧温度也呈上升趋势。气缸内压力明显上升的原因是进气门越早关，有效压缩比越小，压缩终点的压力和温度减小，滞燃期增长，随着进气门关闭时刻的提前，缸内着火放热的相位逐渐后移，这些因素是引起燃烧过程中缸内压力变小的原因。而滞燃期的增长，使得着火推迟，这就意味着在滞燃期内混合均匀燃料增加，工质总热容降低，使得气缸内气体温度増加，温度上升的另一个原因是由于进气减少，排气所带走的热量也随之减少，使得缸内温度升高。综上所述，意味着采用合理的EIVC能够改变着火放热相位，可以使点火推迟，缸内混合气混合更加均匀，提高了燃烧效率，实现优化燃烧。

3.在小负荷工况下，对于排放污染物来说，随着进气门关闭时刻的提前，NOx和HC均呈现下降的趋势，对于CO来说，在高转速下，CO有下降的趋势，在中低转速下，CO呈现上升的趋势，但是总的趋势来看，CO排放量呈现上升趋势。