可变喷嘴涡轮增压共轨柴油机控制参数及性能不同海拔特性研究

邹永杰，万明定，申立忠，吴 涛，王正江

（1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2.昆明云内动力股份有限公司，昆明 650200）

0 概述

中国地形地势变化复杂，海拔高度在1 000 m和2 000 m 以上的高原区域分别占全国陆地总面积的58% 和33%［1］。当柴油机在高原地区运行时，空气密度减小，柴油机进气量降低，导致燃烧恶化、动力性和经济性下降、排气温度升高及排放恶化等一系列问题［2-4］。

为提高高原环境下柴油机动力性，国内外研究者提出了多种改善柴油机性能的方法。文献［5］中针对一款小型农用柴油机，在2 000 m 海拔下计算匹配增压器，并研究了0 m、2 000 m 和4 000 m 海拔下柴油机性能的变化规律。研究结果表明：有针对性地对高原环境下的柴油机进行增压匹配，能够有效保证柴油机的高原性能，提高柴油机的高原适应性。文献［6］中以柴油机变海拔功率恢复为目标，研究了不同海拔环境下柴油机涡轮增压系统匹配，同时确定了废气旁通阀的控制策略。文献［7］中建立了柴油机变海拔自适应增压系统，研究了不同海拔下柴油机性能变化规律。研究结果表明：采用可变截面增压器可以改善柴油机高海拔性能下降问题，并解决柴油机在高海拔低速工况下不能工作、增压器喘振等问题。文献［8］中研究了可调两级涡轮增压对柴油机性能的影响，结果表明与采用单级涡轮增压器相比，采用两级涡轮增压能有效改善不同海拔下柴油机动力性和经济性。

除了优化增压系统外，文献［9-10］中研究了在高原环境下不同供油参数调整方法对柴油机功率恢复的影响。研究结果表明：4 500 m 海拔下，通过提前角和供油量联合调整的方法可将柴油机标定功率恢复至平原的75%；采用遗传算法进行优化后，柴油机的功率可提高22.7%，有效燃油消耗率降低6.4%。文献［11］中研究了不同海拔条件下柴油机最大转矩转速点在全负荷和部分负荷工况下喷油提前角、共轨压力及循环喷油量对柴油机燃烧特性与性能的影响规律。研究结果表明：全负荷工况下，随着喷油提前角增加，最高燃烧压力和最大压力升高率增大；部分负荷工况下，有效燃油消耗率随共轨压力增加而降低，随循环喷油量增加，转矩、排温和缸内压力均逐渐增大。文献［12］中采用多项式模型，建立了柴油机喷油参数与柴油机性能优化目标之间的对应关系，实现了基于模型的柴油机喷油参数虚拟标定，得到了不同海拔下基于优化目标的柴油机最佳喷油参数。

虽然通过优化增压系统或喷油系统能有效改善高原环境下柴油机的性能，但柴油机控制的目标是协调优化空气系统和喷油系统控制参数使柴油机性能达到最优，因此结合增压系统和喷油系统综合优化的油气协调控制是实现不同海拔下柴油机功率恢复的主要措施［13-15］。为此，以带可变喷嘴涡轮增压器（variable nozzle turbocharger，VNT）和排气再循环（exhaust gas recirculation，EGR）的高压共轨柴油机为研究对象，利用大气压力模拟系统，在满足缸内压力、增压器转速和排气温度限制的前提下，通过增压压力、喷油参数协同控制的综合优化方法，对0 m、1 000 m、2 000 m 和2 400 m 海拔下柴油机全负荷动力性进行了标定试验，分析了不同海拔下柴油机控制参数、性能及排放变化规律，以期为高原环境下柴油机性能优化和排放控制提供参考。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

试验用柴油机为一款满足国六排放标准的增压中冷直列4 缸高压共轨柴油机，其主要技术参数如表1 所示。设备仪器包括AVL Dynoroad 202/12 交流电力测功机、AVL PUMA 测控系统、AVL 735S 柴油质量流量计、AVL 753C 柴油温控系统、大气压力模拟系统、BOSCH 可标定柴油机电子控制单元（electronic control unit，ECU）、ES590、INCA 标定软件等，主要参数见表2。试验台架布置如图1 所示。

图1 台架布局图

表1 柴油机主要技术参数

表2 主要设备参数

1.2 试验方案

柴油机工况为1 000 r/min～3 200 r/min 转速范围内每间隔200 r/min 转速下的全负荷工况。

海拔变化控制工况为试验当地海拔2 000 m下。当试验海拔为0 m 和1 000 m 时，通过大气压力模拟系统和排气背压阀模拟柴油机进排气环境。当试验海拔为2 400 m 时，通过进气节流和排气抽负压模拟柴油机进排气环境。

通过可标定ECU、ES590 和INCA 标定软件，调节柴油机增压压力、主喷正时、喷油压力、喷油量等参数。

试验过程中，通过燃烧分析仪、增压器转速传感器和温度传感器等实时监控柴油机缸内压力、增压器转速和涡前温度等参数。试验用柴油机空气系统采用基于进气歧管压力的闭环控制方式，ECU 根据目标进气歧管压力（增压压力）调节VNT 开度。因此，不同海拔下进行增压匹配时，根据工况直接给定目标增压压力，ECU 自动调节VNT 开度；为保证不同海拔下柴油机全负荷的最大动力输出，EGR 阀关闭，不进行EGR。

2 控制目标及约束条件

当柴油机在高原地区运行时，由于压气机压比和涡轮膨胀比增大，导致增压器运行点往高压比、高速方向移动，增压器有效运行区域变窄，容易出现柴油机低速时喘振、高速时超速的危险［16］。因此，进行高原环境下柴油机动力性优化时，首先需要保证增压器不喘振和超速。高原环境下提前喷油正时和增大轨压可以提高燃烧热效率和转矩，并降低涡前温度，但提前喷油正时会导致最大缸内压力增大。因此，调整喷油正时需保证最大缸内压力不超过机械设计极限范围。此外，由于高原环境下柴油机进气量降低，过大的喷油量会导致增压器超速和涡前排温超限及柴油机冒黑烟，因此还需进行喷油量控制。

综上所述，不同海拔下以动力性为目标对柴油机性能优化时，需在增压器转速、缸内压力和排气温度及烟度限值等限制条件下进行。本研究中在对高原环境下柴油机动力性进行标定时，以转矩作为优化目标。给定工况下动力性优化问题可由式（1）表示。

式中，Fobj为目标控制量；neng为柴油机转速；mfuel为循环喷油量；pint为增压压力；φinj为喷油正时；pinj为喷油压力；Ttrq为转矩。

同时，根据增压器转速、缸内压力、排气温度和烟度限值要求，进行不同海拔下柴油机动力性优化时，需满足式（2）所示的约束条件。

式中，ntrb为增压器转速；pcyl，max为最大缸内压力；Texh为排气温度；λ 为过量空气系数，体现了烟度限值。

3 结果与分析

3.1 不同海拔下增压压力优化

为提高高原环境下柴油机的动力输出，需通过增压匹配及增压压力优化提高增压压力，增大进气量。然而，不同海拔下，增压器匹配及增压压力优化时，需要保证增压器具有一定的喘振和超速裕度，防止增压器发生喘振及超速。图2 为不同海拔下增压压力优化后柴油机与压气机联合运行曲线。由图2可以看出：不同海拔下，增压器均具有一定的喘振和超速裕度。在最大转矩转速以上的转速区域内运行点都位于压气机的高效运行区。这不仅保证了增压器不超速，还在较大程度上保证了柴油机最佳动力输出。

图2 不同海拔下柴油机与压气机联合运行曲线

图3 为不同海拔下增压压力和过量空气系数的变化规律。由图3 可以看出：随着海拔升高，增压压力与过量空气系数均减小。在最大转矩转速范围内，当海拔从0 m 升高到1 000 m 时增压压力平均减小0.016 MPa，当海拔从1 000 m 升高到2 000 m时平均减小0.019 MPa，当海拔从2 000 m 升高到2 400 m 时平均减小0.015 MPa。在标定功率工况点，当海拔从0 m 升高到1 000 m 时增压压力减小0.015 MPa，当从1 000 m 升高到2 000 m 时减小0.019 MPa，当海拔从2 000 m 升高到2 400 m 时减小0.018 MPa。这主要是由于：理论上减小VNT开度能有效提高增压压力，但随VNT 开度减小，增压器转速升高，容易出现柴油机高速时增压器超速而低速时喘振问题。同时，过小的VNT 开度会导致柴油机泵气损失过大，进而导致柴油机动力性下降［17］。为防止增压器超速和喘振及优化不同海拔柴油机泵气损失所采取的措施造成增压压力随着海拔高度升高而逐渐减小。由于海拔升高导致增压压力降低，进而造成进气量下降，因此随着海拔升高，过量空气系数降低。当海拔高于2 000 m 时，2 400 r/min 以下转速的过量空气系数达到了1.26，这是根据进气量进行喷油量控制以满足烟度限值的结果。

图3 不同海拔下柴油机增压压力与过量空气系数变化

3.2 不同海拔下喷油系统参数优化

为改善高原环境下柴油机燃烧，提高动力性，除了需要优化增压以提高进气量外，还需调整喷油系统控制参数。为防止缸内压力和排气温度超标，喷油正时、轨压和喷油量需要协调控制，以保证高原环境下柴油机动力输出。

图4 为不同海拔下喷油参数协调控制后喷油量变化规律。由图4 可以看出：为满足缸内压力、排气温度和烟度限值要求，随着海拔升高，循环喷油量逐渐降低。在最大转矩转速范围内，海拔从0 m 升高到1 000 m 时循环喷油量平均减小1.32 mg，从1 000 m升高到2 000 m 时循环喷油量平均减小2.63 mg，从2 000 m 升高到2 400 m 时循环喷油量平均减小2.09 mg。在标定功率工况点处，海拔从0 m 升高到1 000 m 时循环喷油量减小1.21 mg，从1 000 m 升高到2 000 m 时循环喷油量减小2.94 mg，从2 000 m升高到2 400 m 时循环喷油量减小1.58 mg。柴油机高速尤其是最大功率转速工况下为了防止排气温度超标，循环喷油量随着海拔升高而降低；柴油机在低转速时为了满足烟度限值的要求，循环喷油量随着海拔升高而降低。综上，为满足排气温度、烟度限值等要求，随着海拔高度升高，喷油量逐渐降低，且海拔高度越高，循环喷油量降幅越大。

图4 喷油量随海拔的变化

图5 为不同海拔下喷油参数协调控制后柴油机喷油正时变化规律。由图5 可以看出：随着海拔的升高，喷油提前角逐渐提前。在最大转矩转速范围内，当海拔从0 m 升高到1 000 m 时喷油提前角平均增大1.01°，海拔从1 000 m 升高到2 000 m 时平均增大0.92°，海拔从2 000 m 升高到2 400 m 时平均增大2.09°。在标定功率工况点，当海拔从0 m升高到1 000 m 时喷油提前角增大1.79°，海拔从1 000 m 升高 到2 000 m 时增大0.92°，从2 000 m升高到2 400 m 时增大1.05°。这主要是由于高原环境下，柴油机进气降低，滞燃期延长，燃烧恶化，导致柴油机动力下降。通过提前喷油正时使燃烧过程提前，燃烧放热过程更加接近上止点，能够有效提高柴油机的输出转矩。然而喷油正时提前会导致最大缸内压力显著增大，因此提前喷油正时需考虑最大缸内压力的限值要求。

图5 主喷正时随海拔的变化

提高共轨压力可以改善燃油雾化质量和缸内混合气的分布，从而提高缸内的燃烧速率，在一定程度上提高柴油机的转矩输出［18］。图6 为不同海拔下喷油参数协调控制后柴油机喷油压力变化规律。由图6 可以看出：不同海拔下轨压相差较小，在某些转速下随着海拔升高甚至出现轨压小幅降低的情况。

图6 轨压随海拔的变化

不同海拔下空气系统和喷油系统协调控制不仅需要保证柴油机的动力性和经济性，还需要严格控制缸内压力和排气温度以保证柴油机的耐久可靠性。图7 为通过协同控制增压压力、喷油参数及喷油量后，不同海拔高度下涡前温度和最大缸压的变化规律。由图7 可以看出：不同海拔下，最大缸内压力和排气温度均在限值允许范围。同时，为尽可能提高高原环境下柴油机动力性，1 000 m 以上海拔下中高转速时的最大缸内压力均达到了极限值。

图7 涡前温度和最大缸压随海拔的变化

3.3 不同海拔下性能和排放变化规律

图8 为不同海拔下通过增压和喷油协调控制后柴油机动力性变化规律。由图8 可以看出，随着海拔高度升高，柴油机动力下降。与0 m 海拔相比，海拔1 000 m 时的最大转矩和最大功率分别降低9.5 N·m 和0.54 kW，降低幅度分别为2.71% 和0.57%；海拔2 000 m 时的最大转矩与最大功率分别降低23.7 N·m 和3.09 kW，降低幅度分别为6.76% 和3.24%；海拔2 400 m 时的最大转矩与最大功率分别降低39.1 N·m 和10.39 kW，降低幅度分别为11.16% 和10.90%。此外，当海拔高于2 000 m 时，柴油机最大转矩转速范围变窄。造成随海拔升高柴油机动力性降低的主要原因是：一方面，随着海拔升高，柴油机过量空气系数减小，燃烧恶化，后燃比例增大，燃油燃烧做功比例减小，导致柴油机动力性降低。另一方面，随着大气压力持续降低，为防止增压器转速、涡前排温超限及柴油机冒烟，对高海拔环境下的循环喷油量进行了限制，直接导致功率和转矩降低。

图8 不同海拔下柴油机外特性转矩和功率变化

图9 为不同海拔下经增压和喷油协调控制后柴油机动力性变化规律。由图9 可以看出：随着海拔升高，柴油机比油耗逐渐增大，经济性恶化，不同海拔下最低比油耗均出现在2 000 r/min。与0 m 海拔相比，海拔1 000 m 时的最低比油耗和最大功率比油耗分别增大4.41 g/（kW·h）和1.12 g/（kW·h），增幅分别为2.13%和0.51%；海拔2 000 m 时的最低比油耗和最大功率比油耗分别增大9.54 g/（kW·h）和3.80 g/（kW·h），增幅分别为4.62% 和1.74%；海拔2 400 m 时的最低比油耗和最大功率比油耗分别增大11.62 g/（kW·h）和4.99 g/（kW·h），增幅分别为5.62% 和2.29%。造成这种现象的主要原因是：随着海拔升高，柴油机进气量降低，过量空气系数减小，造成燃烧恶化，后燃比例增大，进而导致柴油机经济性恶化，比油耗增大。

图9 不同海拔下柴油机外特性小时油耗和比油耗变化

图10 为不同海拔下NOx排放和烟度变化规律。由图10 可以看出：当转速低于2 000 r/min时，随海拔升高NOx的排放逐渐降低，而当转速高于2 000 r/min 时NOx的排放量随海拔的升高明显增加；随着海拔高度升高，烟度逐渐增大，尤其是当转速低于1 800 r/min 时烟度大幅增大。NOx的生成主要受氧浓度和温度影响。柴油机低速时缸内燃烧温度偏低，且随着海拔高度过量系数降低，导致氧浓度降低，抑制了NOx的生成。即使在某些工况下过量空气系数相同，但高原环境下喷油量降低在一定程度上造成缸内燃烧温度降低，同样抑制了NOx的生成。因此，柴油机低速时，NOx排放随海拔升高而降低。随着柴油机转速增大，缸内燃烧温度逐渐增大，此时NOx的生成主要受燃烧温度控制，而随着海拔高度升高，喷油正时提前，提高了高原环境下柴油机缸内燃烧温度，因而造成高原环境下NOx排放增加［19］。

图10 不同海拔下柴油机外特性NOx排放和烟度变化

烟度随着海拔升高增大的主要原因在于：随着海拔升高，柴油机过量空气系数降低，缸内混合气变浓，碳烟生成量增大，烟度增大。在相同过量空气系数情况下，高原环境下进气量降低，进气门处气体流速降低，造成缸内气流运动减弱，缸内局部混合气过浓情况加剧，这种情况在低速时更为明显，加剧了碳烟生成，造成高原环境下（尤其是高原低速时）烟度显著增大。

4 结论

（1）随着海拔升高，柴油机增压压力降低，进气量减少，燃烧恶化，导致动力性、经济性恶化，排气温度升高。试验过程中，随着海拔的升高，增压压力与过量空气系数均减小，喷油提前角增大，喷油量减小，不同海拔下轨压相差较小。

（2）综合调整目标增压压力和喷油系统参数后，随着海拔的增加，最大转矩和最大功率有所降低，最低比油耗和最大功率比油耗有所增加。与0 m 相比，1 000 m、2 000 m、2 400 m 海拔下的最大转矩分别降低2.71%、6.67%、11.16%；最大功率分别降低0.57%、3.24%、10.09%；最低比油耗分别增加2.13%、4.62%、5.62%；最大功率比油耗分别增加0.51%、1.74%、2.29%。

（3）NOx排放随海拔升高的变化与柴油机工况有关，当转速低于2 000 r/min 时，随海拔升高，NOx排放逐渐降低；当柴油机转速高于2 000 r/min 时NOx排放量随海拔的升高明显增加。烟度随着海拔升高而增大，尤其在柴油机低速时显著增大。