压端与涡端旁通对Soot排放差异的影响研究

摘要： 针对WP12重型柴油机，试验研究了两级增压系统中压端与涡端旁通引起的滞燃期、峰值缸温、燃氧当量比差异导致的Soot排放差异。结果表明，两种不同的旁通方式可以达到近乎相同的进气压力，在本试验工况下，压端旁通Soot排放要明显高于涡端旁通Soot排放，其Soot排放差异随进气压力的增大先增加后减少。涡端旁通滞燃期比压端旁通滞燃期更长，但滞燃期差异变化很小，且与Soot排放差异相关系数较低，为0.35。压端旁通峰值缸温要明显高于涡端旁通峰值缸温，在高进气压力下，峰值缸温差异对Soot排放差异作用更显著，且峰值缸温差异与Soot排放差异相关系数最大，为0.95。压端旁通燃氧当量比要高于涡端旁通燃氧当量比，说明涡端旁通可以拥有更大的进气流量，在低进气压力下，燃氧当量比差异对Soot排放差异作用更显著，且燃氧当量比差异与Soot排放差异相关系数较大，为0.75。

关键词： 两级增压；旁通阀；碳烟；滞燃期；峰值缸温；燃氧当量比

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.004

中图分类号： TK427" 文献标志码： B" 文章编号： 1001 ２２２２（２０25）０1 ００27 ０7

随着能源与环境问题日益突出以及排放法规的日益严格^{［1 2］}，实现柴油机高效清洁燃烧不仅是现实之要也是众人之望。两级增压技术能够使发动机拥有较宽的流量特性、达到较高的增压比，从而显著地拓展其运行边界并降低排放^{［3 4］}。可调式两级增压系统中压端与涡端的旁通阀可以实现对高、低压级涡轮增压器的能量与流量的调节^{［5 7］}，使得增压压力能够满足柴油机全工况条件下的需求^［8］，从而提升柴油机性能。

张文强^［9］通过试验研究了涡端旁通阀对柴油机排放的影响，结果表明：在涡端旁通阀开启时柴油机获得的新鲜空气量充足与否会影响Soot的排放。Sunyoup LEE等^［10］采用两级增压系统，在高进气压力下对一多缸发动机采用高压缩天然气进行了RCCI燃烧和排放的试验研究，结果表明：当量比为0.65时，在最高进气压力和一定EGR率的情况下有着更好的CO排放，并且进气条件与颗粒物排放之间存在强相关性。李鲁宁^［11］建立了带高压EGR的单级及二级增压柴油机性能测试平台，研究了EGR耦合不同增压方式对发动机排放特性的影响，结果表明：随着进气量增大，缸内局部过浓区域减少，能够降低发动机各模态下排放的微粒数量。韩志强等^［12］通过调整涡端旁通阀对两级增压系统的能量比例进行了分配，探究了涡端旁通阀开度对柴油机排放的影响，结果表明：随着涡端旁通阀的开启，低转速时发动机进气量减少，排放恶化，高转速时存在排放变化不大的折中点。陈贵升等^［13］在一台电控高压共轨柴油机上，采用单级增压、两级增压和可变几何截面增压3种增压方式，进行了EGR的燃烧与排放试验研究，结果表明：大负荷等EGR率时，两级增压方式NOx排放量较高，Soot与HC排放量较低。黄粉莲等^［14］提出一种带有废气旁通阀的两级增压匹配方案，通过高原环境模拟试验台架，研究海拔对增压系统运行参数的影响，结果表明：随着海拔升高，柴油机CO，THC，NOx排放量升高，动力性和经济性下降。刘忠长等^［15］在一台搭载可调两级增压系统的重型柴油机上，研究了不同旁通阀开度对排放特性的影响，结果表明：转速与工况的改变会导致NOx排放出现不同的变化趋势，随着旁通阀开度增加，在低转速小负荷工况下NOx排放量降低，在中高转速小负荷工况下NOx排放量增加，在中高负荷工况下NOx排放量降低。

上述学者采用两级增压系统分析了其对发动机排放等方面的影响，但对于压端旁通与涡端旁通两种旁通方式对发动机造成的差异进而导致的Soot排放差异还鲜有研究。尽管两级增压系统中通过调整压端旁通阀开度与涡端旁通阀开度均可得到近乎相同的进气压力，但两种旁通方式在控制策略和作用机制上存在差异，这些差异最终会影响缸内燃烧状态，从而导致不同的Soot排放。滞燃期的长短直接影响缸内混合气浓度、分布以及燃烧过程的剧烈程度，峰值缸温则直接关系到燃烧效率和燃烧产物的生成特性，燃氧当量比影响燃烧过程中的氧化反应程度，进而影响Soot的生成和排放。为了研究两种旁通方式对Soot排放的影响差异，本研究将导致Soot排放差异（Δφ（Soot））的主要原因分为滞燃期差异（Δτi）、峰值缸温差异（ΔTmax）和燃氧当量比差异（Δα），均为压端数据减去涡端数据得到的差值。试验通过改变涡端与压端的旁通阀开度，使得两种旁通阀在不同开度下进气压力一致，探究滞燃期、峰值缸温、燃氧当量比对Soot排放的影响差异，并提出影响关联程度的强弱关系。

1 试验装置和方法

试验所采用的发动机是潍柴蓝擎WP12重型柴油机，其主要技术参数如表1所示。在原机的基础上，对柴油机进排气系统重新匹配了满足流量需求的可调式两级增压装置，并对其旁通通道及相关连接管路进行重新设计。如图1所示，可调式两级增压系统由两个不同尺寸的涡轮增压器串联布置而成，高压级采用小增压器，低压级采用大增压器，在高压级增压器涡轮端和压气机端带有旁通阀。废气从排气歧管出来以后汇集到排气总管，经高压级涡轮增压器，将废气的热能和动能转化为高压级涡轮增压器的动能，然后通过同轴旋转将动能转移到高压级压气机，压气机将动能转化为压力能，对从进气管流入的气体做功，实现进气第二级增压。随后废气进入低压级涡轮增压器，同样原理，实现进气第一级增压。在第一级增压与第二级增压之间、第二级增压与进气歧管之间都有相应大小的中冷器冷却增压后空气。与高压级涡轮并联的涡端旁通阀可以使部分废气不流经高压级涡轮即可到达低压级涡轮，减少高压级增压器分配的气体能量，此时高压级压气机的流量特性曲线朝着喘振线方向移动，由此调节进气流量和等熵效率，从而降低进气压力。同理与高压级压气机并联的压端旁通阀可以使部分新鲜空气不流经高压级涡轮即可直接进入进气歧管，而高压级增压器压气机端旁通阀门打开时，高压级压气机出口气体与旁通阀之间形成一个气流流动循环，旁通阀开度越大，参与循环气体也就越多，此时高压级压气机的流量特性曲线向阻塞线方向移动，以此调节进气流量和等熵效率，通过该方式同样可以降低进气压力。

本试验转速为1 900 r/min，负荷为50%，EGR率为8%，高压共轨压力为160 MPa，采用两次喷射的方式，主喷定时为7.5° ATDC（85%油量），后喷定时为32° ATDC（15%油量），试验时压端旁通与涡端旁通的开度变化如表2所示。试验测试设备如表3所示，Soot数值采用AVL415烟度计测得的烟度值换算得到，其换算公式^［16］为

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

式中：SF为烟度计测试的烟度值； mair为进气流量； mfuel为柴油机燃油消耗量；Pi为发动机功率。

2 结果分析

图2示出进气压力对Soot排放量的影响差异。随着压端旁通阀开度增加，进气压力从0.318 MPa降低至0.282 MPa，Soot排放量随进气压力的增加而减小，且在相同进气压力差值下，进气压力越高Soot减少的趋势越明显。当进气压力为0.318 MPa时Soot排放量最低，为0.017 6 g/（kW·h），当进气压力为0.282 MPa时Soot排放量最高，为0.022 4 g/（kW·h）。随着涡端旁通阀开度增加，进气压力同样从0.318 MPa降低至0.282 MPa，与压端旁通不同的是，在相同进气压力差值下，随着进气压力升高Soot减少的趋势减缓，当进气压力为0.318 MPa时Soot排放量最低，为0.013 3 g/（kW·h），进气压力为0.282 MPa时Soot排放量最高，为0.016 6 g/（kW·h）。进一步分析可知，在相同进气压力下，相比采用压端旁通降低进气压力的方式，采用涡端旁通可以更好地抑制Soot的生成。两种旁通方式差异导致的Soot排放量差异随进气压力的增加呈现出先增加后减少的趋势。

Soot是不完全燃烧的产物，对缸内温度、混合气浓度都有较大的敏感性。两种旁通方式可以获得相同的进气压力，但其对滞燃期、峰值缸温、燃氧当量比的影响差异会促进或抑制Soot的生成，故针对Δτi，ΔTmax，Δα所导致的Δφ（Soot）进行研究。

2.1 滞燃期差异对Soot排放量差异的影响

图3示出了两种旁通方式对缸内瞬时压力和瞬时放热率的影响。在两种旁通方式下，缸内压力均随进气压力增加而升高，值得注意的是，在进气压力为0.294 MPa与0.306 MPa时，两种旁通方式近乎拥有相同的缸内最高压力。在进气压力为0.282 MPa时，压端旁通的缸内最高压力大于涡端旁通，而在进气压力为0.318 MPa时，涡端旁通的缸内最高压力大于压端旁通。在进气压力小于等于0.306 MPa时，压端旁通的燃烧放热相位总先于涡端旁通，这与缸内最高压力的变化趋势一致。采用压端的旁通方式，瞬时放热率曲线总有3个峰值，在进气压力小于等于0.306 MPa时，放热率曲线第一峰值随进气压力的增加而升高，第二峰值则降低，放热率曲线第一和第三峰值相位随进气压力的增加而推迟，当进气压力增加至0.318 MPa时，所有峰值相位均提前。采用涡端的旁通方式，在进气压力小于等于0.306 MPa时，放热率曲线的第一和第二峰值界限已不明显，呈现出“两峰”的趋势，当进气压力增加至0.318 MPa时，才出现3个峰值，且第二峰值最高。

图4示出不同旁通方式和进气压力对滞燃期与燃烧持续期影响差异。采用压端旁通方式，滞燃期随着进气压力增加呈现增加的趋势，由8.5°增加至9°，而燃烧持续期随进气压力的增加先增加后减少，当进气压力为0.306 MPa时燃烧持续期最大，为38°。采用涡端旁通方式，随着进气压力增加，滞燃期保持11.5°不变，燃烧持续期变化较大，在进气压力为0.282 MPa时燃烧持续期最大，为38.5°，在进气压力为0.318 MPa时燃烧持续期最小，为36.5°。与涡端旁通方式相比，压端旁通方式对滞燃期的影响更为显著，两种旁通方式导致的滞燃期差异随着进气压力的增加而减小，最大的滞燃期差值为3°。

图5示出了不同进气压力下的滞燃期影响率，滞燃期对Soot的影响率随进气压力的增大先增加后减小。当进气压力为0.306 MPa时，滞燃期影响率为-2.97 mg/（kW·h·（°）），当进气压力为0.318 MPa时，滞燃期影响率为-1.68 mg/（kW·h·（°））。进一步分析可知，滞燃期对于Soot的影响呈此消彼长趋势，滞燃期延长、燃烧持续期缩短可在一定程度上增加燃料混合时间，提高燃烧效率，减少非完全燃烧产物Soot的排放量。

2.2 峰值缸温差异对Soot排放量差异的影响

图6和图7示出了不同进气压力下的缸内温度与峰值缸温。在两种旁通方式作用下，随着旁通阀开度减小，缸内平均温度均随进气压力增大而减小，而压端旁通的缸内平均温度大于涡端旁通的缸内平均温度，缸内温度更高，着火滞燃期缩短，这与图4a结果一致。其中，在压端旁通方式下，峰值缸温由1 439 K降低至1 380 K，且随着进气压力增加，峰值缸温减小的趋势愈发明显。在涡端旁通方式下，随进气压力增加，峰值缸温由1 393 K降至1 349 K，且峰值缸温随进气压力的增加下降趋势减缓。进一步分析可知，相比于涡端旁通方式，采用压端旁通方式峰值缸温下降幅度更大。随着进气压力的增加，峰值缸温差值先增大后减小，在进气压力为0.294 MPa时，峰值缸温差值最大，达到了77 K，更高的峰值缸温会促进燃料的裂解和聚合反应，增加了Soot的生成量。

图8示出不同进气压力下的峰值缸温影响率。随着进气压力增加，峰值缸温影响率呈现先减小后增大的趋势，在进气压力为0.294 MPa时，峰值缸温影响率最小，为0.096 mg/（ kW·h·K），在进气压力为0.318 MPa时最大，为0.14 mg/（kW·h·K）。进一步分析可知，在缸内温度相对较低时，峰值缸温的改变对Soot的影响更明显，而在缸内温度相对较高时，需要较大峰值缸温变化才能对Soot有显著影响。

2.3 燃氧当量比差异对Soot排放量差异的影响

燃氧当量比（α）直接表征了燃料与氧含量的关系，α值越小则表明混合气含氧量越大。燃氧当量比计算公式如下：

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

式中：md为柴油消耗量； Qin为进气流量； yO2为环境氧体积分数；REGR为进气EGR率。

图9示出不同进气压力下α的影响差异。在压端旁通方式下，α随着进气压力的增大而减小，当进气压力为0.282 MPa时α最大，为0.431，当进气压力为0.318 MPa时α最小，为0.389。在涡端旁通作用下，α随进气压力增加而减小，且减小的趋势愈发明显，当进气压力为0.282 MPa时α最大，为0.427，当进气压力为0.318 MPa时α最小，为0.372。在相同进气压力下，压端旁通方式相比涡端旁通方式α更大，涡端旁通拥有更大的进气流量，发动机缸内进气流量的增加可以增强氧化能力，有助于减少Soot的生成量。两种旁通方式对α差值的影响先增大后减小，这与对Soot排放差异的影响是一致的。

图10示出进气压力对进气流量的影响，在两种旁通方式下，进气流量均随着进气压力的增加而增加。而在进气压力大于等于0.294 MPa时，采用涡端旁通方式的进气流量要明显高于采用压端旁通方式。

图11示出不同进气压力下燃氧当量比影响率。当进气压力为0.282 MPa时，燃氧当量比影响率最大，为1 400 mg/（kW·h），随着进气压力升高，燃氧当量比影响率先急剧降低后略有上升。进一步分析可知，燃氧当量比升高可促进Soot的生成，并且在较低进气压力下，燃氧当量比对Soot的生成促进作用更加明显。

2.4 斯皮尔曼相关系数分析

斯皮尔曼相关系数反映的是两个变量之间的变化趋势方向和强度之间的关联，它是将两个随机变量的样本值按数据大小顺序排列位次，以各要素样本值的位次代替实际数据而求得的一种统计量，量值区间为［-1，1］，相关系数为正代表变化趋势相同，为负代表相反，其绝对值的大小反映两者之间关联程度。本研究分析两种旁通方式的差异导致的Δτi，ΔTmax，Δα对Δφ（Soot）的影响，由于3种变量之间没有合适的统一评价指标，所以采用斯皮尔曼相关系数分析3种变量差异与Soot排放量差异的关联程度。首先对数据进行排序处理，排序结果见表4。

斯皮尔曼相关系数计算公式为

ρ=1-6∑di2n（n2-1）。（3）

式中：di为第i个所计算的两组数据位次之差；n为数据个数。计算Δφ（Soot）分别与Δτi，ΔTmax，Δα之间的相关程度，可得ρ滞燃期=0.35，ρ峰值缸温=0.95，ρ燃氧当量比=0.75。

由上述计算结果可知，压端与涡端旁通方式造成的峰值缸温的差异与Soot的排放结果差异相关程度最强，相关系数达到了0.95，而滞燃期差异与Soot的排放结果差异相关程度最弱，相关系数为0.35。

3 结论

a） 通过压端与涡端旁通方式可获得相同进气压力，但在同一进气压力下，压端旁通方式下的Soot排放量要明显高于涡端旁通方式，其Soot排放差异随进气压力的增大先增大后减小；

b） 在本试验工况下，峰值缸温差异是与Soot排放差异关联程度最大的影响因素，相关系数ρ峰值缸温为0.95，滞燃期差异是与Soot排放差异关联程度最小的影响因素，相关系数ρ滞燃期为0.35，燃氧当量比差异关联程度介于两者之间，其相关系数ρ燃氧当量比为0.75；

c） 在不同进气压力下，两种旁通方式引起的滞燃期差异变化很小，在高进气压力下，缸内温度相对较低，峰值缸温差异对Soot的排放差异作用明显，在低进气压力下，燃氧当量比相对较高，燃氧当量比差异对Soot的排放差异作用显著。

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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

［编辑： 潘丽丽］