烟度限制策略对柴油机瞬态性能的影响研究

申立忠，文洁，王正江，黄粉莲，万明定

(昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650500)

柴油机因其热效率高、功率范围广、耐久可靠等优点，广泛应用于交通运输、工程机械、农业机械等多个领域，为社会的经济发展做出了巨大贡献，但带来的环境污染问题也日益突出。在柴油机的瞬态工况中，由于柴油机进气滞后于喷油[1-3]，导致瞬态工况下油气不匹配过量空气系数以及缸内混合气形成质量下降，燃烧不完全，使得柴油机瞬态过程中产生大量炭烟[4-5]，造成柴油机出现冒烟的现象[6]。

日益严格的排放法规对柴油机的排放限值提出了更高的要求，因此，对于柴油机瞬态工况的排放研究已成为研究的热点和重点。田径等[7]在高压共轨柴油机上，研究了恒转速增扭矩瞬变工况下排放特性，研究结果表明，瞬变工况的烟度峰值比稳态工况高17.5倍。Rakopoulos等[8]对不同瞬态工况(包括加速、负荷变化和起动)下的排放特性和炭烟形成机理进行了试验研究，结果表明：涡轮增压器滞后是柴油机瞬态工况烟度较高的主要原因；发动机从较高负荷开始快速加载时，经历的冒烟期会更长；起动过程中，空气的缺乏及其与燃料供应的不匹配导致了过量的炭烟。Hagena等[9]研究表明，发动机喷油量的每次突增都会导致瞬态运行工况下烟度显著增加，且炭烟排放占总颗粒物排放量的53%。王忠恕等[10]针对低速大负荷排烟较差的特点，研究了恒转速增扭矩瞬变工况下，不同扭矩变化率对烟度的影响，结果表明，随着扭矩变化率增加烟度升高。

为了改善瞬态工况烟度，国内外研究者开展了大量的研究。主要通过减小加载率、控制EGR阀开度、增加喷射压力、采用电动增压器等来降低瞬态工况下的烟度。Filipi等[11]采用V-8柴油机研究了瞬态工况下的排放特性，结果表明：在负荷变化的情况下，随加载时间的缩短，烟度水平显著增加，可通过减小发动机负荷加载率来降低烟度。Indranil等[12]采用GT-power对重型电控柴油机涡轮增压器延迟期的瞬态烟度进行了建模，结果表明：在涡轮增压器迟滞期控制EGR阀开度，可以降低烟度峰值。张龙平等[13]研究了运行在瞬态条件下重型涡轮增压柴油机的燃烧过程，研究发现，瞬态运行时燃烧相位延迟，燃烧显著恶化，导致烟度和燃料消耗快速增加，可以通过调整燃料喷射参数来优化瞬态燃烧过程，如增加喷射压力来降低烟度。Florian等[14]利用AVL烟度计或LII传感器的反馈信息来设置共轨压力，结果表明，通过对共轨压力曲线进行优化，可以使柴油机瞬态工况下的烟度减少50%以上。霍育强、姚春德等[15-16]使用电动增压器增加加速时进入缸内的进气量，进而改善燃料燃烧质量，降低柴油机瞬态工况下的烟度。

根据指定的过量空气系数(φa)限值对循环喷油量进行限制是一种降低柴油机瞬态过程烟度的有效措施。为此本研究针对柴油机瞬态工况出现冒烟的问题，基于实验室自主开发的ECU，设计了一种基于扭矩协调的烟度限制控制策略，试验研究了不同运行瞬态工况下、不同φa限值对瞬态动力性能和排放性能的影响。研究结果对柴油机瞬态工况下φa限值的标定优化提供了理论依据，对现代柴油机实现节能减排具有重大意义。

1 试验设备和试验方案设计

1.1 试验设备

试验选用了1台D20TCI高压共轨、增压中冷、4缸柴油机，其主要性能参数如表1所示。瞬态测试平台示意图如图1所示。

表1 柴油机主要技术参数

1—进气流量计； 2—压气机； 3—中冷器； 4—进气节气门； 5—EGR阀； 6—EGR冷却器； 7—共轨系统； 8—发动机； 9—涡轮增压器； 10—交流电力测功机； 11—燃油质量流量计；12—燃油温度控制系统；13—AVL AMA i60气体排放分析仪；14—AVL 439烟度计；15—燃烧分析仪；16—电子控制单元ECU；17—PUMA控制系统。图1 台架测试示意

台架试验用到的测试设备主要有AVL电力测功机、进气流量计、AVL 735S燃油质量流量计、AVL 753C燃油温度控制系统、AVL AMA i60常规气体排放分析仪、AVL439透光烟度计等。主要测试设备参数如表2所示。

表2 测试仪器设备

1.2 试验方案设计

基于自主开发的控制策略与自主开发的ECU集成，在不同的运行条件下，试验选取1 200 r/min、2 200 r/min和3 200 r/min 3个恒定转速工况，研究不同过量空气系数对瞬态性能和排放的影响。φa限值分别取1.01，1.13，1.26，1.38，1.51，进行负荷从0%增加到100%，加载时间为0 s的恒转速增扭矩试验。具体工况参数见表3。

表3 瞬变过程试验工况参数

2 基于扭矩协调的烟度限制控制策略

图2示出扭矩-油量协调架构示意图。柴油机在工作过程中的循环喷油量根据驾驶员的需求扭矩计算得到，烟度限制策略根据当前的循环进气量以及计算出的φa限值，计算得到柴油机允许的最大喷油量，通过油量-扭矩转换模块转变为烟度限制扭矩。在扭矩协调控制中，当驾驶员的需求扭矩超过烟度限制扭矩时，驾驶员的需求扭矩的最大值被限制在烟度限制扭矩，输出的设定扭矩等于烟度限制扭矩，设定扭矩经过扭矩-油量转换模块确定出柴油机在当前转速下的循环喷油量，控制发动机的运行。由此确保在柴油机瞬态过程中，达到限制循环喷油量的目的。

图2 扭矩-油量协调架构示意

其中，φa限值根据基础值与环境修正值之和来确定，如式(1)所示。

φa=φBase+φCor。

(1)

φa限值的基础值由发动机转速和循环进气量MAP图确定，为了满足不同复杂环境的需求，不同的工况模式下需要不同的φa限值，因此在φa限值计算中引入了φa修正值，如式(2)所示。

φCor=φSt·βSt+φP·βP+φEGR·βEGR。

(2)

式中：φa为过量空气系数限值；φBase为过量空气系数基本值；φCor为过量空气系数修正值；φSt为发动机冷起动修正值；βSt为冷起动修正系数；φP为大气压力修正值；βP为大气压力修正系数；φEGR为EGR阀修正值；βEGR为EGR阀修正系数。

根据循环进气量和φa限值计算出柴油机允许的最大喷油量，计算公式如式(3)所示，其中柴油机化学计量空燃比设定为14.5。

(3)

式中：qmax为喷油量；mAir为每缸循环进气量；l0为化学计量空燃比；φa为过量空气系数。

图3示出标定转速下，0 s和5 s瞬变过程中过量空气系数的变化。0 s瞬变过程中，过量空气系数突然减小，当小于1.26时，被限制至1.26；5s瞬变过程中，过量空气系数一直保持在φa限值1.26以上。所以烟度限制策略能够保证柴油机工作过程中过量空气系数在φa限值以上。可以通过标定合适的φa限值，保证瞬态过程中过量空气系数不会太小，从而改善烟度。

图3 柴油机瞬变过程中过量空气系数变化

3 不同φa限值对柴油机性能的影响分析

3.1 对喷油量的影响

图4、图5、图6分别示出1 200 r/min、2 200 r/min、3 200 r/min转速下，从0负载0 s突变到100%过程中，φa限值从1.01增加到1.51时喷油量的变化规律。由图4可知，随着φa限值的增加，烟度限制喷油量和循环喷油量最大值不断减小。在30 s之前，发动机处于低速、小负荷工况，喷入气缸的燃油量较小，为3.4 mg，而在φa限值1.51时烟度限制喷油量最小为12.3 mg，实际循环喷油量不受烟度限制最大喷油量的约束。30 s之后循环喷油量快速增加至烟度限制下的最大喷油量，受烟度限制的影响与烟度限制喷油量一致；最后ECU根据转速和油门信号检测并判断出当前状态与目标值一致时，循环喷油量保持稳定。

图4 1 200 r/min转速下φa限值对喷油量的影响

图5 2 200 r/min转速下φa限值对喷油量的影响

图6 3 200 r/min转速下φa限值对喷油量的影响

与1 200 r/min时一样，2 200 r/min、3 200 r/min转速下，烟度限制喷油量随着φa限值的增加不断减小(见图5和图6)，25～30 s内循环喷油量不受烟度限制喷油量的约束，但在30 s之后，φa限值在1.38以下烟度限制喷油量较大，最高可达到82 mg，较大的喷油量导致混合气过浓，烟度恶化。为了改善烟度，实际循环喷油量被限制在60 mg和52 mg，φa限值增加至1.51时，循环喷油量继续被限制在50 mg和45 mg。

3.2 对扭矩的影响

图7示出不同恒定转速下，从0负载0 s突变到100%过程中，φa限值从1.01增加到1.51时扭矩的变化规律。图8示出不同恒定转速、不同φa限值对扭矩响应时间的影响。由图7、图8可知，扭矩从30 s之后开始递增，增长幅度与φa限值呈负相关。循环喷油量决定了发动机扭矩的输出，当φa限值较小时，对喷油量的抑制作用弱，使得循环喷油量相对略高，扭矩快速增加；随着φa限值的增大，循环喷油量相对减小，扭矩增加幅度减缓，对应的峰值降低，扭矩响应所需时间加长，瞬态响应特性变差。

图7 不同转速下φa限值对扭矩的影响

图8 不同恒定转速下φa限值对扭矩响应时间的影响

由图7a结合图8可知，φa限值为1.01和1.51时，对应的扭矩峰值分别为180.2 N·m和114.6 N·m，扭矩峰值下降幅度为36%，而扭矩响应时间分别为0.5 s和1.2 s，扭矩响应时间延迟了58%。由图7b和图7c可见，扭矩峰值在φa限值为1.38以下时，变化趋势不明显，当φa限值增加到1.51时，扭矩峰值明显下降。最大扭矩转速2 200 r/min时，扭矩响应时间随φa限值的增加而增加。图7b结合图8可知，φa限值1.01和1.51对应的最大扭矩分别为333.3 N·m和299.3 N·m，响应时间分别为0.4 s和0.8 s，扭矩峰值下降了10%，扭矩响应时间延迟了50%。图7c结合图8可知，φa限值1.01和1.51对应的最大扭矩分别为275.4 N·m和258.2 N·m，响应时间分别为0.3 s和0.7 s，扭矩峰值下降了6%，扭矩响应时间延迟了57%。

由上述分析可知：发动机在中高转速加载瞬变过程中，当φa限值太小(为1.01)时，循环喷油量相对较高，瞬态响应特性较好；φa限值过大(为1.51)时，循环喷油量相对较小，限制扭矩输出致使扭矩最大值变小，导致柴油机瞬态过程中动力响应变慢。为了保证柴油机在瞬态工况下的动力性需求，应该标定合适的φa限值。

3.3 对排放的影响

图9示出不同转速下，从0负载0 s突变到100%过程中，φa限值从1.01增加到1.51时NOx的排放规律。由图9可知，随着发动机转速的逐渐增加，NOx排放峰值增大，从30 s开始NOx排放先缓慢增加然后快速增加达到峰值。这是因为瞬变过程中负荷突增，缸内热力状态升高，但进气滞后于供油，缸内缺氧程度严重，烟度急剧恶劣，缸内缺氧抑制了NOx的生成，NOx排放增加缓慢。随着进气量的逐渐增加，缸内缺氧环境得到改善，NOx排放增长加快。

图9 不同转速下φa限值对NOx排放的影响

由图9a可知，随φa限值的增加，NOx排放增长速度加快，NOx排放最大值随着φa限值的增加呈现先升高后下降的趋势。φa限值为1.01时，循环喷油量高于较大φa限值时的喷油量，进气滞后严重，缸内缺氧严重，抑制了NOx生成，φa限值为1.01时NOx的排放峰值最小为106.6 g/h。随着φa限值不断增加，达到1.38时，在这个过程中过量空气系数最低值增大，缸内氧浓度增加，促进NOx的生成，NOx的排放峰值达到最大，为156.3 g/h。当φa限值增加到1.51时，严重限制了瞬态工况下允许的最大喷油量，使缸内燃烧恶化，缸内压力和温度随之降低，导致NOx排放峰值下降为135.8 g/h，相比φa限值1.38时下降了20.5 g/h。由图9b、图9c可知，与低转速1 200 r/min相比，中高转速下φa限值对NOx排放峰值变化影响不明显。如图9b所示，NOx排放峰值随φa限值的增加增幅较小，当φa限值为1.01时，NOx排放峰值为715.6 g/h，当φa限值增加至1.38时，NOx排放峰值达到最大值，为756.5 g/h；随着φa限值继续增大至1.51，NOx排放峰值略微下降至703.1 g/h。

图10示出不同恒定转速下，从0负载0 s突变到100%过程中，φa限值从1.01增加到1.51时烟度峰值的变化规律。AVL439测量烟度的最大量程为10 m-1，从图10可以看出，当φa限值为1.01时，在1 200 r/min、2 200 r/min、3 200 r/min 3个恒转速下的烟度峰值都满量程，均为9.9 m-1。随着φa限值的增加，烟度峰值迅速降低。过量空气系数过低是导致此时瞬变工况下烟度急剧恶化的主要因素。发动机在瞬态变化过程中，到达相应的扭矩应增加喷油量，缸内喷油量增加的同时使得可燃混合气中氧含量过低，空燃比下降，从而导致燃烧恶化，烟度急剧增加。当发动机处于低速(1 200 r/min)大负荷工况，由于增压器的迟滞效应，排气流量无法驱动涡轮旋转，致使进气量不足，缸内混合气过浓，烟度急剧恶化，满量程现象较为明显。

图10 不同恒定转速下φa限值对烟度峰值的影响

不同的φa限值条件下，可通过限制柴油机的实际喷油量限制烟度峰值的排放；随着φa限值的不断增大，循环喷油量最大值减小，进而降低了烟度。转速1 200 r/min下，φa限值从1.01增加到1.51，烟度峰值分别为9.9 m-1和1.6 m-1，烟度峰值下降了84%。转速2 200 r/min下，φa限值为1.01和1.51时，烟度峰值分别为9.9 m-1和1.3 m-1，烟度峰值下降了87%。转速3 200 r/min下，φa限值为1.01和1.51时，烟度峰值分别为9.9 m-1和1.2 m-1，烟度峰值下降了88%。

对比3个转速下的烟度峰值变化规律可知，在φa限值不变的条件下，烟度峰值随着转速的升高而下降；低速时增压器效果较差，进气量不足导致烟度升高；发动机由低转速过渡到高转速时，增压器效果越来越明显，进气响应提高，充气效率提高，空燃比增大，烟度得以改善，烟度峰值下降。

4 结论

a) 基于扭矩协调的烟度控制策略能够有效地限制柴油机允许的最大喷油量，进而改善烟度；

b) 低转速下，NOx排放峰值随着φa限值的增加呈现先升高后下降的趋势，扭矩峰值随着φa限值的增加而降低；随着转速的升高，φa限值对NOx排放峰值和扭矩峰值影响减小；

c)φa限值为1.51时，限制扭矩输出柴油机瞬态响应较差，与φa限值1.01相比，1 200 r/min转速下，扭矩峰值幅度下降36%，扭矩响应时间延迟了58%；3 200 r/min转速下，扭矩峰值幅度下降6%，扭矩响应延迟了57%；

d)φa限值为1.01时，烟度恶化，随着φa限值的增加，烟度峰值迅速降低；φa限值从1.01增加到1.51时，1 200 r/min转速下，烟度峰值降幅达84%，3 200 r/min转速下烟度峰值降幅达88%；

e)φa限值过大，柴油机瞬态响应变慢，φa限值过小，烟度较高；为了确保柴油机满足瞬态工况下的动力性需求，防止瞬态过程过量空气系数过小而导致过高的烟度，应该标定合适的φa限值。