基于GT-power的兩級增壓可變氣門柴油機排放和燃燒簡述

徐金源

（長安大學，陜西 西安 710064）

柴油發動機在早期主要應用于農業機械領域。隨著柴油機相關技術的發展與成熟，現代柴油機采用了高壓共軌，渦輪增壓中冷，EGR，VVT等技術在排放、體積、重量、性能、油耗、噪聲等方面都有了很大的突破，達到了汽油機的水平，已完全能夠滿足日益嚴格的排放法規的要求，在汽車領域得到了廣泛的應用。

1 內燃機增壓技術

內燃機增壓技術主要分為機械增壓，廢氣渦輪增壓和復合增壓三種。機械增壓系統，依靠曲軸傳遞的動力來驅動增壓器進行壓縮空氣，具有動力輸出流暢，瞬態工況下響應快的優點。但是由于機械增壓需要耗費機械功，因此機械效率會降低，而且其只能增加有限的增壓壓力，所以現在單純的機械增壓運用的越來越少，一般用于低增壓發動機或者與渦輪增壓組成復合增壓系統［1］。

2 可變氣門正時技術

發動機可變氣門正時（Variable Valve Timing，簡稱VVT）技術，在提升發動機動力性和經濟性方面有重要影響?；谄渌麄鹘y凈化措施，采用VVT技術可以進一步降低內燃機多工況下的排氣汚染物。

對于柴油機，VVT可以用來降低排放。進氣門早關（Early Intake Valve Closing， EIVC）可使在壓縮過程中的返流降低或消失，泵氣損失降低。減少了進氣量，降低了壓縮過程中溫度和壓力，降低了NOx排放。而進氣門晚關（Late Intake Valve Closing，LIVC）在壓縮過程中一部分氣體返流進入進氣管。泵氣損失降低，返流導致進氣減少，壓縮過程中溫度和壓力降低，NOx降低。EIVC和LIVC對于降低缸內排放具有相似的效果。

3 兩級增壓柴油機模型的建立

3.1 仿真軟件的簡介

GT-SUITE軟件是由美國的Gamma Technologies公司開發的，是針對汽車，內燃機及零部件的模擬軟件。涵蓋了汽車，內燃機、燃油供給系統、冷卻系統、曲軸機構、配氣機構等六個方面，是內燃機制造公司和汽車廠非常理想的CAE工具。該軟件主要包括了以下幾個模塊：GT-POWER、GT-DRIVE、GT-COOL、GTFUEL；GT-CRANK和GT-VTRAIN，這六個模塊可以進行完全的耦合計算［3］。

3.2 相關模型的建立

啟動GT-ISE，創建新模型，調出摸板庫，選擇Window/Tile With Template Library，通過復制粘貼選擇相關的模板，定義進口環境和指針變量“air”定義柴油機進排氣管和氣道定義氣缸：雙擊模型管理器中的“Eng Cylinder”，點擊其中的綠色字體進行指針變量的設計。從上往下，分別為壁溫實體，流動實體，傳熱實體，燃燒實體。定義曲軸箱：雙擊模型管理器中的“EngCrankTrain”，并輸入相關參數。設置氣缸點火順序，定義噴油器：雙擊模型管理器中的“InjProfileConn”，并輸入相關參數，定義進排氣門：進雙擊模型管理器中的“ValueCamConn”，并輸入相關參數，在建模區域內分別放置各個部件，并連接成單缸機，在單缸機的基礎上進行復制粘貼，形成四缸機，并進行連接。

3.3 添加附加模型

為基本的四缸柴油機匹配中冷器，兩級增壓，以及旁通閥。兩級增壓的部分參數，在高壓級渦輪機前加一個旁通閥，分別設置“Compressor”、“Turbine”、“ShaftTurbo”等模塊的相關參數。最后基于進排氣系統將所有的模型鏈接：設置運行參數，點擊“Run”中的“Case Setup”來設置相關參數，點擊“strat simulation proprpcessing”進行預運算，查看是否有錯誤，若無錯誤，再點擊“strat simulation”進行運算，查看結果。

4 兩級增壓與進氣門早關對燃燒和排放的影響

增壓器的選擇要符合發動機的性能，匹配狀況良好的情況下，壓氣機的運行Map圖要在高效率區［2］。通過研究數據，在固定噴油量的情況下，隨壓縮比的增大，NOx排放量逐漸上升，CO和HC排放量逐漸減少。在中小負荷下，隨著進氣門關閉時間的提前，功率逐漸上升，BSFC逐漸下降，排放污染物除了CO外均在逐漸下降，CO在高轉速下，排放量也會有下降趨勢，所以在中小負荷下合理的進氣門早關角度，對于降低排放污染物濃度，優化燃燒有很大的影響。

5 結論

1.在噴油量固定的情況下，隨著增壓比的變大，最高燃燒壓力明顯上升。對于排放物，主要是氧氣量的影響，進氣量增多，燃燒更加充分，NOx生成量上升，CO和HC排放量逐漸減少。但是兩級增壓造成了燃燒壓力大幅上漲，這對氣缸損害加深。所以可以匹配EIVC技術，降低燃燒的最高燃燒壓力。

2.在小負荷工況下，隨著進氣門關閉時刻的提前，氣缸內的最高壓力明顯下降，而最高燃燒溫度也呈上升趨勢。氣缸內壓力明顯上升的原因是進氣門越早關，有效壓縮比越小，壓縮終點的壓力和溫度減小，滯燃期增長，隨著進氣門關閉時刻的提前，缸內著火放熱的相位逐漸后移，這些因素是引起燃燒過程中缸內壓力變小的原因。而滯燃期的增長，使得著火推遲，這就意味著在滯燃期內混合均勻燃料增加，工質總熱容降低，使得氣缸內氣體溫度増加，溫度上升的另一個原因是由于進氣減少，排氣所帶走的熱量也隨之減少，使得缸內溫度升高。綜上所述，意味著采用合理的EIVC能夠改變著火放熱相位，可以使點火推遲，缸內混合氣混合更加均勻，提高了燃燒效率，實現優化燃燒。

3.在小負荷工況下，對于排放污染物來說，隨著進氣門關閉時刻的提前，NOx和HC均呈現下降的趨勢，對于CO來說，在高轉速下，CO有下降的趨勢，在中低轉速下，CO呈現上升的趨勢，但是總的趨勢來看，CO排放量呈現上升趨勢。