低速提扭對廢氣渦輪增壓柴油機(jī)燃燒排放特性的影響＊

程小鋼 周斌 張釗，2 楊燕妮 黃祎

（1.西南交通大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2.四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院，成都 611743）

主題詞：柴油機(jī) 電動增壓器 排放特性

1 前言

采用廢氣渦輪增壓技術(shù)的柴油機(jī)具有較高的動力性和良好的經(jīng)濟(jì)性[1-2]，但廢氣渦輪增壓柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速較低時排氣能量不足，導(dǎo)致渦輪增壓器綜合效率較低，進(jìn)氣量較少，因此無法通過額外噴油來提升低速段扭矩。對于此問題，可采用變噴嘴渦輪增壓器、電輔助增壓器、復(fù)合諧振進(jìn)氣系統(tǒng)、電動增壓器[3-8]等來解決，其中可變噴嘴渦輪增壓器和電動輔助增壓器的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，改裝成本較高；復(fù)合諧振進(jìn)氣系統(tǒng)體積龐大且在發(fā)動機(jī)上布置困難；電動增壓器結(jié)構(gòu)相對簡單，易于控制[9-11]。本文采用電動增壓器提供額外進(jìn)氣來提升廢氣渦輪柴油機(jī)低速段的扭矩，并分析了扭矩提升后電動增壓器對廢氣渦輪增壓柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、燃燒特性和排放特性的影響，為電動增壓器與廢氣渦輪增壓柴油機(jī)的匹配提供了理論依據(jù)。

2 試驗設(shè)備和方案

2.1 試驗設(shè)備

試驗選用4JB1T-4A柴油機(jī)，其主要參數(shù)見表1，圖1為試驗臺架。

表1 4JB1T-4A柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗臺架示意

試驗選用的電動增壓器由無極變頻器控制，調(diào)節(jié)范圍為0～50 Hz，流量特性見圖2。根據(jù)表1中的參數(shù)可計算出該柴油機(jī)在額定工況下的理論進(jìn)氣量為654 kg/h，而該電動增壓器能提供的最大流量為922 kg/h,遠(yuǎn)大于發(fā)動機(jī)的最大理論進(jìn)氣量，故選擇此電動增壓器為該柴油機(jī)提供低速提扭所需的額外空氣。

圖2 電動增壓器流量特性

2.2 試驗方案

首先對未加裝電動增壓器的原機(jī)進(jìn)行外特性試驗，測得各轉(zhuǎn)速下的最大爆發(fā)壓力如圖3所示。由圖3可看出，最高爆發(fā)壓力點在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時達(dá)到最大值12.35 MPa，以此爆發(fā)壓力為扭矩提升的邊界條件。然后標(biāo)定ECU使柴油機(jī)在低速段最大噴油量增加，以此提高低速段扭矩至期望值，同時開啟電動增壓器補(bǔ)氣以確保柴油機(jī)能夠在扭矩提升后正常運行，并且用其控制扭矩提升程度。在此過程中，發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)有轉(zhuǎn)速和扭矩輕微波動的“游車”現(xiàn)象，其原因可能是電動增壓器在工作時受到氣門間歇性開閉的影響而發(fā)生了一定的諧振。發(fā)動機(jī)是強(qiáng)周期工作的裝置，而電動增壓器則受外部電源控制穩(wěn)定工作，當(dāng)氣門按照一定規(guī)律啟閉時，必然影響傳輸氣路的工作穩(wěn)定性，因此將各提扭轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速波動率小于1%作為另外一個邊界條件。由上述兩個邊界條件確定試驗的扭矩值如圖4所示，與未加裝電動增壓器時柴油機(jī)外特性扭矩相比，提扭后的扭矩提升了9%～25%。最后以扭矩提升后的4個工況（1 000 r/min、200 N·m，1 200 r/min、210 N·m，1 400 r/min、220 N·m，1 600 r/min、240 N·m）作為試驗點，對比分析電動增壓器各工作頻率對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、燃燒特性和排放特性的影響。為了便于描述，此后所提到的“原機(jī)”均指相應(yīng)轉(zhuǎn)速下未加裝電動增壓器的外特性工況點，而“0～50 Hz”指在上述4個工況下不同補(bǔ)氣程度的工況點，其中“0 Hz”指提扭后未啟動電動增壓器補(bǔ)氣的工況。

圖3 原機(jī)外特性上的最大爆發(fā)壓力

圖4 外特性扭矩曲線對比

3 試驗結(jié)果分析

3.1 過量空氣系數(shù)

圖5為不同電動增壓器頻率下，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。原機(jī)扭矩提升前過量空氣系數(shù)在1.9～2.2之間，且隨轉(zhuǎn)速的升高呈下降趨勢，這是因為電控單體泵的供油壓力隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，改善了燃油的霧化混合質(zhì)量，所以高轉(zhuǎn)速工況下的過量空氣系數(shù)相對較低。

而柴油機(jī)提升扭矩后，在未進(jìn)行電動增壓時，過量空氣系數(shù)降至1.6左右，噴油量的增量大于進(jìn)氣量的增量；在進(jìn)行電動增壓后，過量空氣系數(shù)隨變頻器頻率的提高而增大，且在30 Hz時過量空氣系數(shù)超過原機(jī)，此時噴油量基本不變而進(jìn)氣量大幅增加。

圖5 過量空氣系數(shù)對比

3.2 燃油消耗率

燃油消耗率隨電動增壓器頻率的變化如圖6所示。圖6中實線部分為扭矩提升后的燃油消耗率，因為發(fā)動機(jī)提扭前后不在同一工況，故圖中未提扭工況與0～50 Hz之間用虛線連接。由圖6可看出，原機(jī)的燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，這是因為一方面燃油噴射壓力隨轉(zhuǎn)速升高而增大，缸內(nèi)氣體流動增強(qiáng)，傳熱損失減小，對混合氣形成及燃燒有利；另一方面，機(jī)械效率會隨轉(zhuǎn)速升高而下降，兩者（燃燒改善和機(jī)械效率下降）中燃燒的改善占主導(dǎo)作用。而提扭后，噴油量增加，過量空氣系數(shù)減少，使燃燒惡化，燃油消耗率上升。由圖6還可看出，隨電動增壓器頻率的升高，燃油消耗率先上升后下降，這是因為在電動增壓器頻率為10 Hz時，電動增壓器雖對原機(jī)做泵氣正功，但串聯(lián)電動增壓器后改變了原氣動環(huán)境，使得電動增壓器成為柴油機(jī)的負(fù)載，增大了柴油機(jī)的泵氣損失，為了保證功率，需增加噴油量，使得燃油消耗率上升；燃油消耗率后下降是因為隨頻率的增加，電動增壓器的負(fù)載作用減弱。總之，提扭后燃油消耗率雖呈先上升后下降的趨勢，但其最終略高于原機(jī)水平，在電動增壓器頻率為50 Hz時燃油消耗率相比原機(jī)增加1.14%～4.44%。

圖6 燃油消耗率隨電動增壓器頻率的變化

3.3 燃燒特性

對低速扭矩提升的4個工況進(jìn)行燃燒特性分析后發(fā)現(xiàn)，其燃燒特性隨電動增壓器頻率的變化趨勢一致，故選取1 400 r/min、220 N·m的數(shù)據(jù)為代表進(jìn)行分析。

圖7為不同電動增壓器頻率的缸內(nèi)壓力對比。曲線在362°CA和376°CA左右有兩個峰值，這是由于滯燃期的存在使得燃燒始點出現(xiàn)在上止點之后，因而出現(xiàn)了壓縮壓力峰。缸內(nèi)壓縮壓力隨頻率的增加而增大，這是因為進(jìn)氣量增加而進(jìn)氣溫度基本不變，使得壓力上升。第2個峰為燃燒壓力峰，由圖可知其相位基本不變，而峰值隨頻率增加略有上升，這也是由于進(jìn)氣量增加導(dǎo)致的。

圖7 不同電動增壓器頻率的缸內(nèi)壓力對比

圖8為不同電動增壓器頻率的缸內(nèi)燃燒溫度對比。由圖8可看出，隨著頻率的增大，缸內(nèi)燃燒溫度逐漸下降，其最大值從2 157 K降到了1 170 K，降幅達(dá)46%，這是因為進(jìn)入氣缸的大量空氣有一定的熱容效應(yīng)，使缸內(nèi)溫度降低。

圖8 缸內(nèi)燃燒溫度對比

圖9為不同電動增壓器頻率的放熱率對比。由圖9可看出，各頻率的放熱率均出現(xiàn)了3段放熱。除了明顯的預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒階段，在預(yù)混燃燒之前形成了一個強(qiáng)度很低的放熱峰，這是由于試驗用柴油機(jī)采用了雙彈簧噴油器，實現(xiàn)了燃油預(yù)噴所致。由圖9可知，隨著頻率的增加，3個階段的放熱峰值均有減小的趨勢，其受兩方面因素影響，一方面，缸內(nèi)氧含量增多，促進(jìn)燃燒；另一方面，進(jìn)氣量增多使缸內(nèi)溫度下降，抑制燃燒。在此工況抑制作用占主導(dǎo)。

圖9 不同電動增壓器頻率的放熱率對比

本文中燃燒始點定義為在上止點附近壓力升高率由減小到突增的相位點，燃燒持續(xù)期定義為燃燒始點與90%累計放熱量時對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之差。不同電動增壓器頻率的燃燒始點和燃燒持續(xù)期對比如圖10所示。由圖10可看出，燃燒始點隨頻率的增加基本不變，因為燃燒始點主要受壓縮溫度和壓力的影響，在燃燒始點附近缸內(nèi)壓力逐漸上升但缸內(nèi)溫度逐漸降低，兩者的作用相互抵消，使燃燒始點基本不變。燃燒持續(xù)期隨頻率的增加有增大的趨勢，主要是因為缸內(nèi)燃燒溫度下降，對燃燒有抑制作用，使燃燒持續(xù)期延長。

圖10 燃燒持續(xù)期隨電動增壓器頻率的變化

電動增壓器頻率對最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率的影響如圖11所示。由圖11可看出，隨頻率的增加，最大爆發(fā)壓力有增大的趨勢，而最大壓力升高率有逐漸降低的趨勢。因為壓縮終點壓力逐漸升高使得最大爆發(fā)壓力也相應(yīng)升高；放熱率峰值的不斷降低導(dǎo)致了最大壓力升高率的降低。

圖11 最大爆發(fā)壓力和最大壓力升高率對比

3.4 排放特性

圖12為煙度隨電動增壓器頻率的變化，其中實線部分為扭矩提升后的煙度。由圖12可看出，原機(jī)煙度隨轉(zhuǎn)速的升高逐漸下降，因為過量空氣系數(shù)雖在下降，但其絕對值仍然很大，同時缸內(nèi)噴油壓力增高，最終使得煙度下降。扭矩提升后，各工況下煙度均有所增大，轉(zhuǎn)速越低增大幅度越明顯，這是因為轉(zhuǎn)速越低，噴油壓力越低，導(dǎo)致燃油霧化質(zhì)量下降，油氣混合的宏觀和微觀均勻性惡化，致使煙度增大。隨電動增壓器頻率的增加，各轉(zhuǎn)速下的煙度均出現(xiàn)了先上升后下降的趨勢，煙度先上升同樣是因為串聯(lián)的電動增壓器改變了原氣動環(huán)境，使得電動增壓器成為柴油機(jī)的負(fù)載，增大了柴油機(jī)的泵氣損失，為了保證輸出功率，需增加噴油量，導(dǎo)致燃燒惡化，煙度上升；而煙度后下降也同樣是因為隨著頻率的增加，電動增壓器的負(fù)載作用減弱，燃燒改善，煙度降低。在電動增壓器頻率為50 Hz時，過量空氣系數(shù)遠(yuǎn)大于原機(jī)，煙度雖沒能降到原機(jī)以下，但比扭矩提升后未采用電動增壓器時大幅下降，降幅為37.4%～44.9%。

圖12 煙度隨電動增壓器頻率的變化

NOx排放量隨電動增壓器頻率的變化如圖13所示，其中的實線為扭矩提升后的NOx排放量。由圖13可看出，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時，原機(jī)的NOx排放量達(dá)到最大，因為在此轉(zhuǎn)速下溫度較高，過量空氣系數(shù)較大，氧含量較高。而轉(zhuǎn)速低于1 400 r/min時的過量空氣系數(shù)雖較大，但燃燒溫度較低；而在轉(zhuǎn)速高于1 400 r/min時的燃燒溫度較高，但過量空氣系數(shù)較小，所以NOx排放量均沒有轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時高。扭矩提升后，NOx排放均有提高。在未采用電動增壓時，雖然過量空氣系數(shù)均下降，但缸內(nèi)燃燒溫度大幅提高，溫升占主導(dǎo)作用，NOx排放提高。采用電動增壓后，額外的空氣一方面使缸內(nèi)氧氣濃度增加，另一方面使缸內(nèi)總工質(zhì)增加，導(dǎo)致燃燒溫度下降。而在試驗工況下，富氧導(dǎo)致的NOx上升效果和降溫導(dǎo)致的NOx降低效果二者相互抵消，因此從結(jié)果來看NOx受電動增壓器頻率的影響甚微。

圖13 NOx隨電動增壓器頻率的變化

4 結(jié)束語

為解決柴油機(jī)低速段扭矩過低問題，利用加裝電動增壓器來提升渦輪增壓柴油機(jī)低速段的扭矩，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析得到如下結(jié)論：

a.扭矩提升受到兩個方面因素的影響，一是柴油機(jī)的最大爆發(fā)壓力，二是電動增壓器受到氣門開閉影響而發(fā)生的諧振，因此扭矩最大能提升9%～25%。

b.電動增壓器對燃燒特性有一定影響，隨電動增壓器頻率增大，缸內(nèi)壓縮壓力上升，缸內(nèi)溫度下降，放熱率峰值下降，燃燒始點基本不變，燃燒持續(xù)期拉長，爆發(fā)壓力上升，最大壓力升高率下降。

c.燃油消耗率隨電動增壓器頻率的增大呈先上升后下降趨勢，最終略高于原機(jī)水平，電動增壓器頻率為50 Hz時，燃油消耗率相比原機(jī)增加1.14%～4.44%。

d.煙度隨電動增壓器頻率的增大呈先上升后下降趨勢，電動增壓器頻率為50 Hz時比0 Hz時降幅為37.4%～44.9%。NOx排放在提扭后均有提高，隨著電動增壓器頻率的增大并無明顯規(guī)律。

e.從排放物變化趨勢來看，如果繼續(xù)提高電動增壓器轉(zhuǎn)速，提升其壓氣能力，將有可能在提扭的同時降低排放，而代價僅是油耗的小幅上升，此方案具有一定的可行性和實用性。