增壓柴油機(jī)加速過程炭煙排放的仿真研究

施 新，李 斌

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081）

采用渦輪增壓技術(shù)可以提高柴油機(jī)功率密度、降低油耗和排放，但是由于增壓器的滯后效應(yīng)，柴油機(jī)在加速過程中炭煙排放升高［1－2］?？勺兘孛鏈u輪增壓器（VGT）可以實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)在不同工況下的良好匹配［3－4］，通過改變VGT噴嘴環(huán)角度，可以提高增壓器轉(zhuǎn)速，改善增壓器的滯后效應(yīng)，以降低柴油機(jī)加速過程的炭煙排放。目前，對(duì)柴油機(jī)加速過程排放的研究主要集中在對(duì)噴油規(guī)律的改善［5－6］，而對(duì)加速過程可調(diào)渦輪控制規(guī)律的研究較少。本文對(duì)柴油機(jī)定轉(zhuǎn)矩加速過程進(jìn)行了仿真，計(jì)算了柴油機(jī)負(fù)荷、加速時(shí)間、VGT開度等因素對(duì)加速過程炭煙排放的影響，并對(duì)加速過程中VGT控制規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算。

1 原機(jī)模型的建立與驗(yàn)證

本文的研究對(duì)象是英國(guó)Jaguar公司的Lion V6渦輪增壓柴油機(jī)。該柴油機(jī)結(jié)構(gòu)為V形6缸，匹配雙渦輪增壓器，每3個(gè)氣缸連接一個(gè)增壓器。其結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)如表1所示。

表1 Lion V6柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.1 模型的建立與驗(yàn)證

仿真軟件采用Ricardo公司的 WAVE軟件，燃燒模型采用Wiebe模型，該燃燒模型將燃燒過程分為預(yù)混燃燒階段和擴(kuò)散燃燒階段，可以比較精確的計(jì)算柴油機(jī)的動(dòng)力特性。為了計(jì)算柴油機(jī)的排放特性，需要在燃燒模型中加入Diesel Jet模型。在Jet模型中，按照燃油的噴射距離，氣缸內(nèi)空間被劃分為幾個(gè)區(qū)域分別作為仿真計(jì)算的單元。

在仿真計(jì)算中，VGT開度設(shè)置與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)一致（表2）。選取發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上7個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比（圖1）。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的扭矩和燃油消耗率計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，只有2 500r／min時(shí)誤差稍大，但在3%以內(nèi)，表明計(jì)算模型可以用來(lái)進(jìn)行加速過程的仿真計(jì)算。

表2 VGT開度的設(shè)置

圖1 仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

1.2 穩(wěn)態(tài)工況下炭煙排放

首先計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速下的炭煙排放。計(jì)算結(jié)果（圖2）表明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 900～3 000 r／min之間時(shí)炭煙排放較低，在1 500r／min、4 000r／min時(shí)炭煙排放較高。

為改善柴油機(jī)加速過程炭煙排放，需要優(yōu)化加速起始點(diǎn)（1 500r／min）的VGT開度。由于柴油機(jī)加速過程是由部分負(fù)荷時(shí)開始，因此計(jì)算了柴油機(jī)在1 500r／min，負(fù)荷為33%，50%和67%時(shí)，不同VGT開度下的炭煙排放，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，在中低負(fù)荷時(shí)，炭煙排放較低，且VGT開度對(duì)炭煙排放影響不大，這是由于柴油機(jī)供油量較低，空燃比較大所導(dǎo)致的；當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷較大時(shí)，炭煙排放較高，并隨著VGT開度的增大而增大，這是由于隨著供油量的增加，柴油機(jī)需要增壓器提供更多的空氣來(lái)保證空燃比，從而需要減小VGT開度來(lái)提高渦輪膨脹比。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下的炭煙排放

圖3 VGT開度對(duì)穩(wěn)態(tài)工況下炭煙的影響

2 加速過程仿真原理

在WAVE中，柴油機(jī)的加速過程仿真是分兩步進(jìn)行的：首先，計(jì)算柴油機(jī)加速起始點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)特性；然后在起始工況計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過改變部分參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)工況的仿真計(jì)算。

圖4 加速過程仿真原理

計(jì)算過程如圖4所示。在每個(gè)計(jì)算步中，通過增加供油量，結(jié)合當(dāng)前時(shí)間步的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出該時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，并與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載相比較計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的加速扭矩，從而計(jì)算出下一計(jì)算步的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（瞬態(tài)轉(zhuǎn)速），如此循環(huán)計(jì)算實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速過程仿真。這種仿真模型與現(xiàn)實(shí)情況下發(fā)動(dòng)機(jī)加速過程原理是一致的，可以比較準(zhǔn)確的反映發(fā)動(dòng)機(jī)加速的工作過程。

3 柴油機(jī)加速過程炭煙排放計(jì)算

3.1 起始負(fù)荷對(duì)加速過程炭煙的影響

由于柴油機(jī)負(fù)荷不同，加速過程的供油量及其增加量也會(huì)不同，因此負(fù)荷對(duì)炭煙的排放有很大的影響。本節(jié)分別計(jì)算了柴油機(jī)起始負(fù)荷為33%，50%以及67%，柴油機(jī)從1 500r／min加速到3 000r／min的過程，加速過程中VGT開度保持不變。根據(jù)1.3節(jié)穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，VGT開度設(shè)置為0.5，仿真結(jié)果如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出67%負(fù)荷時(shí)的炭煙排放遠(yuǎn)高于其他兩種工況，其炭煙排放在加速初期急劇惡化，50%，33%負(fù)荷下炭煙排放量在加速過程中基本保持不變，50%負(fù)荷下的排放略高于33%負(fù)荷。這是由于隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加，過量空氣系數(shù)也隨之下降，因此炭煙排放惡化，尤其是在加速初期，由于增壓器的滯后效應(yīng)，柴油機(jī)供氣量滯后于供油量的增加所導(dǎo)致的；而對(duì)于小負(fù)荷工況，柴油機(jī)過量空氣系數(shù)較大，即使供油量增加，柴油機(jī)原有的供氣量也可以使燃油正常燃燒，因而在加速過程中炭煙排放基本不變。

圖5 負(fù)荷對(duì)加速過程炭煙的影響

3.2 加速時(shí)間對(duì)加速過程炭煙的影響

柴油機(jī)一般是在低轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷開始加速過程。本節(jié)以1 500r／min、50%負(fù)荷作為加速起始點(diǎn)，計(jì)算了柴油機(jī)分別在5，10s以及15s內(nèi)加速到3 000r／min的過程。根據(jù)穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，將VGT開度設(shè)為0.7，并在加速過程中保持不變。仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，炭煙排放的峰值隨著加速時(shí)間的增加而減小，并且峰值出現(xiàn)的時(shí)間要推后，其持續(xù)時(shí)間變短，15s加速過程中，炭煙排放量在加速中期就已經(jīng)很低。這是由于隨著加速時(shí)間的延長(zhǎng)，氣缸內(nèi)燃油增加率就會(huì)變緩，使得增壓器的滯后效應(yīng)減弱，柴油機(jī)供氣量的增加速度能夠滿足燃燒需要，因此炭煙排放量較低。

圖6 時(shí)間對(duì)加速過程炭煙的影響

3.3 VGT開度對(duì)加速過程炭煙的影響

由于67%負(fù)荷時(shí)柴油機(jī)炭煙排放遠(yuǎn)大于其他兩種工況，選擇67%負(fù)荷作為研究工況，計(jì)算了柴油機(jī)在5s內(nèi)由1 500r／min加速到3 000r／min的過程，VGT開度分別設(shè)置為0.3、0.4、0.5及0.6，以計(jì)算不同 VGT開度對(duì)加速過程炭煙的影響。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，由圖可以看出，炭煙排放隨VGT開度的減小而減少，當(dāng)VGT開度為0.4時(shí)，炭煙排放最低，當(dāng)VGT開度繼續(xù)降低時(shí)，炭煙排放反而升高。適當(dāng)減小VGT開度可以降低炭煙排放，這是由于隨著VGT開度的減小，增壓器的轉(zhuǎn)速上升，彌補(bǔ)了渦輪增壓器的遲滯效應(yīng)，迅速提升柴油機(jī)的空燃比，減少炭煙排放；而VGT開度過小，會(huì)使排氣背壓過大，增加泵氣損失，降低柴油機(jī)工作效率，使炭煙排放增加。

圖7 VGT開度對(duì)加速過程炭煙的影響

3.4 加速過程VGT控制規(guī)律的優(yōu)化

從圖5中可以看出，在加速過程中期，炭煙排放處于很低的水平，此時(shí)柴油機(jī)排氣量能夠滿足柴油機(jī)的要求，如果柴油機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，增壓器轉(zhuǎn)速也隨之增加，可能會(huì)使排氣背壓過大，增加發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣功，這對(duì)柴油機(jī)工作是不利的，因此，需要在加速過程中適當(dāng)增加VGT開度，利用上一節(jié)選取的最佳VGT開度作為初始開度，選用4種控制方案（如圖8），在加速過程中逐漸增加VGT開度。計(jì)算不同控制方案對(duì)加速過程的影響，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 加速過程不同VGT控制方案

從計(jì)算結(jié)果中可以看出，4種控制方案的炭煙排放量差別不大。燃油消耗率在加速初期逐漸降低，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 500r／min時(shí)，方案1、2的燃油消耗率開始增加，且方案1的燃油消耗率增加迅速，方案3、4的燃油消耗率基本保持不變，但方案4的炭煙排量及燃油消耗率較方案3高。說(shuō)明在加速過程中存在最佳的控制策略，在加速過程中VGT開度增加過快或過慢都會(huì)導(dǎo)致燃油消耗率的上升。這是由于在加速初期，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，增壓器轉(zhuǎn)速上升，空氣流量增加，燃油能夠更充分的燃燒，燃油消耗率開始下降；當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加到一定程度后，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，增壓器轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，空氣流量過大，排氣背壓過大，導(dǎo)致柴油機(jī)燃油消耗率上升。因此，在加速過程中適當(dāng)逐漸增加VGT開度則可以防止排氣背壓過大，降低加速后期的燃油消耗率。而VGT開度增加過大，則無(wú)法保證增壓器有足夠的轉(zhuǎn)速來(lái)提供新鮮空氣。

圖9 加速過程中VGT的調(diào)整

4 結(jié)論

利用Ricardo WAVE建立了柴油機(jī)的加速過程模型，并研究了不同工況下的煙氣排放，經(jīng)過初步分析，得出結(jié)論如下：

（1）柴油機(jī)加速過程中炭煙排放規(guī)律。柴油機(jī)在加速過程中，炭煙排放惡化現(xiàn)象發(fā)生在加速初期，隨著加速時(shí)間的推移，炭煙排放降低。

（2）影響柴油機(jī)加速過程炭煙排放的因素包括負(fù)載，加速時(shí)間，VGT開度。其中，負(fù)載越大，加速時(shí)間越短，炭煙排放越高。而VGT在加速過程中存在一個(gè)最佳開度，在最佳開度處炭煙排放最低，燃油消耗率最低。

（3）加速過程中VGT應(yīng)該采取動(dòng)態(tài)控制，根據(jù)不同的影響因素調(diào)整VGT，以獲得最低的炭煙排放以及燃油消耗率。

［1］ 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［2］ 韓永強(qiáng)，劉忠長(zhǎng)，程 鵬，等.柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)矩增轉(zhuǎn)速瞬態(tài)工況的煙度及燃燒特性分析［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào).2003，21（5）：293－297.

［3］ 馬朝臣，朱 慶，楊長(zhǎng)茂，等.可調(diào)渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配試驗(yàn)研究［J］.汽車技術(shù)，1997，11.18－20，38.

［4］ H.ogawa，M.Hayash，M.Yashiro.Development of Continuous and Feedback Controlled Variable Nozzle Turbine Turbocharger System for Heavy－Duty Trucks［J］.CIMAC，19th Paper D64.

［5］ 程 宇.一政都志夫 石田史郎.增壓柴油機(jī)車加速中降低排氣煙度的研究［J］.汽車工程，1992，（2）：81－85.

［6］ 蘇美傳 .增壓柴油機(jī)加速過程的實(shí)驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，1989，（3）：50－57.