渦輪端旁通閥開度對增壓柴油機(jī)排放和熱效率的影響

韓志強(qiáng)1、，吳學(xué)舜1、，戰(zhàn) 強(qiáng)，吳松林

(1.西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著人類工業(yè)的快速發(fā)展，各國對能源的依賴不斷增強(qiáng)。面對日益枯竭的石油資源，各國科學(xué)家一方面致力于努力尋找新的可再生或非可再生替代燃料，另一方面，研發(fā)出高效、節(jié)能的發(fā)動機(jī)是科研工作者共同努力的方向。重型柴油機(jī)在運(yùn)輸、工程機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其柴油資源消耗也排名第一，如何提高重型柴油機(jī)的熱效率是目前內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

增壓技術(shù)由于在節(jié)能、提高功率和降低排放等方面具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，被眾多柴油機(jī)廣泛采用[1]。在低溫燃燒中，由于大EGR率技術(shù)的運(yùn)用，在改變著火始點(diǎn)和放熱速率的同時，帶來了降低NOx和增加Soot的效果[2]。此時，由于局部氧濃度不足導(dǎo)致的燃燒不完全，可以通過增壓技術(shù)得以彌補(bǔ)，以達(dá)到同時降低NOx和Soot的效果。

高增壓的運(yùn)用，一方面使充量比熱容增加，推遲著火，贏得更多的混合時間[3]，另一方面，由于高增壓技術(shù)的運(yùn)用，使單位體積的氧氣絕對量增加，放熱速率加快，柴油機(jī)輸出功增加。然而，兩級增壓柴油機(jī)常常面臨著排氣背壓大于進(jìn)氣增壓后壓力的情況，且隨著增壓比和EGR率的增加，排氣背壓的上升幅度大于進(jìn)氣壓力的增長幅度。此時，換氣負(fù)功增加，柴油機(jī)熱效率降低[4]，故柴油機(jī)增壓技術(shù)的使用常伴隨著排放和節(jié)能的矛盾。本文基于“高密度-低溫燃燒”理論[5-8]，在柴油機(jī)各轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況，通過改變渦輪端旁通閥開度來分析各級增壓系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的變化，以及對尾氣排放和熱效率的影響，以便對其加以合理控制和利用，實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒。

1 試驗(yàn)設(shè)備和測控系統(tǒng)

為了嘗試不同燃燒方案對柴油機(jī)性能的影響，本研究小組搭建了6缸重型柴油機(jī)臺架，其氣路系統(tǒng)采用2級渦輪增壓和雙EGR(HP-EGR和LP-EGR)系統(tǒng)，并在高壓級渦輪端和壓氣機(jī)端均設(shè)計一條旁通道，以便對增壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對進(jìn)氣狀態(tài)參數(shù)的控制。高壓EGR系統(tǒng)和低壓EGR系統(tǒng)的單獨(dú)或聯(lián)合運(yùn)用，既可以滿足試驗(yàn)方案中大范圍EGR率的變動需求，也能實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在瞬態(tài)工況中的快速響應(yīng)。由于本試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)氣增壓比較高，需使用IVCA(Intake valve close actuator)裝置，一方面避免氣缸上止點(diǎn)最高壓力超過極限值(16.5 MPa)[9]，另一方面也實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，做功能力增強(qiáng)[10]。臺架示意和測試設(shè)備安裝如圖1所示，柴油機(jī)參數(shù)和測試設(shè)備如表1和表2所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

圖1 6缸試驗(yàn)臺架

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 渦輪端旁通閥的開度變化對排放的影響

如圖2所示，在進(jìn)氣門關(guān)閉時刻一致的情況下(-80 °ATDC)，進(jìn)氣壓力在2.47 bar(渦輪端旁通閥開度=0)時，隨著EGR率增加(EGR<15%)， Soot增幅緩慢，而NOx卻穩(wěn)定下降。而進(jìn)氣壓力在2.21 bar(渦輪端旁通閥開度=8%)和1.98 bar(渦輪端旁通閥開度=17%)時，這種Soot緩慢增幅變化的區(qū)域呈梯度減小的趨勢，如圖2所示，該區(qū)域?yàn)镋GR率分別小于12%和7%，而NOx的下降幅度卻基本呈線性關(guān)系。這是因?yàn)樵贓GR率不變的情況下，提高進(jìn)氣壓力，增加了氣缸充量中單位體積氧的絕對量[5]，所以減小渦輪端旁通閥開度，即增加進(jìn)氣壓力，可以得到排放更低的NOx和Soot的折中關(guān)系。如圖2所示，渦端旁通閥開到8%排放最佳。

圖2 1 300 r/min、50 %負(fù)荷的EGR率與 NOx、Soot關(guān)系

2.2 渦輪端旁通閥的開啟變化對各級增壓器運(yùn)行區(qū)域的改變

如圖3和表3所示，隨著渦輪端旁通閥開度的增加，更多廢氣將直接流入低壓級渦輪，此時高壓級渦輪獲取廢氣能量減少，高壓級膨脹比呈梯度減小，且轉(zhuǎn)速越高，膨脹比下降越厲害。高壓級渦輪因廢氣能量減少而致使高壓級增壓器轉(zhuǎn)速下降。此時，高壓級壓氣機(jī)增壓比隨之減少，且隨著轉(zhuǎn)速增加，其壓氣機(jī)的等熵效率越低，如圖4所示。這樣，高轉(zhuǎn)速(1 900 r/min)增壓比降幅更甚。由于渦輪端旁通閥開度增加會引起整個氣路循環(huán)氣體流通量減少；但部分廢氣能量從排氣總管直接對低壓級渦輪做功，故低壓級膨脹比下降幅度比高壓級膨脹比小很多，且流量減小幅度越大，低壓級渦輪膨脹比下降越明顯。然而，低壓級壓氣機(jī)增壓比隨旁通閥開度的增加，基本變化不大，如圖5所示。這是因?yàn)殡S著渦輪端旁通閥開度的增大，進(jìn)氣低壓級壓氣機(jī)的氣體越少，此時低壓級壓氣機(jī)向更高等熵效率區(qū)域移動，且轉(zhuǎn)速越高，等熵效率提高越多，基本保證了增壓比不下降。

表3 各轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷工況主要控制參數(shù)

圖3 旁通閥的開度對各級增壓器的影響

圖4 渦輪端旁通閥開度變化對高壓級壓氣機(jī)運(yùn)行區(qū)域的改變

圖5 渦輪端旁通閥開度的變化對低壓級壓氣機(jī)運(yùn)行區(qū)域的改變

2.3 渦輪端旁通閥對柴油機(jī)熱效率的影響

柴油機(jī)在100%負(fù)荷、EGR率為零、渦輪端旁通閥不開啟時，各轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣壓力和排氣背壓的變化關(guān)系如圖6所示。可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)氣壓力和排氣背壓均增大，但高轉(zhuǎn)速時，由于增壓較大，隨之所需的渦輪耗功增加，即等熵膨脹到大氣壓下的焓差增加，故增壓比增大，排氣背壓隨之呈現(xiàn)增大的趨勢，且隨著增壓比的增大，排氣背壓與進(jìn)氣壓力之間的差值越大。當(dāng)排氣背壓大于進(jìn)氣壓力時，此時的換氣功是負(fù)值，且轉(zhuǎn)速越大，換氣負(fù)功越大，這將導(dǎo)致熱效率下降。

圖6 100%負(fù)荷、無EGR時各轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣壓力和排氣背壓的關(guān)系

由于高轉(zhuǎn)速工況進(jìn)氣壓力較高，進(jìn)氣量充足，在滿足排放法規(guī)需求的情況下，可以適當(dāng)考慮旁通掉部分廢氣，使其不經(jīng)過高壓級渦輪，來降低排氣背壓與進(jìn)氣壓力之間的差值，從而提高有效熱效率?；诖?，本文進(jìn)行了渦輪端旁通閥開度變化對柴油機(jī)性能的影響研究，其中，旁通閥開度對排放物的影響見圖7，對各狀態(tài)參數(shù)的影響見圖8。

圖7 旁通閥開度對排放物的影響

圖8 旁通閥開度對各狀態(tài)參數(shù)的影響

從圖3、7、8、可知，在低轉(zhuǎn)速(1 300 r/min)時，適當(dāng)?shù)亻_啟渦輪端旁通閥，由于旁通掉部分廢氣能量，高壓級渦輪做功能力減弱，高壓級膨脹比降低，故高壓級壓氣機(jī)增壓比也下降，而低壓級壓氣機(jī)增壓比略微上升，導(dǎo)致進(jìn)氣流量減小，此時，雖然NOx下降，但Soot上升明顯，進(jìn)排氣壓力差的降幅不大。從圖9、10可以看出，上部分有用功，因?yàn)榕酝ㄩy的開啟而減小，但換氣負(fù)功變化不大，故有效熱效率依然呈下降趨勢，此時不宜開啟渦端旁通閥。然而中高轉(zhuǎn)速(1 600～1 900 r/min)時，可以找到NOx下降0.2～0.3 g/(kW·h)，而Soot上升2. 5 mg/(kW·h)的折中點(diǎn)。同時，由于進(jìn)排氣壓力差的減小，導(dǎo)致?lián)Q氣負(fù)功的減少，雖然有用功依然減小，但較之換氣負(fù)功減幅更大，故BMEP增加，有效熱效率上升。由此可知，在Soot排放允許的條件下，適當(dāng)開啟渦端旁通閥(8%開度)，能找到排放變化不大的折中點(diǎn)，同時能提高發(fā)動機(jī)熱效率。

圖9 1 300 r/min不同開度旁通閥的P-V圖

圖10 1 600 r/min不同開度旁通閥的P-V圖

3 結(jié)論

根據(jù)WP12重型柴油機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的中等負(fù)荷試驗(yàn)研究，結(jié)合目前匹配的兩級增壓器，得出如下結(jié)論。

1)兩級增壓柴油機(jī)在排氣背壓大于進(jìn)氣壓力的情況下，隨著渦輪端旁通閥開度的增加，高壓級渦輪膨脹比和高壓級壓氣機(jī)增壓比均呈梯度減小，且轉(zhuǎn)速越高越甚。但低壓級渦輪膨脹比下降不多，且由于低壓級壓氣機(jī)運(yùn)行區(qū)域朝等熵效率高的區(qū)域移動，低壓級壓氣機(jī)增壓比基本不變。

2)在低轉(zhuǎn)速工況下，隨著渦輪端旁通閥的開啟，由于進(jìn)氣量的減小，排放惡化，且有用功減小明顯，換氣負(fù)功變化不大，熱效率下降。

3)在高轉(zhuǎn)速情況下，渦輪端旁通閥的開啟較小時，能找到排放變化不大的折中點(diǎn)，此時進(jìn)排氣壓力差的減小，導(dǎo)致?lián)Q氣負(fù)功的減少，雖然有用功依然減小，但較之換氣負(fù)功減幅更大，故BMEP增加，有效熱效率上升。

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