柴油機(jī)瞬變工況的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及燃燒劣變研究

黃闖+郝朝增+王海波+邊超然

摘 要：在相同的加載時(shí)間下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的油量、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量和NOx的滯后系數(shù)依次增大。然而，隨著加載時(shí)間的縮短或轉(zhuǎn)速的減慢，各參數(shù)的滯后系數(shù)逐漸增大。與穩(wěn)態(tài)工況相比，瞬變過程中發(fā)動(dòng)機(jī)存在進(jìn)氣延遲、空燃比降低、滯后系數(shù)增大、絕對響應(yīng)時(shí)間增加、燃燒相位推遲、煙度和燃油消耗率增加等燃燒劣變問題，且隨著加載時(shí)間的縮短或轉(zhuǎn)速的減慢，上述問題越發(fā)嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；瞬變工況；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；燃燒劣變

中圖分類號：TK421+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.110

1 測控系統(tǒng)及試驗(yàn)工況

1.1 測控系統(tǒng)

試驗(yàn)所用的高壓共軌、增壓中冷柴油機(jī)的主要參數(shù)為缸徑112 mm，活塞行程145 mm，總排量8.6 L，壓縮比17，標(biāo)定功率為257 kW（100 r/min），最大轉(zhuǎn)矩1 500 N·m（1 330 r/min）；噴油系統(tǒng)為高壓共軌，進(jìn)氣類型為增壓中冷，增壓器為HOLSET400。瞬態(tài)測控系統(tǒng)采用單片機(jī)精確控制油門電壓信號，配合電渦流測功機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩的典型瞬變工況。在整個(gè)柴油機(jī)發(fā)動(dòng)的過程中，采用高響應(yīng)速率的傳感器和高速A/D采集卡搭建實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量、消光式煙度、進(jìn)/排氣壓力、溫度等數(shù)據(jù)的采集。

1.2 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)的恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變過程中選擇了3個(gè)典型的轉(zhuǎn)速。在瞬變開始時(shí)，先在各個(gè)恒定轉(zhuǎn)速的零負(fù)荷情況下穩(wěn)定工作10 s，然后勻速增加柴油機(jī)的油門電壓。在此過程中，需要保證加載時(shí)間勻速增加，使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷從該轉(zhuǎn)速的初始負(fù)荷增加到100%負(fù)荷，整個(gè)加載過程所用的時(shí)間為3 s。我們對1 600 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了不同加載時(shí)間（3 s、5 s、7 s）的試驗(yàn)。當(dāng)恒轉(zhuǎn)速為1 330 r/min時(shí)，加載時(shí)間為3 s，起始噴油量為10.82 mg/cycle，循環(huán)噴油平均增加率為4.189 mg/cycle-2；當(dāng)恒轉(zhuǎn)速為1 965 r/min時(shí)，加載時(shí)間為3 s，起始噴油量為16.14 mg/cycle，循環(huán)噴油平均增加率為1.85 mg/cycle-2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

2.1.1 不同加載時(shí)間下性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在瞬變過程中，油門電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)增加。在增加的過程中，油量的線性度不如油門電壓的線性度，且在油量增加的過程中，噴油壓力會(huì)出現(xiàn)一定的滯后和波動(dòng)。這種情況會(huì)導(dǎo)致燃油噴油量的波動(dòng)，且加載時(shí)間越短，波動(dòng)越明顯。轉(zhuǎn)矩的增加歷程類似于油量的增加，而進(jìn)氣量的響應(yīng)相對于上述參數(shù)（油門電壓、軌壓、油量、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量、空燃比、煙度和NOx的滯后系數(shù)）存在延遲現(xiàn)象。這主要是因?yàn)椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生瞬變的過程中增壓器的響應(yīng)存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)氣量延遲，空燃比相應(yīng)降低。

除此之外，各個(gè)參數(shù)的滯后系數(shù)隨著加載時(shí)間的延長，其絕對響應(yīng)時(shí)間也延長，但油門電壓和循環(huán)噴油量的增加率降低，各個(gè)參數(shù)的延后現(xiàn)象逐漸減輕。同時(shí)，參數(shù)之間的滯后系數(shù)隨著加載時(shí)間的延長而減小。

2.1.2 不同轉(zhuǎn)速下性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在1 330 r/min、1 650 r/min和1 965 r/min的恒轉(zhuǎn)速，相同的加載時(shí)間下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)的響應(yīng)歷程不同，其油量不是呈線性增加。隨著轉(zhuǎn)速的增加，油量響應(yīng)加快。這主要是因?yàn)橛土康捻憫?yīng)與噴油壓力、噴油器電磁閥加電時(shí)間有關(guān)。在一定的情況下，柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，高壓油泵的工作頻率越高。因此，建立油壓的時(shí)間越短，軌壓波動(dòng)越小，油量的響應(yīng)越快。

對于轉(zhuǎn)矩和進(jìn)氣量的響應(yīng)而言，在1 650 r/min時(shí)，不同的加載時(shí)間呈現(xiàn)出相似的規(guī)律——無論是油量變化，還是進(jìn)氣量的原因，轉(zhuǎn)速越低，進(jìn)氣量的滯后越明顯。在整個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)瞬變的過程中，煙度隨著轉(zhuǎn)速的降低，其劣化后果越嚴(yán)重。當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其排量就會(huì)減少，在整個(gè)瞬變過程中增壓器的響應(yīng)速度變慢，從而使充氣量降低。這樣一來，在需要達(dá)到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的初始速度時(shí)，硝煙排放量就會(huì)增加，使得燃燒劣化。

2.2 瞬變工況的燃燒劣變分析

在1 650 r/min，不同加載時(shí)間瞬變過程中，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，空燃比會(huì)逐漸減小。在整個(gè)燃燒劣變過程中，空燃比降低。這是因?yàn)樵诓裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)瞬變的過程中，進(jìn)氣量存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象。同時(shí)，在同樣的情況下，加載時(shí)間越短，進(jìn)氣的滯后性現(xiàn)象越嚴(yán)重。這說明，在相同的噴油情況下，由于存在燃燒劣化，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬變工況達(dá)不到穩(wěn)定工況的轉(zhuǎn)矩值。

在不同恒轉(zhuǎn)速、相同加載時(shí)間的瞬變工況下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，空燃比、燃油消耗率、煙度和CO排放量依次降低。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，其煙度峰值會(huì)隨著加載時(shí)間的縮短而增加。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，主要是因?yàn)殡S著加載時(shí)間的縮短，循環(huán)噴油的概率增加，使得進(jìn)氣量相對于油量的滯后現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，從而使缸內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的缺氧現(xiàn)象，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不均勻，出現(xiàn)柴油浪費(fèi)或者燃燒推遲的現(xiàn)象。同時(shí)，由于缸內(nèi)的空氣混合程度發(fā)生了改變，氧氣含量下降，造成柴油燃燒嚴(yán)重劣化。但是，隨著加載時(shí)間的縮短，NOx的響應(yīng)速度加快，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長。

3 結(jié)束語

綜上所述，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)瞬變的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的油量、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣量和NOx的響應(yīng)速度依次降低，滯后系數(shù)依次增加。與穩(wěn)態(tài)相比，瞬變過程中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)往往存在進(jìn)氣延遲、空燃比降低等問題。因此，進(jìn)氣量滯后而空燃比下降是導(dǎo)致瞬變過程燃燒劣化的主要原因。

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〔編輯：劉曉芳〕