涡轮端旁通阀开度对增压柴油机排放和热效率的影响

韩志强1、，吴学舜1、，战 强，吴松林

(1.西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039；2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

随着人类工业的快速发展，各国对能源的依赖不断增强。面对日益枯竭的石油资源，各国科学家一方面致力于努力寻找新的可再生或非可再生替代燃料，另一方面，研发出高效、节能的发动机是科研工作者共同努力的方向。重型柴油机在运输、工程机械等领域得到广泛应用，但其柴油资源消耗也排名第一，如何提高重型柴油机的热效率是目前内燃机领域研究的热点。

增压技术由于在节能、提高功率和降低排放等方面具有无可比拟的优点，被众多柴油机广泛采用[1]。在低温燃烧中，由于大EGR率技术的运用，在改变着火始点和放热速率的同时，带来了降低NOx和增加Soot的效果[2]。此时，由于局部氧浓度不足导致的燃烧不完全，可以通过增压技术得以弥补，以达到同时降低NOx和Soot的效果。

高增压的运用，一方面使充量比热容增加，推迟着火，赢得更多的混合时间[3]，另一方面，由于高增压技术的运用，使单位体积的氧气绝对量增加，放热速率加快，柴油机输出功增加。然而，两级增压柴油机常常面临着排气背压大于进气增压后压力的情况，且随着增压比和EGR率的增加，排气背压的上升幅度大于进气压力的增长幅度。此时，换气负功增加，柴油机热效率降低[4]，故柴油机增压技术的使用常伴随着排放和节能的矛盾。本文基于“高密度-低温燃烧”理论[5-8]，在柴油机各转速中等负荷工况，通过改变涡轮端旁通阀开度来分析各级增压系统运行规律的变化，以及对尾气排放和热效率的影响，以便对其加以合理控制和利用，实现高效清洁燃烧。

1 试验设备和测控系统

为了尝试不同燃烧方案对柴油机性能的影响，本研究小组搭建了6缸重型柴油机台架，其气路系统采用2级涡轮增压和双EGR(HP-EGR和LP-EGR)系统，并在高压级涡轮端和压气机端均设计一条旁通道，以便对增压器运行状态进行调整，从而实现对进气状态参数的控制。高压EGR系统和低压EGR系统的单独或联合运用，既可以满足试验方案中大范围EGR率的变动需求，也能实现柴油机在瞬态工况中的快速响应。由于本试验系统进气增压比较高，需使用IVCA(Intake valve close actuator)装置，一方面避免气缸上止点最高压力超过极限值(16.5 MPa)[9]，另一方面也实现米勒循环，做功能力增强[10]。台架示意和测试设备安装如图1所示，柴油机参数和测试设备如表1和表2所示。

表1 柴油机主要参数

图1 6缸试验台架

2 试验结果及分析

2.1 涡轮端旁通阀的开度变化对排放的影响

如图2所示，在进气门关闭时刻一致的情况下(-80 °ATDC)，进气压力在2.47 bar(涡轮端旁通阀开度=0)时，随着EGR率增加(EGR<15%)， Soot增幅缓慢，而NOx却稳定下降。而进气压力在2.21 bar(涡轮端旁通阀开度=8%)和1.98 bar(涡轮端旁通阀开度=17%)时，这种Soot缓慢增幅变化的区域呈梯度减小的趋势，如图2所示，该区域为EGR率分别小于12%和7%，而NOx的下降幅度却基本呈线性关系。这是因为在EGR率不变的情况下，提高进气压力，增加了气缸充量中单位体积氧的绝对量[5]，所以减小涡轮端旁通阀开度，即增加进气压力，可以得到排放更低的NOx和Soot的折中关系。如图2所示，涡端旁通阀开到8%排放最佳。

图2 1 300 r/min、50 %负荷的EGR率与 NOx、Soot关系

2.2 涡轮端旁通阀的开启变化对各级增压器运行区域的改变

如图3和表3所示，随着涡轮端旁通阀开度的增加，更多废气将直接流入低压级涡轮，此时高压级涡轮获取废气能量减少，高压级膨胀比呈梯度减小，且转速越高，膨胀比下降越厉害。高压级涡轮因废气能量减少而致使高压级增压器转速下降。此时，高压级压气机增压比随之减少，且随着转速增加，其压气机的等熵效率越低，如图4所示。这样，高转速(1 900 r/min)增压比降幅更甚。由于涡轮端旁通阀开度增加会引起整个气路循环气体流通量减少；但部分废气能量从排气总管直接对低压级涡轮做功，故低压级膨胀比下降幅度比高压级膨胀比小很多，且流量减小幅度越大，低压级涡轮膨胀比下降越明显。然而，低压级压气机增压比随旁通阀开度的增加，基本变化不大，如图5所示。这是因为随着涡轮端旁通阀开度的增大，进气低压级压气机的气体越少，此时低压级压气机向更高等熵效率区域移动，且转速越高，等熵效率提高越多，基本保证了增压比不下降。

表3 各转速中等负荷工况主要控制参数

图3 旁通阀的开度对各级增压器的影响

图4 涡轮端旁通阀开度变化对高压级压气机运行区域的改变

图5 涡轮端旁通阀开度的变化对低压级压气机运行区域的改变

2.3 涡轮端旁通阀对柴油机热效率的影响

柴油机在100%负荷、EGR率为零、涡轮端旁通阀不开启时，各转速下的进气压力和排气背压的变化关系如图6所示。可知，随着转速的增加，进气压力和排气背压均增大，但高转速时，由于增压较大，随之所需的涡轮耗功增加，即等熵膨胀到大气压下的焓差增加，故增压比增大，排气背压随之呈现增大的趋势，且随着增压比的增大，排气背压与进气压力之间的差值越大。当排气背压大于进气压力时，此时的换气功是负值，且转速越大，换气负功越大，这将导致热效率下降。

图6 100%负荷、无EGR时各转速下进气压力和排气背压的关系

由于高转速工况进气压力较高，进气量充足，在满足排放法规需求的情况下，可以适当考虑旁通掉部分废气，使其不经过高压级涡轮，来降低排气背压与进气压力之间的差值，从而提高有效热效率。基于此，本文进行了涡轮端旁通阀开度变化对柴油机性能的影响研究，其中，旁通阀开度对排放物的影响见图7，对各状态参数的影响见图8。

图7 旁通阀开度对排放物的影响

图8 旁通阀开度对各状态参数的影响

从图3、7、8、可知，在低转速(1 300 r/min)时，适当地开启涡轮端旁通阀，由于旁通掉部分废气能量，高压级涡轮做功能力减弱，高压级膨胀比降低，故高压级压气机增压比也下降，而低压级压气机增压比略微上升，导致进气流量减小，此时，虽然NOx下降，但Soot上升明显，进排气压力差的降幅不大。从图9、10可以看出，上部分有用功，因为旁通阀的开启而减小，但换气负功变化不大，故有效热效率依然呈下降趋势，此时不宜开启涡端旁通阀。然而中高转速(1 600～1 900 r/min)时，可以找到NOx下降0.2～0.3 g/(kW·h)，而Soot上升2. 5 mg/(kW·h)的折中点。同时，由于进排气压力差的减小，导致换气负功的减少，虽然有用功依然减小，但较之换气负功减幅更大，故BMEP增加，有效热效率上升。由此可知，在Soot排放允许的条件下，适当开启涡端旁通阀(8%开度)，能找到排放变化不大的折中点，同时能提高发动机热效率。

图9 1 300 r/min不同开度旁通阀的P-V图

图10 1 600 r/min不同开度旁通阀的P-V图

3 结论

根据WP12重型柴油机在各转速下的中等负荷试验研究，结合目前匹配的两级增压器，得出如下结论。

1)两级增压柴油机在排气背压大于进气压力的情况下，随着涡轮端旁通阀开度的增加，高压级涡轮膨胀比和高压级压气机增压比均呈梯度减小，且转速越高越甚。但低压级涡轮膨胀比下降不多，且由于低压级压气机运行区域朝等熵效率高的区域移动，低压级压气机增压比基本不变。

2)在低转速工况下，随着涡轮端旁通阀的开启，由于进气量的减小，排放恶化，且有用功减小明显，换气负功变化不大，热效率下降。

3)在高转速情况下，涡轮端旁通阀的开启较小时，能找到排放变化不大的折中点，此时进排气压力差的减小，导致换气负功的减少，虽然有用功依然减小，但较之换气负功减幅更大，故BMEP增加，有效热效率上升。

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