电动补气策略对废气涡轮增压柴油机加速烟度影响的试验研究

霍育强, 周斌, 张钊，2, 杨洁, 李文秀 , 曲磊, 邱伟

(1. 西南交通大学机械工程学院, 四川 成都 610097; 2. 四川托普信息技术职业学院， 四川 成都 611743)



电动补气策略对废气涡轮增压柴油机加速烟度影响的试验研究

霍育强1, 周斌1, 张钊1，2, 杨洁1, 李文秀1, 曲磊1, 邱伟1

(1. 西南交通大学机械工程学院, 四川 成都 610097; 2. 四川托普信息技术职业学院， 四川 成都 611743)

通过改变柴油机的加速时间及负荷进行试验，对比电动补气不同策略对加速烟度的影响。结果表明：由1 400 r/min，50 N·m加速加载到2 500 r/min，100 N·m，加速时间为12 s，通过采用电动增压器并改变相关补气策略，使原机的最大峰值烟度由0.602 m-1降至0.420 m-1，降幅30.2%；上述加速加载过程中，在无初始补气量的情况下，电动增压器的最终频率越高越好，且采用直线型响应曲线比采用S型响应曲线的烟度低；在有一定初始补气量的情况下，电动增压器理想补气方式为先缓后急。

电动增压器； 涡轮增压器； 柴油机； 瞬态； 烟度

柴油机在加速加载时易于冒黑烟，是因为柴油机在加速加载时气缸内进气量的增加明显滞后于喷油量的增加，导致气缸内燃料燃烧不充分形成炭烟使尾气烟度恶化[5]。改善此时的烟度须增大进气量，目前国内外的研究人员提出了几种改善方案：1) 复合谐振增压系统，是将多缸机进气相位互不重叠的气缸与谐振系统的一个谐振箱相连，在发动机低速区的最大扭矩点附近发生共振，提高内燃机的冲量系数，但系统体积太大，在发动机上布置困难[2]；2) 可变喷嘴涡轮增压器，它能够随发动机流量的减小相应减小涡轮的流通截面，涡轮机可保持膨胀比基本不变，以提供能量使压气机具有足够的增压比，但其调节范围太大时，涡轮效率下降大，且结构与控制系统复杂，成本高[1]；3) 机械辅助增压，是由发动机直接驱动机械增压器，其转速不受排气量的限制，但是机械辅助增压器的制造成本高，技术工艺复杂，油耗高，难以运用到量产车型上[3]。电动增压器在提高涡轮增压器响应性、降低烟度等方面具有重大潜力[4]。故本研究采用可变流量的电动增压系统，通过改变柴油机的加速时间及负荷进行试验，对比电动补气不同策略对加速烟度的影响，分析电动补气各策略对加速烟度的影响规律。

1 试验设备和试验方案

1.1 试验装置

试验柴油机的主要参数见表1，电动增压器的流量特性见表2。

表1 4JB1T-4A柴油机主要参数

表2 电动增压器流量特性

试验装置及瞬态测量系统见图1，主要仪器设备有电涡流测功机、AVL439消光式烟度计、空气流量计等。

1.2 试验方案

为了较真实地反映实际使用情况，用测控系统软件控制原机从低转速低负荷的1 400 r/min，50 N·m加速加载到中等转速中等负荷的2 500 r/min，100 N·m，调整测控系统的PID值保证加速加载时间为12 s。再使用电动增压器，改变变频器频率，按如下频率运行：0～40 Hz，0～50 Hz；后调整电动增压器的响应曲线：S型,直线型；接着通过改变变频器频率使电动增压器按如下频率运行：0～50 Hz,10～50 Hz,20～50 Hz和30～50 Hz;然后在进气旁通阀打开和关闭情况下进行对比试验；再调整测控系统的PID值改变加速加载时间为15 s。最后改变工况，从低转速中等负荷的1 400 r/min，110 N·m加速加载到中等转速中大负荷的2 500 r/min，160 N·m，进行对比试验。

2 试验结果及数据分析

2.1 电动增压器工作频率对烟度的影响

图2和图3示出由1 400 r/min，50 N·m加速加载到2 500 r/min，100 N·m，电动增压器频率为0～40 Hz，0～50 Hz时烟度和空气流量与原机的对比。

由图2可知，采用电动增压后，空气流量在加速前半程略高于原机，且0～50 Hz略低于0～40 Hz，后半程明显高于原机，且0～50 Hz明显高于0～40 Hz。由图3可知，第1 s烟度没有明显增加，因为增压器、燃油系统等均有滞后；烟度有两个峰值，分别出现在第2 s和第3 s，此时进气量增加不多，导致烟度减少不理想；3 s后烟度下降明显，原因是3 s之后油耗的增量开始小于空气流量的增量，贫气现象开始缓解[5]；5 s之后的烟度趋于稳定且此时各进气情况下烟度值几乎没差别，因为此时虽空气增多，但多出来的空气又没有用。采用0～40 Hz，0～50 Hz电动增压后的峰值烟度比原机峰值烟度分别下降了15.9%和9.8%，但是0～50 Hz的次最大烟度比0～40 Hz的次最大烟度下降了31.0%。故电动增压器的最终频率越高越好。

2.2 电动增压器响应曲线对烟度的影响

图4示出电动增压器变频器自带的加速响应曲线示意图。图5和图6示出从1 400 r/min，50 N·m加速加载到2 500 r/min，100 N·m，电动增压器频率为0～50 Hz，响应曲线为直线型和S型情况下的空气流量和烟度对比。

从图4可以看出，电动增压器所用的S型曲线的频率增长特点是前期缓慢，中期快，后期慢；而直线型响应曲线以一定速率稳定增长。从图5可以看出，在整个加速加载过程中，直线型响应曲线的空气流量都略高于S型响应曲线，从而导致电动增压器直线型响应时烟度相比较S型响应时下降了34.7%(见图6)。故在无初始补气量的情况下，采用直线型响应曲线比采用S型响应曲线的烟度低。

2.3 初始频率对烟度的影响

图7和图8示出从1 400 r/min，50 N·m加速加载到2 500 r/min,100 N·m，电动增压器的频率变化为0～50 Hz，10～50 Hz，20～50 Hz和30～50 Hz下的空气流量和峰值烟度对比。图9示出各频率下烟度的对比。

从图7可以看出，随着电动增压器初始频率的增加，初始进气量增加，加速加载过程中的进气量也随着初始频率的增加而增加，但电动增压器最终频率一定，导致加速末期的进气量趋于一致，且初始频率越小趋于一致的时间越早。由图8可知，峰值烟度不是随着进气量的增加而线性变化，最佳点出现在10～50 Hz。由图9看出，加速烟度达到最大值前，10～50 Hz的烟度比其他频率的烟度低；加速烟度达到最大值后，30～50 Hz的烟度下降速度最快。以上现象的原因可能是：在峰值烟度点之前，10～50 Hz对柴油机有补气作用，使烟度下降，20～50 Hz和30～50 Hz虽有补气作用，但同时气流对涡轮机有反推作用，使气缸内炭烟来不及氧化就被排出，导致其烟度相对于10～50 Hz的烟度有所增加；在峰值烟度点之后，30～50 Hz因补气量较其他情况多且气流对涡轮机的反推作用不明显，使该情况的烟度下降最快。故在有一定初始补气量的情况下，进气量的理想趋势是先缓后急。

2.4 进气旁通阀开闭对烟度的影响

图10和图11示出从1 400 r/min，50 N·m加速加载到2 500 r/min,100 N·m，电动增压器频率为10～50 Hz时进气旁通阀开、闭情况下的进气量和烟度对比。由图10可知，旁通阀关闭时的进气量比旁通阀打开时的进气量多。由图11可看出，旁通阀打开时的峰值烟度较小，相对于旁通阀关闭时下降了28.7%；在峰值烟度点前，旁通阀关闭时的烟度较大；在峰值烟度点后，旁通阀关闭时的烟度下降速率更快。以上现象出现的原因可能是由于在最大烟度点之前旁通阀关闭时的气流对涡轮机的反推作用明显，导致烟度较大；峰值烟度之后旁通阀关闭时的进气量较多且气流对涡轮机的反推作用不明显，故烟度下降更快。

2.5 加速加载时间对烟度的影响

图12和图13示出从1 400 r/min，50 N·m加速加载到2 500 r/min,100 N·m，电动增压器在频率为10～50 Hz、加速时间分别为12 s和15 s时进气量和烟度与原机的对比。由图12可以看出，原机状态下，加载时间为15 s的进气量比12 s少，因加载时间为12 s时柴油机功率增加较快，使排气能量增加较多。采用电动增压器后，15 s加速加载前期的进气量相比12 s多，后期进气量趋于一致。15 s加速加载前期进气量较多的原因是，涡轮增压器转速增长较慢导致电动增压器前后压差较大。由图13可知，原机状态下12 s加载时峰值烟度明显高于15 s。在采用电动增压的情况下，15 s加载时的峰值烟度较原机下降6.8%，原因是进气量对燃烧的改善作用略大于气流对涡轮机的反推作用。故电动增压在加速时间较短时对加速烟度有明显改善。

2.6 柴油机不同工况下电动增压对烟度的影响

图14和图15示出电动增压器频率为10～50 Hz时不同柴油机加载工况下的进气量和烟度对比，工况1为1 400 r/min，50 N·m加速加载到2 500 r/min，100 N·m，即从低负荷到中负荷的加速加载，工况2为1 400 r/min，110 N·m加速加载到2 500 r/min，160 N·m，即从中负荷到中大负荷的加速加载。图16和图17示出不同电动增压器初始频率和加载工况下，旁通阀常开时峰值烟度对应的进气量以及峰值烟度的对比。由于工况1的最小峰值烟度点已出现且该点后的峰值烟度变化呈上升趋势，故40～50 Hz，50 Hz旁通阀常开的试验未进行。

由图14和图16可以看出，工况1的进气量比工况2少，而且工况1的峰值烟度对应的进气量在各电动增压情况下都小于工况2，原因是在工况2柴油机输出功率较大，排气能量较多。由图15和图17可知，工况1的烟度明显小于工况2，而且工况1的峰值烟度在各电动增压情况下都小于工况2，同时工况2的峰值烟度比工况1 晚1 s到达。原因是工况2的负荷较大，柴油机在加速加载时气缸内进气量滞后较多；工况1峰值烟度的最小值出现在10～50 Hz，而工况2最小峰值烟度出现在40～50 Hz，原因是电动增压器在工况2的40～50 Hz及之前以补气作用为主，在50 Hz常开反推作用大于补气作用；工况1的最小峰值烟度比原机下降了30.2%，工况2的最小峰值烟度比原机下降了22.3%。故电动增压器对小负荷峰值烟度的降幅率大于大负荷。

3 结论

a) 由1 400 r/min，50 N·m加速加载到2 500 r/min，100 N·m，加速时间为12 s，通过采用电动增压器并改变相关补气策略，使原机的最大峰值烟度由0.602 m-1降至0.420 m-1，降幅30.2%；

b) 上述加速加载过程中，在无初始补气量的情况下，电动增压器的最终频率越高越好，且采用直线型响应曲线比采用S型响应曲线的烟度低；在有一定初始补气量的情况下，电动增压器理想补气方式为先缓后急；

c) 电动补气在加速时间较短时对加速烟度有明显改善，且在小负荷情况下对峰值烟度的降幅率大于大负荷。

[1] 姚春德,韩伟强,徐广兰.电动增压器对废气涡轮增压器影响的试验研究[J].机械工程学报,2012,48(8)：188-193.

[2] 林建生,谭旭光.燃气轮机与涡轮增压内燃机原理与应用[M].天津:天津大学出版社,2005.

[3] Thomas N.Potential of additional mechanical supper-charging for commercial vehicle engine[C].SAE Paper 942268，1994.

[4] 周红秀.应用电动压气机减少柴油机加速烟度排放的研究[D].天津:天津大学,2007.

[5] 姚春德,刘小平,周红秀.电动增压器减少柴油机加速烟度的试验[J].机械工程学报,2008,44(4)：118-122.

[6] Newman P,Luard N,Jarvis S,et al.Electrical supercharging for future diesel powertrain applications[C]//Institution of Mechanical Engineers-11th International Conference on Turbochargers and Turbocharging.London：IMechE，2014：207-216.

[7] Kun Peng Zheng.Application Research of Electrical Supercharger for Improving Performances of Diesel Engine under Plateau Environment[J].Applied Mechanics and Materials,2014(6)：211-215.

[8] Nishiwaki K,Iezawa M,Tanaka H，et al.Development of High Speed Motor and Inverter for Electric Supercharger[C].SAE Paper 2013-01-0931.

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[编辑: 李建新]

Effect of Electric-controlled Air Supplement Strategy on Smoke of Turbocharged Diesel Engine during Accelerating Process

HUO Yuqiang1, ZHOU Bin1, ZHANG Zhao1，2, YANG Jie1, LI Wenxiu1, QU Lei1, QIU Wei1

(1.School of mechanical engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610097， China;2.Sichuan TOP IT Vocational Institute, Chengdu 611743， China)

The effects of different electric-controlled air supplement strategies on smoke during acceleration were compared through the experiment by changing acceleration time and bearing load of diesel engine. The results show that it costs 12 s when the engine switches from the conditions of 1 400 r/min and 50 N·m to 2 500 r/min and 100 N·m, and the peak smoke of original engine decreases to 0.420 m-1from 0.602 m-1(about 30.2% decrease) by adjusting the related air supplement strategy with the electric supercharger. Under the condition of initial air non-supplement, the high final frequency of electric supercharger was helpful to reduce the soot and the linear type response curve was easier to lead to a low smoke than S-typed response curve. While under the condition of certain initial air supplement, the ideal air supplement strategy should be slow first and then fast.

electric supercharger; turbocharger; diesel engine; transient; smoke

2016-02-05;

2016-07-24

西南交通大学大学生科研训练计划国家创新训练项目(201510613033)

霍育强(1995—)，男，本科，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制；490475694@qq.com。

周斌(1962—)，女，教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为内燃机燃烧与排放控制；bzhou@swjtu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.006

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0033-05