基于DPF主动再生温度需求的柴油机进气节流控制策略

王 建，曹 政，张多军，刘胜吉



基于DPF主动再生温度需求的柴油机进气节流控制策略

王 建1，曹 政1，张多军2，刘胜吉1

（1. 江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013； 2. 无锡伟博汽车科技有限公司，无锡 214000）

为得到DPF主动再生温度控制的全工况区域内进气节流控制策略，选取大、中、小负荷下的3种典型工况研究进气节流阀开度对柴油机泵气损失、排气热状态、缸内燃烧及排放特性的影响规律。台架稳态试验结果表明：随着节流阀开度的减小，节流作用增强，各工况下进气量逐渐降低，过量空气系数减小，最大燃烧压力下降，比油耗、CO、NOX及烟度排放升高；但进气量的减少使得燃烧始点推迟，滞燃期延长，缸内燃烧温度及排气温度升高，抑制了HC的生成。当进气节流阀开度减小至20%时，低速小负荷工况进气流量减少率较大，排气温度提升更为显著，增幅可达62.7%，而高负荷工况排温略有升高，但泵气损失较大，增幅高达19.2%，严重恶化了发动机的经济性。因此该文综合3种代表工况下的排温提升潜力及主要性能变化规律，将A、B、C工况进气节流阀开度分别控制在35%～45%，50%～60%和70%～80%范围内，并依据排温分布特点得出发动机全工况范围内进气节流控制策略，即小负荷工况采用较小的节流阀开度，随负荷增大节流阀开度增大直至全开。

柴油机；燃烧；排放控制；DPF主动再生；进气节流；排气温度；控制策略

0 引 言

当前，随着大气中颗粒物污染问题日益严峻和排放法规的日趋严格，颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）被认为是解决柴油机PM排放问题最有效的手段[1-8]，但DPF的再生一直是制约其发展的关键因素[9-10]。目前，DPF再生系统主要有主动再生系统和被动再生系统，各系统又对应不同的再生技术[11-13]。主动再生由于再生彻底性已成为DPF再生方法的主流，而DPF再生温度的精确控制是其再生彻底性、安全性的关键。柴油机由于运行工况宽广，尤其是中低负荷工况，其排气温度较低无法满足DPF再生温度的要求。因此根据柴油机运行工况，需要对DPF主动再生温度控制策略进行研究，保证柴油机良好的动力性、经济性和排放性能的同时也能使DPF安全高效的主动再生。

轻型柴油车由于受安装空间及成本的限制，多采用DOC辅助DPF的主动再生方法，即通过喷油策略和空气管理的协调控制提升排气温度，同时提供未燃HC供DOC氧化放热将DPF入口温度提升至600℃左右，最终实现DPF的安全有效再生[14-18]。空气管理主要通过改变进气节流阀开度来控制进气量，进而控制排温，是匹配和改善后处理系统低温性能的重要手段，但进气量的改变必然会影响发动机的性能，需对其控制策略进行深入研究。

本文以某轻型车用柴油机为研究对象，选取小、中、大负荷下的3种典型工况，研究进气节流阀开度对泵气损失、排气热状态、燃油经济性、缸内燃烧过程及排放性能的影响规律，结果可为DPF主动再生空气系统管理提供试验依据，也为后续与喷油策略的协同控制提供理论支持。

1 试验设备及试验方案

1.1 试验设备

试验样机为某型四缸高压共轨涡轮增压中冷柴油机，其基本参数见表1。柴油机整机性能试验台架如图1所示，试验中气缸压力的测量采用KISLER公司的6127B传感器，数据采集采用AVL公司的INDCAM燃烧分析仪，采用HORIBA公司的MEXA-7100FX测量排放气体成分，烟度的测量采用AVL公司415S烟度计，测功机为HORIBA公司的Dynas3电力测功机，空气流量计为BOSCH公司的EH-56921型测量仪。

表1 样机基本参数

注：TBDOC，TBDPF分别为DOC、DPF上游的温度。

1.2 试验方案

试验选取柴油机小、中、大负荷下的3种典型稳态工况（1 250 r/min 25%负荷、2 000 r/min 40%负荷、3 000 r/min 70%负荷，分别记为A、B、C工况）进行研究，其喷油参数及排温详见表2，主喷正时及预喷定时正值表示上止点后，负值表示上止点前。进气量通过节流阀开度来调节，其中进气流量与节流阀有效面积的对应关系见式（1），式（2）。（文中定义进气节流阀开度0为全闭，100%为全开状态，样机正常模式下进气节流阀为全开状态）。试验过程中保持转速和扭矩不变，分别选取20%、40%、60%和80%的节流阀开度，研究进气量变化对发动机泵气损失、排温、缸内燃烧及排放性能的影响。

表2 喷油参数及排温

注：A，B，C工况分别为1 250 r·min-125%负荷，2 000 r·min-140%负荷，3 000 r·min-170%负荷。下同。

Note: A, B, C conditions were 1 250 r·min-125% load, 2 000 r·min-140% load, 3 000 r·min-170% load, respectively.

式中eff为进气节流阀有效截面积，m2；为通过进气节流阀的空气质量，kg；us，us，ds分别为节流阀进气压力（kPa）、温度（℃）及节流阀排气压力（kPa）；为流函数；为转换系数；为绝热指数；π为进气前后压力比值；πcrit为临界压力比。

2 试验结果及分析

2.1 进气节流阀开度对过量空气系数的影响

图2a为进气节流阀开度对进气流量的影响。由图2a可知，进气节流阀开度减小使得有效进气截面减小，造成进气量下降。其中当进气节流阀开度高于60%时，各工况下进气流量变化较为平缓，而当节流阀开度低于60%时，A、B、C工况进气流量开始明显下降，当节流阀开度进一步减小至20%状态时，进气流量分别低至60，167和275 kg/h，降幅分别为60%，45%和40%。这是因为当节流阀开度低于60%时，节流阀上下游压力比值较大，使得节流阀有效截面急剧减少，造成进气阻力急剧升高，因此进气流量下降的更为明显。图2b为不同工况下进气节流阀开度对过量空气系数的影响。由图2b可知，过量空气系数随节流阀开度的变化趋势与进气流量的变化规律保持一致，在20%节流阀开度下，A、B、C工况过量空气系数分别降至1.54、1.75和2.03，降幅分别为33.1%、32.4%和24.3%。

图2 进气节流阀开度对进气流量及过量空气系数的影响

2.2 进气节流阀开度对泵气损失及热效率的影响

从气体流动角度分析，柴油机的泵气过程需要克服进、排换气过程中的各种流动阻力损失。根据进、排气系统的特点其主要以局部损失为主，包括节流阀的节流损失及涡后压力损失，泵气损失约占总机械损失的10%～15%。本文研究中，泵气过程的功率损失可根据经验公式计算[19]，见式（3），式（4）。图3即为不同工况下节流阀开度对泵气过程扭矩损失的影响。由图3可知，随着节流阀开度的减小，节流作用加强，导致进气及涡前压力逐渐减小，进排气压差上升，因此泵气过程扭矩损失逐渐增大，而不同工况下扭矩损失幅度并不相同，具体表现在：当进气节流阀开度由100%减少至20%时，高速大负荷工况（C工况）泵气扭矩损失增加40 N·m，增幅高达21.6%；而低速小负荷（A工况）泵气过程扭矩损失增加11 N·m，增幅为16.8%。

式中pump，pump分别为泵气过程功率、扭矩；Δ为进排气压力差；，分别为发动机排量和转速。

图3 进气节流阀开度对泵气损失的影响

图4a为3种工况下柴油机比油耗随进气节流阀开度的变化规律。由上述图2、图3可知，节流阀开度的减小使得柴油机进气量减小，过量空气系数降低，燃烧质量下降；此外节流阀开度的减小也使得泵气过程扭矩损失增加，热效率下降[20-23]，因此综合作用使得图4a中柴油机比油耗呈不断增加趋势。

图4 进气节流阀开度对比油耗及有效热效率的影响

但不同工况下比油耗增量随节流阀开度的减小却不一致，具体表现为：低速小负荷（A工况）时的比油耗远比高速大负荷（C工况）时增加得多，60%节流阀开度下，比油耗增值分别为12和4 g/(kW·h)，增幅为4.2%和1.6%；而20%节流阀开度下，比油耗增值分别为90和35 g/(kW·h)，增幅为31.5%和14%。小负荷工况比油耗增加更为明显的原因主要是：低速小负荷工况下，压缩终了缸内温度较低，燃油雾化蒸发不良，燃烧稳定性较差，大幅减少进气量会使缸内局部过浓区域进一步增加，造成燃烧恶化，燃烧效率急剧下降，而为保持柴油机动力性，需增加循环供油量，因此比油耗增幅明显。另一方面，由燃油消耗量计算得出不同节流阀开度下有效热效率的变化，如图4b所示。与比油耗在低速小负荷下有明显的增加对应，随节流阀开度的减小，有效热效率在低速小负荷下有明显的降低，降幅高达30%。

2.3 进气节流阀开度对缸内燃烧过程及排气温度的影响

图5为选取的B工况柴油机进气节流阀开度变化对缸内燃烧过程的影响规律。由图5可知，缸压曲线为双峰，第1峰值为压缩上止点的压缩压力、第2峰值为燃烧阶段的最大燃烧压力。随着进气节流阀开度的减小，进气流量减少，柴油机缸内压力在整个循环过程中都有明显的下降。其中，当节流阀开度从100%减小至60%时，气缸燃烧压力下降了0.38 MPa，降幅4.8%，而节流阀开度从60%减小至20%时，气缸燃烧压力减小了0.84 MPa，降幅11.2%，且对应的相位角后移1°CA。造成较小进气节流阀开度下最大燃烧压力降幅显著的原因是：较小节流阀开度时，进气流量下降率更高（见图2a），导致缸内过浓混合气区域显著增加，燃烧质量严重恶化，最终造成最大燃烧压力急剧下降。

图5 进气节流阀开度对气缸压力及瞬时放热率的影响(B工况)

此外，图5所示结果表明在不同进气节流阀开度下瞬时放热率变化与缸压变化规律并不一致。具体表现为：随着节流阀开度的减小，瞬时放热率的“第1峰”峰值逐渐增大，且上升段存在一定的后移，而“第2峰”峰值却随着节流度的减小而逐渐减小。其原因是：节流阀开度的减小使得进气量减少，燃烧始点推迟，滞燃期延长，这就导致预混燃烧阶段可燃混合气的量增多，造成“第1峰”峰值上升；相应的在扩散燃烧阶段由于可参与燃烧的可燃混合气的量逐渐减小，因此瞬时放热率的“第2峰”峰值呈下降趋势。

图6为进气节流阀开度对缸内燃烧过程及排温的影响。由图6a、图6b所示，随着进气节流阀开度的减小，缸内最大燃烧压力逐渐减小而缸内平均燃烧温度逐渐增大。以A工况为例，节流阀开度从100%减少至20%时，其最大燃烧压力下降了1.67 MPa，降幅27.7%，而最高燃烧温度增加了288 ℃，增幅33.5%。这主要是因为进气量的减少，使得缸内混合气变浓，燃烧恶化，最大爆发压力下降；此外进气量的降低使得滞燃期延长，预混燃烧的比例增加，更多燃料在预混燃烧阶段氧化放热，循环热效率增加；另外进气量的减少也会降低缸内工质吸收热量的传热损失，两者综合使得缸内的最高燃烧温度升高。

图6c为各工况燃烧始点随进气节流阀开度的变化特性。其中，燃烧始点的定义为累积放热率达到5%时所对应的曲轴转角[24-25]。由图6c可知，随着进气节流阀开度的减小，进气量减少，燃烧始点（上止点后）逐渐推迟。这是因为进气流量的减少使得上止点附近缸内压力、温度以及氧含量的降低，进一步减缓了反应物之间的碰撞概率和反应概率，使得滞燃期逐渐增加，最终造成燃烧始点有所推迟。以低速小负荷工况为例(A工况)，节流阀开度从100%减少至60%时，燃烧始点平均推迟0.5°CA，从60%减少至20%时，燃烧始点平均推迟1.5°CA。

图6d、图6e为进气节流阀开度对燃烧噪声及排气温度的影响。由图6d可知，随着节流阀开度的减小，燃烧噪声逐渐减小。以A工况为例，节流阀开度从100%减少至20%时，燃烧噪声最大降幅为1.45 dB。其原因主要是：进气节流增加，使得进气量减少，燃烧始点推迟，压力升高率降低，因此燃烧噪声下降。另一方面由图6e可知，随着进气节流阀开度的减小，排气温度出现了不同幅度的增加，其中，低速小负荷（A工况）增幅最大，高速大负荷（C工况）增幅最小，具体表现为：节流阀开度从100%减少至20%时，A工况排温增加了160 ℃，达到415 ℃，增幅为62.7%；而C工况排温增加了70 ℃，达到435 ℃，增幅为19.2%。这主要由两方面造成：1）节流阀开度的减小，使得节流作用增强，造成缸内最高燃烧压力下降，燃烧持续期延长，导致柴油机热转化效率降低，因此各工况下的排气温度升高；2）当节流阀开度小于60%时，低速小负荷工况下进气阻力对柴油机进气流量的影响比高速工况显著，换言之在节流阀同样开度下，低转速下进气流量减小率越大，这就造成缸内燃烧空燃比过小，可燃混合气变浓，发动机排温升高越明显。

图6 进气节流阀开度对缸内燃烧过程及排温的影响

2.4 进气节流阀开度对柴油机排放性能的影响

图7a为不同进气节流阀开度下柴油机烟度的变化特性。由图7a可知，烟度随节流阀开度的减小而增加，当节流阀开度小于60%时，烟度会迅速增加，负荷越小其增加速率越快。具体表现为：进气节流阀开度由100%减少至60%时，A、B、C工况烟度增加量分别为0.23，0.11和0.09 FSN，增幅为153%，22.5%和6.4%；当节流阀开度继续减小至20%状态时，A、B、C工况烟度增加量分别为0.77、0.65和0.35 FSN，增幅为202.6%，122.6%和17.4%。造成此现象原因是：1）进气节流阀开度的减小使得缸内氧含量减少，缸内最高燃烧温度升高，导致扩散燃烧时高温裂解生成的soot增加，此外滞燃期的延长也使得整个燃烧持续期缩短[26-27]，加之缸内氧含量减少，亦使soot的氧化过程受阻；2）高速大负荷工况下，节流阀开度的减小使得进气量下降率较小，使得缸内局部当量比下降，减少了soot的生成。两方面效果叠加，最终导致低速小负荷工况下烟度随进气量的减少而快速增加。

图7b为柴油机HC排放随进气节流阀开度的变化情况。由图7b可知，随着进气节流阀开度的减小，不同工况下HC排放均呈下降趋势。HC排放主要来自燃油喷注外缘存在的过稀混合区域，进气节流阀开度的减小，减少了进气量，使得滞燃期延长，油气混合时间加长，有助于减少缸内过稀混合气的量，此外缸内平均温度的升高降低了缸内部分区域失火的概率，减少了燃油不完全燃烧的风险，故而造成HC生成量随进气量的降低而减少。

图7c为不同节流阀开度下CO排放的变化情况。由图7c可知，CO排放随进气节流阀开度的减小在低速小负荷工况时升高更为明显。具体表现为：节流阀开度从100%减少至20%时，A工况CO排放增加了139×10-6，增幅达40%，而B、C工况增幅仅为22%和26%。其原因主要是：当节流阀开度减少至20%时，A工况过量空气系数最低（见图2b），因此缸内浓混合气区域增加，由缺氧造成的不完全燃烧的机率增大；此外，相对于B、C工况，A工况热负荷小，燃烧室内低温区域较多，因此综合效果使得小负荷工况（A工况）CO排放增幅更为明显。

图7 进气节流阀开度对排放的影响

图7d为NOX排放随进气节流阀开度的变化情况。3种工况下NOX排放随进气节流阀开度的减小均有增加的趋势。这是因为柴油机的NOX排放一般由燃烧温度、氧浓度以及高温持续时间三者共同决定[28-30]，进气节流阀开度的减小，进气量降低，使得缸内平均温度升高，并且此时缸内高温环境对NOX生成的促进作用强于氧含量减少对NOX生成的抑制作用，因此综合作用导致NOX排放有所增加。

3 全工况区域内进气节流控制策略

为定性分析大、中、小负荷下进气量变化对发动机各性能的影响规律，并为DPF主动再生温度控制的进气节流策略提供依据，本文将不同进气节流阀开度下发动机部分性能指标参数变化率的试验结果绘制成表格，见表3。由表3可知，低速小负荷工况（A工况）降低进气量，能显著提升排气温度，但过大的进气节流会使比油耗、烟度、NOX及CO排放急剧恶化，当节流阀开度降至40%左右时，排温增幅与比油耗及烟度的恶化程度基本达到平衡，排温提升35%，推荐采用的节流阀开度为35%～45%；而中高转速中大负荷工况，进气量的减少能适当提高排气温度，但过大的进气节流会降低发动机的机械效率，影响发动机动力输出，NOX及CO排放恶化，其中B工况在40%进气节流阀开度下，排温增幅20%，达到378 ℃，但泵气损失、烟度及NOX排放恶化严重，考虑到柴油机中等负荷工况的排放性能，宜采用较小的节流度，B工况推荐采用的节流阀开度为50%~60%；而C工况在60%进气节流阀开度下，排温增幅不明显，仅为7%，但泵气损失及NOX增幅分别达到7.5%和62%，考虑到大负荷工况（C工况）的动力性及排放性，宜采用较弱的节流度，因此推荐采用的节流阀开度为70%~80%。综上所述，低速小负荷工况进气节流具有较大的升温潜力，可将进气节流作为该区域提升排温的主要控制策略；随转速和负荷的增大，进气节流的排温提升潜力下降，而性能恶化严重，应采用较小的进气节流。

表3 不同进气节流阀开度下柴油机主要性能变化率

根据上述典型工况研究方法和结论，依据试验样机全工况区域内排气温度分布特征（见图8）得出不同工况区域在性能恶化可接受的前提下进气节流提升排温的控制策略。此外，本文研究中单一采用进气节流阀开度提升排气温度无法实现DPF再生所需的温度目标值（600±30）℃，因此在后续研究中还应考虑进气节流策略与喷油策略的耦合控制，最终达到排温与各项性能的协调统一。

注：区域①：排气温度150～260℃；区域②：排气温度260～340 ℃；区域③：排气温度340～420 ℃；区域④：排气温度420～555 ℃

4 结 论

1）进气节流阀开度减小时，过量空气系数降低，泵气扭矩损失增大，柴油机有效热效率降低，比油耗增加，20%节流阀开度下，低速小负荷比油耗增加率较大可达31.5%；高速大负荷比油耗增加率较小为14%。

2）进气节流阀开度减小时，缸内最大爆发压力降低；燃烧始点推迟，滞燃期延长，预混燃烧比例增加，缸内平均温度升高，柴油机排气温度升高，20%节流阀开度下低速小负荷排温增加幅度大，可达62.7%；高速大负荷排温增加幅度小，为19.2%。

3）进气节流阀开度减小时，烟度、NOX及CO排放明显恶化，HC排放得到改善。

4）依据文中典型工况的研究结论及样机全工况下的排温分布特征，得出提升排温的进气节流控制策略：小负荷区域采用较小进气节流阀开度35%～45%；中等负荷区域增大进气节流阀开度至50%～60%；大负荷及全负荷区域节流阀开度增大至70%～80%直至全开。

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Intake throttling control strategy based on DPF active regeneration temperature for diesel

Wang Jan1, Cao Zheng1, Zhang Duojun2, Liu Shengji1

(1.212013,; 2.214000,)

Diesel engines are widely applied in the field of transportation and manufacturing because of its better power and fuel economic performances. However, diesel engine emits huge quantities of particulate matter (PM) which pose a great threat to the human health and environment. As emission regulations are becoming gradually stricter, it is imperative to stringently control diesel PM emission with a feasible after-treatment technic. Diesel particulate filter (DPF) is considered as the most effective mean to reduce diesel PM emission. The core of DPF regeneration is the control of upstream temperature of DPF. DPF regeneration is mainly divided into active and passive regeneration, the regeneration temperature is mainly controlled by the air management and injection strategy for the active regeneration. Air management is mainly by changing the intake throttle valve to control the intake air flow, and then controlling the exhaust temperature, which is important to match and improve the low temperature performance of the after treatment system, but the change of intake air flow will inevitably affect performances of the engine. So the control strategy of air management needs to be studied in depth. In order to obtain the intake throttling control strategy based on DPF active regeneration temperature under the whole working area of diesel engine, three typical working conditions were designed, including low-speed light load (working condition A:1 250 r/min 25% load), middle-speed medium load (working condition B: 2 000 r/min 40% load) and high-speed heavy load (working condition C: 3 000 r/min 70% load), and the effects of intake throttle opening on pumping loss, exhaust thermal condition, in-cylinder combustion and emission characteristics of diesel engine were studied. The experimental results showed that the throttle effect was enhanced, the air intake flow gradually reduced under the different working conditions with the increasing of the throttle valve opening, which lead to the deterioration of combustion in cylinder, the decrease of the maximum combustion pressure, the increase of the BSFC, CO, NOXand smoke emissions. However, the decrease of the intake air flow delayed the start timing of combustion, prolonged the ignition delay period and increased the combustion temperature as well as the exhaust temperature, which inhibited the generation of HC effectively. When the intake throttle valve opening was reduced to 20%, the reduction rate of air intake flow was greater under the low-speed light load condition, the increase rate of exhaust temperature was more significant as much as 63%, while under the heavy load conditions, the exhaust temperature was slightly increased, but the pumping loss was increased by up to 19.2%, which seriously deteriorate the fuel economic performance. Based on the experimental results, the intake throttle valve opening was set respectively 35%-45%, 50%-60% and 70%-80% range according to the increasing potential for the exhaust temperature and performance deterioration under working conditions A, B, C in this paper. Moreover, the intake throttling strategy was given within the scope of all working conditions based on exhaust temperature distribution of the engine that light loads adopted the larger intake throttle valve opening, with the increasing of load, the throttle valve opening was gradually increased to the full open state.

diesel engines; combustion; emission control; DPF active regeneration; intake throttle; exhaust temperature; control strategy

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.005

TK421

A

1002-6819(2018)-02-0032-08

2017-09-05

2017-12-26

江苏省高校优势学科建设工程资助项目（苏证办发[2015]）；江苏重点研发计划项目（BE201518）

王 建，副教授，主要研究方向为中小功率内燃机工作过程研究与性能优化。Email：wangjian@mail.ujs.edu.cn

王 建，曹 政，张多军，刘胜吉. 基于DPF主动再生温度需求的柴油机进气节流控制策略[J]. 农业工程学报，2018，34(2)：32－39. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.005 http://www.tcsae.org

Wang Jan, Cao Zheng, Zhang Duojun, Liu Shengji. Intake throttling control strategy based on DPF active regeneration temperature for diesel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 32－39. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.005 http://www.tcsae.org