两级增压流通特性对柴油机高密度-低温燃烧过程的影响机制的基础研究与进展

韩志强，苏庆鹏，钱云寿，胡明艳，吴学舜*(1.流体及动力机械教育部重点实验室，四川 成都　61009； .西华大学汽车与交通学院，四川 成都　61009；.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州　51144)

随着内燃机技术的不断进步，燃烧系统和燃烧方案呈现多元化组合发展的趋势，增压系统也随之步入了大发展的阶段。在满足全工况进气需求的前提下，本文着重对改善柴油机低速工况性能，降低高速工况背压，增加增压比满足低温燃烧进气密度以及改善气路系统瞬态响应等问题进行了探讨。

随着内燃机对高平均有效压力的追求，以及实施严格的排放法规，单级涡轮增压已经不能满足柴油机大范围流量使用需求[1]。Mehrdad Zangeneh[2]认为针对潜力巨大的低温燃烧模式，燃烧方案多采用大比例 EGR(废气再循环)率(>50%)。要使柴油机在降低NOx排放的同时，不产生更多的 Soot (碳烟)排放物，且能维持输出功率，需保证缸内平均当量比在一定限值之内，提高柴油机进气压力来保持燃烧过程所需的空气量，正是解决问题的关键。天津大学尧命发教授团队认为进一步增加EGR 率，必然伴随着柴油机对更多的新鲜充量的需求，高增压技术就成为了必然选择[3]。柴油机平均有效压力的提高受限于缸内最大爆发压力，米勒循环能有效降低柴油机压缩比，而保持膨胀比不变，同时能降低缸内上止点时刻温度，故是一种节油和低温的循环[4]；由此可以看出，米勒循环的优点是降低热负荷，降低NOx排放和降低燃油消耗率。其缺点在于减少了进气量，增加当量比，不利于降低 Soot 排放，而 Eric Watel等认为两级增压系统恰恰能弥补这个缺陷[5]。这种互补的气路技术模式已成为应对严格排放法规的“杀手锏”，备受国内外内燃机研究者青睐。由此可知，在低温燃烧模式中，高增压技术是其实现高效清洁燃烧的必备技术手段；但随着低温燃烧模式向中高负荷工况拓展，无论是采用更大的 EGR 率，还是使用米勒循环降低有效压缩比，均会造成缸内平均燃空当量比上升，易于处于局部混合气过浓而生成碳烟，因此，解决该问题的唯一途径就是增加充量密度来增加进气量。这种以增加充量密度的方法来拓展工况实现低温燃烧的方案，苏万华院士等将其定义为“高密度-低温燃烧”模式[6-7]，而两级增压技术作为高增压技术的杰出代表，则成为了实现高密度-低温燃烧的必要条件；因此，两级增压技术迅速成为气路技术的研究热点，并作为各国应对欧Ⅵ等最严格排放法规标准的首选技术之一[8]。

在两级增压系统中，旁通阀的设计对两级增压系统具有革命性的意义，较为广泛的使用方式是在高压级增压器涡端或者压端并联一条旁通道[9-10]。它的存在使柴油机对进气量的调节更为灵活，特别是针对不同工况区间采用不同燃烧方案的新型柴油机，对于燃烧方案边界出现的进气量较大变化的需求，也能很好地实现。同时，在高速工况使用旁通阀，其功能无异于可灵活调节进气压力的Wastegate(排气泄压阀)，使柴油机进气压力不至于过高，同时又能在更大的范围使两级增压系统工作在高定熵效率区域，进而提高废气能量的利用率[11-12]。

基于上述功能的研究工作，Mattarelli等[13]根据需求对旁通阀制定的策略是在低速低负荷工况关闭旁通阀，利用高压级增压器相似流量较小的特点，改善柴油机低速流量特性。中高速满负荷工况，开启压端旁通阀，以避免缸内峰值压力超过极限值(16 MPa)，保证柴油机在全工况范围满足进气需求。Byungchan Lee等[14]认为选择相似流量较小的增压器作为高压级增压器，有利于提高增压器的瞬态响应特性。然而随着转速和负荷的增加，高压级压气机运行区域逐渐往大流量低定熵效率区域移动，排气背压也逐渐增加，此时需开启涡端旁通阀来降低涡前压力。涡端旁通阀的开启相当于增加了高压级涡轮流通截面，但这种做法将会减缓增压系统的瞬态响应速度。然而涡端旁通阀直接面对涡前尾气，本身需具有耐高温、高压的能力，同时面对废气中的诸多成分，还需具有抗腐蚀、密封性好且不宜结焦、瞬态响应速度快的特点[15]。这先天造就了涡端旁通阀的制造材料贵、加工工艺难、使用成本高的缺点。这也是涡端旁通阀仅仅停留在实验研究过程中，难以大批量推广使用的原因。相对涡端旁通阀，压端旁通阀工作温度一般在 200 ℃以内，易于找到高精度闭环控制的电控阀门，而压端旁通阀开启后(如图 1 所示)，高压级压气机出口气体倒流回高压级压气机入口，即高压级压气机与旁通道之间形成一个气流流动死循环，旁通阀开度越大，进入死循环的气体越多，这样就能调节进气流量，从而控制增压压力和涡前压力。

然而压端旁通流通特性复杂于涡端旁通，国内外学者对此研究较少，有必要对压端旁通流通特性的机制进行深入研究，为后续理解高密度-低温燃烧过程奠定基础。本文着重针对两级增压柴油机流通特性对气路系统相关参数、混合历程、燃烧反应和排放生成影响机制等基础科学问题展开研究，提出合理组织缸内高密度充量在时间与空间的不均匀分布状态，以及对柴油的雾化和分布特性是改善柴油机燃烧特性与排放特性的关键，为重型柴油机在全工况范围内实现高效、清洁燃烧的目标提供技术路线。

图1　压端旁通阀开启气流运行路径示意图

1　两级增压流通特性的描述及其相关参数的影响规律

国内外有较多关于两级增压系统匹配特性及相关流通特性参数影响规律研究的文献。早在1974年，曼彻斯特大学 Benson 和Svetnicka就研究得出一种能预测两级涡轮增压柴油机匹配特性的数学方法。试验结果证明预测得到的柴油机工况点与试验测得的工况点相当接近，同时该方法提供了一个能快速、准确地预测两级增压柴油机各个工况下所需要获得的外界进气量的计算程序。2008年美国密歇根大学的Byungchan Lee等[16]研究了最新的两级增压匹配方法，这种方法是在 Benson 研究的基础上发展而来，不需要提供增压器转速相关曲线,计算更加准确和清晰。英国拉夫堡大学的Alexandros Plianos等[17]以使用 VGT(可变截面涡轮增压系统)和 EGR 的柴油机为研究和控制对象，建立平均值模型，并提出用线性二次高斯控制器对柴油机空燃比、EGR 率和涡轮功率进行精确控制，得到较快的响应速度。然而R.S. Benson、Byungchan Lee 和Alexandros Plianos等的模型均未包含旁通阀的流通特性参数的描述。

2011 年上海交通大学刘博等[18]提出基于调节能力的柴油机可调二级增压系统匹配方法，应用等效增压器概念从经济性角度给出了可调二级增压系统的匹配准则：排气能量分配与效率相适应。但该模型并未从能量分配最优化的角度，提出两级增压器增压比和膨胀比最优分配原则理论方程。2012 年天津大学韩志强等[19]深入研究了高压级增压器效率、低压级增压器效率以及高压级涡轮前后温差等关键气路参数对两级增压器匹配关系的影响，通过推导两级增压系统压气机和涡轮能量平衡关系式，总结出一种两级增压器关键参数优选方法，并提出两级增压器增压比和膨胀比最优分配原则理论方程，即两级增压比相等原则方程、两级涡轮耗能最小约束原则方程，并在此基础上建立了混合燃烧系统热力学模型，提出两级增压器在各工况的优化调节方法，为高密度-低温燃烧方案的优化提供了思路和依据。然而该模型提出的两级增压器增压比和膨胀比最优分配原则理论方程依然未考虑压端旁通流通特性参数。此外，通过实验研究，韩志强等发现在高负荷工况，通过调整压端旁通阀，降低换气负功，提高两级增压器效率，能同时实现碳烟和热效率的优化；但并未在理论上总结出增压器运行效率与旁通道流通特性参数之间的数学描述关系，以及时间与空间不均匀性的分布状态对其产生的影响规律。由此可知，压端旁通对两级增压柴油机的气体流通特性的描述及相关参数的影响规律还需要进一步系统地进行理论研究。

2　两级增压流通特性对混合历程的影响机制

针对两级增压柴油机大负荷工况，通过优化气体流通特性实现缸内高密度充量状态和高压喷射的方法来使液态燃油雾化生成细小的油滴群，从而增加蒸发面积，快速形成可以燃烧的气相燃油/空气混合气，提高燃烧速率；因此，理解缸内高密度充量在时间与空间的不均匀分布状态对柴油的雾化和分布特性是改善柴油机燃烧特性与排放特性的关键。

国内外学者对此进行了相关研究。Siebers等[20]研究表明缸内高密度条件下喷射柴油，油束有更短的贯穿距离和更大的喷雾锥角，同时也能减小燃油液滴长度。Tongwoo Kim 等[21]在定容燃烧弹中采用单孔喷油器研究了环境温度、环境压力和环境组分对环境密度、喷油压力、喷孔直径以及气相喷雾当量比分布的影响。研究发现，低的环境密度会使喷雾贯穿距离变长；高的环境温度会使喷雾最高浓度值增大(800 K 时为 2.5，1 200 K 时为3.0)，气相喷雾边缘浓度梯度增大，同时气相喷雾最低温降也明显增大；高喷油压力会造成喷雾锥角增大、燃油蒸发速率提高，但其环境密度最高只有 15 kg/m3，远远低于目前重型柴油机大负荷工况上止点附近时刻缸内环境密度；所以其研究结果对于理解和改进现代重型柴油机混合气的组织和制备意义有限。Mark Sean Beckman等[22]在光学发动机内对进气温度、转速、环境密度对着火前喷雾浓度场进行了定量研究，其实验环境密度为 12～25 kg/m3，环境气体为空气。研究发现，转速为1 200 r/min时，提高环境密度，上止点时刻气相喷雾质量减少，这是提高环境密度对喷雾贯穿距离的大幅缩短作用的结果。但是 Beckman 的研究中环境密度同样很低，喷孔直径也太大。天津大学孙田等[23-24]使用复合激光诱导荧光技术在定容燃烧弹内对液相喷雾浓度场进行了定量标定，发现液相喷雾最大浓度为 139 mg/mL, 并使用气液相喷雾标定结果研究了环境温度(600～1000 K)、环境密度(7.8～18.2 kg/m3)、喷油压力(100 MPa)、喷孔直径(0.12～0.18 mm)等对喷雾特性的影响。但其在研究喷雾特性时，环境密度和喷油压力太低，对于理解现代柴油机上止点附近时刻缸内喷雾雾化、混合过程以及当量比分布情况帮助有限。由此可知，前人对柴油喷雾的研究已经不能满足理解现代重型柴油机高温高压相似环境条件下喷雾雾化、混合和浓度分布情况的需要，更不能理解压端旁通流通特性下，缸内高密度充量在时间与空间的不均匀分布状态对雾化、混合和浓度分布情况的影响。

为了深入研究两级增压柴油机相似环境条件下环境温度、环境密度、喷油压力、喷孔直径等喷射参数和环境参数对喷雾雾化、混合和浓度分布情况的影响，建立高密度-低温燃烧模式的相似环境条件下柴油喷雾结构模型，改善喷雾雾化和混合过程，需在高密度-低温燃烧条件下(试验中激光能量为 150 mJ/pulse，避免了对实验结果的修正过程；环境密度为 20～100 kg/m3，环境温度为 800～1 100 K，喷油压力为 100～220 MPa)，采用复合激光诱导荧光技术在定容燃烧弹内深入定量研究环境条件和喷射条件等参数对喷雾雾化、混合和浓度分布情况的影响。

3　两级增压流通特性对热效率与排放生成的影响机制

国内外学者针对气体充量的高密度-低温燃烧过程、热效率及排放性能的影响机制研究较多。Pickett 等[25]研究表明，在超过一个氧浓度范围之后，增加缸内密度，Soot生成会增加，而低氧浓度时，缸内密度越大，Soot生成量越多。同时还指出，增加缸内密度能改善油气混合过程，从而促进 Soot 在燃烧过程中的氧化率，即有生成和氧化的竞争关系。Noehre等[26]将上述结论进一步具体化，在重型柴油 IMEP(指示平均有效压力)=0.8 MPa时，通过试验测试。结果表明，充量密度在不同氧浓度下对 Soot 的影响效果也不同。由数据显示，充量密度增加，Soot 到峰值时所需 EGR 率也增加，然而 Soot 生成的核心问题不在于“Soot bump”(碳烟碰撞)位置的改变。在低氧浓度时，随着充量密度增加，Soot 逐渐增加，而高氧浓度时呈现相反的趋势。中氧浓度时，Soot 先随着充量密度的增加而增加，之后充量密度进一步增加后，Soot逐渐下降。Sanghoon Kook等[27]测试过两级增压系统中充量密度(温度因素)对放热率的影响，得出结论：充量温度的上升是促使着火提前的主要原因，充量温度从30 ℃提升至 160 ℃，主放热始点提前至少 20 ℃A。过早着火，虽然使缸压上升，但密度相对下降，柴油机输出功率减少，热效率下降。天津大学苏万华、郭红松等[28-29]通过定容弹内的复合激光诱导荧光试验和数值模拟研究表明，增大充量密度，降低了全局燃氧当量比，能有效地改善燃氧混合率，提高化学反应率，进一步促进了燃烧后期的混合速率，加快了燃烧后期的 HC 氧化和 CO向CO2转化的程度，缩短燃烧持续期，有利于提高发动机的指示热效率。鹿盈盈等[30-32]研究表明充量密度作为温度、压力、混合气成分等的综合因素，有利于降低NOx排放，而降低氧浓度对NOx排放的抑制作用更大。于文斌等[33-35]进一步研究，在 WP12 重型柴油机上研究充量密度对高密度-低温燃烧过程、热效率及排放的影响规律。研究表明，充量密度对缸内热容和混合率的影响共同制约着NOx的生成。在满负荷工况下，提高充量密度，可获得NOx=1.92 g/kWh，Soot=0.013 9 g/kWh，指示热效率达到 47.7%的结果。但以上研究均采用模拟增压实现，未考虑增压系统能量转化关系、转化效率及能量分配对高充量密度的影响机制，以及两级增压系统对高密度-低温燃烧过程的影响规律。针对两级增压旁通特性，天津大学韩志强等[36]、战强等[37]结合两级增压系统、可变气门系统、EGR 系统、高混合率 BUMP 燃烧室等手段研究高密度-低温燃烧过程。研究表明在 EGR 率相等的条件下，随着涡端旁通阀开度增加，进气压力降低，进气流量下降，缸内氧气绝对含量降低，有利于降低NOx，且随着 EGR 率增加，进气流量的降低对NOx的降低作用愈发明显。在高涡前压力时，随着涡端旁通阀开度增加，Soot 排放会出现一个拐点，呈现先减小后增加的趋势。这是气量和油量降低速度不一致造成的，分别体现在柴油混合时间、缸内平均温度以及缸内平均当量比3个参数上，三者综合决定 Soot的生成量。此外，随着涡端旁通阀开度增加，涡前压力降低幅度大于进气压力降低幅度，有效热效率逐渐增加。这充分说明，在高涡前压力工况，适时放气，既能降低排放，又能提高热效率。

4　结论

以高密度-低温燃烧基础理论体系构建为目标，重点围绕两级增压流通特性对高密度-低温燃烧过程中气路系统相关参数、混合历程、燃烧反应和排放生成影响机制等基础科学问题，开展一系列的深入探索，主要结论如下：

1)在低温燃烧模式中，高增压技术是其实现高效清洁燃烧的必备技术手段，而两级增压技术作为高增压技术的杰出代表，则成为了实现高密度-低温燃烧的必要条件。

2)系统性进行两级增压柴油机气体流通特性的描述及相关参数的影响规律理论研究是理解高密度-低温燃烧过程的必备基础条件。

3)合理组织缸内高密度充量在时间与空间的不均匀分布状态，以及柴油的雾化和分布特性是改善柴油机燃烧特性与排放特性的关键。

4)以高密度-低温燃烧理论为基础，重型柴油机在全工况范围内实现高效清洁燃烧为目标，需协调超高增压技术与喷油策略、可变气门技术、EGR 技术的耦合关系，提出燃烧过程的优化组织及控制策略。

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