可调二级增压结合EGR策略对米勒循环柴油机性能的影响

2019-08-26成晓北浦涵杨灿

车用发动机 2019年4期

成晓北，浦涵，杨灿

(1.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074；2.华中科技大学中欧清洁与可再生能源学院，湖北武汉 430074)

日益严格的排放法规推动了更清洁、更高效柴油机的发展。其研究重点是减少NOx等有害尾气排放，同时保持或者提高发动机效率[1-3]。与传统柴油机循环相比，米勒循环能够降低缸内燃烧温度，实现低温燃烧(LTC)，有效减少NOx排放[4-7]。然而，对于米勒循环柴油机来说，无论是进气门早关(EIVC)还是进气门晚关(LIVC)策略，均会造成进气量不足，缸内燃烧效率降低，扭矩输出能力下降的问题[8-9]。Rinaldini[10]等试验结果表明，在欧洲驾驶循环中，米勒循环可降低NOx排放25%，但使燃油消耗率提高了2%。

提高进气压力能够克服米勒循环带来的不利因素，改善柴油机燃烧效率[12]。近年来，电子增压器(E-Booster)作为发动机电气化、小型化以及低速化的重要部件受到越来越多的关注。与传统的废气涡轮增压器相比，E-Booster的流量较小，压比较低，作为辅助增压器，能够有效地提高发动机中、低速的增压性能，同时E-Booster可控性更强，扭矩响应更快，很好地解决了涡轮迟滞问题[13]。将E-Booster与废气涡轮增压器协同工作，与米勒循环相结合，可快速地提高进气压力，优化缸内燃烧过程，获得更高的功率密度，从而提高动力性[14]。但另一方面，较高的增压压力会使得缸内最大压力升高，造成机械负荷增大以及NOx排放增加。为了抑制高增压带来的不利因素，可采用废气再循环(EGR)策略来调节燃烧反应速度，改善米勒循环柴油机运行状况[15-17]。

本研究以一台重型柴油机为研究对象，建立发动机一维仿真模型，展开E-Booster和可变几何截面涡轮增压器(VGT)协同的可调二级增压与EGR进气策略对米勒循环柴油机性能和排放特性的影响规律研究，为重型柴油机改善和拓宽米勒循环工况提供了科学理论依据和参考。

1 研究方案

1.1 试验台架和仿真模型建立

试验发动机为一台直列6缸重型柴油机，主要技术参数见表1，台架示意见图1。采用了BOSCH喷油系统以及电控高压冷却型EGR系统，可调节EGR阀控制EGR率，并匹配了VGT与E-Booster的可调二级增压系统，表2示出E-Booster主要技术参数。缸压数据由Kistler 6125A传感器测量，采样间隔为0.1°曲轴转角，采集100个循环进行平均。采用Horiba MEXA-720 NOx分析仪测量NOx排放。

表1 发动机主要技术参数

图1 试验台架示意

压轮直径/mm64持续功率@48 V/kW 2.5峰值功率@48 V/kW6.2系统效率/%68最高效率/%94最高转速/r·min-172 000

本研究采用一维性能仿真热力学软件GT-Power建立发动机仿真模型。进排气管路采用了一维简化模型，燃烧模型为双韦伯模型[18]，传热模型为Woschni模型[19]，涡轮增压器的特性曲线MAP，通过输入的数据拟合与线性插值生成[20]，NOx的生成采用了扩展的Zeldovich模型进行预测[21]。

图2示出计算中采用的进排气门升程曲线，定义EIVC策略对应的米勒度为负，其值就为进气门早关角，LIVC策略对应的米勒度为正，其值就为进气门晚关角，而米勒度越大就表示进气门早关角或晚关角越大。其中原机的米勒度为M30(即进气晚关角为30°曲轴转角)。本研究围绕1 400 r/min,平均有效压力pme=1.85 MPa工况进行分析，计算过程中始终保持各算例的喷油正时、喷油压力和循环喷油量同原机1 400 r/min,1.85 MPa工况一致。

图2 进排气门升程曲线示意

1.2 模型校核

为了验证仿真模型的准确性，需要对仿真和试验的结果进行对比校核，图3和图4分别示出1 400 r/min,1.85 MPa工况下缸内压力和NOx排放的试验值与计算值对比。从图中看到，计算和试验缸压一致性良好，试验峰值压力为16.31 MPa,计算峰值压力为16.27 MPa，差异小于2%，NOx排放的差异也小于2%，验证了模型的准确性，从而表明模型可以较准确地模拟发动机的运行过程，能够满足计算分析要求。

图3 试验缸压与计算缸压对比

图4 NOx排放试验值与计算值对比

1.3 评价指标

为更加全面分析评价各因素对发动机性能的影响规律，引入并定义了以下3个评价指标：

1) 由于E-Booster的消耗会对发动机实际输出功率产生影响，定义实际平均有效压力pme，ac：

pme，ac=pme-pme，e。

(1)

式中：pme为曲轴输出平均有效压力；pme，e为E-Booster所消耗曲轴输出的平均有效压力。

2) 为研究二级增压系统高、低压级压比分配对柴油机性能的影响，定义高压级压比系数πH为

(2)

式中：pH为高压级增压压力；pin为进气压力。

3) 为表征泵气损失变化带来的影响，定义泵气平均有效压力收益Δpme，p为

Δpme，p=pme，p，x-pme，p，0。

(3)

式中：pme，p，x为πH=x%的平均泵气有效压力;pme，p，0为πH=0的平均泵气有效压力。

2 米勒循环对发动机性能的影响

为研究米勒度对发动机性能和排放的影响，计算过程中E-Booster不介入，通过VGT开度控制进气压力保持在0.266 MPa(原机)，仅改变米勒度。

2.1 米勒度对pme，ac的影响

图5示出了米勒度对pme，ac与进气流量的影响，图6示出了米勒度对θCA50与燃烧持续期的影响。θCA50和燃烧持续期是表征缸内燃烧放热规律的两个重要特征参数，其中θCA50定义为循环累计放热量达到总放热量50%时对应的曲轴转角，燃烧持续期定义为从循环累计放热量为总放热量10%～90%所对应的曲轴转角间隔。两个特征参数密切影响了放热率、缸内最大压力以及做功能力等特性参数。

由图5可知，不论是EIVC还是LIVC策略，随着米勒度的增加，pme，ac基本上都是逐渐下降的趋势，M-40和M100相对于M0分别降低0.17 MPa，0.26 MPa。这是由于在进气压力不变的情况下，对于EIVC策略，由于进气门早关，进气量减少，而对于LIVC策略，当进气门晚关角较小时，此时利用了进气惯性，使得进气量有一定程度升高，而当进气门晚关角较大时，活塞继续上行，将部分新鲜充量推回进气道，进气流量下降。对于柴油机来说，随着进气量的降低，缸内氧气浓度和缸内初始压力、温度下降，燃气混合减弱，燃烧过程放缓，扩散燃烧后期燃烧比例增加。如图6所示，θCA50推迟，整个燃烧持续期延长，活塞膨胀段做功能力下降，导致有效热效率下降。

图5 米勒度对pme，ac与进气流量的影响

图6 米勒度对θCA50与燃烧持续期的影响

2.2 米勒度对NOx的影响

图7示出了米勒度对NOx排放与最高燃烧温度(Tmax)的影响。在EIVC策略下，随着米勒度的提高，NOx排放逐渐降低，当米勒度为M-40时，NOx排放从2.11 g/(kW·h)降至1.47 g/(kW·h)，降低了30.3%。在LIVC策略下，随着米勒度逐渐增加，NOx排放会有小幅度的升高，但是米勒度大于M40后，NOx排放迅速下降，M100时降至1.24 g/(kW·h)，下降了41.2%。从图7可以看到，EIVC策略下随着米勒度从M0变化至M-40，Tmax逐渐降低，下降了66 K。这是由于进气门早关减少了缸内进气量，同时随着活塞下行，在压缩冲程前新鲜充量进一步膨胀冷却，使得缸内初始温度和压力降低，因此Tmax呈现出相似的变化趋势。在LIVC策略下，米勒度从M0增加至M100，Tmax先小幅升高，之后逐渐降低，M100时Tmax为2 601 K，下降了81 K。这是因为当进气门晚关角较大时，活塞上行过程中将部分新鲜充量推回进气道，同时带走部分热量，使得缸内初始温度和压力下降。所以不论是在EIVC还是在LIVC策略下，随着米勒循环的加深，Tmax和氧气浓度基本都是逐渐下降，而这两者都是抑制NOx生成的关键因素。

图7 米勒度对NOx排放与最高燃烧温度的影响

3 二级压比分配对发动机性能的影响

由上述分析可知，米勒循环可以有效降低Tmax和NOx排放，但由于新鲜充量不足，缸内燃烧速率下降，使得发动机扭矩输出能力下降。因此，为了克服米勒循环带来的限制，本研究采用E-Booster与VGT协同的可调二级增压策略，控制进气压力，并分析高、低压级压比分配规律对柴油机性能的影响。

由于E-Booster放置于VGT之后，即为二级增压系统的高压级，因此，E-Booster的压比系数为高压级压比系数πH。

3.1 不同进气压力下压比分配规律对pme，ac的影响

为研究不同pin下二级增压系统压比分配对柴油机性能的影响，计算过程中保持米勒度为M30，pin由0.266 MPa(原机)逐渐增加至0.296 MPa，同时在相同的pin下逐渐提高E-Booster压比系数πH。

图8示出不同pin下πH对pme，ac的影响。结果显示,相同的pin下，随着πH的提高，柴油机pme，ac均先升高后降低。如pin为0.266 MPa,πH由0%升至7%时，pme，ac从1.85 MPa增至1.865 MPa,而当πH继续升至11%，pme，ac则又降至1.86 MPa。随着πH提高，即E-Booster的介入程度提高，pin保持不变，E-Booster承担了更多的增压比，VGT的涡轮有效流通面积增加，涡前压力随之下降，泵气损失减少。图9示出pin为0.266 MPa,米勒度为M30时，πH对pme，e和Δpme，p的影响。可以看到，当πH较低时，Δpme，p大于pme，e，表示降低泵气损失带来收益大于E-Booster消耗的额外功率，此时πH处于收益区间，pme，ac逐渐升高；πH=7%时，Δpme，p与pme，e基本一致，达到收益平衡点；而πH进一步增加后，Δpme，p将小于pme，e，此时泵气损失降低的收益将不能弥补E-Booster额外功率的消耗，导致pme，ac逐渐下降。此外，πH较高时，进排气压差也会迅速下降，可能会使发动机难以满足较高的EGR率需求，以降低NOx排放，因此，需要合理控制E-Booster的介入程度。

图8 不同进气压力下πH对pme，ac的影响

图9 πH对pme，e和Δpme，p的影响

另一方面，从图8中还可以看到，当πH不变，随着pin升高，pme，ac逐渐增加。当米勒度为M30，πH=7%时，pin从0.266 MPa增至0.296 MPa,pme，ac从1.865 MPa升至1.90 MPa,提高了0.035 MPa。这是由于随着pin提升，进气流量增加，缸内燃烧得到改善。图10示出πH=7%时，不同pin下缸内压力随气缸容积的变化(p-V曲线)。从图中可以看到，随着pin提高，压缩段和膨胀段均随之升高，同时两条曲线之前所围成的面积也在增加，这意味发动机的平均指示有效压力(pmi)提高。当pin为0.296 MPa时pmi达到最大值，相对于0.266 MPa提高了2.9%。虽然pin的提高会造成泵气损失增加，使得平均摩擦有效压力(pme，f)升高，但是其上升幅度小于pmi，所以此时提高pin有助于提高平均有效压力。由于pme与输出扭矩为正相关，因此pin的提高有利于发动机动力性改善，增强米勒循环柴油机扭矩输出能力。

图10 不同进气压力下的p-V曲线

图11示出了不同pin下缸内最大压力(pmax)随πH的变化规律。结果表明，当pin不变，πH对pmax没有明显影响，pmax基本保持稳定，而随着pin升高，pmax则明显升高。当进气压力从0.266 MPa升高至0.296 MPa，pmax提高了2.37 MPa,上升了14.2%。这是因为随着pin升高，新鲜充量增加，压缩终了时刻温度、压力升高，燃油雾化得到改善，燃烧速率增加，放热更加集中，引起压力升高率增加，pmax快速上升。

图11 不同进气压力下πH对缸内最大压力的影响

3.2 不同进气压力下压比分配规律对NOx排放的影响

图12示出不同pin下，πH对NOx排放的影响规律。从图中可以看到，在相同的pin下，NOx排放随着πH的改变没有发生明显变化，但是随着pin的增加，NOx排放则明显升高。这是由于进气量的增加提高了缸内氧气浓度，同时燃烧效率得到改善，缸内燃烧温度升高，而富氧和高温两者都是促使NOx生成的主要因素。

图12 不同进气压力下πH对NOx排放的影响

4 EGR对发动机性能和NOx排放的影响

由上述的分析可知，米勒循环可以通过较高的pin增加进气量来改善缸内有效燃烧效率，弥补其动力性不足的问题。然而较高的pin也造成一些不利因素，伴随着空燃比的增加，富氧环境促使了NOx排放增加；同时缸内pmax也会随之升高，机械负荷增加，影响发动机的可靠性和稳定性，而且较高的压力升高率会导致发动机运行粗暴，噪声增加。因此，本研究提出采用EGR策略来抑制由高增压产生的不利影响，控制燃烧反应速率，改善发动机性能。计算中保持了较高的pin，取值为0.286 MPa，E-Booster压比系数πH为7%,EGR率从0%(原机)逐渐增加至40%。

4.1 不同米勒度下EGR对pme，ac的影响

图13示出了不同米勒度下，EGR对pme，ac的影响规律。EGR在降低NOx排放的同时，由于降低了缸内氧气浓度和燃烧温度，减缓了燃烧速率，使θCA50和燃烧持续期偏离了最佳经济区，有效热效率下降。随着EGR率升高，pme，ac逐渐下降，并且随着米勒循环的加深，pme，ac下降的趋势愈加明显。当EGR率为40%，米勒度为M30时，pme，ac降低了3.6%,而当米勒度为M90时，则降低了8.6%。因为米勒循环较深时，随着EGR率升高，缸内燃烧速率进一步放缓，θCA50和燃烧持续期延长，发动机有效做功能力明显降低。

图14示出不同米勒度下，EGR对pmax的影响规律。结果表明，随着EGR率升高，pmax逐渐下降，因为EGR的增加导致新鲜充量减少，降低了缸内燃烧速率，使得压力升高率下降。当米勒度为M30，EGR率从0%增至40%时，pmax从18.2 MPa降至17.5 MPa,下降了3.8%。

图13 不同米勒度下EGR对pme，ac的影响

图14 不同米勒度下EGR对缸内最大压力的影响

4.2 不同米勒度下EGR对NOx排放的影响

图15示出不同米勒度下，NOx排放随EGR的变化规律。结果表明，随EGR率升高，NOx排放均明显下降。米勒度为M30，EGR率增至40%时，NOx排放从2.24 g/(kW·h)降至0.42 g/(kW·h),降低了81%。随EGR率升高，缸内的多原子组分浓度提高，比如CO2和H2O，而这些多原子组分的热容量高于新鲜空气，因此在相同的热吸附条件下，缸内燃烧温度降低。此外由于氧气浓度下降，缸内不完全燃烧程度增加，放热量减少。如图16所示，当米勒度为M30，EGR升高至40%时，Tmax下降了215 K，降幅达到了7.9%。因此，缸内燃烧温度和氧气浓度的降低有效抑制了NOx的生成。

图15 不同米勒度下EGR对NOx排放的影响

图16 不同米勒度下EGR对最高燃烧温度的影响

由上述的研究结果可得，当米勒度为M30时，pin提高至0.286 MPa,πH保持在7%，EGR率为10%，柴油机的pme，ac提高了0.03 MPa,同时NOx排放下降了0.47 g/(kW·h)，pmax上升了2.2 MPa,说明采用E-Booster的可调二级增压与EGR结合能够改善米勒循环柴油机的燃烧和NOx排放。