電動補氣策略對廢氣渦輪增壓柴油機加速煙度影響的試驗研究

霍育強, 周斌, 張釗，2, 楊潔, 李文秀 , 曲磊, 邱偉

(1. 西南交通大學機械工程學院, 四川 成都 610097; 2. 四川托普信息技術職業學院， 四川 成都 611743)

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電動補氣策略對廢氣渦輪增壓柴油機加速煙度影響的試驗研究

霍育強1, 周斌1, 張釗1，2, 楊潔1, 李文秀1, 曲磊1, 邱偉1

(1. 西南交通大學機械工程學院, 四川 成都 610097; 2. 四川托普信息技術職業學院， 四川 成都 611743)

通過改變柴油機的加速時間及負荷進行試驗，對比電動補氣不同策略對加速煙度的影響。結果表明：由1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，加速時間為12 s，通過采用電動增壓器并改變相關補氣策略，使原機的最大峰值煙度由0.602 m-1降至0.420 m-1，降幅30.2%；上述加速加載過程中，在無初始補氣量的情況下，電動增壓器的最終頻率越高越好，且采用直線型響應曲線比采用S型響應曲線的煙度低；在有一定初始補氣量的情況下，電動增壓器理想補氣方式為先緩后急。

電動增壓器； 渦輪增壓器； 柴油機； 瞬態； 煙度

柴油機在加速加載時易于冒黑煙，是因為柴油機在加速加載時氣缸內進氣量的增加明顯滯后于噴油量的增加，導致氣缸內燃料燃燒不充分形成炭煙使尾氣煙度惡化[5]。改善此時的煙度須增大進氣量，目前國內外的研究人員提出了幾種改善方案：1) 復合諧振增壓系統，是將多缸機進氣相位互不重疊的氣缸與諧振系統的一個諧振箱相連，在發動機低速區的最大扭矩點附近發生共振，提高內燃機的沖量系數，但系統體積太大，在發動機上布置困難[2]；2) 可變噴嘴渦輪增壓器，它能夠隨發動機流量的減小相應減小渦輪的流通截面，渦輪機可保持膨脹比基本不變，以提供能量使壓氣機具有足夠的增壓比，但其調節范圍太大時，渦輪效率下降大，且結構與控制系統復雜，成本高[1]；3) 機械輔助增壓，是由發動機直接驅動機械增壓器，其轉速不受排氣量的限制，但是機械輔助增壓器的制造成本高，技術工藝復雜，油耗高，難以運用到量產車型上[3]。電動增壓器在提高渦輪增壓器響應性、降低煙度等方面具有重大潛力[4]。故本研究采用可變流量的電動增壓系統，通過改變柴油機的加速時間及負荷進行試驗，對比電動補氣不同策略對加速煙度的影響，分析電動補氣各策略對加速煙度的影響規律。

1 試驗設備和試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗柴油機的主要參數見表1，電動增壓器的流量特性見表2。

表1 4JB1T-4A柴油機主要參數

表2 電動增壓器流量特性

試驗裝置及瞬態測量系統見圖1，主要儀器設備有電渦流測功機、AVL439消光式煙度計、空氣流量計等。

1.2 試驗方案

為了較真實地反映實際使用情況，用測控系統軟件控制原機從低轉速低負荷的1 400 r/min，50 N·m加速加載到中等轉速中等負荷的2 500 r/min，100 N·m，調整測控系統的PID值保證加速加載時間為12 s。再使用電動增壓器，改變變頻器頻率，按如下頻率運行：0～40 Hz，0～50 Hz；后調整電動增壓器的響應曲線：S型,直線型；接著通過改變變頻器頻率使電動增壓器按如下頻率運行：0～50 Hz,10～50 Hz,20～50 Hz和30～50 Hz;然后在進氣旁通閥打開和關閉情況下進行對比試驗；再調整測控系統的PID值改變加速加載時間為15 s。最后改變工況，從低轉速中等負荷的1 400 r/min，110 N·m加速加載到中等轉速中大負荷的2 500 r/min，160 N·m，進行對比試驗。

2 試驗結果及數據分析

2.1 電動增壓器工作頻率對煙度的影響

圖2和圖3示出由1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，電動增壓器頻率為0～40 Hz，0～50 Hz時煙度和空氣流量與原機的對比。

由圖2可知，采用電動增壓后，空氣流量在加速前半程略高于原機，且0～50 Hz略低于0～40 Hz，后半程明顯高于原機，且0～50 Hz明顯高于0～40 Hz。由圖3可知，第1 s煙度沒有明顯增加，因為增壓器、燃油系統等均有滯后；煙度有兩個峰值，分別出現在第2 s和第3 s，此時進氣量增加不多，導致煙度減少不理想；3 s后煙度下降明顯，原因是3 s之后油耗的增量開始小于空氣流量的增量，貧氣現象開始緩解[5]；5 s之后的煙度趨于穩定且此時各進氣情況下煙度值幾乎沒差別，因為此時雖空氣增多，但多出來的空氣又沒有用。采用0～40 Hz，0～50 Hz電動增壓后的峰值煙度比原機峰值煙度分別下降了15.9%和9.8%，但是0～50 Hz的次最大煙度比0～40 Hz的次最大煙度下降了31.0%。故電動增壓器的最終頻率越高越好。

2.2 電動增壓器響應曲線對煙度的影響

圖4示出電動增壓器變頻器自帶的加速響應曲線示意圖。圖5和圖6示出從1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，電動增壓器頻率為0～50 Hz，響應曲線為直線型和S型情況下的空氣流量和煙度對比。

從圖4可以看出，電動增壓器所用的S型曲線的頻率增長特點是前期緩慢，中期快，后期慢；而直線型響應曲線以一定速率穩定增長。從圖5可以看出，在整個加速加載過程中，直線型響應曲線的空氣流量都略高于S型響應曲線，從而導致電動增壓器直線型響應時煙度相比較S型響應時下降了34.7%(見圖6)。故在無初始補氣量的情況下，采用直線型響應曲線比采用S型響應曲線的煙度低。

2.3 初始頻率對煙度的影響

圖7和圖8示出從1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min,100 N·m，電動增壓器的頻率變化為0～50 Hz，10～50 Hz，20～50 Hz和30～50 Hz下的空氣流量和峰值煙度對比。圖9示出各頻率下煙度的對比。

從圖7可以看出，隨著電動增壓器初始頻率的增加，初始進氣量增加，加速加載過程中的進氣量也隨著初始頻率的增加而增加，但電動增壓器最終頻率一定，導致加速末期的進氣量趨于一致，且初始頻率越小趨于一致的時間越早。由圖8可知，峰值煙度不是隨著進氣量的增加而線性變化，最佳點出現在10～50 Hz。由圖9看出，加速煙度達到最大值前，10～50 Hz的煙度比其他頻率的煙度低；加速煙度達到最大值后，30～50 Hz的煙度下降速度最快。以上現象的原因可能是：在峰值煙度點之前，10～50 Hz對柴油機有補氣作用，使煙度下降，20～50 Hz和30～50 Hz雖有補氣作用，但同時氣流對渦輪機有反推作用，使氣缸內炭煙來不及氧化就被排出，導致其煙度相對于10～50 Hz的煙度有所增加；在峰值煙度點之后，30～50 Hz因補氣量較其他情況多且氣流對渦輪機的反推作用不明顯，使該情況的煙度下降最快。故在有一定初始補氣量的情況下，進氣量的理想趨勢是先緩后急。

2.4 進氣旁通閥開閉對煙度的影響

圖10和圖11示出從1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min,100 N·m，電動增壓器頻率為10～50 Hz時進氣旁通閥開、閉情況下的進氣量和煙度對比。由圖10可知，旁通閥關閉時的進氣量比旁通閥打開時的進氣量多。由圖11可看出，旁通閥打開時的峰值煙度較小，相對于旁通閥關閉時下降了28.7%；在峰值煙度點前，旁通閥關閉時的煙度較大；在峰值煙度點后，旁通閥關閉時的煙度下降速率更快。以上現象出現的原因可能是由于在最大煙度點之前旁通閥關閉時的氣流對渦輪機的反推作用明顯，導致煙度較大；峰值煙度之后旁通閥關閉時的進氣量較多且氣流對渦輪機的反推作用不明顯，故煙度下降更快。

2.5 加速加載時間對煙度的影響

圖12和圖13示出從1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min,100 N·m，電動增壓器在頻率為10～50 Hz、加速時間分別為12 s和15 s時進氣量和煙度與原機的對比。由圖12可以看出，原機狀態下，加載時間為15 s的進氣量比12 s少，因加載時間為12 s時柴油機功率增加較快，使排氣能量增加較多。采用電動增壓器后，15 s加速加載前期的進氣量相比12 s多，后期進氣量趨于一致。15 s加速加載前期進氣量較多的原因是，渦輪增壓器轉速增長較慢導致電動增壓器前后壓差較大。由圖13可知，原機狀態下12 s加載時峰值煙度明顯高于15 s。在采用電動增壓的情況下，15 s加載時的峰值煙度較原機下降6.8%，原因是進氣量對燃燒的改善作用略大于氣流對渦輪機的反推作用。故電動增壓在加速時間較短時對加速煙度有明顯改善。

2.6 柴油機不同工況下電動增壓對煙度的影響

圖14和圖15示出電動增壓器頻率為10～50 Hz時不同柴油機加載工況下的進氣量和煙度對比，工況1為1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，即從低負荷到中負荷的加速加載，工況2為1 400 r/min，110 N·m加速加載到2 500 r/min，160 N·m，即從中負荷到中大負荷的加速加載。圖16和圖17示出不同電動增壓器初始頻率和加載工況下，旁通閥常開時峰值煙度對應的進氣量以及峰值煙度的對比。由于工況1的最小峰值煙度點已出現且該點后的峰值煙度變化呈上升趨勢，故40～50 Hz，50 Hz旁通閥常開的試驗未進行。

由圖14和圖16可以看出，工況1的進氣量比工況2少，而且工況1的峰值煙度對應的進氣量在各電動增壓情況下都小于工況2，原因是在工況2柴油機輸出功率較大，排氣能量較多。由圖15和圖17可知，工況1的煙度明顯小于工況2，而且工況1的峰值煙度在各電動增壓情況下都小于工況2，同時工況2的峰值煙度比工況1 晚1 s到達。原因是工況2的負荷較大，柴油機在加速加載時氣缸內進氣量滯后較多；工況1峰值煙度的最小值出現在10～50 Hz，而工況2最小峰值煙度出現在40～50 Hz，原因是電動增壓器在工況2的40～50 Hz及之前以補氣作用為主，在50 Hz常開反推作用大于補氣作用；工況1的最小峰值煙度比原機下降了30.2%，工況2的最小峰值煙度比原機下降了22.3%。故電動增壓器對小負荷峰值煙度的降幅率大于大負荷。

3 結論

a) 由1 400 r/min，50 N·m加速加載到2 500 r/min，100 N·m，加速時間為12 s，通過采用電動增壓器并改變相關補氣策略，使原機的最大峰值煙度由0.602 m-1降至0.420 m-1，降幅30.2%；

b) 上述加速加載過程中，在無初始補氣量的情況下，電動增壓器的最終頻率越高越好，且采用直線型響應曲線比采用S型響應曲線的煙度低；在有一定初始補氣量的情況下，電動增壓器理想補氣方式為先緩后急；

c) 電動補氣在加速時間較短時對加速煙度有明顯改善，且在小負荷情況下對峰值煙度的降幅率大于大負荷。

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

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[編輯: 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

西南交通大學大學生科研訓練計劃國家創新訓練項目(201510613033)

霍育強(1995—)，男，本科，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制；490475694@qq.com。

周斌(1962—)，女，教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為內燃機燃燒與排放控制；bzhou@swjtu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.006

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0033-05