增压中冷车用柴油机EGR率阶跃工况响应

第13卷第3期2007年6月燃　烧　科　学　与　技　术Journal of Combustion Science and T echnology V ol.13　N o.3Jun.2007增压中冷车用柴油机EGR 率阶跃工况响应韩永强1,刘忠长1,朱昌吉1,王志伟2(1.吉林大学汽车工程学院,长春130022;2.车辆排放与节能重庆市级重点实验室,重庆400039)摘　要:利用实时EG R 率测量系统及瞬态工况测控平台对增压中冷柴油机废气再循环(EG R )阶跃工况下的EG R 率、进气量、发动机转矩、燃烧过程特征参数、排气烟度及气态有害排放物的响应历程进行了试验研究.试验结果表明:在1600r Πmin 、50%负荷工况,EG R 率从0分别阶跃到3%、5%、13%和28%时,EG R 率、进气流量及发动机有效转矩响应速度较快且相近,均为015s 左右;排气烟度和以最高燃烧压力表征的缸内燃烧过程趋于稳定状态历时较长且时间相近,不同EG R 率阶跃时均为215s 左右;以气态有害物排放表征的柴油机排放响应历时最长为6s 左右.这说明在EG R 阶跃工况下,当EG R 率达到稳定时,由于燃烧边界条件存在迟滞效应,从而会导致燃烧过程、有害物排放存在较长的延迟.关键词:柴油机;废气再循环;阶跃;燃烧;排放中图分类号:TK 42115 文献标志码:A 文章编号:100628740(2007)0320209205R esponse of DI TCA Automotive Diesel E ngine U nderEGR R ate Step 2Change OperationsH AN Y ong 2qiang 1,LI U Zhong 2chang 1,ZH U Chang 2ji 1,W ANG Zhi 2wei2(1.C ollege of Autom otive Engineering ,Jilin University ,Changchun 130022,China ;2.Chongqing City K ey Laboratory of Vehicle Emission and Energy ,Chongqing 400039,China )Abstract :The response characteristics of exhausts gas recirculated (EG R )rate ,air 2intake quantity ,torque output ,in 2cylinder peak pressure ,exhaust gas sm oke opacity ,and gaseous pollutant emissions under EG R step 2change operations of a direct injection (DI )turbo 2charged and after 2cooled (T C A )autom otive diesel engine were studied by real 2time EG R rate measuring and transient operation control and measurement systems.When the EG R rate from 0step 2changed to 3%,5%,13%or 28%or inversely ,the EG R rate ,air 2intake quantity and torque output responded quickly and stabilized within approximately 015s.The sm oke opac 2ity of exhaust gas and the peak in 2cylinder pressure stabilized within 215s ,and the response periods were independent of EG R rate step 2change range.The gaseous pollutant emissions of HC ,C O and NO x responded slowly ,which took about 6s to stabilize.All the phenomena indicate that even if the EG R rate becomes steady ,the delay of combustion initial boundaries ,will result in com 2bustion process and pollutant emissions responding slowly.K eyw ords :diesel engine ;exauhst gas recirculating ;step 2change operations ;combustion ;emission 收稿日期:2006202213.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50676040).作者简介:韩永强(1975— ),男,博士,副教授,hanyq @.通讯作者:刘忠长,liuzc @. NO x 和微粒排放是困扰车用柴油机广泛应用的重要问题,而EG R 技术已成为降低NO x 排放的主要技术之一,目前已得到了普遍的重视[1—2].同时,随着HCCI燃烧模式研究的日益深入,EG R 也成为了HCCI Π常规燃烧模式转换及性能优化的主要手段[3—4].我国目前执行的是欧Ⅱ标准,载重车执行的是稳定13工况测试(ECE R49).随着中国III 、I V 阶段排放法规的实施,排放控制技术的研究重点将向瞬态发展.车用柴油机使用中多处于瞬态工况,目前,车用柴油机瞬态特性得到了较为深入的研究[5—9].结果表明,瞬态工况下燃烧与稳态有较大的差别.有害物中某些成分及噪声排放要高于稳态工况[10],该特性在增压柴油机中表现更加明显[11—12].EG R率是燃烧的重要初始条件之一,在瞬态工况下是否变化,如何变化等问题,尚未开展深入的专门研究,还没有定论.任何一种瞬变过程均可通过阶跃函数来标定.对于利用大EG R率实现的HCCI燃烧模式,在实车运行中,燃烧模式转化时必然也会导致EG R率的阶跃. EG R的阶跃是评价配备EG R系统的增压柴油机瞬态响应的有效方法.可见,研究EG R率阶跃工况下,车用增压中冷柴油机关键性能参数的响应历程,对于揭示EG R系统作用机理、制定EG R系统控制策略、优化控制HCCIΠ常规燃烧双模式发动机的模式转换过程具有重要意义.本文将基于自行开发热线测温法实时EG R率测量系统[13]、瞬态工况测控系统,探讨不同EG R率阶跃工况下EG R率、进气量、发动机转矩、燃烧过程特征参数、排气烟度及气态有害排放物的响应历程,从而提出EG R系统实车应用过程中所应该注意的关键问题.1　试验装置及测量系统111　研究对象本研究是在Y C4112ZLQ型直列四缸、增压中冷直喷柴油机上进行的,该柴油机的基本参数如表1所示.表1　试验机型的主要技术参数参　数数　值总排量/L51202缸径/mm112行程/mm132标定功率ΠkW132标定功率转速/(r・m in-1)2300最大转矩/(N・m)660最大转矩转速/(r・m in-1)1400～1600压缩比17151.2　EGR系统构成及工作原理本研究中采用转阀式高压EG R系统,该系统原理如图1所示.在该系统中,旋转式EG R阀安装在第4缸的排气歧管上,利用发动机活塞排气过程的推动作用,将废气强制送入发动机中冷后的进气总管.旋转式EG R阀驱图1　转阀式EGR系统示意动采用压缩空气缸驱动.利用曲柄连杆机构,将压缩空气气缸的直线运动转换为转阀的旋转运动,改变转阀的角度,从而控制第4缸排气中流入涡轮机(排气)和进气总管(EG R回流气体)的比例,进而实现EG R率的控制.当转阀把流向涡轮机的通路关闭时,全部第4缸废气均回流至进气总管,从而实现最大EG R率.反之,当转阀把流向进气总管的通路关闭时,所有第4缸排气均流向涡轮机,此时EG R率为0.图2给出了气缸驱动机构原理图.该气缸驱动机构为组合式,由3个不同行程的气缸伸、缩组合可实现8种不同的连杆行程(对应不同曲柄2转阀角度).气缸的伸、缩由3个电磁阀的通断控制.气缸的工作压力为018MPa.图2　气缸驱动机构示意113　测试系统发动机性能数据采集系统如图3所示.试验使用的数据采集卡是研华(Advantech)公司生产的PC L2 818HG型数据采集卡.瞬态工况控制系统由测功机、燃烧分析仪、数据采集卡、空气流量计、油耗仪、AV L439　・210　・燃 烧 科 学 与 技 术第13卷第3期消光式烟度计、压力送变器、C O 2分析仪、废气分析仪、热线测温法实时EG R 率测量系统构成.燃烧分析仪为日本小野测器公司生产的DS9100,最多可以采集1400个循环的缸内压力数据.图3　瞬态工况测试系统示意利用自行开发的热线测温法实时EG R 率测量系统测量EG R 率.本系统通过测量EG R 回流气体、中冷后的发动机进气、二者混合后气体这3种气体温度参数,基于能量平衡的原理,即可计算出相应的EG R 率.该系统具有与传统的C O 2示踪法相同的精度和毫秒级的响应速度,可实时测量EG R 率.其测量原理、系统特性及精度验证详见文献[13].该系统响应时间为毫秒级,可实时测量阶跃工况及瞬态工况下EG R 率的响应历程.2　试验结果及讨论EG R 阶跃工况试验选择1600r Πmin 、50%负荷工况.阶跃前,EG R 率为0,控制不同的气缸组合使得转阀快速旋转至不同的位置,从而实现EG R 率分别阶跃至3%、5%、15%和28%(阶跃幅值).阶跃后,EG R 率稳定15s ,从而使得各项性能指标均能达到稳定.上述控制历程均由单片机控制,以保证良好的可靠性.试验过程中,以电磁阀开始通电时间作为EG R 率阶跃的始点.将不同参数达到阶跃幅值的90%所需要的时间定义为该参数的阶跃响应时间.图4～图5显示了不同EG R 率阶跃工况下的EG R 率及进气流量随时间的变化规律.图中0点表征EG R 阀动作始点,而纵向虚线表征达到稳定值的90%所对应的时间(响应时间),图例中的数字分别表征阶跃工况下发动机达到稳定状态时所对应的EG R 率.从图4和图5可以看出,在EG R 率阶跃工况下(急加EG R 率和急减EG R 率,分别图4　EGR 阶跃工况EGR率响应历程图5　EGR 阶跃工况进气流量响应历程2007年6月韩永强等:增压中冷车用柴油机EG R 率阶跃工况响应・211　・　用上升段和下降段来表示),EG R 率响应时间仅为015s 左右,由于再循环废气体积效应引起的进气量减少的响应也仅为015s 左右.图6显示了EG R 率阶跃工况下发动机输出转矩随时间的变化历程.图中纵向第1条虚线表征发动机转矩开始变化的始点,第2条虚线表征转矩变化幅度达到90%时对应的时刻,两条虚线对应的时间差值即为转矩的响应时间.从图中可以看出,当稳态EG R 率小于15%时,阶跃工况下转矩变化不大,因而可通过EG R 率为28%的阶跃工况分析转矩的响应历程.从图中可以看出,当EG R 阀急剧变化时,转矩并不随之迅速变化而是存在012s 左右的延迟.该延迟来源于瞬态测控系统的控制策略,即为了保证整个阶跃过程均能被记录下来,在EG R 阀动作之前的012s ,采集系统已开始采集数据并纪录,同样,当EG R 阀复位后仍采集012s 的数据.图6表明,发动机转矩的响应时间也为015s 左右.图6　EGR 阶跃工况转矩响应历程图7显示了EG R 率为28%阶跃工况下,以最高燃烧压力表征的缸内燃烧过程参数响应历程.此图采用了与图6一样的处理方法.由图可以看出燃烧过程参数需经过215s 左右才能达到准稳定状态.可见燃烧过程响应速度明显低于EG R 率的响应速度.这表明在EG R 阶跃工况EG R 率达到稳定时,由于燃烧边界条件(缸壁温度、缸内流动状态、混合气形成质量等)的迟滞效应存在,使燃烧过程组织并不能与EG R 率同步,必须经过特定的过渡循环后,燃烧才可达到准稳定状态.图8和图9分别显示了EG R 率为28%的阶跃工况下,表征发动机排放特性的尾气消光式烟度及HC 、C O 和NO x 等气态有害物的响应历程.从图中可以看出,尾气的消光式烟度响应时间为215s 左右,而气态图7　EGR阶跃工况最高燃烧压力响应历程图8　28%EGR率阶跃工况消光烟度响应历程图9　28%EGR 率阶跃工况气态有害排放物响应历程・212　・燃 烧 科 学 与 技 术第13卷第3期有害物排放响应时间为6s左右.可见,尾气烟度响应时间与燃烧过程相当,均为215s左右,远远大于EG R 率、进气量和转矩的响应时间(015s).同时,表征发动机排放特性的气态有害物响应时间均为6s左右,远大于上述所有参数.这就表明即使燃烧过程达到准稳态,由于燃烧过程后期、排气过程的边界条件仍存在迟滞效应,这就使发动机排放特性延迟更为明显.3　结　论(1)EG R率阶跃工况下EG R率、进气量、有效转矩响应时间相近且最短,均为015s左右.(2)由于燃烧室温度等燃烧边界迟滞效应的存在,使得燃烧过程、尾气消光式烟度响应较慢,均为215s左右.(3)由于燃烧过程后期、排气过程的燃烧边界存在迟滞,使得发动机排放特性响应时间最长,均为6s 左右.可见,采用EG R作为发动机性能优化、燃烧模式控制的主要手段时,需先期掌握燃烧边界的迟滞效应弥补和燃烧边界的主动校正技术.参考文献:[1]　Dubreuila Anthony,F oucher Fabrice.HCCI combustion:E ffectof NO in EG R[J].Proceedings o f the Combustion Institute, 2007,31(2):287922886.[2]　Y oshizawa K,M ori K,Matay oshi Y,et al.Development of anexhaust gas recirculation distribution prediction method using three2dimensional flow analysis and its application[J].J Eng Gas Turbines Power,2003,125:1066.[3]　K im Dae S ik,Lee Chang S ik.Im proved emission characteristicsof HCCI engine by various premixed fuels and cooled EG R[J].Fuel,2006,85(516):6952704.[4]　K im Dae S ik,K im Myung Y oon,Lee Chang S ik.Reduction ofnitric oxides and s oot by premixed fuel in partial HCCI engine [J].J Eng Gas Turbines Power,2006,128:497.[5]　Y okomura Hitoshi,K ouketsu Susumu,K otooka Seijiro.T ran2sient EG R control for a turbo2charged heavy duty diesel engine.[C]∥SAE Paper.Detroit,MI,US A,2004,200420120120.[6]　Narusawa K azuyuki,Odaka Matsuo,K oike N oriyuki,et al.AnEG R control method for heavy2duty diesel engines under transient operations[C]∥SAE Paper,1990,900444.[7]　刘忠长.车用柴油机变工况下的微粒排放特性[J].内燃机学报,1998,16(2):1392144.Liu Zhong chang.Particulate emissions from an autom otive DI diesel engine in transient operating conditions[J].Transactions o f CSICE,1998,16(2):1392144(in Chinese).[8]　Throop M J,C ook J A,Hamburg D R.The effect of EG R sys2tem response time on NO x feed gas emissions during engine tran2 sients[C]∥SAE Paper.1985,850133.[9]　刘江唯.车用直喷柴油机加速工况下进气、供油及微粒排放的动态响应[J].燃烧科学与技术,2003,9(1):49253.Liu Jiang wei.Dynamic response of air intake,fuel supply and particulate emission of an autom otive DI diesel engine under ac2 celerating operation conditions[J].Journal o f Combustion Sci2 ence and Technology,2003,9(1);49253(in Chinese). 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