喷油策略对柴油机低温燃烧-传统燃烧模式切换的影响

【韩】　B. Rohani　S. Park　C. Bae



燃油系统

喷油策略对柴油机低温燃烧-传统燃烧模式切换的影响

【韩】B. RohaniS. ParkC. Bae

低温燃烧(LTC)通常只在低负荷范围内可行，因此在LTC的实际应用中，发动机工作模式应在低负荷的LTC模式与高负荷的传统模式之间频繁来回切换。在此研究了喷油策略对单缸重型柴油机模式切换的平稳性和排放的影响。废气再循环(EGR)系统管路由1个可以在单次发动机循环内开关EGR回路的伺服阀控制。撷取EGR阀关闭后的10次循环作为过渡期，其间多方改变喷油正时和喷油量(即喷油策略)，研究了对指示平均有效压力(IMEP)稳定性和排放的影响。系统研究了IMEP稳定性，通过改变10次过渡循环中任一循环内的喷油正时和喷油量，观察哪些循环对IMEP稳定性有显著影响。采用快速火焰电离检测器(FFID)测量碳氢浓度，随着曲轴转角的变化，研究模式切换过程中循环之间EGR，以及排放的变化。结果表明，从LTC模式到传统模式的切换过程中，喷油正时和喷油量平缓的非线性转换是有益的，并且应优先在喷油正时提前和EGR水平高时进行转换。为了使模式切换平稳，应在一些循环内将喷油量减至低于起始水平值。最终获得的喷油策略在稳定性和排放方面有相当大的改善，与简单粗放地转换喷油正时和喷油量的案例相比，整个模式切换中的IMEP变化系数降低了8%，碳氢排放降低了41%。

低温燃烧传统燃烧模式切换喷油策略碳氢排放

0　前言

柴油机由于其高燃油效率和高输出功率而广泛用于道路和非道路领域。然而，传统的柴油燃烧状况受控于湍流扩散情况，不可避免地形成高温区域，生成大量的氮氧化物(NOx)。由于喷雾内局部富集和高温并存，柴油机生成的碳烟量也很高[1]。为了降低这类排放，过去的几十年内柴油机低温燃烧(LTC)燃烧概念得到广泛研究[2-3]。LTC主要是指形成1种预混合稀薄混合物，避免产生会生成大量碳烟和NOx的局部富集和高温区域。柴油机LTC概念可以通过较早的喷油正时和较高的废气再循环(EGR)率来实现。较早的喷油正时导致滞燃期较长，使得自燃之前燃料可以蒸发并预先与空气混合。大量的EGR吸收燃烧热量并保持较低的缸内温度。这种燃烧概念的特征是喷油正时较早，以及EGR量较高，通常称作预混充量压燃(PCCI)概念。虽然NOx和碳烟量减少，LTC概念受负荷所限只能在负荷较低时采用，因此在LTC的实际应用中，发动机工作模式应在低负荷LTC模式与高负荷传统模式之间来回切换。

模式切换本质上是发动机工况条件(包括喷油正时、喷油量、喷油压力和EGR水平)的切换。由于在LTC与传统模式中适用的空燃比和燃烧相位不同，成功的模式切换从根本上说是控制空燃比和燃烧相位，使发动机功率输出波动最小，污染物排放量最低。在切换过程中，驾驶者会注意到指示平均有效压力(IMEP)的任何波动，会对发动机的驾驶性能造成负面影响。因此，在模式切换中关注的主要问题是IMEP的稳定性，继而是排放水平。

多位研究者发布了各种可以获得合格的柴油机模式切换的技术途径。在第一种途径中，研究人员尝试通过外部手段补偿IMEP模式切换中的波动和高排放，使用混合型布置的集成起动发电机动态施加补偿扭矩以消除IMEP的波动[4]。而有研究人员则利用气道喷水的冷却效应来消除大量EGR带来的缸内高温，在模式切换中获得最佳燃烧相位[5]。

在第二种途径中，焦点在于首先要提供适宜的空燃比，以使IMEP波动和排放最低。研究人员在1台4缸柴油机上进行PCCI燃烧概念与调节动力学(MK)燃烧概念之间的模式切换[6]，表明空燃比取值不当是碳氢(HC)排放突然上升的关键诱因。供油系统能够较快适应新的工况，而负责提供足量新鲜空气和EGR废气的充气系统表现落后，因为充气系统的响应时间较长。研究了1台增压四缸柴油机的PCCI与传统模式间的切换。传统模式的喷油动作包括预喷和主喷，在1个循环内切换到了LTC模式喷油，同时EGR阀为开启状态。结论显示，模式切换中EGR在缸内的积聚效应落后于供油系统的响应，所以观察到1次排放峰值。继而提出修改可变截面涡轮增压器(VGT)，以即刻提高模式切换中的EGR压力，促使EGR量积聚更快，跟上供油系统的节奏。最佳尝试结果是模式切换后15次循环内实现稳定燃烧。如果2种模式的喷油压力不同，供油系统在足够快的时间内升高到所需的喷油压力将比较困难。

对1次模式转换循环中实施多次喷射对过高压力升高率(PRR)的影响做了数值研究[5]，由于分层的缘故，多次喷射会降低较高的PRR。模式切换中为了解决PRR较高的问题，在切换中的某些循环内使用了预喷。在1台五缸柴油机上做了LTC至传统模式切换的研究。尝试改变了8次循环内的喷油正时和喷油量。喷油量必须从LTC时的值降到传统模式时的值，喷油量在第2次循环内升到了1个比LTC值还高的值，而在第6次循环内降到了1个比传统模式值还低的值。在另一项类似的工作中，在1台单缸机上研究了喷油策略对传统至LTC模式切换的影响。据报道称，模式切换中某些循环内的不完全燃烧会导致IMEP下降，所以建议在切换过程的某些特定循环内提高喷油量。

在本研究中，在1台燃用商业柴油的重型单缸柴油机上研究了PCCI燃烧概念(以较高的EGR稀释量为特征)向传统概念的切换。工作的重点主要是研究如何改变喷油策略才能改善模式切换的平顺性和排放水平。

1　试验装置

本研究使用自然吸气重型单缸柴油机。采用电动共轨喷油系统，可将燃油加压至200MPa。燃用商业柴油，加压至160MPa，后经电磁喷油器直接喷入气缸，由可编程发动机控制器(Zenobalti ZB-9013)控制，可提供多种逐次循环喷油模式。EGR装置由1个伺服阀控制，伺服阀可通过1个与发动机控制器同步的可编程节流阀控制器(Zenobalti ZB-2200)在单个循环内开启和关闭。发动机与1台定速模式运行的交流测功机耦合。缸内压力由1个压电压力传感器(Kistler 6056A)测量，进气压力由1个分辨率为0.2 °CA的压阻压力传感器(Kistler 4045A5)测量。发动机主要技术规格和试验装置见表1和图1。

使用快速火焰电离检测器(FFID)测量进气管内的EGR水平。FFID工作原理见图2。采样气体吸入后通过氢气火焰，以样本内的HC成分燃烧，产生的离子为高电压离子收集器收集，电压还原为输出值。

应使用1种HC水平已知的标准气体进行标定。FFID探针传输时间经计算为75°CA(转速1400r/min)，在此认为该读数对应其所在的同次循环。

表1　发动机主要技术发动机规格

图1　试验装置示意图

图2　FFID工作原理

2　试验步骤

2.1模式转换工况点的起止

为了找到LTC模式和传统模式各自的起止工况点，发动机在LTC模式以60% EGR(转速1400r/min)运行。开始选用25mg的喷油量，搜索确定喷油正时。各个喷油正时下的HC、NOx、IMEP值见图3。考虑到IMEP值和排放水平，喷油正时选用35°CA BTDC。然后逐步增加喷油量，重新监测排放和IMEP值。30mg的喷油量出现在最高负荷处，此时LTC模式还未迎来较高的HC排放水平和较低的IMEP值。LTC模式下可获得的IMEP最高值即为发生模式切换时的值。传统模式方面，订立了同样的IMEP目标值，找到了最佳的喷油正时和喷油量。LTC和传统工况条件总结见表2。

图3　确定LTC工况点

项目参数工况模式LTC传统喷油正时/°CABTDC3512喷油量/mg3024喷油间隔/μs509451喷油压力/MPa160160EGR率/%600IMEP/MPa0.590.59发动机转速/(r·min-1)14001400

为了确定喷油策略，需要考虑多少次循环，发动机在LTC模式运行时就关闭了EGR阀，观察到IMEP值有所波动。阀关闭后IMEP值波动了大约10次循环后最终稳定下来。作为起始点，EGR阀关闭后的前10次循环被选作模式切换循环，对其实施喷油策略。

EGR阀的突然关闭改变了废气路径，导致切换最初的几个循环内出现背压振荡，可能会引起残余气体水平的波动，这反过来会影响着火延迟和相位。然而，将切换循环内的排气行程压力平均后的结果表明，背压的波动来得比喷油策略已“绑定”的循环晚，进一步表明对着火延迟没有影响，可以忽略对残余气体水平的影响。进气行程的平均进气道压力水平在EGR阀关闭后的最初12次循环内也稍有下降(0.15kPa)，而这种水平的压差被视为对发动机运行没有影响。

2.2逐次循环测量EGR

过渡期循环内的EGR变化是影响燃烧特性的重要参数，所以使用FFID逐次循环测量EGR的变化。为此，发动机在LTC模式下运行，FFID探针安装在进气管路内，非常靠近气缸进气口(大约10cm)的位置1(图1)。EGR阀关闭前，FFID输出电压对应稳态LTC循环进气充量的HC排放水平。EGR阀关闭后记录FFID输出压降，确定HC排放水平是如何降低的。既然EGR气体成分里的HC含量可以假设为固定值，HC水平的下降可认为是EGR率的下降。换言之，HC排放水平可视为EGR水平的指示。5次试验的平均结果见图4。

由图4可见，EGR率从循环1～8逐次下降，仅循环1出现1个反趋势的值。这可能是因为EGR阀关闭后，EGR阀和进气管之间的EGR管路中气压瞬间降低的缘故[6]。

图4　EGR阀关闭后(循环0)进气管内HC含量的下降，作为EGR消耗过程的指示

2.3喷油策略优化

在试验中实施了多种喷油策略，观察了各种策略对IMEP波动的影响。通过分析50%累积放热量燃烧相位(CA50)相位和缸内最高压力(pmax)，逐步修改喷油策略，直到获得平稳的模式切换。所有曲线图均为3次试验的平均结果，降低了随机性的影响。

第一次试验尝试了策略1(图5(a))，喷油正时和喷油量在先前发现的10次不稳定循环内以LTC值线性地转变到传统模式值。CA50指示的燃烧相位太过超前，导致产生较高的pmax值和IMEP值尖峰。中间循环的燃烧相位提前是喷油正时相对较早和EGR水平较低的结果，因此可以得出结论，燃烧相位需要更快地延迟。

第二次尝试中，喷油正时和喷油量仅一次循环就切换到最终值。采用这个策略(策略2，图5)时，IMEP有所下降，燃烧相位推迟过多，因此观察到缸内pmax降低。这种过度延迟背后的原因是喷油正时达到了传统的正时值而EGR仍接近LTC水平。考虑到策略1的相位提前和策略2的相位延迟，预计喷油正时的正解在策略1与策略2之间产生，即图5(b)中点画线所示的区域。在该区域内试验了许多不同的喷油正时途径，而仅在1个循环内改动了喷油量。研实结果表明，最有效的策略为策略3，见图6(a)。这种正时途径中的任何微小改变都会导致IMEP更加不稳。由图7可见，燃烧相位的变化没有出现尖锐的峰谷，然而，IMEP仍然出现了陡峭的攀升。

图5　策略1与策略2

由图7可见，高IMEP循环中pmax接近最终值(图7(c))，但燃烧相位仍滞后于最终值(图7(b))很多，尽管此时喷油正时已达到最终值(12°CA BTDC)，此相位延迟可能是因为这些循环内存在EGR。图8(a)示出了高IMEP工况下LTC、传统和过渡循环内的压力轨迹。值得注意是，循环6和7的有效功与传统模式的最终值相当，但其负功由于延迟量小而较低，延迟量小由EGR残余气体引起，所以显示出较高的IMEP。最终策略(图6(b)中策略4)中减小了喷油持续期，以降低高IMEP工况下过渡循环中的pmax。如图7策略4所示，pmax和CA50更加平稳地向最终值移动，消除了IMEP的突发性升高。采用这种策略，模式切换中IMEP表现稳定，模式转变循环邻近区域(20次循环)内的IMEP变化系数(COV)从策略1的13.8%降低到了5.8%，这在柴油机运行工况内是合格的。

图6　策略3和策略4

图7　模式切换中不同策略对IMEP、CA50和pmax的影响

2.4模式切换时对污染物的测量

为了检验所选喷油策略对污染物的影响，将FFID探针置于图1中排气管路的位置2上，非常靠近气缸排气口(大约10cm)。测量了在不同策略下的HC排放水平。试验重复了3次，并对每种策略的结果做了平均处理(图9)。在模式切换中高HC排放几乎持续了10次循环，表明模式切换中由于不完全燃烧导致缸内存在一些未燃燃料，这是空燃比不匹配的结果。污染最重的情况发现是在策略2，曲线变化陡峭。观察发现，有着所有策略中IMEP稳定性最佳的策略4的排放最低。10次循环HC排放加总的结果表明，策略4比策略2的HC排放降低41%。策略4排放降低可能是空燃比升高的结果，缘于减少了燃油输入量。

图8　减小喷油量(策略4)对过渡循环压力轨迹的影响

图9　模式切换过程中HC排放逐次测量结果及其对喷油策略的影响

2.5敏感性分析

在喷油策略优化试验中，与晚期的过渡循环相比，早期的过渡循环中喷油正时或喷油持续期的变化对IMEP的失稳作用较小。这是在尝试了各种喷油策略后得到的认识，然而还需要1种系统化的方法来确认和量化这种特性。设计了1个试验，旨在研究每一过渡循环IMEP的稳定性，对喷油正时/喷油持续期变化的敏感性。换言之，其目的是要阐明在某些循环内改变喷油正时/喷油持续期是否比在其他循环内更有利。

为此，选用了最稳定的策略4，在模式切换中的20次循环内IMEP的COV值为5.8%。在1次循环中1次选用1个固定的喷油正时变化量，为整个喷油正时变化范围的1/8，等于3°CA，而其他循环喷油正时仍保持策略4的值。记录了模式切换中20次循环内IMEP的COV新值，相应的循环如图10所示。同样的方法用于喷油持续期，变化量为7μs，等于整个喷油持续期变化范围的1/8。由此可见，改变喷油正时在前三个循环内对IMEP稳定性的影响并不明显，但在后继循环内渐渐明显。这就可以解释为什么成功的喷油策略总是在前3个循环内正时就完全转变到最终正时值的策略，因为这3个循环对IMEP稳定性的影响最小。

为了理解在早期循环改变喷油正时的优越性，应关注LTC概念的性质。LTC概念中由于喷油正时较早而且EGR水平较高，燃烧始点受自燃支配。这意味着当缸内温度和压力达到某一特定阈值时燃烧便即开始，直接受到喷油正时的影响较少。实际上在LTC概念中，喷油正时仅在混合气准备阶段影响燃烧起始点，这与传统模式情况相比相对无关紧要。传统压燃模式的燃烧始点直接受喷油正时支配，因此，喷油正时的任何变化都会对燃烧相位产生更为明显的影响。当喷油正时较早或EGR水平较高时，喷油正时的变化对IMEP不稳定性的影响较小的原因。

如图10所示，在循环0和循环1内，IMEP稳定性对喷油正时的敏感性较小，因为此时喷油正时仍很提前，接近LTC范围。然而在循环2和3，喷油正时已经达到传统最终值(12°CA BTDC)，但敏感性仍低于其后的循环。这可归因于循环2和3内EGR水平较高，从而影响了燃烧起始点。随着循环4的EGR水平降低(喷油正时已经位于传统范围)，敏感性增加。

结果表明，为了在整个模式切换中获得成功的喷油策略，可在EGR水平仍然很高或喷油正时仍然提前时，对喷油正时施加较大幅度的改变。随着EGR水平降低，改变应渐趋于平缓，因为这对燃烧相位和IMEP的不稳定性有更为直接的影响。

图10　在模式切换期间不同循环中喷油正时/持续期的固定变化量导致的COV变化

3　结论

在1台重型单缸柴油机上研究了从LTC模式到传统模式的模式切换。将EGR管路突然关闭，重点研究喷油正时和喷油量转换到新值的路径(即喷油策略)，使IMEP保持稳定并且排放最低。

改变喷油正时的最优模式是在模式转换早期的几个循环内做渐进的转变，如策略3。如果喷油正时切换得过慢或过快，EGR率和喷油正时之间的失衡就会导致模式切换各个循环的燃烧相位提前或延迟，如策略1和2。IMEP稳定性对喷油正时变化的敏感性分析表明，在模式切换的早期循环改变喷油正时较为有利，改变的步伐可以更大些。原因是早期循环内由于EGR水平较高和喷油正时较早，燃烧受自燃支配，并且燃烧相位受喷油正时的直接影响较小。

虽然对LTC和传统模式工况点做了稳态运行优化，与起始和结束工况点相比，模式切换中某些过渡循环仍具有较高的IMEP值。这是因为中间水平值的EGR和喷油正时的组合产生了一些IMEP较高的循环。IMEP的这种波动在策略4内通过调整喷油持续期得到了控制。采用最终策略，模式切换期间，20次循环内IMEP的 COV值达到5.8%，显著降低了8%。与喷油正时和喷油量突然切换的情况相比，HC排放降低了41%。

研究结果表明，模式切换期间的喷油策略调整对于最大限度地减小IMEP不稳定性和HC减排是有潜力的，可将其用作有效的控制节点，与其他策略一起使柴油机实现从LTC模式到传统模式的无缝模式切换。

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