柴油機(jī)低溫燃燒(LTC)技術(shù)具有同時(shí)減少氮氧化物(NOx)和碳煙排放的作用，一直是內(nèi)燃機(jī)燃燒研究的熱點(diǎn)。但LTC主要局限于部分負(fù)荷范圍，在負(fù)荷下限發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定、在負(fù)荷上限發(fā)生爆燃，因此，燃燒模式切換是LTC發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化需要采取的措施。柴油機(jī)LTC 模式采用多段燃油噴射結(jié)合大廢氣再循環(huán)(EGR)率的方式，具有混合時(shí)間長、油氣混合均勻及污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)，但其EGR率、噴油參數(shù)與傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒相比存在較大差異。燃燒模式切換時(shí)，EGR響應(yīng)滯后于噴油響應(yīng)，EGR與噴油參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)優(yōu)化值，容易造成不平順、燃燒參數(shù)波動(dòng)。

本次推文開展了燃燒模式切換過程中瞬態(tài)EGR控制規(guī)律及其對(duì)燃燒特性的影響研究，對(duì)LTC的負(fù)荷上限與負(fù)荷下限分別進(jìn)行了CDC-LTC（CDC為傳統(tǒng)燃燒模式下）和LTC-CDC共4 種切換過程的試驗(yàn)，并針對(duì)CDC-LTC直接切換過程發(fā)動(dòng)機(jī)平順性控制問題，提出了EGR閥預(yù)控制的優(yōu)化策略，探明EGR優(yōu)化控制策略對(duì)燃燒模式切換過程的影響規(guī)律。

01、試驗(yàn)臺(tái)架與工況
試驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的126缸徑自然吸氣單缸柴油機(jī)上展開，設(shè)計(jì)示意如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖2所示。


圖1 單缸機(jī)設(shè)計(jì)示意


圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意
考慮柴油機(jī)LTC主要應(yīng)用于低速中、低負(fù)荷工況，試驗(yàn)中，控制噴射壓力為80 MPa、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1100 r/min，為了減少不同EGR率對(duì)切換過程影響，LTC 負(fù)荷上、下限在等EGR率下獲得，LTC模式下EGR閥開啟至50%開度以達(dá)到40%的穩(wěn)態(tài)EGR率，CDC模式下EGR閥關(guān)閉。根據(jù)等IMEP的切換原則，取LTC負(fù)荷上、下限的IMEP值確定出模式切換點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CDC模式噴油脈寬，燃燒模式切換點(diǎn)的運(yùn)行與控制參數(shù)如表1所示。柴油機(jī)LTC模式運(yùn)行的負(fù)荷范圍有限，由于大量EGR的引入，負(fù)荷過小將導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不穩(wěn)定、IMEP出現(xiàn)大幅波動(dòng)；負(fù)荷過大則進(jìn)入氣缸的新鮮充量不足。因此，以平均指示壓力變動(dòng)率COVIMEP等于3%作為負(fù)荷下限的判據(jù)，以過量空氣系數(shù)等于1.5作為LTC負(fù)荷上限的判斷標(biāo)準(zhǔn)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1100 r/min下LTC 模式負(fù)荷邊界的噴油脈寬。
表1 燃燒模式切換點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)

02、EGR瞬態(tài)特性
首先研究了CDC模式中EGR率瞬態(tài)響應(yīng)特性，分別試驗(yàn)EGR 閥打開與關(guān)閉過程瞬態(tài)EGR率變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。EGR率的變化受到氣流運(yùn)動(dòng)、進(jìn)/排氣壓差以及管路結(jié)構(gòu)影響，EGR率變化時(shí)間滯后EGR閥運(yùn)動(dòng)時(shí)間。EGR開閥試驗(yàn)中，EGR閥開啟后2個(gè)循環(huán)內(nèi)排氣管CO2體積分?jǐn)?shù)由5%下降到4.5%、進(jìn)氣管CO2體積分?jǐn)?shù)上升到1%，EGR率迅速增加；隨后4個(gè)循環(huán)，進(jìn)/排氣管CO2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，EGR率持續(xù)上升到30%；由于此時(shí)EGR變化速率過大，缸內(nèi)原有的燃燒規(guī)律被打亂，且進(jìn)氣管CO2體積分?jǐn)?shù)與排氣管CO2體積分?jǐn)?shù)存在循環(huán)耦合關(guān)系，因而EGR率在上升的過程中開始出現(xiàn)波動(dòng)。開閥過程EGR上升并達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間需要約22個(gè)循環(huán)，且前5個(gè)循環(huán)EGR率不足20%，大幅偏離40%的穩(wěn)態(tài)值。EGR關(guān)閥試驗(yàn)中，EGR閥關(guān)閉后EGR率迅速下降，在5個(gè)循環(huán)的時(shí)間內(nèi)即從40%降到0。開閥過程中，EGR率變化時(shí)間顯著大于噴油策略改變時(shí)間，這是由于排出氣缸的廢氣需經(jīng)過EGR管道再次進(jìn)入氣缸，且受到進(jìn)/排氣壓力波動(dòng)影響。因此，造成EGR率變化嚴(yán)重滯后于毫秒級(jí)別的噴油參數(shù)變化，給柴油機(jī)燃燒模式切換帶來難題。

圖3 瞬態(tài)EGR率變化

03、切換過程EGR對(duì)燃燒特性影響規(guī)律
在負(fù)荷上限進(jìn)行了CDC直接切換LTC試驗(yàn)，切換過程噴油策略由單段噴射變?yōu)閮啥螄娚?，同時(shí)EGR閥開啟至50%開度。圖4為切換過程逐循環(huán)放熱率曲線。直接切換后首循環(huán)缸壓峰值顯著增大，瞬時(shí)放熱率曲線出現(xiàn)低溫放熱區(qū)域，由單波峰曲線變成雙峰曲線，兩階段放熱現(xiàn)象是LTC模式主要特征。燃燒模式切換后，瞬時(shí)放熱率峰值相位提前，且隨著燃燒循環(huán)數(shù)增加，瞬時(shí)放熱率峰值先減后增，直到第16個(gè)循環(huán)后主放熱階段瞬時(shí)放熱率峰值穩(wěn)定。


圖4 負(fù)荷上限CDC-LTC直接切換過程瞬時(shí)放熱率變化
切換前、后全過程的燃燒參數(shù)對(duì)比如圖5所示。燃燒模式切換后的數(shù)個(gè)循環(huán)內(nèi)，EGR率較小，缸內(nèi)壓力迅速升高，缸內(nèi)燃燒較為劇烈；隨著EGR率的升高，缸內(nèi)壓力逐漸恢復(fù)到原有水平。低溫燃燒比重定義為低溫放熱階段的累計(jì)放熱分?jǐn)?shù)，在噴油參數(shù)變化后低溫燃燒比重迅速升高并持續(xù)波動(dòng)，隨著穩(wěn)定LTC的形成，最終穩(wěn)定在4.5%附近。在負(fù)荷上限，CDC模式的IMEP波動(dòng)率為1.69%，LTC模式的IMEP波動(dòng)率為2.61%，但直接切換過程中的波動(dòng)率達(dá)到12.82%，此切換過程中，IMEP出現(xiàn)大幅波動(dòng)，在切換初期升高到0.66 MPa，然后逐漸降低至0.51 MPa，隨后恢復(fù)至切換前的水平，各個(gè)燃燒參數(shù)也出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。


圖5 負(fù)荷上限CDC-LTC直接切換過程燃燒參數(shù)變化
圖6為CDC-LTC直接切換過程EGR率的變化，圖中顯示了切換過程中EGR率隨循環(huán)數(shù)及曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，其中第0 循環(huán)對(duì)應(yīng)切換前1個(gè)循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)角為360°CA 表示壓縮上止點(diǎn)。隨著切換后循環(huán)數(shù)的增加，EGR率先從0迅速上升到35%，隨后出現(xiàn)波動(dòng)并緩慢穩(wěn)定在40%左右，且單個(gè)循環(huán)內(nèi)EGR率存在隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，增加了穩(wěn)定所需時(shí)間。CDC與LTC的EGR率需求及噴油控制規(guī)律存在明顯差異，噴油控制可以在單個(gè)循環(huán)的時(shí)間內(nèi)完成變化，而EGR率的穩(wěn)定卻要大約20個(gè)燃燒循環(huán)的時(shí)間。EGR與噴油的不協(xié)調(diào)是造成切換過程燃燒參數(shù)大幅波動(dòng)的重要原因。


圖6 負(fù)荷上限CDC-LTC直接切換過程EGR率變化
對(duì)LTC負(fù)荷上、下限CDC-LTC與LTC-CDC共4種直接切換過程進(jìn)行試驗(yàn)，圖7為切換過程IMEP變化曲線。負(fù)荷上限CDC-LTC直接切換過程中，EGR的滯后導(dǎo)致IMEP在切換初期顯著增大，IMEP波動(dòng)率IMEP δ達(dá)到12.82%；負(fù)荷下限CDC-LTC直接切換過程中，EGR偏離穩(wěn)態(tài)值導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不能得到有效組織，發(fā)動(dòng)機(jī)功率嚴(yán)重下降，且出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定情況，IMEP波動(dòng)率達(dá)到9.76%。負(fù)荷上限與下限LTC-CDC的切換過程中EGR執(zhí)行關(guān)閥動(dòng)作，EGR率在5個(gè)循環(huán)內(nèi)降低至0，因此，切換過程EGR率與噴油控制較協(xié)調(diào)，IMEP波動(dòng)較小，分別為4.92%和5.62%。4種切換過程中，負(fù)荷上限CDC-LTC 的直接切換過程IMEP波動(dòng)最嚴(yán)重，重點(diǎn)針對(duì)該過程開展了優(yōu)化控制研究。


圖7 直接切換過程IMEP變化

04、EGR預(yù)控策略對(duì)模式切換的優(yōu)化
針對(duì)CDC-LTC 負(fù)荷上限直接切換IMEP波動(dòng)大的問題，考慮EGR 滯后作用，采用提前5、10和15個(gè)循環(huán)增加EGR的方式開展了EGR預(yù)控制對(duì)IMEP波動(dòng)的影響以及EGR優(yōu)化控制。
圖8為提前10個(gè)循環(huán)開啟EGR閥的負(fù)荷上限CDC-LTC 切換過程瞬時(shí)放熱率變化。切換過程中，提前10個(gè)循環(huán)預(yù)開啟EGR 閥，在第11個(gè)循環(huán)將噴油策略由單段噴射改為兩段噴射。EGR 閥開啟后，EGR率逐漸上升，放熱率峰值下降，燃燒相位推遲；噴油策略改變后，放熱率曲線出現(xiàn)低溫放熱區(qū)域，此時(shí)由于EGR 提前增加，缸內(nèi)燃燒狀態(tài)已經(jīng)是較為穩(wěn)定的低溫燃燒，放熱率與穩(wěn)態(tài)值接近。


圖8 預(yù)開啟EGR負(fù)荷上限CDC-LTC切換過程瞬時(shí)放熱率變化
為了驗(yàn)證EGR閥預(yù)開啟對(duì)負(fù)荷上限CDC-LTC切換過程的優(yōu)化作用，分別提取直接切換與EGR預(yù)開啟的切換過程中燃燒始點(diǎn)(SOC)及燃燒重心(CA 50)的逐循環(huán)變化情況，結(jié)果如圖9 所示。直接切換時(shí)，EGR閥開度與噴油參數(shù)同時(shí)開始變化，SOC與CA 50迅速大幅提前再緩慢推后，整個(gè)過程燃燒較不穩(wěn)定，燃燒參數(shù)波動(dòng)明顯。EGR閥預(yù)開啟時(shí)，SOC與CA 50先略微推后，隨著噴油參數(shù)發(fā)生變化后，SOC與CA 50迅速提前，且其值與穩(wěn)定的LTC工況的參數(shù)值較為接近，波動(dòng)明顯減小，也未出現(xiàn)較明顯的過度提前現(xiàn)象。這說明EGR閥預(yù)開啟的方法能夠減小缸內(nèi)溫度壓力的波動(dòng)，對(duì)燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生了促進(jìn)的作用。


圖9 預(yù)開啟EGR負(fù)荷上限CDC-LTC切換過程SOC與CA 50變化
在負(fù)荷下限CDC-LTC切換過程也開展了提前5個(gè)循環(huán)預(yù)開啟EGR策略對(duì)優(yōu)化IMEP波動(dòng)率的影響研究。負(fù)荷下限CDC-LTC切換過程IMEP變化如圖10所示表明EGR預(yù)開啟在負(fù)荷下限也具有顯著作用，切換過程IMEP變化規(guī)律與負(fù)荷上限CDC-LTC相似，EGR閥打開瞬間IMEP略微上升，隨后逐漸下降；噴油策略改變后，IMEP出現(xiàn)波動(dòng)并趨于穩(wěn)定。直接切換過程IMEP波動(dòng)率為9.76%，采用EGR 預(yù)開啟控制策略后IMEP波動(dòng)率優(yōu)化至6.98%。


圖10 負(fù)荷下限CDC-LTC切換過程IMEP變化

結(jié)論

(1) 柴油機(jī)CDC與LTC燃燒模式切換過程EGR瞬態(tài)響應(yīng)滯后噴油變化是造成IMEP 波動(dòng)主要原因；單缸機(jī)試驗(yàn)表明不同過程EGR 響應(yīng)時(shí)間不同，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1100 r/min，EGR 閥開閥過程，EGR率的穩(wěn)定需要22個(gè)循環(huán)時(shí)間；EGR閥關(guān)閥過程，EGR 率下降過程較為迅速，約為5個(gè)循環(huán)時(shí)間。
(2) EGR延遲對(duì)切換過程平順性具有顯著影響，CDC-LTC直接切換過程，EGR延遲造成切換初期EGR率與穩(wěn)態(tài)值偏離20%以上，導(dǎo)致切換后首循環(huán)缸內(nèi)壓力顯著增大；切換中期EGR率波動(dòng)上升，缸內(nèi)燃燒狀況波動(dòng)導(dǎo)致IMEP逐漸下降；切換后期EGR率逐步穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定LTC模式；CDC-LTC的直接切換過中IMEP 波動(dòng)率達(dá)到12.82%。
(3) 采用預(yù)控制EGR可以顯著改善模式切換過程中IMEP及燃燒參數(shù)波動(dòng)的問題，在負(fù)荷上限CDC-LTC 切換過程中，提前5個(gè)燃燒循環(huán)預(yù)開啟EGR閥，能夠使IMEP 波動(dòng)率降低為3.17%，較直接切換下降了75.3%。

文獻(xiàn)來源及推薦閱讀

[1]姚曄,石磊,鄧康耀,胡建村,金江善.瞬態(tài)EGR對(duì)柴油機(jī)低溫燃燒切換平順性影響[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,39(01):11-17.