柴油机瞬变工况的动态响应及燃烧劣变研究

摘 要：在相同的加载时间下，柴油发动机的油量、转矩、进气量和NOx的滞后系数依次增大。然而，随着加载时间的缩短或转速的减慢，各参数的滞后系数逐渐增大。与稳态工况相比，瞬变过程中发动机存在进气延迟、空燃比降低、滞后系数增大、绝对响应时间增加、燃烧相位推迟、烟度和燃油消耗率增加等燃烧劣变问题，且随着加载时间的缩短或转速的减慢，上述问题越发严重。

关键词：柴油机；瞬变工况；动态响应；燃烧劣变

中图分类号：TK421+.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.110

1 测控系统及试验工况

1.1 测控系统

试验所用的高压共轨、增压中冷柴油机的主要参数为缸径112 mm，活塞行程145 mm，总排量8.6 L，压缩比17，标定功率为257 kW（100 r/min），最大转矩1 500 N·m（1 330 r/min）；喷油系统为高压共轨，进气类型为增压中冷，增压器为HOLSET400。瞬态测控系统采用单片机精确控制油门电压信号，配合电涡流测功机实现发动机恒转速增转矩的典型瞬变工况。在整个柴油机发动的过程中，采用高响应速率的传感器和高速A/D采集卡搭建实时测控系统，同时实现对发动机转速、转矩、进气量、消光式烟度、进/排气压力、温度等数据的采集。

1.2试验方案

在试验的恒转速增转矩瞬变过程中选择了3个典型的转速。在瞬变开始时，先在各个恒定转速的零负荷情况下稳定工作10 s，然后匀速增加柴油机的油门电压。在此过程中，需要保证加载时间匀速增加，使柴油发动机的负荷从该转速的初始负荷增加到100%负荷，整个加载过程所用的时间为3 s。我们对1 600 r/min的转速进行了不同加载时间（3 s、5 s、7 s）的试验。当恒转速为1 330 r/min时，加载时间为3 s，起始喷油量为10.82 mg/cycle，循环喷油平均增加率为4.189 mg/cycle-2；当恒转速为1 965 r/min时，加载时间为3 s，起始喷油量为16.14 mg/cycle，循环喷油平均增加率为1.85 mg/cycle-2。

2 试验结果及分析

2.1 柴油发动机性能参数的动态响应

2.1.1 不同加载时间下性能参数的动态响应

在瞬变过程中，油门电压会在一定范围内增加。在增加的过程中，油量的线性度不如油门电压的线性度，且在油量增加的过程中，喷油压力会出现一定的滞后和波动。这种情况会导致燃油喷油量的波动，且加载时间越短，波动越明显。转矩的增加历程类似于油量的增加，而进气量的响应相对于上述参数（油门电压、轨压、油量、转矩、进气量、空燃比、烟度和NOx的滞后系数）存在延迟现象。这主要是因为柴油发动机发生瞬变的过程中增压器的响应存在严重的滞后现象，导致进气量延迟，空燃比相应降低。

除此之外，各个参数的滞后系数随着加载时间的延长，其绝对响应时间也延长，但油门电压和循环喷油量的增加率降低，各个参数的延后现象逐渐减轻。同时，参数之间的滞后系数随着加载时间的延长而减小。

2.1.2 不同转速下性能参数的动态响应

在1 330 r/min、1 650 r/min和1 965 r/min的恒转速，相同的加载时间下，柴油发动机主要性能参数的响应历程不同，其油量不是呈线性增加。随着转速的增加，油量响应加快。这主要是因为油量的响应与喷油压力、喷油器电磁阀加电时间有关。在一定的情况下，柴油发电机转速越快，高压油泵的工作频率越高。因此，建立油压的时间越短，轨压波动越小，油量的响应越快。

对于转矩和进气量的响应而言，在1 650 r/min时，不同的加载时间呈现出相似的规律——无论是油量变化，还是进气量的原因，转速越低，进气量的滞后越明显。在整个柴油发动机瞬变的过程中，烟度随着转速的降低，其劣化后果越严重。当柴油发动机的转速降低时，其排量就会减少，在整个瞬变过程中增压器的响应速度变慢，从而使充气量降低。这样一来，在需要达到柴油发动机的初始速度时，硝烟排放量就会增加，使得燃烧劣化。

2.2 瞬变工况的燃烧劣变分析

在1 650 r/min，不同加载时间瞬变过程中，随着转矩的增加，空燃比会逐渐减小。在整个燃烧劣变过程中，空燃比降低。这是因为在柴油发动机瞬变的过程中，进气量存在严重的滞后现象。同时，在同样的情况下，加载时间越短，进气的滞后性现象越严重。这说明，在相同的喷油情况下，由于存在燃烧劣化，柴油发动机的瞬变工况达不到稳定工况的转矩值。

在不同恒转速、相同加载时间的瞬变工况下，随着转速的增加，空燃比、燃油消耗率、烟度和CO排放量依次降低。柴油发动机在工作时，其烟度峰值会随着加载时间的缩短而增加。之所以会出现这样的情况，主要是因为随着加载时间的缩短，循环喷油的概率增加，使得进气量相对于油量的滞后现象越来越严重，从而使缸内发生严重的缺氧现象，柴油发动机的燃烧不均匀，出现柴油浪费或者燃烧推迟的现象。同时，由于缸内的空气混合程度发生了改变，氧气含量下降，造成柴油燃烧严重劣化。但是，随着加载时间的缩短，NOx的响应速度加快，达到稳定的时间较长。

3 结束语

综上所述，在柴油发动机瞬变的过程中，发动机的油量、转矩、进气量和NOx的响应速度依次降低，滞后系数依次增加。与稳态相比，瞬变过程中柴油发动机往往存在进气延迟、空燃比降低等问题。因此，进气量滞后而空燃比下降是导致瞬变过程燃烧劣化的主要原因。

参考文献

[1]张龙平，刘忠长，田径，等.柴油机瞬变工况的动态响应及燃烧劣变分析[J].内燃机学报，2014，13（02）：241-243.

[2]杨蓉，楼狄明，谭丕强，等.重型增压柴油机瞬变工况的燃烧阶段特性研究[J].内燃机工程，2015，13（04）：142-143.

[3]韩永强，刘忠长，刘晓明，等.柴油机恒转速增转矩瞬态工况的燃烧过程分析及其对烟度的影响[J].燃烧科学与技术，2004，10（01）：23-27.

[4]安彦召，黄豪中，苏万华，等.燃油属性和环境密度对柴油机混合燃料喷雾的影响[J].内燃机学报，2013，31（02）：103-108.

〔编辑：刘晓芳〕

推荐访问:工况 柴油机 响应 燃烧 动态