柴油机瞬变过程烟度排放的劣变分析

朱泉良

摘要：随着机器的广泛使用，机器排放的污染物和经济发展过程中随机排放的废水、废气和残留物增加了环境损害，环境污染对人类健康和生态平衡的影响也越来越大因此，人们越来越意识到保护环境目前，国家不遗馀力地防治环境污染，将环境保护和经济发展置于同等水平。发动机废气排放是空气污染的主要来源之一，需要我们给予特别关注。在此基础上，分析了柴油机瞬变阶段的烟气排放情况。

关键词：柴油机；瞬变过程；烟度排放；劣变分析

国家四级柴油机排放法规适用于全国，要求在瞬态测试周期等期间限制重型柴油机微粒排放过瞬态测试循环占4种车瞬态工况行驶时间的54.8%，匀速行驶时间不到30%。因此，解决发动机瞬态工况性能下降问题对于实现节能和减少排放越来越重要。

一、慨况

大气中环境污染的程度有所增加，全社会对环境保护的认识有所提高，人们越来越关注机械和汽车排放，因为它们是环境污染的主要来源。但是，随着人民生活水平的提高，这必然会导致设备中电气设备或机动车辆的数量增加，因此，从电气设备和机动车辆的数量开始保护肯定是不现实的，目前，我国各电器生产企业的技术要求和发动机燃料的使用也在不断升级。近年来颁布了《国家柴油机排放条例》，根据现行排放条例，瞬变过程柴油机产生的烟雾和小颗粒排放不得超过若干数值。例如，全国各大城市机动车交通统计数据显示，机动车交通有四种主要类型:加速、减速、匀速和减速，但在这四种情况下，机动车发动机的瞬变时间约占总时间的55%，匀速行驶非常平衡因此，有必要对发动机尤其是瞬变过程柴油机的烟气排放进行相关研究，特别是对不良改造的分析，以改进发动机的运行，减少柴油机对环境的污染。根据目前的研究，柴油机瞬变过程排放过多的烟雾主要是由于柴油机瞬变过程性能差，柴油机瞬变过程性能差的原因主要是由于供气不足和进气延迟因素。

二、试验与模拟平台构建

1.试验台及测控系统。增压中冷高压共轨电控柴油机试验样机的主要技术参数如表1所示，典型瞬态工况试验平台如图1所示，系统实现了发动机转速、扭矩、进排气温度的实时测量和记录，并对发动机转速、扭矩、进气温度、排气温度等进行了实时测量和记录压力、缸内燃烧参数、消光烟和排气排放；共轨平台下发动机工况控制的最终信号为油门电压。利用涡流测功机，具有响应高、精度高的优点，可重复再现典型的瞬态工况。

图1瞬变试验测控平台示意

表1柴油机主要技术参数

2.数值模拟平台。发动机恒速扭矩增长的瞬态过程实际上是在一定时间范围内几个独立工作循环的累积或叠加过程。这些工作循环可以分为一个单独的独立循环，每个独立的工作循环对应不同的负载条件，进气温度，油气混合燃烧过程中单个工作循环的压力和缸内压力热态与稳态有明显差异。从而确定柴油机瞬态过程中某一瞬时负荷工况对应的工作循环，提取该循环下数值模拟所需的边界条件，实现柴油机整个瞬态过程的数值模拟分析。借助STAR-CD三维仿真软件，构造了发动机燃烧室的计算网格，得到了瞬态工况的边界条，得到零件的方法是：根据实测的气缸压力数据，对气缸压力进行相应的数值计算选取曲轴初始角作为计算的初始压力，根据实测进气量，得到气门关闭后的气缸质量，用理想气体状态方程估算初始温度，迭代求解数值模拟模型，直至得到气缸质量的数值结果通过GT-power一维模拟计算得到的涡流比为1.1，与进气门关闭模型的试验结果一致。在1650，R/min，0～100%，工况3，s，恒速和转矩连续瞬态过程，分别提取25%，50%和90%，以三种工况对应的工况（与稳态工况相同的油耗）作为仿真计算的边界条件。

三、柴油机瞬变工况烟度排放劣变试验分析

1.基于参数响应的瞬态性能退化分析。1650，R/min，从0到100%，负载3，油门电压可以作为激励信号传递给喷油参数，从而实现喷油、燃烧和扭矩输出的快速响应。由于增压压力在负载加载过程中具有明显的延迟响应，发动机性能得到了改善，具体表现为：受进气延迟的影响，NOx排放得到了很大的改善，在过渡过程开始时，中大负载时的NOx排放值为34.5%，当喷油率随喷油率的增大而增大时，喷油率随喷油率的增大而减小，此外，废气的压缩性、排气热损失引起的排气温度延迟以及进气歧管压力自充引起的短时延迟也会随之减小当压缩机转速变化时，这些因素共同导致增压延迟和空燃比下降，结果表明，进气延迟响应比供油延迟响应晚23个周期。通过对瞬态/稳态条件下缸内燃烧特性参数的比较，发现进气延迟响应对缸内燃烧过程有显著影响，主要表现在：整个放热过程向后移动，燃烧持续时间增加，最大爆轰时间增加，各种迹象表明进气延迟严重影响了缸内混合气浓度、流动状态和燃烧温度，进而改变了原稳态工况下缸内燃烧的化学气氛和热气氛状态，导致发动机性能明显恶化，特别是燃油经济性和颗粒物排放。

2.分析了加载规律对柴油机瞬变性能的影响，为了更直观地评价柴油机瞬变过程中性能的变化，需要建立柴油机瞬变过程中动态响应、燃油经济性和排放恶化的评价体系。在不同工作状态下恒定转速转矩和瞬态转矩增大、进气响应差时，空气燃烧比明显偏离稳定状态，导致缸内热状态延迟。与稳定状态相比，烟度峰值出现在中等和大负荷状态，燃料经济趋于恶化。但是，由于各种原因，发动机性能会受到加载条件的影响。在不同的加载条件下，柴油机的瞬态参数和损坏系数不同(90%)，结果表明加载率与下面的分析结果进行了比较。比较临时性能数据表明，主要性能参数的降级系数随加载速率的增加而增加。分析表明，随着装载量的增加，循环供油的加速度增大，排气能量增大，过压能力增大，有利于循环供油的平均加速度，但是循环油摄入量平均增加的结果却在下降，这意味着供气量增加，供油量远远落后于循环油量，因为随着负荷的增加，供油量可能达到反应精度此外，随着装载量的增加，真空燃烧比下降，缸内的缺氧环境恶化，油气混合质量下降，燃烧过程劣变。在相同的加载速度和不同的装载起点，供油流量的平均加速度几乎等于装载起点的增加；瞬变期间加载始点越小，排气能量越小，涡轮增压器初始充电阶段转速越低，进气速度越慢，从而降低增压器对供油的响应速度；进气延迟越严格，平均增量比随平均真空燃烧比的增加而下降。

柴油机在恒转扭矩瞬态工况下的烟度排放明显劣于稳态工况。峰值烟气排放量增加了17.5倍。供油量和进气量响应速度不一致导致燃烧速率下降和燃烧相位滞后是造成瞬态工况恶化的主要原因。确定了柴油机瞬态运行燃烧劣化的主要原因，其状态和性能评价参数能客观地描述柴油机在恒速扭矩增大瞬态过程中状态响应和性能指标的变化规律。

参考文献：

[1]孙骞雨.WHTC循环评价城市中柴油车尾气排放性能的适应性研究[J].小型内燃机与摩托车,2019(05):9~13.