本试验采用了一台增压中冷、高压共轨的六缸柴油机, 其主要参数如表1所示。发动机的测控系统是通过采用高响应速率的传感器以及高速A/D采集卡(毫秒级精度)将发动机的实时参数传入控制单元, 控制单元通过驱动执行器来实现发动机的实时控制, 同时采用自主开发的单片机, 通过对油门电压的精确控制来控制油门的开度。恒转速变转矩的瞬变过程通过电涡流测功机来实现, 具体工作原理见文献[10]。瞬态测控平台示意图如图1所示, 所需测试仪器如表2所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 柴油机主要技术参数 Table 1 Diesel engine specifications 缸径/mm× 行程/mm 112× 145 总排量/L 8.6 压缩比 17 标定功率/kW 257(2100/r· min-1) 最大扭矩/(N· m) 1500(1300/r· min-1) 喷油系统 高压共轨 进气类型 增压中冷 增压器 HOLSET400

表1 柴油机主要技术参数 Table 1 Diesel engine specifications

图1

Fig.1

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	图1 瞬态测控平台示意图Fig.1 Schematic figure of diesel engine testing bench

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 主要仪器设备 Table 2 Main instruments and equipments 设备名称 型号 产地 汽车排气分析仪 MEXA-7100DEGR 日本HORIBA公司 电涡流测功机 CW440 中国南峰机械厂 油耗测量仪 FCMM 东风汽车工程研究所 燃烧分析仪 DS9100 日本小野公司 消光烟度计 AVL439 奥地利AVL公司 空气流量计 AVL1000 奥地利AVL公司

表2 主要仪器设备 Table 2 Main instruments and equipments

试验在恒定转速的条件下, 研究了不同起始负荷的变转矩工况, 以及在相同瞬变范围的条件下进行了不同恒定转速的变转矩工况。试验选取稳态测试循环中典型转速A(1330 r/min)、B(1650 r/min)、C(1965 r/min)分别进行研究。恒转速不同起始负荷的瞬变范围选取为0~100%、5%~100%、10%~100%, 瞬变时间为5 s; 相同瞬变范围条件下不同恒定转速工况的瞬变范围为:负荷率变化为10%~90%, 瞬变时间为5 s, 如表3所示。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 瞬变过程试验工况 Table 3 Experimental condition of transient operations 转速 瞬变范围(负荷率) A 0~100% 5%~100% 10%~100% 10%~90% B 0~100% 5%~100% 10%~100% 10%~90% C 0~100% 5%~100% 10%~100% 10%~90%

表3 瞬变过程试验工况 Table 3 Experimental condition of transient operations

图2为B转速不同起始负荷条件下, 柴油机瞬变过程中各性能参数的变化规律。图2(a)显示了不同起始负荷的加载过程中转速的波动情况, 由图可知, 只有高怠速起始负荷加载初期转速的波动大于5%, 这是由于电涡流测功机自身固有的转动惯量特点所致, 但不影响试验定性和定量分析。

图2

Fig.2

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	图2 B转速不同瞬变起始负荷下发动机 各性能参数的变化Fig.2 Effect of different initial operating conditions under constant speed B and increasing torque on engine performance

从图2(b)中可以看出, 与稳态工况相比, 瞬变过程中柴油机碳烟的排放存在明显的恶化现象, 表明恒转速加载过程中进气存在着迟滞现象(见图2(e))。进气的迟滞使得缸内氧浓度降低, 同时随负荷的增大, 喷油量增加, 这使得缸内的燃烧环境严重恶化; 同时瞬变过程中进气压力的减小, 降低了缸内气体的气流运动, 削弱了油气混合速率和扩散燃烧速率, 这导致了缸内燃烧的劣变, 加上碳烟的后期氧化能力下降, 因此碳烟排放增加。瞬变过程中由于缸内燃烧的劣变, CA50推迟、缸内最大爆发压力P_max降低以及燃油经济性恶化, 但NO_x的排放明显改善, 原因是进气的迟滞使得缸内氧含量减少, 同时缸内燃烧劣变降低了最高燃烧温度, 分别见图2(c)(d)(f)(g)。

对比不同起始负荷对发动机的燃烧过程和排放性能可知, 碳烟排放的变化不大, 这是因为加载初期发动机的循环喷油量较小, 进气量比较充足, 发动机工作在富氧环境下, 部分起始负荷的存在使进气响应性得到的改善对碳烟的排放影响较小; 而NO_x排放的变化却比较明显, 最大增幅为高怠速瞬变过程的80%。这是由于部分起始负荷使得发动机初始燃烧条件得以改善, 缸内最大燃烧温度较高, 同时较高的壁面温度降低了缸内气体向壁面的传热损失。

起始负荷为10%的瞬变过程中, 由于加载前存在部分负荷, 加载初期表现出进气迟滞缓解的现象, 初始燃烧条件如缸内温度等更有助于瞬变过程的油气混合及燃烧的特点。相比于高怠速加载过程, 起始负荷为10%时, 进气的响应速度有所改善, 缸内燃烧恶化的现象得以缓解, 但由于部分起始负荷所对应的循环供油量比较小, 所以改善程度相对较低。瞬变起始负荷的不同, 进气的响应性存在一定差异。随起始负荷的增加(0~5%~10%), 进气的响应性提高; 同时缸内最大爆发压力P_max增大以及CA50推迟角减小。

此外, 随瞬变起始负荷的增大, 比油耗有一定程度的降低, 且加载初期, 部分负荷起始的瞬变过程中, 比油耗曲线出现一个波峰, 这主要是因为加载开始后, 循环喷油量增大, 同时加上进气的迟滞现象使得缸内燃烧恶化严重, 比油耗急剧增大; 瞬变过程中虽然对测功机进行了恒转速的设定, 但加载过程中还是存在转速上升又恢复到设定值的过程, 转速的上升使得比油耗曲线急剧下降, 因此会出现一个波峰现象。之后喷油量继续增大, 同时转速也恢复到设定值, 比油耗又有一定程度的升高。高怠速的瞬变起始负荷在加载初期出现了一个波谷, 这是由于怠速时比油耗很大, 加载开始后功率的输出使得比油耗呈下降趋势; 部分起始负荷的瞬变过程中, 加载初期转速恢复到设定值后, 虽然油量继续增加, 但是由于缸内燃烧环境恶化的缓解, 所以比油耗没有明显升高; 而在加载后期, 随着喷油量的继续增加, 排气能量逐步增大, 涡轮的迟滞现象减弱, 起始负荷的不同对发动机性能的影响减小, 因此, 不同起始负荷的瞬变过程在加载后期对发动机性能参数的影响趋于一致。

增加起始工况的负荷对柴油机瞬变过程中进气的响应性以及缸内燃烧环境有一定程度的改善, 但由于加载前期部分负荷的循环喷油量相对较小, 且发动机处于富氧燃烧环境, 所以其改善程度相对较小(相比稳态与瞬态工况的差异)。瞬变过程中, 发动机转速对涡轮迟滞现象的影响较大, 因此有必要讨论不同转速下瞬变过程中发动机各性能参数的变化规律, 这里主要分析了不同转速在瞬变范围为10%~90%负荷率下发动机性能参数的变化过程。

为了能够更加直观地显示出不同转速对瞬态与稳态之间差异的影响, 此处采用差值(Δ )进行表征。

图3显示了不同恒定转速下相同瞬变过程中发动机各性能参数的变化规律。图3(a)为不同转速下瞬变过程中发动机转速的波动情况, 可以看出, 瞬变过程中发动机转速的波动低于5%, 因此认为转速的波动对试验方案验证的影响可忽略不计。由图3(b)可知, A转速烟度的恶化程度明显高于B、C转速, 导致这种现象的主要原因是发动机的转速越低, 瞬变过程中增压器迟滞现象越严重, 发动机的充气质量减少。另外, 转速越低, 瞬变过程中循环喷油增加率越大, 这进一步加剧了缸内的缺氧环境^[11], |Δ AFR|(表示Δ AFR的绝对值, 值越大表示瞬态工况相比稳态工况空燃比的变化越大, Δ AFR为“ 正” 表示瞬变过程中的空燃比大于稳态值; 为“ 负” 表示瞬变过程中的值低于稳态值)增大, 空燃比的恶化程度严重加剧, 如图3(d)所示, 空燃比恶化程度的加剧使得恒定转速越低, 缸内的燃烧恶化程度越严重, |Δ P_max|增大, 即缸内最大爆发压力降低程度越大, 燃烧重心的推迟程度也越大(见图3(f)(g)), 因此加剧了碳烟排放的恶化程度。然而燃烧的恶化, 使得缸内最高燃烧温度降低, 同时由于涡轮的迟滞现象, 进气量减少, 因此|Δ NO_x|随恒定转速的增大而降低(即:随恒转速的增大, NO_x排放的下降程度降低), 如图3(c)所示。

图3

Fig.3

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	图3 不同转速下瞬变负荷为10%~90%的发动机 各性能参数的变化Fig.3 Effect of different speed under equal transient operating range of 10%~90% on engine performance

不同恒定转速的Δ AFR曲线都出现了一个波谷, 这是因为加载开始后, 不同恒定转速的加载过程中都存在进气滞后的现象, 且转速越低迟滞现象越严重, 同时随着负荷的增加循环喷油量也增大, 这使得|Δ AFR|迅速增大; 加载过程中, 虽然对电涡流测功机进行了转速的设定, 但仍然存在转速上升又回调的过程, 转速的上升, 使得空燃比迅速增加(即|Δ AFR|迅速减小), 之后|Δ AFR|则缓慢减小, 原因是排气能量的增加使得涡轮迟滞现象得到缓解, 同时缸内燃烧的劣变现象也有一定缓解。

如图3(e)所示, 比油耗在加载过程中随恒定转速的降低恶化程度明显加剧。造成这一现象的主要原因是瞬变过程中, 进气的迟滞使得缸内燃烧恶化, 且转速越低, 这种迟滞现象越严重; 同时缸内燃烧的恶化使得|Δ CA50|增大, 且随恒定转速的降低推迟程度增大(见图3(g)), |Δ CA50|的增大使得发动机热功转换能力降低, 膨胀损失增加, 这些原因造成了|Δ 比油耗|的增大。