瞬态EGR对柴油机低温燃烧切换平顺性影响

柴油机低温燃烧(LTC)技术具有同时减少氮氧化物(NOx)和碳烟排放的作用，一直是内燃机燃烧研究的热点。但LTC主要局限于部分负荷范围，在负荷下限发动机运行不稳定、在负荷上限发生爆燃，因此，燃烧模式切换是LTC发动机实用化需要采取的措施。柴油机LTC 模式采用多段燃油喷射结合大废气再循环(EGR)率的方式，具有混合时间长、油气混合均匀及污染物排放低等优点，但其EGR率、喷油参数与传统柴油机燃烧相比存在较大差异。燃烧模式切换时，EGR响应滞后于喷油响应，EGR与喷油参数偏离稳态优化值，容易造成不平顺、燃烧参数波动。

本次推文开展了燃烧模式切换过程中瞬态EGR控制规律及其对燃烧特性的影响研究，对LTC的负荷上限与负荷下限分别进行了CDC-LTC（CDC为传统燃烧模式下）和LTC-CDC共4 种切换过程的试验，并针对CDC-LTC直接切换过程发动机平顺性控制问题，提出了EGR阀预控制的优化策略，探明EGR优化控制策略对燃烧模式切换过程的影响规律。

01、试验台架与工况
试验在自主设计的126缸径自然吸气单缸柴油机上展开，设计示意如图1所示，试验系统示意如图2所示。


图1 单缸机设计示意


图2 试验系统示意
考虑柴油机LTC主要应用于低速中、低负荷工况，试验中，控制喷射压力为80 MPa、发动机转速为1100 r/min，为了减少不同EGR率对切换过程影响，LTC 负荷上、下限在等EGR率下获得，LTC模式下EGR阀开启至50%开度以达到40%的稳态EGR率，CDC模式下EGR阀关闭。根据等IMEP的切换原则，取LTC负荷上、下限的IMEP值确定出模式切换点对应的CDC模式喷油脉宽，燃烧模式切换点的运行与控制参数如表1所示。柴油机LTC模式运行的负荷范围有限，由于大量EGR的引入，负荷过小将导致缸内燃烧不稳定、IMEP出现大幅波动；负荷过大则进入气缸的新鲜充量不足。因此，以平均指示压力变动率COVIMEP等于3%作为负荷下限的判据，以过量空气系数等于1.5作为LTC负荷上限的判断标准，确定发动机转速为1100 r/min下LTC 模式负荷边界的喷油脉宽。
表1 燃烧模式切换点运行参数

02、EGR瞬态特性
首先研究了CDC模式中EGR率瞬态响应特性，分别试验EGR 阀打开与关闭过程瞬态EGR率变化规律，结果如图3所示。EGR率的变化受到气流运动、进/排气压差以及管路结构影响，EGR率变化时间滞后EGR阀运动时间。EGR开阀试验中，EGR阀开启后2个循环内排气管CO2体积分数由5%下降到4.5%、进气管CO2体积分数上升到1%，EGR率迅速增加；随后4个循环，进/排气管CO2体积分数呈现上升趋势，EGR率持续上升到30%；由于此时EGR变化速率过大，缸内原有的燃烧规律被打乱，且进气管CO2体积分数与排气管CO2体积分数存在循环耦合关系，因而EGR率在上升的过程中开始出现波动。开阀过程EGR上升并达到稳定的时间需要约22个循环，且前5个循环EGR率不足20%，大幅偏离40%的稳态值。EGR关阀试验中，EGR阀关闭后EGR率迅速下降，在5个循环的时间内即从40%降到0。开阀过程中，EGR率变化时间显著大于喷油策略改变时间，这是由于排出气缸的废气需经过EGR管道再次进入气缸，且受到进/排气压力波动影响。因此，造成EGR率变化严重滞后于毫秒级别的喷油参数变化，给柴油机燃烧模式切换带来难题。

图3 瞬态EGR率变化

03、切换过程EGR对燃烧特性影响规律
在负荷上限进行了CDC直接切换LTC试验，切换过程喷油策略由单段喷射变为两段喷射，同时EGR阀开启至50%开度。图4为切换过程逐循环放热率曲线。直接切换后首循环缸压峰值显著增大，瞬时放热率曲线出现低温放热区域，由单波峰曲线变成双峰曲线，两阶段放热现象是LTC模式主要特征。燃烧模式切换后，瞬时放热率峰值相位提前，且随着燃烧循环数增加，瞬时放热率峰值先减后增，直到第16个循环后主放热阶段瞬时放热率峰值稳定。


图4 负荷上限CDC-LTC直接切换过程瞬时放热率变化
切换前、后全过程的燃烧参数对比如图5所示。燃烧模式切换后的数个循环内，EGR率较小，缸内压力迅速升高，缸内燃烧较为剧烈；随着EGR率的升高，缸内压力逐渐恢复到原有水平。低温燃烧比重定义为低温放热阶段的累计放热分数，在喷油参数变化后低温燃烧比重迅速升高并持续波动，随着稳定LTC的形成，最终稳定在4.5%附近。在负荷上限，CDC模式的IMEP波动率为1.69%，LTC模式的IMEP波动率为2.61%，但直接切换过程中的波动率达到12.82%，此切换过程中，IMEP出现大幅波动，在切换初期升高到0.66 MPa，然后逐渐降低至0.51 MPa，随后恢复至切换前的水平，各个燃烧参数也出现不同程度的波动。


图5 负荷上限CDC-LTC直接切换过程燃烧参数变化
图6为CDC-LTC直接切换过程EGR率的变化，图中显示了切换过程中EGR率随循环数及曲轴转角的变化关系，其中第0 循环对应切换前1个循环，曲轴转角为360°CA 表示压缩上止点。随着切换后循环数的增加，EGR率先从0迅速上升到35%，随后出现波动并缓慢稳定在40%左右，且单个循环内EGR率存在随曲轴转角的变化规律，增加了稳定所需时间。CDC与LTC的EGR率需求及喷油控制规律存在明显差异，喷油控制可以在单个循环的时间内完成变化，而EGR率的稳定却要大约20个燃烧循环的时间。EGR与喷油的不协调是造成切换过程燃烧参数大幅波动的重要原因。


图6 负荷上限CDC-LTC直接切换过程EGR率变化
对LTC负荷上、下限CDC-LTC与LTC-CDC共4种直接切换过程进行试验，图7为切换过程IMEP变化曲线。负荷上限CDC-LTC直接切换过程中，EGR的滞后导致IMEP在切换初期显著增大，IMEP波动率IMEP δ达到12.82%；负荷下限CDC-LTC直接切换过程中，EGR偏离稳态值导致缸内燃烧不能得到有效组织，发动机功率严重下降，且出现转速不稳定情况，IMEP波动率达到9.76%。负荷上限与下限LTC-CDC的切换过程中EGR执行关阀动作，EGR率在5个循环内降低至0，因此，切换过程EGR率与喷油控制较协调，IMEP波动较小，分别为4.92%和5.62%。4种切换过程中，负荷上限CDC-LTC 的直接切换过程IMEP波动最严重，重点针对该过程开展了优化控制研究。


图7 直接切换过程IMEP变化

04、EGR预控策略对模式切换的优化
针对CDC-LTC 负荷上限直接切换IMEP波动大的问题，考虑EGR 滞后作用，采用提前5、10和15个循环增加EGR的方式开展了EGR预控制对IMEP波动的影响以及EGR优化控制。
图8为提前10个循环开启EGR阀的负荷上限CDC-LTC 切换过程瞬时放热率变化。切换过程中，提前10个循环预开启EGR 阀，在第11个循环将喷油策略由单段喷射改为两段喷射。EGR 阀开启后，EGR率逐渐上升，放热率峰值下降，燃烧相位推迟；喷油策略改变后，放热率曲线出现低温放热区域，此时由于EGR 提前增加，缸内燃烧状态已经是较为稳定的低温燃烧，放热率与稳态值接近。


图8 预开启EGR负荷上限CDC-LTC切换过程瞬时放热率变化
为了验证EGR阀预开启对负荷上限CDC-LTC切换过程的优化作用，分别提取直接切换与EGR预开启的切换过程中燃烧始点(SOC)及燃烧重心(CA 50)的逐循环变化情况，结果如图9 所示。直接切换时，EGR阀开度与喷油参数同时开始变化，SOC与CA 50迅速大幅提前再缓慢推后，整个过程燃烧较不稳定，燃烧参数波动明显。EGR阀预开启时，SOC与CA 50先略微推后，随着喷油参数发生变化后，SOC与CA 50迅速提前，且其值与稳定的LTC工况的参数值较为接近，波动明显减小，也未出现较明显的过度提前现象。这说明EGR阀预开启的方法能够减小缸内温度压力的波动，对燃烧稳定性产生了促进的作用。


图9 预开启EGR负荷上限CDC-LTC切换过程SOC与CA 50变化
在负荷下限CDC-LTC切换过程也开展了提前5个循环预开启EGR策略对优化IMEP波动率的影响研究。负荷下限CDC-LTC切换过程IMEP变化如图10所示表明EGR预开启在负荷下限也具有显著作用，切换过程IMEP变化规律与负荷上限CDC-LTC相似，EGR阀打开瞬间IMEP略微上升，随后逐渐下降；喷油策略改变后，IMEP出现波动并趋于稳定。直接切换过程IMEP波动率为9.76%，采用EGR 预开启控制策略后IMEP波动率优化至6.98%。


图10 负荷下限CDC-LTC切换过程IMEP变化

结论

(1) 柴油机CDC与LTC燃烧模式切换过程EGR瞬态响应滞后喷油变化是造成IMEP 波动主要原因；单缸机试验表明不同过程EGR 响应时间不同，在发动机转速为1100 r/min，EGR 阀开阀过程，EGR率的稳定需要22个循环时间；EGR阀关阀过程，EGR 率下降过程较为迅速，约为5个循环时间。
(2) EGR延迟对切换过程平顺性具有显著影响，CDC-LTC直接切换过程，EGR延迟造成切换初期EGR率与稳态值偏离20%以上，导致切换后首循环缸内压力显著增大；切换中期EGR率波动上升，缸内燃烧状况波动导致IMEP逐渐下降；切换后期EGR率逐步稳定，发动机运行在稳定LTC模式；CDC-LTC的直接切换过中IMEP 波动率达到12.82%。
(3) 采用预控制EGR可以显著改善模式切换过程中IMEP及燃烧参数波动的问题，在负荷上限CDC-LTC 切换过程中，提前5个燃烧循环预开启EGR阀，能够使IMEP 波动率降低为3.17%，较直接切换下降了75.3%。

文献来源及推荐阅读

[1]姚晔,石磊,邓康耀,胡建村,金江善.瞬态EGR对柴油机低温燃烧切换平顺性影响[J].内燃机学报,2021,39(01):11-17.