文 | 咸鱼永不放盐
编辑 | 咸鱼永不放盐
«——【·前言·】——»
内燃机（ICE）在未来几年仍在交通领域中发挥着重要作用，无论是独立还是混合应用。在全球化学污染物和二氧化碳排放法规的压力下，预计将涵盖各种技术方面的进一步发展。
先进燃烧模式和排放后处理设备（瘦氮氧化物系统，氧化物催化剂和颗粒过滤器）的主要改进是控制排放的最重要措施。为了提高效率，燃烧、燃料和空气处理系统需要进行重大改进。
为了保证性能、燃油消耗和排放边界条件，燃油喷射设备、涡轮增压器和废气再循环（EGR）回路等子系统的正确操作和管理也是必须的。
相关交互作用提出了有趣的问题，因为控制变量的数量非常大，需要进行广泛的实验和数值研究以实现正确的目标。
考虑到燃油喷射设备，尽管普通轨系统在市场水平上的第一次出现已经超过二十年，但根据最新研究，开发和技术挑战仍然会存在。
在研究时，在使用柴油和两种柴油和棕榈油生物柴油混合物（生物柴油含量为20％和50％）时，应用了两个不同的注射压力水平在一个双部分负荷发动机工况下。
对于所有测试燃料，最高注射压力水平观察到了降低的燃油消耗、CO、HC和烟雾水平。
注射压力控制也需要基础研究，以了解其对喷雾发展的影响。先进的燃烧模式也可以从注射参数的适当管理中受益，如Reactivity Controlled Compression Ignition 引擎和PCCI概念。采用多次喷射或起动喷射策略可为不同参数的优化提供扩展可能性。
我们通过适当管理喷射模式，可以在燃烧扩散阶段末端实现了烟尘氧化的增强，起动喷射可减少NOX排放，而增加其持续时间也可对烟尘排放产生益处。
大多数有关注射压力控制的研究都涉及单缸低排量发动机或用于重型应用的大排量单位。因此，本文所述的研究侧重于用于汽车应用的先进缩小型柴油发动机，该发动机缺乏实验信息。
该调查的第二个创新性方面是深入探究燃油喷射、涡轮增压和混合EGR系统之间的相互作用，并展示其集成控制是否允许实现与燃油消耗、NOX和烟尘排放相关的目标。
该研究的另一个创新之处是，从指示压力图和放热曲线中获得喷射压力与燃烧参数之间的大量线性相关，旨在最大化从指示技术中获得的信息。通过一种简化的方法，量化评估了轨道压力对选择性指标的影响，深入探讨燃烧过程中涉及的广泛方面。
考虑到注射压力控制的潜力，实验研究在先前测试了混合EGR和涡轮增压系统管理策略的汽车缩小型柴油发动机上进行。
这项研究的主要目标是低NOX排放和燃油消耗，同时将烟雾惩罚降至最低水平。从选择的三部分负荷工作模式开始，应用不同的轨道压力水平，测量发动机的平均和瞬时量。
本文讨论了轨道压力控制对发动机运行、能量、环境和燃烧参数的影响。分析了燃烧参数与喷射压力之间的广泛线性相关，以证明测量趋势，同时提供了一种直接的方法来建模观察到的行为。
«——【·汽车直喷柴油引擎的主要特征·】——»
下表列出了被测试的汽车直喷柴油引擎的主要特征，其三个主要子系统是电子控制的燃油喷射系统、安装有可变高度涡轮增压器的涡轮增压器和混合废气再循环系统，包括高压和低压电路。
带有HP和LP EGR电路的测试引擎示意图
平均和瞬时引擎量被测量以评估最重要的参数。表中列出了测量的量及相关仪器、范围、准确性和相对不确定度的清单。
在大多数情况下，相对不确定度取决于考虑参数的测量水平。对于燃油消耗，准确度本身取决于在所选时间间隔（间隔为10秒）内供给到引擎的燃油质量。
因此，影响引擎参数测量级别的整体不确定度会随着运行条件的变化而发生变化。对于烟尘值，由于烟度计相对于其他仪器准确度降低，因此出现了更高的不确定度。
由于实验程序是基于测试模式的60个循环数据采集，因此该参数的标准偏差被评估。与整个测量链的不确定度相比，其比较相当。总体不确定度的估计，允许定义测试条件下不同操作模式的水平约为1.5%。
«——【·引擎管理的开放式电子控制单元·】——»
该引擎管理系统包括一个开放式电子控制单元，配备一个EPROM模拟器模块以及一个ETAS®MAC2F接口。因此，ETK模块连接到专用PC上，在其中的INCA®软件允许显示操作变量，选择存储在ECU中的图形并根据实验活动的要求更改管理参数。
下表列出了四个受控子系统，以及通过电子控制系统或手动管理的相关变量或组件。直接受到控制变量改变影响的引擎操作参数也包括在表中，显示只有在控制涡轮或共轨时才修改一个数量。另一方面，在管理混合EGR系统时，涉及到了一组广泛的参数。
方程呈现了它们的定义或应用于它们的评估的关系，基于测量数量：
fEGR = [MEGR /（MEGR + Ma + Mf）]×100％
如果两个EGR循环都被激活，则使用方程式计算的fEGR对应于总EGR率。高压路线通过高压环路被再循环，低压EGR路线则由低压电路被再循环。在这种情况下，通过在进气和EGR电路之间应用简化的能量平衡，可以导出高压和低压EGR质量流量率。
在引入EGR影响发动机行为的分析中，我们可以估计了一个充电稀释指数，并在Zamboni等中应用。这个指数以无量纲形式表示EGR比率，这是比较不同工作条件下的EGR分数所必须的。
CDI的定义基于稀释效应，即在进气管中氧气浓度的降低。这意味着最大的EGR率取决于空气燃料比，即选择工作条件中所需的发动机负载。
在低的bmep值下，fEGR可以更高，因为AFR比导致烟尘排放和发动机性能显著下降的水平更远。另一方面，排气/再循环气体中的氧气含量也取决于相同的参数
当从最小级别到最大级别改变涡轮吞吐面积时，AVNT范围从0%到100%。因此，该参数可用于确定喷嘴的位置，将其与涡轮等效流体面积联系起来，并根据选择的AVNT设置定义涡轮特性，使用部件测试架。
对于发动机试验，该参数的可用性使得更容易描述涡轮行为，因为AVNT与涡轮吞吐面积之间具有直接关系。相应的控制变量（VNT占空比）与喷油器位置呈反比例关系也就是即DCVNT的最大水平对应于喷嘴关闭的位置。
«——【·燃烧参数·】——»
在不同的研究中应用指示技术来深入研究发动机子系统控制对燃烧过程的影响。为此，从缸内压力曲线、压力第一导数曲线和放热速率的曲线中可以得出一个大量的参数。
最大压力水平与主喷射的燃烧相关，其位置在上止点后约15度左右，这是由于重要的喷射时机与其更注重降低NOx而不是降低燃油消耗有关。从压力第一个导数信号中，可以得到两个最大水平。
第一个对应于试验室喷射和预喷射的燃烧，第二个对应于主喷射的燃烧。它们用于评估噪声指标，该指标与在两个事件开始时的急剧压力上升有关。
Inpr = n / nidle ×[ / dpMAX/dθ]
其中，n和nidle分别是实际条件下和怠速模式下的发动机转速，dpMAX/dθ是未点火发动机的压缩-膨胀信号中计算出的最大压力导数水平，其进气条件与实验条件相同。
缸内压力曲线和压力第一导数曲线及相关参数
图中展示了一个热释放速率曲线的例子，同时也展示了其他两个燃烧参数，即最大热通量值和主燃烧预混阶段释放的热量。
该预混阶段范围从主燃烧开始到对应ROHRMAX的曲轴角度之间，第一个值通常位于先导喷射和预喷射燃烧后热释放最低水平的位置。
热释放速率曲线和主要燃烧参数
从释放总热量的10％，50％和90％曲轴角度出发，还评估了燃烧中心（θ50）和燃烧持续时间（θ90-θ10）。
通过在主要燃烧预混阶段加速燃烧过程，调压控制对热释放速率的影响显而易见。这种效应可以通过计算最大热释放一阶导数并分析轨压对其趋势的影响来量化。
由于在所有测试操作模式中都测量了压力图，因此根据一种内部开发的程序，计算了热释放量。因此，先前定义的燃烧参数是从气缸内压力，压力导数和热释放曲线中导出的。
为了定义能源，环境，燃烧和控制参数之间的线性关系，然后对不同的测试集应用了统计处理，每个测试集由相关操作条件和选择的控制变量值定义。
目标是扩大指示技术的成果，有助于分析观察到的趋势，并评估可用于建模和控制的简单相关性。因此，只遵循线性方法即可。
«——【·调压控制对压力和热释放曲线的影响·】——»
曲线仅限于与燃烧TDC（θ = 360曲轴角度）相关的曲轴角度间隔，展示先导喷射，预喷射和主喷射的实际定时。
轨压对气缸内压力图的影响
为了证明调压控制相关观测量的变化，必须考虑喷雾特征的变化。考虑了四个不同注射压力水平和两个腔压值，发现其实增加注射压力导致喷雾尖端渗透更高。
该研究描绘了在较高的燃料喷射压力值下，由于小液滴的动量更大，喷雾区域也增大。这导致由于喷雾尖端的较长渗透而扩展了喷雾区域。
因此，来自测试传统和替代燃料及其混合物的不同发动机的调查结果一致，显示了增加注射压力会导致点火延迟缩短，峰值压力和最大热释放水平上升，以及燃烧持续时间缩短。
这些结果观察到了单缸，低排量发动机，四缸自然吸气单位以及大排量（8.8 L）发动机。即使仅限于定性层面，观察到了更强的预混合燃烧阶段，这与燃烧开始时热释放快速上升有关。
本研究得出的结果与上述评论一致，展示了在测试不同排量发动机的广泛操作模式时，喷油压力控制具有类似的影响。
针对预喷和主喷燃烧，低prail值时观察到最大压力、dpMAX1/dθ和相关的热释放峰值略有增加，这可能与进气压力和质量流率的轻微变化有关。
相反，主燃烧大多受到了油轨压力控制的影响，其增加导致pMAX、dpMAX2/dθ和ROHRMAX值更高。这是由于更高的喷油压力实现了燃油液滴的更好雾化，这也可能与主燃烧的点火延迟较短有关。此外，还观察到了它的预混合阶段更快地发展。
油轨压力对热释放率的影响
研究第一阶段时，根据在固定目标下的制动比燃油消耗、排放和涡轮增压器转速的变化，确定了一组操作模式。为了抵消烟雾排放的增加，添加了轨压控制。
下图展示了在三种测试工况下，制动比NOX排放、制动比燃油消耗、制动比烟雾排放、涡轮增压器转速和燃烧噪声指标之间的折衷关系。所有测量值都进行了归一化处理，参照发动机制造商确定的标准模，只激活HP EGR回路。
燃料消耗、排放、涡轮增压器转速和燃烧噪声指标之间的折衷关系
从一般角度来看，LP EGR环路的启动导致EGR率的强烈增加，长路环路略高于50%的贡献。因此，由于氧气供应的减少，在粉尘排放方面观察到了负面影响。在1和2号点燃条件下，由于发动机压力梯度和泵损失的增加，燃油消耗恶化。
由于VNT闭环控制，燃料消耗并未恶化，因为它还使涡轮增压器速度接近参考水平。另一方面，随着LP EGR电路在前两个条件下的激活，nTC增加了，这是由于长路环路对质量流率的补充效应。
最后，EGR率的增加导致燃烧噪声的降低。
«——【·铁路压力与燃烧参数之间的关联·】——»
在铁路压力控制的实验研究的进一步结果中，压力图和放热曲线的可用性使得可以计算燃烧参数，并验证与该控制变量之间的现有关系。
以操作条件2和3中的三组测试模式为例，在图中呈现了一些相关性样本，其中铁路压力始终在X轴上，而所选数量的趋势显示在图中。因此，开发了铁路压力对选定参数影响的量化评估。
下图显示了铁路压力和预混合燃烧阶段之间的关系，三个图形分别显示了释放的热量在主燃烧的预混合阶段的最大释放速率、释放的热量以及放热的一阶导数的最大水平。
这些数量随着prail的较高水平的作用而增加趋势，证明了燃烧过程的预混合阶段特别受到该控制变量的影响。
铁路压力与燃烧参数之间的关联（第一组）
当铁路压力增加时，ROHRMAX值会更高，这是由于燃料雾化得更好。小直径液滴的分布和更高的喷雾穿透深度导致了更好的混合物形成，使得燃烧过程的第一阶段更快地发展。
预混合阶段释放的热量会在这个阶段里变得更高，尽管点火滞后时间更短。在这种情况下，喷油压力上升产生的更高喷油率可能抵消了更快的燃烧开始。
无论如何，HRpremix也是点火滞后期间混合物形成的结果，其增强已经得到了概述。在铁路压力和燃烧参数之间发现了满意水平的确定系数的线性关系。
在预混合燃烧中的变化也影响了其他几个量，包括最大压力和燃烧中心。随着铁路压力升高而出现更高峰值压力的情况，而θ50也朝向TDC方向移动。
此外，整个燃烧过程也得到了增强，燃烧持续时间的降低也得到了评估，这与其他调查结果一致。对于第一组燃烧参数，通常定义了具有高确定系数的线性关系，但有些例外。
铁路压力和燃烧参数（第二组）之间的联系
相关的趋势线具有较低的R2值，而所有其他相关性均具有高于0.7的确定系数。随着铁路压力的增加，燃烧噪声也会增加。因此，由于压力上升速率对燃烧噪声的影响，所选的指标被证明是此类分析的合适参数。
这个结果证实了实验测试的适当发展和燃烧参数的相关处理和计算过程，因为额外的关系也得到了验证。这个结果与预混合燃烧阶段的提高有关，在这个阶段中，不会产生沉积物，因为混合较浓的区域在燃烧室中是有限的，裂解反应的可能性也较小。
铁路压力与沉积物排放之间的联系
«——【·结论·】——»
最近三十年，燃油喷射、废气再循环和涡轮增压系统是柴油发动机发展的重要特征。
本研究确认了这些子系统的集成管理可以实现更低的燃油消耗和原始NOX排放，并提高涡轮增压器性能，而较少的燃烧噪音和煤烟排放则是小小的惩罚。
研究还确认了原型低压废气再循环环路对总的废气再循环率的贡献以及在每个测试工况下将能源、环境、操作和燃烧参数与铁路压力之间的大量线性关系的发现。
从定量的角度来看，参考标准操作模式，对三个部分载荷条件的每个测试工况激活HP EGR环路，主要结果如下：
通过激活LP EGR和VNT /进气压力控制可实现NOX排放的51％到63％的降低。作为参考，欧六阶段强制要求这种污染物降低58％。在工况1和2的工作条件下，铁路压力的提高对bsNOX的影响有限，而在更高的发动机速度和负载下，效益从59％降至43％。
在工况1中观察到燃油消耗的减少为8.6％，其中大部分是由于VNT控制。当提高发动机速度和负载时，在第2点中实现了较低的效益，而在第3点中测量了恒定的bsfc值。
在工况1和2中，煤烟增加是可以接受的。在第三点中，bsS翻了一倍以上，尽管铁路压力更高，但仍实现了显著的降低。因此，在实际应用中可能需要更频繁地再生柴油颗粒过滤器。
涡轮增压器速度增加了4.6％到11％，从而保证了更好的瞬态响应。
通过从放热曲线中获得的三个燃烧参数（最大放热率、预混合相中释放的热量和最大放热率一阶导数的最大值），进行了注入压力影响的定量评估，这是本研究的有趣结果之一。
其他效应分析了压力信号的一阶导数、其最大值和相关的燃烧指数，在更高的铁路压力水平下增加。
最后，本研究确定线性关系以将铁路压力和燃烧量联系起来，这能够看出我们可以采用简单的方法来确定引擎行为，当确定其操作模式时，这可能对建模有用。
