重型車用EGR國Ⅲ發(fā)動機的性能開發(fā)

邱國平，凌建群，步裕方，呂紀斌

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

1 前言

隨著我國經濟的迅速發(fā)展和汽車保有量的高速增長，汽車產業(yè)正面臨著汽車能源需求與大氣環(huán)境保護的雙重巨大壓力。發(fā)動機的有害排放物是造成大氣污染的一個主要來源，發(fā)動機有害排放物對大氣造成的危害受到了人們的高度重視，隨著環(huán)境保護問題重要性的日趨增加，保護生態(tài)環(huán)境、防止大氣污染已成為全球關心的 “熱點”，降低發(fā)動機有害排放物這一目標已成為當今世界上發(fā)動機發(fā)展的一個重要方向。開展發(fā)動機有害排放物控制方法的研究，是從事發(fā)動機設計者的首要任務之一。

2 EGR發(fā)動機開發(fā)目標

發(fā)動機開發(fā)目標要求在上柴公司現(xiàn)有的6CL290-2型國Ⅱ柴油機基礎上，采用外置式EGR系統(tǒng)，并對燃油系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)進行優(yōu)化匹配，使SC9DK290Q3B型重型發(fā)動機排放達到國Ⅲ排放法規(guī)要求。具體設計開發(fā)指標見表1。

3 EGR發(fā)動機性能開發(fā)方案介紹

EGR（Exhaust Gas Recirculation）即廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，通過將發(fā)動機排氣管中的部分廢氣引入進氣系統(tǒng)，與新鮮的充量空氣進行混合，從而使發(fā)動機進氣充量的性質發(fā)生變化，最終影響整個燃燒過程和排放[1]。

D6114系列柴油機是20世紀90年代初國內自主開發(fā)成功的具有20世紀80年代末國際水平、國內領先水平的中小功率柴油機，其功率覆蓋面廣，應用領域寬，涵蓋了車用動力、工程機械、電站以及船用主機和輔機等多個領域。為進一步滿足國家日益嚴格的排放法規(guī)，該系列發(fā)動機以高壓噴射和增壓 （空－空）中冷技術為核心，采用雙擠壓渦流燃燒室，改進燃油噴射系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)，適當減小供油提前角，使用國Ⅲ標準柴油，并采用冷卻EGR技術來改善其排放性能，以達到重型車用發(fā)動機國Ⅲ排放的要求。圖1為國Ⅲ排放EGR技術路線示意圖。

從圖1可見，在現(xiàn)有6CL290-2型國Ⅱ柴油機基礎上，當采用減小噴油定時，NOx排放降低，此時PM排放上升；又減小噴油器噴孔并提高噴射壓力以及適當減小噴油定時，PM排放降低，NOx排放則升高；此時采用冷卻EGR技術以及低硫燃油等，發(fā)動機性能就可以達到國Ⅲ排放水平。

開發(fā)國Ⅲ發(fā)動機排放性能有以下幾個關鍵技術： （1）采用冷卻EGR技術——降低NOx排放；（2）適當推遲供油提前角——降低NOx排放；（3）采用高壓噴射技術 （噴射壓力140 MPa）——降低PM排放； （4）降低機油耗——降低PM排放； （5）選擇國Ⅲ標準燃油——降低PM排放。

4 EGR發(fā)動機系統(tǒng)參數(shù)的匹配與控制

下面以SC9DK290Q3B型柴油機排放性能的開發(fā)為例來說明。

4.1 燃燒系統(tǒng)

EGR發(fā)動機的燃燒室采用雙擠壓縮口設計，燃燒室口徑為66 mm，壓縮比為18∶1，其燃燒室結構參數(shù)和進氣道渦流比與國Ⅱ柴油機相同。

4.2 燃油噴射系統(tǒng)

為了降低發(fā)動機顆粒PM的排放，燃油系統(tǒng)采用PZ型高壓噴射燃油泵，同時選用7孔、流量系數(shù)達0.75～0.87的低慣量噴油器，其噴射壓力可達到140～150 MPa，能夠較大幅度地降低顆粒排放物的生成。圖2為6孔、7孔噴油器在A轉速下對NOx加權排放以及煙度的影響。

從圖2可以看出，在PZ型噴油泵條件下，選用7孔噴油器，可以提高燃油噴射壓力，在NOx加權排放變化不大的前提下，能夠較大幅度地降低排氣煙度，達到了降低顆粒排放的目的。

4.3 增壓系統(tǒng)

增壓系統(tǒng)的選配采用上海菱重增壓器有限公司的TD07S型增壓器，并根據(jù)EGR發(fā)動機開發(fā)要求，在其基本型號的基礎上優(yōu)化壓氣機幾何尺寸，在兼顧發(fā)動機高低速性能的同時，適當降低高中速段及部分負荷的增壓壓力，以優(yōu)化進排氣的壓差。對EGR系統(tǒng)來講，這樣就可以增加部分負荷的EGR率，從而降低氣缸內的燃燒溫度，降低NOx排放污染物的生成。

廢氣進入氣缸的必要條件就是排氣壓力大于進氣壓力，圖3中Δp為進氣壓力與排氣壓力的差值。廢氣進入氣缸，產生EGR作用只在小部分區(qū)域 （陰影部分），換言之，ESC排放試驗中的13工況點只有一部分工況點可以采用EGR系統(tǒng)，在這里我們只能取7、9、11、12、13這5個排放工況點。由于大部分工況下，增壓壓力大于排氣壓力，能夠適合采用EGR的工況較少，為了克服以上缺點，有時可以采用可變幾何增壓器或文丘里管等技術來增加EGR控制工況點和提高EGR率。本文則采用增壓器進、排氣壓差的優(yōu)化匹配，來提高EGR率，降低NOx排放，使發(fā)動機性能達到國Ⅲ排放水平。

4.4 EGR率對NOx排放的影響

EGR系統(tǒng)的任務就是使廢氣的再循環(huán)量在每一個工作點都達到最佳狀況，從而使燃燒過程始終處于最理想的狀況，最終保證排放物中的污染成分最低。由于廢氣再循環(huán)量的改變可能會對不同的污染成分產生截然相反的影響，因此所謂的最佳狀況往往是一種折衷方案，使相關污染物的總排放達到最佳。比方說，盡管提高廢氣再循環(huán)量對減少氮氧化物NOx的排放有積極的影響，但同時也會對顆粒物PM以及其他污染成分的排放產生消極的影響。

圖4為EGR率對NOx排放的影響，試驗表明，使用普通的增壓系統(tǒng)，所達到的EGR率是很有限的，EGR率可達8～10%，但是對NOx的抑制作用仍然十分明顯，圖4是C轉速下部分負荷時EGR率對加權NOx排放和煙度的影響。由圖3可知，加權NOx排放隨EGR率越大而減小，煙度（顆粒）則隨EGR率增大而增大，且EGR率的大小取決于排壓與增壓的壓差及EGR閥的開度。

4.5 EGR發(fā)動機排放性能綜合匹配試驗

在滿足國Ⅲ限值的SC9DK290Q3B發(fā)動機的排放性能研究中，當經過上述各種措施系統(tǒng)匹配控制試驗后，發(fā)動機的一些主要分系統(tǒng)以及一些主要參數(shù)的匹配研究是達到國Ⅲ性能排放的關鍵。此時發(fā)動機已處于一種在NOx排放和PM排放之間左右擺動的狀態(tài)，但是，在NOx排放、PM排放、燃油經濟性、排氣溫度以及增壓器效率之間存在的比較復雜的相互關系以及各主要參數(shù)的匹配與控制等，需要在匹配研究中加以解決。

上述試驗表明，提高噴射壓力，縮小噴孔，有助于顆粒物 (PM)的降低；通過減小渦輪通流面積來適當增大排氣壓力，有助于EGR率的增加，但過大的排氣壓力會對新鮮空氣順利進入氣缸產生不利影響，導致性能急劇惡化，發(fā)動機油耗和排溫升高，故增壓器的選配應取排放和性能折衷的結果，并應兼顧發(fā)動機高低速性能；適當推遲噴油正時，可以在很大程度上抑制NOx的生成，但會對顆粒物的產生有所增加，同時推遲噴油正時，致使柴油機性能惡化，顆粒排放增加的同時也對新鮮空氣和廢氣組成產生影響，間接改變了EGR率及燃料的燃燒性能；使用國Ⅲ燃油，可以較明顯地減少顆粒物的生成。

本文論述的重型車用SC9DK290Q3B發(fā)動機，其性能達到開發(fā)目標，發(fā)動機排放達到GB17691-2005國Ⅲ車用柴油機排放標準，經檢測機構認證的試驗結果見表3。

同時SC9DK290Q3B型發(fā)動機，已通過了1 500 h變工況耐久試驗。試驗結果證明，EGR發(fā)動機采用新的燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)以及EGR系統(tǒng)后，發(fā)動機的可靠性良好，其可靠性與國Ⅱ發(fā)動機相當。

5 結束語

本文針對6CL290-2國Ⅱ排放柴油機進行了國Ⅲ排放的升級開發(fā)，通過燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)等改進，采用簡單冷卻的EGR系統(tǒng)，并進行了排放的優(yōu)化匹配試驗，最終達到柴油機國Ⅲ排放升級的目標。升級后的SC9DK290Q3B柴油機通過了ESC、ETC、ELR、加速煙度等國家檢測中心的排放檢測，滿足了國Ⅲ排放要求。

1虞展.國Ⅲ柴油機電控燃油系統(tǒng)技術路線角逐與前景 [J].汽車與配件，2009.2.11.

2邱國平，凌建群，步裕方，呂紀斌，實用新型專利：傳統(tǒng)柴油機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)控制裝置，申請?zhí)枺?00920076162.4.