柴油機(jī)NOx排放控制技術(shù)研究及性能優(yōu)化*

侯獻(xiàn)軍 李孟孟 杜松澤 莫麗蓉 許 京

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

柴油機(jī)NOx排放控制技術(shù)研究及性能優(yōu)化*

侯獻(xiàn)軍1,2)李孟孟1,2)杜松澤1,2)莫麗蓉1,2)許 京1,2)

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)武漢 430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢 430070)

研究高壓共軌、增壓中冷和廢氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放及整機(jī)性能的影響，并將3種機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)聯(lián)合運(yùn)行以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能.結(jié)果表明，推遲噴油正時(shí)，增加噴油脈寬、降低增壓壓力和進(jìn)氣溫度、增加EGR率都會(huì)降低柴油機(jī)NOx排放；優(yōu)化后，最佳技術(shù)參數(shù)組合為：噴油正時(shí)為17 ℃A，噴油脈寬為1.75 ms，增壓壓力為240 kPa，增壓溫度為45 ℃，EGR率為15.2%.NOx排放從11.38 g/(kW·h)降低到3.22 g/(kW·h)，此時(shí)經(jīng)濟(jì)性改善0.85%，動(dòng)力性與原機(jī)相當(dāng).

NOx排放；機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)；性能優(yōu)化；GT-POWER

0 引 言

柴油機(jī)以動(dòng)力強(qiáng)勁、油耗低及工作可靠等優(yōu)勢(shì)，成為車用動(dòng)力的主要來(lái)源.同時(shí)隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，NOx作為柴油機(jī)的主要排放物之一，對(duì)其排放控制技術(shù)的研究具有重要意義.

目前，國(guó)內(nèi)外的主要研究趨勢(shì)是如何不犧牲或少犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，盡可能發(fā)揮排放控制技術(shù)降低NOx排放的潛力[1].Christer等[2]研究二級(jí)增壓、廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)、可變氣門正時(shí)等技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，目的是在保證動(dòng)力性不下降的前提下，實(shí)現(xiàn)油耗、熱負(fù)荷及排放的降低.Braun等[3]研究柴油機(jī)同時(shí)采用高EGR率、高增壓和高噴射壓力以降低排放的潛力.張韋等[4]結(jié)合進(jìn)氣富氧及高EGR率，實(shí)現(xiàn)某增壓中冷柴油機(jī)低NO-碳煙排放.王曉武[5]模擬分析了NOx和碳煙的分布及生成總量變化，研究了燃燒室結(jié)構(gòu)和噴嘴參數(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響.安士杰等[6]采用DOE與遺傳算法優(yōu)化共軌柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終柴油機(jī)油耗、NOx和碳煙排放都有所降低.譚丕強(qiáng)等[7]研究EGR和噴油正時(shí)協(xié)同作用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性、燃油消耗率、NOx和HC排放的影響.

文中基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程模擬計(jì)算軟件GT-POWER，研究高壓共軌、增壓中冷和EGR技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和碳煙排放、動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的影響.聯(lián)合3種機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳參數(shù)組合，以實(shí)現(xiàn)NOx排放降低的同時(shí)，保證動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的惡化程度在允許范圍內(nèi).

1 原機(jī)模型建立及校準(zhǔn)

1.1 模型建立

研究樣機(jī)為某直列四缸四沖程、增壓中冷柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可將復(fù)雜的柴油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)模型由進(jìn)排氣系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)、中冷器系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)、氣缸和曲軸箱及相應(yīng)連接管路等部分組成，見(jiàn)圖1.其中高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)模型包括高壓油泵、共軌管、噴油器3部分.

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 原機(jī)計(jì)算模型

1.2 模型校準(zhǔn)

為評(píng)價(jià)所建模型的計(jì)算精度和可靠性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2～3.計(jì)算結(jié)果表明，有效功率和有效轉(zhuǎn)矩仿真值與試驗(yàn)值誤差分別在2.09%，1.92%以內(nèi)，仿真值與試驗(yàn)值吻合良好，能夠進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的定性研究.

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率校準(zhǔn)曲線

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩校準(zhǔn)曲線

2 高壓共軌技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

2.1 噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

基于GT-POWER軟件中的DOE(design of experiment)模塊，將噴油提前角由7.5 ℃A增加至22.5 ℃A.研究工況為額定功率點(diǎn)，即全負(fù)荷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min.圖4為噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性的影響.

圖4 噴油提前角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由圖4a)～b)可知，推遲噴油，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩和有效功率均降低，燃油消耗率增大.推遲噴油導(dǎo)致著火滯燃期縮短，形成的可燃混合氣減少，從而降低了燃燒速率和放熱速率，最高爆發(fā)壓力和最高燃燒溫度都會(huì)減少.推遲噴油會(huì)使燃油燃燒不充分，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有所惡化.

由圖4c)可知，推遲噴油定時(shí)可以降低柴油機(jī) NOx排放，但碳煙排放增加.這主要是由于NOx和碳煙生成條件的不同造成的.NOx生成的3要素包括高溫、富氧和N2和O2的反應(yīng)時(shí)間，碳煙生成因素為高溫和缺氧，主要在擴(kuò)散燃燒中生成.推遲噴油定時(shí)，預(yù)混合燃燒的燃油量減少，而擴(kuò)散燃燒燃油量占比增大，缸內(nèi)最高燃燒壓力和最高燃燒溫度均降低，并且預(yù)混合氣處于缺氧的狀態(tài)，抑制NOx生成，但促進(jìn)了碳煙生成.

2.2 噴油脈寬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

將噴油脈寬設(shè)置在1.58～2.08 ms之間，步長(zhǎng)為0.05 ms，研究噴油脈寬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.圖5為噴油脈寬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性的影響.

圖5 噴油脈寬對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由圖5a)～b)可知，隨著噴油脈寬的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩均增大，燃油消耗率先降低后增大.這是因?yàn)閲娪兔}寬增大，噴油量增加，缸內(nèi)平均壓力增大，有效功率和轉(zhuǎn)矩增大，燃油消耗率降低，但當(dāng)噴油脈寬持續(xù)增大，燃油過(guò)多氧氣不足，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性惡化.

由圖5c)可知，隨著噴油脈寬的增大， NOx排放逐漸降低，碳煙排放增加.這是因?yàn)閲娪土吭龃?，高溫區(qū)氧質(zhì)量濃度相對(duì)降低，導(dǎo)致大量碳煙產(chǎn)生，不利于NOx的生成.另一方面燃油過(guò)多，使得燃燒不完全，碳煙排放增加.

3 增壓中冷技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

3.1 增壓壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

將目標(biāo)增壓壓力從160 kPa增至240 kPa，研究增壓壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 增壓壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由圖6a)～b)可知，增壓壓力由160 kPa增加到240 kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)有效轉(zhuǎn)矩和功率增大，燃油消耗率有所降低.這是因?yàn)樵鰤簤毫μ岣?，發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比增大，燃油燃燒更加充分，動(dòng)力性上升，經(jīng)濟(jì)性得以改善.

圖6c)為增壓壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和碳煙排放的影響.可以看出，提高增壓壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放增加，碳煙排放降低.這主要是因?yàn)?，增壓促進(jìn)初始放熱，提高了燃燒溫度，同時(shí)也為燃燒提供了更多的氧氣.

3.2 增壓溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

保證增壓壓力不變，使中冷器溫度從300 K增長(zhǎng)到350 K，研究增壓溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7.

圖7 中冷器溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由圖7a)～b)可知，中冷器溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率均增大，燃油消耗率降低.這是因?yàn)檫M(jìn)氣溫度降低，空氣密度增加，進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量增加會(huì)延長(zhǎng)著火滯燃期，提高缸內(nèi)燃燒壓力，從而提高動(dòng)力性，改善燃油經(jīng)濟(jì)性.

由圖7c)可見(jiàn)，中冷器溫度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放降低，碳煙排放在中冷器溫度由350 K降低到310 K的過(guò)程是降低的，當(dāng)中冷器溫度降低到300 K又稍有增加.進(jìn)氣溫度降低，空氣密度增加，進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量增加，壓縮終點(diǎn)溫度降低，缸內(nèi)最高溫度降低，從而降低NOx排放，碳煙也會(huì)有所降低，但是當(dāng)進(jìn)氣溫度降低一定程度會(huì)削弱碳煙的氧化程度，碳煙排放又有所升高.

4 EGR技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

4.1 EGR系統(tǒng)模型的建立

基于原機(jī)模型建立冷卻EGR系統(tǒng)，選擇高低壓回路，即渦輪機(jī)前到壓氣機(jī)前的進(jìn)氣方式，見(jiàn)圖8.模型中控制EGR閥直徑實(shí)現(xiàn)EGR率的改變.

圖8 冷卻R系統(tǒng)仿真模型

4.2 EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

EGR率目標(biāo)值設(shè)定為0，5%，10%，15%，20%，25%.圖9為EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響.

圖9 EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

由9a)～b)可知，隨著EGR率的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩和功率均有所下降，燃油消耗率增加，且變化趨勢(shì)由緩到急.這是因?yàn)殡S著EGR率的增加，空燃比下降，缸內(nèi)阻滯燃燒化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體增多，擴(kuò)散燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，后燃加重.

由圖9c)可知，增加EGR率會(huì)使NOx排放顯著降低，碳煙排放增大.廢氣的引入稀釋新鮮進(jìn)氣，降低了N2和O2的反應(yīng)機(jī)會(huì).再循環(huán)廢氣中含有比熱容較大的三原子氣體，例如，H2O和CO2，使缸內(nèi)燃燒溫度降低，NOx生成受到抑制.此外，EGR減緩了燃燒速度，燃燒壓力和最高燃燒溫度都有所降低.進(jìn)氣氧含量降低造成局部缺氧區(qū)域擴(kuò)大，燃油燃燒不充分情況嚴(yán)重，碳煙生成量增加.

5 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

綜上所述，聯(lián)合3種機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行綜合優(yōu)化.研究表明，經(jīng)空空中冷的進(jìn)氣溫度可降低到(50±5) ℃，所以設(shè)置中冷器溫度為45 ℃.基于DOE模塊對(duì)噴油正時(shí)、噴油脈寬、增壓壓力及EGR率進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化.將噴油正時(shí)設(shè)置為13 ℃A～17 ℃A，噴油脈寬設(shè)置為1.7～1.8 ms，增壓壓力設(shè)置為240～260 kPa，EGR率設(shè)置為14.7%～15.7%，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10.

圖10 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)DOE設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)性能

對(duì)NOx排放進(jìn)行約束得到方案31為最優(yōu)方案，即噴油正時(shí)為17 ℃A、噴油脈寬為1.75 ms、噴油壓力為160 MPa、增壓壓力為240 kPa、EGR率為15.2%.最終NOx排放為3.22 g/(kW·h)，同時(shí)動(dòng)力性與原機(jī)相當(dāng)，燃油消耗率有所改善，見(jiàn)表2.

表2 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化

6 結(jié) 論

1) 基于GT-POWER軟件建立柴油機(jī)原機(jī)計(jì)算模型并校準(zhǔn)，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果偏差在2%左右，適用于柴油機(jī)性能的定性研究.

2) 基于DOE模塊，研究高壓共軌技術(shù)中的噴油正時(shí)、噴油脈寬，增壓中冷技術(shù)中的增壓壓力和增壓溫度，EGR技術(shù)的EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放和整機(jī)性能的影響.研究結(jié)果表明，推遲噴油正時(shí)，增加噴油脈寬，降低增壓壓力和進(jìn)氣溫度，增加EGR都會(huì)降低柴油機(jī)NOx排放.

3) 優(yōu)化結(jié)果表明，研究工況下的最佳參數(shù)組合為：噴油正時(shí)為17 ℃A、噴油脈寬為1.75 ms、增壓壓力為240 kPa、中冷器溫度為45 ℃、EGR率為15.2%，最終NOx排放為3.22 g/(kW·h)，比原機(jī)降低71.73%，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性有所改善，動(dòng)力性與原機(jī)相當(dāng).

[1]趙航，王務(wù)林，楊建軍，等.車用柴油機(jī)后處理技術(shù)[M].北京：中華科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

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Research on NOxEmission Control Technology of Diesel Engine and Its Performance Optimization

HOU Xianjun1,2)LI Mengmeng1,2)DU Songze1,2)MO Lirong1,2)XU Jing1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

The influence of high pressure common rail technology, turbocharged inter-cooled technology and Exhaust Gas Recirculation (EGR) technology on diesel engine NOxemission and engine performance is studied in this paper. The engine performance is optimized by combining three types of internal-engine purification technologies. The research shows that the diesel engine NOxemission can be reduced by delaying the injection timing, increasing the width of fuel injection pulse, reducing the supercharging pressure and inlet temperature as well as increasing the EGR rate. After the optimization of engine performance, the injection timing is 17°; the fuel injection pulse width is 1.75 ms; the boost pressure and temperature are 240 kPa and 45 degrees, respectively; and the EGR rate is 15.2%. The resulting diesel engine NOxemission reduces from 11.38g/(kW·h) to 3.22 g/(kW·h), the fuel economy improves by 0.85%, and the power performance decreases by 0.28%. Besides, the power characteristic of the optimized engine is similar to that of the original engine.

NOxemission; purification technology; performance optimization; GT-POWER

2016-08-22

*湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助(2013CFA104)

TK421

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.004

侯獻(xiàn)軍 (1973—)：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)CAD/CAE，發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制及電控技術(shù)