可變截面渦輪增壓器與廢氣再循環(huán)對柴油機(jī)排放的影響

樓狄明, 郭石磊,2, 譚丕強(qiáng), 胡志遠(yuǎn)

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804； 2.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

可變截面渦輪增壓器與廢氣再循環(huán)對柴油機(jī)排放的影響

樓狄明1, 郭石磊1,2, 譚丕強(qiáng)1, 胡志遠(yuǎn)1

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804； 2.聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 201206)

以一臺重型柴油機(jī)為試驗對象，研究可變截面渦輪增壓器(VGT)和廢氣再循環(huán)(EGR)閥門開度對柴油機(jī)增壓比、空燃比、燃油消耗率及NOx，CO，HC，CO2和煙度等排放特性的影響.研究結(jié)果表明，隨著EGR閥門開度的增大，增壓比、空燃比降低，經(jīng)濟(jì)性變差.EGR閥門開度和VGT閥門開度對NOx排放影響很大，隨EGR閥門開度和VGT閥門開度增大,NOx排放的體積分?jǐn)?shù)顯著降低，但HC，CO，CO2的體積分?jǐn)?shù)和煙度升高.為實現(xiàn)降低NOx排放的同時控制燃油消耗率和煙度的升高，可在中等負(fù)荷時選擇EGR閥門開度50%、VGT閥門開度45%的控制策略；在高負(fù)荷時選擇EGR閥門開度75%、VGT閥門開度55%的控制策略.

重型柴油機(jī)； 廢氣再循環(huán)； 可變截面渦輪增壓器； 排放特性

柴油機(jī)具有燃油消耗低、轉(zhuǎn)矩輸出高、可靠性好的特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[1]，汽車柴油化傾向也越來越明顯[2].但由于其排放量大、對環(huán)境污染嚴(yán)重，柴油機(jī)污染物的排放法規(guī)越來越嚴(yán)格[3].NOx是柴油機(jī)主要排放物之一[4]，有效控制NOx排放是柴油機(jī)排放控制的重點(diǎn).

廢氣再循環(huán)(EGR)是降低柴油機(jī)NOx排放的有效方法[5-6].但EGR會導(dǎo)致顆粒(PM)和碳?xì)?HC)排放升高[7-8],且對于渦輪增壓柴油機(jī)，在一些工況下難以實現(xiàn)足夠的EGR.可變截面渦輪增壓器(VGT)可有效解決渦輪增壓柴油機(jī)低速轉(zhuǎn)矩不足、瞬態(tài)響應(yīng)遲緩的問題[9-10]，在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)與柴油機(jī)的良好匹配[11-12].同時通過改變柴油機(jī)渦前與壓后壓差，進(jìn)一步調(diào)節(jié)柴油機(jī)負(fù)荷工況下的EGR，能夠進(jìn)一步降低柴油機(jī)的排放[13].

基于以上分析，通過試驗研究不同VGT閥門開度和EGR閥門開度對重型車用柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及NOx，CO，HC，CO2和煙度等排放的影響.

1 試驗裝置與研究方法

試驗研究在一臺直列6缸、增壓中冷、帶有VGT和EGR、排量為11.7 L的電控高壓共軌重型柴油機(jī)上進(jìn)行，該柴油機(jī)缸徑為126 mm，行程為155 mm，壓縮比為17∶1，最大轉(zhuǎn)矩為1 579 N·m，最大轉(zhuǎn)矩時對應(yīng)轉(zhuǎn)速為1 200～1 500 r·min-1，額定功率為282 kW，額定功率時對應(yīng)轉(zhuǎn)速為2 100 r·min-1.試驗臺架示意圖如圖1所示.

圖1 柴油機(jī)臺架試驗系統(tǒng)Fig.1 Test system of diesel engine

臺架系統(tǒng)主要設(shè)備包括：HORIBA Dynas3 HD460電力測功機(jī)以及臺架輔助設(shè)備.測試儀器包括HORIBA FQ2100DP燃油消耗儀、HORIBA MEXA-7100DEGR排氣分析系統(tǒng)以及AVL-439不透光煙度計等.電力測功機(jī)實時測量柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率等數(shù)據(jù)，排氣分析系統(tǒng)和煙度計測量尾氣中氣態(tài)物的濃度和不透光煙度.

臺架試驗所使用的燃料為市售國Ⅴ柴油，其主要理化特性指標(biāo)如表1所示.

表1 燃料主要理化指標(biāo)Tab.1 Fuel properties

VGT通過調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)過的角度來調(diào)節(jié)渦輪有效流通截面，如圖2所示，在低轉(zhuǎn)速時，相當(dāng)于一個快速反應(yīng)的小渦輪；在高轉(zhuǎn)速時，相當(dāng)于一個高效率的大渦輪[14].VGT改變進(jìn)排氣之間的壓差，為增壓柴油機(jī)在較寬廣的工作范圍內(nèi)實現(xiàn)EGR提供了條件[15].定義:VGT閥門全關(guān)，渦輪有效流通截面最小為100%開度；VGT閥門全開，渦輪有效流通截面最大為零開度.

柴油機(jī)試驗工況對應(yīng)轉(zhuǎn)速為常用的最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速為1 295 r·min-1，對應(yīng)負(fù)荷為中(50%)、高(100%)2種負(fù)荷.該試驗工況下NOx排放較高，需采用較大EGR率實現(xiàn)NOx排放降低；但又由于增壓壓力較高，不采用VGT難以實現(xiàn)較大的EGR率.通過柴油機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)，調(diào)整VGT閥門開度(θV)和EGR閥門開度(θE)，2種工況下θV分別為40%，45%，50%和55%，θE分別為0，25%，50%，75%和100%，研究VGT和EGR閥門開度對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響.并按照NOx、燃油消耗率、煙度等權(quán)值綜合優(yōu)化原則獲得2種工況下柴油機(jī)綜合性能最佳的VGT閥門開度和EGR閥門開度方案.

a 低轉(zhuǎn)速

b 高轉(zhuǎn)速圖2 可變截面渦輪增壓器示意Fig.2 Schematic diagram of variable geometry turbine

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 VGT和EGR閥門開度對增壓比、空燃比及燃油消耗率的影響

2.1.1 增壓比

由圖3a可見，在中等負(fù)荷工況下，隨著θV增大，增壓比升高，θE為零時增幅最高為15.3%；隨著θE增大，增壓比下降，在θV為55%時降幅最高為18.9%.這是因為隨著θV增大，渦輪等效流通面積變小，渦輪轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)化廢氣做功的能力增強(qiáng)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高，增壓壓力不斷增大.而隨著θE增大，流經(jīng)渦輪的排氣減少，導(dǎo)致渦輪做功能力下降，使得壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速下降，增壓比降低.

由圖3b可見，在高負(fù)荷工況下，增壓比有明顯提高，其最高增壓比與中等負(fù)荷工況相比提高了24.9%，同時，θV對增壓比的影響也更加明顯.隨θV增大，增壓比提高，最大增幅為14.4%.這是因為在高負(fù)荷工況下，柴油機(jī)排氣總量和溫度增加，渦前壓力升高，此時渦輪做功能力增強(qiáng)，θV變化造成的渦輪等效流通面積的改變對增壓比影響更加明顯.

2.1.2 空燃比

由圖4a可見，在中等負(fù)荷工況下，隨著θE的增大，空燃比下降明顯，θV為55%時空燃比降幅最大達(dá)39.7%.這是因為隨著θE增大，廢氣回流量增多使得進(jìn)氣減少，空燃比下降.θE較小時，隨θV增大，空燃比增大；而θE增大到100%時，空燃比降低.這是因為隨θV增大，增壓壓力升高，進(jìn)氣量增大，但同時渦前壓力升高，會使得廢氣回流量升高，且隨著θE不斷增大，VGT影響廢氣回流的效果更加明顯，這使得大θE時的空燃比有所降低.但總體來看，在中等負(fù)荷下，由于進(jìn)氣量充足，θV對空燃比變化影響較小，不同θE下變化幅度在10%左右.

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖3 VGT與EGR閥門開度對增壓比的影響

Fig.3 Effects of the opening of VGT and EGR valve on pressure ratio

由圖4b可見，與中等負(fù)荷工況相比，在高負(fù)荷工況下空燃比下降.θE增大導(dǎo)致廢氣回流增多，空燃比下降.隨著θV增大，空燃比下降.這是因為θV增大會使泵氣損失提高；另一方面使得渦前壓力升高，渦前壓力與壓后壓力間的壓差增大，廢氣回流增多，導(dǎo)致空燃比下降.

2.1.3 燃油消耗率

由圖5a可見，在中等負(fù)荷工況下，隨著θE和θV增大，燃油經(jīng)濟(jì)性變差，燃油消耗率由212.2 g·(kW·h)-1增大到221.5 g·(kW·h)-1，最高增幅為4.4%.這是因為，一方面EGR系統(tǒng)引入缸內(nèi)的廢氣量增大，廢氣對缸內(nèi)混合氣的稀釋作用增強(qiáng)，同時混合氣的比熱容增大，滯燃期延長，導(dǎo)致柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差；另一方面，隨著θV增大，柴油機(jī)排氣背壓增加，泵氣損失增大，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差，燃油消耗率升高.

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖4 VGT與EGR閥門開度對空燃比的影響

Fig.4 Effects of the opening of VGT and EGR valve on air-fuel ratio

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖5 VGT與EGR閥門開度對燃油消耗率的影響

Fig.5 Effects of the opening of VGT and EGR valve on specific fuel consumption

由圖5b可見，在高負(fù)荷工況下，由于缸內(nèi)溫度升高，熱效率升高，相比于中等負(fù)荷工況，燃油消耗率有所降低.但由于空燃比降低，θE和θV對燃油消耗率的影響更加明顯，隨著θE增大，燃油消耗率先升高，然后基本保持不變，其最高增幅為3.8%.隨著θV增大，燃油消耗率升高，其最高增幅為4.5%.

2.2 VGT和EGR閥門開度對排放的影響

2.2.1 氮氧化物

由圖6a可見，在中等負(fù)荷工況下，隨著θV和θE的增大，NOx體積分?jǐn)?shù)降低.NOx產(chǎn)生條件為高溫、富氧和高溫持續(xù)時間.隨著θV增大，渦前壓力和壓后壓力都明顯升高，但渦前壓力升高幅度大于壓后壓力，這使得廢氣回流增多，同時θE增大也增加了廢氣回流量.廢氣的引入降低了缸內(nèi)燃燒溫度，同時減小了新鮮進(jìn)氣量，抑制了NOx的生成，NOx體積分?jǐn)?shù)降低.

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖6 VGT與EGR閥門開度對NOx排放的影響

Fig.6 Effects of the opening of VGT and EGR valve on NOx

由圖6b可見，在高負(fù)荷工況下，由于噴油量增大，缸內(nèi)溫度升高，NOx體積分?jǐn)?shù)與中等負(fù)荷工況相比有明顯升高.在該工況下，由于排氣能量大，渦輪做功能力增強(qiáng)，θE增大使空燃比降低，繼而影響NOx排放的效果更為明顯，不同θV下NOx體積分?jǐn)?shù)最高降低幅度達(dá)到75.4%.雖然隨著θV增大，增壓比升高，但其對廢氣回流量的影響更加明顯，使得NOx體積分?jǐn)?shù)下降.

以各個θV下θE為零時的NOx體積分?jǐn)?shù)為基準(zhǔn)，定義θE為x′，不同θE下NOx體積分?jǐn)?shù)的降幅為y，對y進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其與θE呈現(xiàn)出很強(qiáng)的對數(shù)關(guān)系，如圖7所示.

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖7 NOx體積分?jǐn)?shù)降幅與EGR閥門開度的關(guān)系

Fig.7 Relationship between decline of volume concentration of NOxand the opening of EGR valve

由圖7可見，在2種工況下，隨著θV的減小，回歸方程的相關(guān)系數(shù)增大，θE對NOx體積分?jǐn)?shù)降幅影響的顯著性提高.

在2種工況下，不同θV下NOx體積分?jǐn)?shù)降幅與θE的回歸方程如表2所示.

表2 NOx體積分?jǐn)?shù)降幅回歸方程Tab.2 Regression equation of decline of volume concentration of NOx

由表2可見，θV為40%和45%時，在中等負(fù)荷下的回歸方程對數(shù)項系數(shù)大于高負(fù)荷下的對數(shù)項系數(shù)；而θV為50%和55%時正好相反.這說明，在中等負(fù)荷時較大的θV下θE對NOx體積分?jǐn)?shù)降幅影響更強(qiáng)；而高負(fù)荷時較小的θV下θE對NOx體積分?jǐn)?shù)降幅影響更加明顯.

2.2.2 一氧化碳

由圖8a可見，在中等負(fù)荷工況下，隨著θE的增大，廢氣回流量增大，雖然θV增大提高了增壓比，但渦前壓力的升高使廢氣回流更加容易，廢氣的引入降低了內(nèi)的氧氣含量，燃料不完全燃燒，導(dǎo)致CO體積分?jǐn)?shù)急劇升高，其最高增幅達(dá)到677.5%.

由圖8b可見，與中等負(fù)荷工況相比，在高負(fù)荷工況下CO體積分?jǐn)?shù)明顯上升.隨著θE和θV的增大，CO體積分?jǐn)?shù)上升.且由于高負(fù)荷工況VGT對于提高增壓比方面的效果更加明顯，VGT對于CO排放的影響也更加顯著.

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖8 VGT與EGR閥門開度對CO排放的影響

Fig.8 Effects of the opening of VGT and EGR valve on CO

2.2.3 碳?xì)?/p>

由圖9a可見，在中等負(fù)荷工況下，隨著θE增大，HC體積分?jǐn)?shù)先上升后小幅下降，但總體呈上升趨勢，且均保持在5×10-6左右.這是因為隨著θE和θV增大，廢氣回流量增大，對混合氣的稀釋作用增強(qiáng)，由于空氣不足，燃燒火焰擴(kuò)散不徹底，導(dǎo)致排氣中的HC上升.

由圖9b可見，在高負(fù)荷工況下，隨著θE和θV增大，HC體積分?jǐn)?shù)升高.且與中等負(fù)荷工況相比，HC體積分?jǐn)?shù)有所降低，這是因為在高負(fù)荷工況下，排氣能量提高，渦輪效率提高使增壓比上升，改善了油氣混合情況，排氣中的HC降低.

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖9 VGT與EGR閥門開度對HC排放的影響

Fig.9 Effects of the opening of VGT and EGR valve on HC

2.2.4 二氧化碳

由圖10a可見，在中等負(fù)荷工況下，隨著θE增大，CO2體積分?jǐn)?shù)明顯升高，最高增幅達(dá)到70.9%.這是因為隨著θE增大，廢氣回流量增多，廢氣的引入稀釋了新鮮進(jìn)氣，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，使缸內(nèi)燃燒惡化，油耗升高，CO2體積分?jǐn)?shù)升高.隨θV增大，CO2體積分?jǐn)?shù)升高.這是因為，一方面θV增大會使廢氣回流量增大，另一方面，θV過大也會使泵氣損失增大，油耗升高，CO2體積分?jǐn)?shù)升高.

由圖10b可見，與中等負(fù)荷工況相同，由于廢氣回流增多，缸內(nèi)燃燒惡化，油耗升高，高負(fù)荷CO2體積分?jǐn)?shù)隨著θE和θV的增大逐漸升高.

2.2.5 煙度

EGR系統(tǒng)對于柴油機(jī)煙度的影響與空燃比密切相關(guān).由圖11a可見，在中等負(fù)荷工況下，隨著θE增加，空燃比迅速降低，此時缸內(nèi)氧氣含量下降、燃燒溫度降低，對碳煙的氧化造成了不利影響，柴油機(jī)煙度上升，煙度增幅為102%～418%.隨著θV增大，廢氣回流增多，對缸內(nèi)混合氣的稀釋作用增強(qiáng)，導(dǎo)致混合氣局部過濃或過稀，柴油機(jī)煙度大幅增加.

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖10 VGT與EGR閥門開度對CO2排放的影響

Fig.10 Effects of the opening of VGT and EGR valve on CO2

a 50%負(fù)荷

b 100%負(fù)荷圖11 VGT與EGR閥門開度對煙度的影響

Fig.11 Effects of the opening of VGT and EGR valve on smoke

由圖11b可見，與中等負(fù)荷工況相比，由于高負(fù)荷工況噴油量增加，缸內(nèi)燃燒溫度升高，排氣流量增大，渦輪轉(zhuǎn)速升高，渦輪增壓器的效率提高；同時缸內(nèi)的氣流運(yùn)動增強(qiáng)，混合氣均勻性提高，使柴油機(jī)煙度有所下降，煙度變化幅度減小，隨著θE增加，煙度增幅為13%～109%.EGR閥門關(guān)閉時，隨著θV增大，柴油機(jī)煙度下降，而EGR閥門打開時，煙度升高，這可能是因為VGT對EGR系統(tǒng)的影響程度比進(jìn)氣更加明顯.

2.3 VGT和EGR閥門開度的優(yōu)化

2.3.1 優(yōu)化方案

在2種工況下，柴油機(jī)NOx體積分?jǐn)?shù)、燃油消耗率和煙度等3種主要參數(shù)最優(yōu)值如表3所示.

表3 3種主要參數(shù)最優(yōu)值Tab.3 Optimal values of 3 main parameters

為實現(xiàn)降低NOx排放的同時有效控制燃油消耗率和煙度的升高，從而獲得2種工況下柴油機(jī)的綜合最佳性能，對以上3種主要參數(shù)的權(quán)值進(jìn)行綜合優(yōu)化，具體評價標(biāo)準(zhǔn)為：在同一工況下，各個參數(shù)與其最優(yōu)值偏差百分比(變化率)之和最小，即

式中：M為評價指標(biāo);αi為變化率權(quán)值，i=1，2，3，分別對應(yīng)NOx體積分?jǐn)?shù)、燃油消耗率、煙度；Yi為變化率.取α1=0.6，α2=α3=0.2，可知：M值越小，優(yōu)化效果越好.

2.3.2 方案選擇

通過計算得：在50%負(fù)荷時，M最小值出現(xiàn)在EGR閥門開度為50%、VGT閥門開度為45%處，此時M最小值為0.71；在100%負(fù)荷時，M最小值出現(xiàn)在 EGR閥門開度為75%、VGT閥門開度為55%處，此時M最小值為0.22.在2種工況下3種主要參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果如表4所示.

由表4可見，在優(yōu)化方案中，可考慮通過改善燃燒等方式進(jìn)一步降低其油耗和排放.

表4 3種主要參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Optimization results of 3 main parameters

3 結(jié)論

(1)增壓比隨著VGT閥門開度的增大而升高，且高負(fù)荷工況更加明顯；在高負(fù)荷下的空燃比隨著VGT閥門開度的增大而降低；EGR閥門開度增大，增壓比和空燃比都降低.

(2)EGR閥門開度對NOx排放影響很大，隨著EGR閥門開度增大，柴油機(jī)NOx體積分?jǐn)?shù)明顯下降，高負(fù)荷時效果更為顯著.由于隨著VGT閥門開度增大廢氣回流增多，NOx排放下降.EGR閥門開度與NOx體積分?jǐn)?shù)降幅有很好的對數(shù)關(guān)系.

(3)CO和CO2排放隨EGR閥門開度和VGT閥門開度的增大而升高，在低負(fù)荷下HC排放先升高，后小幅下降.

(4)在中等負(fù)荷時的煙度隨EGR閥門開度和VGT閥門開度增大變化明顯，在高負(fù)荷時煙度變化幅度降低.

(5)為實現(xiàn)降低柴油機(jī)NOx排放的同時控制燃油消耗率和煙度的升高，控制策略選擇為：在中等負(fù)荷時，EGR閥門開度為50%，VGT閥門開度為45%；在高負(fù)荷時，EGR閥門開度為75%，VGT閥門開度為55%.

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ZHENG Zunqing, YAO Mingfa, GAO Junhua,etal. Experimental on reduction of diesel emissions by VNT/EGR and diesel oxidation catalyst[J]. Transactions of Chinese Society for Internal Combustion Engines, 2010, 28(4): 289.

Effects of VGT/EGR on Emissions from Diesel Engine

LOUDiming1，GUOShilei1,2，TANPiqiang1，HUZhiyuan1

(1. School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China； 2. United Automotive Electronic Systems Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

The effects of variable geometry turbine(VGT)/ exhaust gas recirculation (EGR) on pressure ratio, air-fuel ratio, specific fuel consumption, and emissions of NOx, CO, HC, CO2and smoke from a heavy duty diesel engine have been investigated. The results show that pressure ratio and air-fuel ratio decrease, and fuel economy deteriorates with the increase of the opening of the EGR valve. NOxemission can be strongly affected by the opening of the EGR valve and VGT valve. NOxemission can be greatly reduced by increasing the opening of the EGR valve and VGT valve, and there is good logarithmic relationship between decline of volume concentration of NOxand the opening of EGR valve. However, HC, CO, CO2and smoke emissions are increased. In order to lower NOxemission, while effectively controlling fuel economy and smoke emission, 50% of the opening of the EGR valve combined with 45% of the opening of the VGT valve is suitable at medium load, and 75% of the opening of the EGR valve combined with 55% of the opening of the VGT valve is suitable at high load.

heavy duty diesel engine； exhaust gas recirculation； variable geometry turbine； emission characteristics

2015-05-13

國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2012AAA111706)

樓狄明(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為發(fā)動機(jī)排放控制.E-mail：loudiming@#edu.cn

郭石磊(1991—)，男，工程碩士，主要研究方向為發(fā)動機(jī)排放控制及后處理技術(shù). E-mail：13guoshilei@#edu.cn

TK427

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