EGR閥升程規(guī)律對重型柴油機(jī)瞬態(tài)工況排放特性的影響

樓狄明，文杰，孔德立，譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)

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

柴油機(jī)具有燃油消耗低、扭矩輸出高及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)機(jī)械及工程機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但柴油機(jī)有害排放物極大地制約了柴油機(jī)的發(fā)展。日益嚴(yán)格的排放法規(guī)對柴油機(jī)排放控制提出了更高的技術(shù)要求，因此依靠發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外后處理技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)已越來越成為共識[1-2]。機(jī)內(nèi)凈化氮氧化物(NOx)的廢氣再循環(huán)技術(shù)(exhaust gas recycling, EGR)與機(jī)外凈化微粒的微粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)的結(jié)合是目前比較主流的柴油機(jī)排放控制技術(shù)路線[3-5]。但使用EGR會對柴油機(jī)燃燒以及炭煙排放產(chǎn)生不良影響，因此，合理優(yōu)化各工況下的EGR閥控制策略是采用EGR技術(shù)的關(guān)鍵。

實(shí)際道路工況下，車用柴油機(jī)大部分時(shí)間都處于瞬態(tài)工況，穩(wěn)態(tài)標(biāo)定的最佳性能不可能長時(shí)間持續(xù)，因此，針對瞬態(tài)工況柴油機(jī)性能與排放特性的研究更能適應(yīng)未來發(fā)展需求。在ETC測試循環(huán)中，恒轉(zhuǎn)速變扭矩(constant speed increased torque，CSIT)和恒扭矩變轉(zhuǎn)速(constant torque increased speed，CTIS)是典型瞬態(tài)工況，在此工況下，EGR在NOx和炭煙排放控制中的矛盾也比較突出[6]。本研究主要目的是在柴油機(jī)CSIT與CTIS瞬變過程中探究EGR閥升程規(guī)律對柴油機(jī)排放特性的影響，為優(yōu)化柴油機(jī)瞬態(tài)工況排放提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)及燃料

試驗(yàn)樣機(jī)為配備EGR的某高壓共軌增壓中冷重型柴油機(jī)，具體技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)燃料為國Ⅴ柴油，其理化指標(biāo)見表2。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 柴油主要理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

柴油機(jī)試驗(yàn)臺架基于AVL-PUMA自動測控臺架進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建(見圖1)。其主要儀器設(shè)備和測試系統(tǒng)包括：AVL-ATA404電力測功機(jī)、AVL-439煙度儀、AVL-735油耗儀、ECU標(biāo)定工具ETAS、AVL-i60氣體測試儀及AVL-PEUS多組分儀等(見表3)。其中AVL-i60和AVL-PEUS多組分氣體分析儀的采樣頻率設(shè)置為10 Hz。

圖1 試驗(yàn)臺架布置示意

試驗(yàn)設(shè)備測試參數(shù)測試目的AVL?735油耗儀燃油消耗率/g·(kW·h)-1柴油機(jī)基本性能指標(biāo)AVL?i60(氣體測試儀)NOx體積分?jǐn)?shù)/10-6柴油機(jī)重要的排放物AVL?PEUS(多組分分析儀)NO體積分?jǐn)?shù)/10-6NO2體積分?jǐn)?shù)/10-6NOx的主要組成成分AVL?439煙度儀瞬態(tài)煙度國Ⅲ以上法規(guī)要求

本研究中發(fā)動機(jī)的標(biāo)定使用的是基于CCP(CAN Calibration Protocol)的ETAS INCA軟件。INCA主要提供一個(gè)工作平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且測量發(fā)動機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可通過接口模塊ES590向ECU開發(fā)板發(fā)送控制參數(shù)對瞬態(tài)試驗(yàn)中EGR閥開度進(jìn)行控制。

1.3 試驗(yàn)工況

分別在恒定扭矩相同轉(zhuǎn)速增加率與恒定轉(zhuǎn)速相同扭矩增加率下， 研究EGR閥升程規(guī)律對瞬態(tài)工況排放特性的影響。通過穩(wěn)態(tài)正交試驗(yàn)已經(jīng)確定了柴油機(jī)瞬變過程前后工況點(diǎn)的EGR閥開度，關(guān)鍵是如何設(shè)計(jì)中間的升程規(guī)律。通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法DOE(Design of Experiment)，將前后工況點(diǎn)(A，B)標(biāo)注于坐標(biāo)系中(見圖2)，列舉工況A與B之間可隨時(shí)間隨機(jī)走過的點(diǎn)，通過排列組合連接成不同EGR閥升程規(guī)律曲線。升程規(guī)律基本可分為3類：線性升程、上凸型升程以及下凹型升程。

圖2 EGR閥過渡工況可選路徑點(diǎn)

EGR閥升程規(guī)律選擇示意見圖3。在恒轉(zhuǎn)速變扭矩工況，柴油機(jī)工況由1 295 r/min，387 N·m通過5 s恒轉(zhuǎn)速變扭矩瞬變到1 295 r/min，1 160 N·m。EGR閥與柴油機(jī)同時(shí)開始瞬變，瞬變前后EGR閥的開度從70%降低到25%。升程規(guī)律見圖3a，其中升程1是簡單線性過渡；升程2、升程3與升程1相比，EGR閥開度變化速率更大，且依次降低，總體呈現(xiàn)下凹狀。升程4、升程5與升程1相比，EGR閥開度推遲瞬變，變化率高于升程1，總體呈現(xiàn)上凸?fàn)睢?/p>

圖3 EGR閥升程規(guī)律選擇示意

在恒扭矩變轉(zhuǎn)速工況，柴油機(jī)工況由1 295 r/min，1 145 N·m通過3 s恒扭矩變轉(zhuǎn)速瞬變到1 590 r/min，1 145 N·m，EGR閥與柴油機(jī)同時(shí)開始瞬變，瞬變前后EGR閥的開度從32%升高到50%。升程規(guī)律見圖3b，其中升程A是簡單線性過渡；升程B、升程C總體呈現(xiàn)上凸?fàn)睿簧藾、升程E總體呈現(xiàn)下凹狀。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 EGR閥升程規(guī)律對NOx排放的影響

圖4示出恒轉(zhuǎn)速變扭矩工況柴油機(jī)EGR閥升程規(guī)律對NOx排放的影響。

圖4 恒轉(zhuǎn)速變扭矩工況EGR閥升程規(guī)律對柴油機(jī)NOx排放的影響

由圖4a可知，下凹型升程2、升程3的NOx排放出現(xiàn)了明顯的峰值，其他升程均出現(xiàn)明顯谷值。對于升程2、升程3，EGR閥開度變化速率從瞬變開始就高于線性升程1，EGR閥開度迅速減小使廢氣回流量降低，提高了缸內(nèi)的進(jìn)氣量，混合氣體總熱容降低且隨負(fù)荷增加缸內(nèi)噴油量增大，缸內(nèi)燃燒溫度上升，基本符合NOx高溫富氧生成條件[7-9]，因此，缸內(nèi)產(chǎn)生的NOx會突增。升程2的EGR閥開度過渡完成用時(shí)少于升程3，其NOx峰值相比升程3升高了20.10%。升程4、升程5與升程1相比，最大的不同是在瞬變始點(diǎn)其EGR閥開度保持不變，一段時(shí)間后才開始變化。因此在瞬變開始時(shí)，缸內(nèi)新鮮空氣進(jìn)氣量較穩(wěn)態(tài)時(shí)大幅降低，而隨負(fù)荷增大缸內(nèi)噴油量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)空燃比下降，造成了NOx排放的降低。升程5EGR 閥延遲變化時(shí)間比升程4長，其NOx谷值相比升程4降低了14.4%。

由圖4b可知，NO不論是排放水平還是整體趨勢上與NOx排放均有極高的統(tǒng)一性。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，升程2的NO排放峰值明顯，升程3幾乎看不出峰值，其余升程N(yùn)O排放均出現(xiàn)谷值。其中升程5谷值最小，相比于升程2峰值，NO排放下降58.19%。

由圖4c可知，與NO相比，NO2的排放水平要低很多，該工況所有升程的NO2排放峰值均沒超過20×10-6，對NOx整體的排放數(shù)量級與趨勢沒有造成明顯的影響。NO與NO2的比例在1∶9到1∶10之間。

圖5示出恒扭矩變轉(zhuǎn)速工況柴油機(jī)EGR閥升程規(guī)律對NOx排放的影響。

從圖5a可知，各升程規(guī)律下NOx的排放規(guī)律一致，瞬變開始后NOx排放先減后增，最后趨于穩(wěn)定。不同EGR閥升程規(guī)律下谷值明顯不同，與線性升程A相比，升程B、升程C的谷值降低了15.27%和9.16%，升程D、升程E的谷值高于升程A9.08%和9.73%。由圖3b可知，升程B、升程C的相同點(diǎn)是在瞬變工況開始時(shí)EGR閥變化速率高于線性升程A。EGR閥開度快速增大使廢氣回流量增加，缸內(nèi)氧濃度進(jìn)一步降低，抑制了NOx的產(chǎn)生，因此EGR閥過渡時(shí)間最短的升程B的NOx谷值最低。升程D、升程E在瞬變開始時(shí)EGR閥沒有立刻響應(yīng)，EGR閥開度的延遲變化使瞬變始點(diǎn)缸內(nèi)的廢氣回流低于線性升程，因此缸內(nèi)氧濃度較高。而1 145 N·m屬于中高負(fù)荷，缸內(nèi)燃燒溫度較高，缸內(nèi)的氧含量決定了NOx排放量。而升程E的EGR閥開度變化延遲時(shí)間最長，故NOx排放最高。

由圖5b可知，NO的排放水平與NOx基本一致。其中，升程B、升程C的NOx谷值分別比升程A低9.8%，8.4%；升程D、升程E的谷值分別較升程A高5.63%和8.12%。

圖5 恒扭矩變轉(zhuǎn)速工況EGR閥升程規(guī)律對柴油機(jī)NOx排放的影響

由圖5c可知，所有升程下NO2排放值均低于20×10-6。柴油機(jī)NO2排放水平很低，其排放規(guī)律對NOx排放的整體規(guī)律不會造成很大影響。

2.2 EGR閥升程規(guī)律對煙度的影響

圖6示出柴油機(jī)不同EGR閥升程規(guī)律下消光系數(shù)的變化曲線，該參量可以表征柴油機(jī)的煙度水平[10]。

由圖6a可知，恒轉(zhuǎn)速變扭矩工況下，所有EGR閥升程規(guī)律下煙度變化趨勢相同，均呈先增后減隨后趨于穩(wěn)定的趨勢。升程2、升程3的煙度峰值與線性升程1相比下降了51.5%和55.73%，升程4、升程5的煙度峰值比升程1高了7.7%和35.1%。在增負(fù)荷過程中，隨噴油量增加缸內(nèi)溫度也逐步上升，缸內(nèi)空燃比成為影響炭煙生成的重要因素[11-13]。升程2、升程3EGR閥開度快速減小使得缸內(nèi)廢氣回流量減少，提升了缸內(nèi)的進(jìn)氣量，優(yōu)化了缸內(nèi)的空燃比，因此與線性升程相比，這兩種升程下煙度有了大幅下降。同理，升程4、升程5EGR閥開度推遲變化使缸內(nèi)進(jìn)氣量比線性變化時(shí)更加不足，燃燒質(zhì)量也比其他升程要差，因此煙度劣于線性升程。

圖6 EGR閥升程規(guī)律對柴油機(jī)消光系數(shù)的影響

由圖6b可知，恒扭矩變轉(zhuǎn)速工況下，各升程規(guī)律下柴油機(jī)消光系數(shù)的變化趨勢一致，均是在瞬變過程中出現(xiàn)一個(gè)峰值，之后再回到穩(wěn)態(tài)的水平。升程B、升程C的煙度峰值比線性升程A高88.81%，48.64%，升程D、升程E的煙度峰值比升程A低0.2%和10.4%。該過渡工況屬于中高負(fù)荷，缸內(nèi)燃燒溫度較高，煙度與缸內(nèi)的含氧量密切相關(guān)。升程B、升程C在瞬變工況開始時(shí)EGR閥變化速率高于線性升程A，廢氣回流量增加使缸內(nèi)氧濃度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致炭煙排放增加。升程D、升程E的EGR閥保持小開度的時(shí)間較長，缸內(nèi)氧含量比其他升程更高，因此煙度峰值更低。

2.3 EGR閥升程規(guī)律對燃油消耗率的影響

圖7示出柴油機(jī)EGR閥升程規(guī)律對燃油消耗率的影響。

由圖7a可知，恒轉(zhuǎn)速變扭矩工況下，所有升程下柴油機(jī)燃油消耗率瞬變過程中的變化趨勢都是先降后升，最后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)閺男∝?fù)荷向大負(fù)荷過渡時(shí)，瞬變始點(diǎn)缸內(nèi)EGR廢氣回流加熱了缸內(nèi)氣體，改善燃油霧化質(zhì)量導(dǎo)致油耗降低；而隨著負(fù)荷增大到一定程度，廢氣回流反而降低了缸內(nèi)進(jìn)氣量，燃燒惡化，因此燃油消耗率逐漸上升[14-15]。不同升程規(guī)律下柴油機(jī)燃油消耗率差異較小，升程2、升程3的燃油消耗率谷值比線性升程1低3.24%和5.02%，升程4、升程5的燃油消耗率谷值比線性升程1高4.03%和5.16%。

圖7 EGR閥升程規(guī)律對柴油機(jī)燃油消耗率的影響

由圖7b可知，恒扭矩變轉(zhuǎn)速工況下，所有的升程規(guī)律下燃油消耗率均出現(xiàn)一個(gè)谷值，且不同升程下谷值沒有明顯的差異。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是，隨著柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，瞬態(tài)過程中增壓器遲滯影響明顯減小，柴油機(jī)的充氣增加，優(yōu)化了缸內(nèi)燃燒[14-15]。計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn)，升程B、升程C的燃油消耗率谷值比升程A高1.95%和1.34%，升程D、升程E的燃油消耗率谷值相比升程A低1.83%和0.84%。與升程A相比，所有升程下燃油消耗率谷值的最大差值僅為3.8 g/(kW·h)。

在分析排放的同時(shí)也要關(guān)注不同EGR閥升程規(guī)律對瞬態(tài)工況柴油燃油消耗率的影響。如果瞬態(tài)過程某一 EGR 閥升程規(guī)律導(dǎo)致柴油機(jī)燃油消耗率惡化明顯，就必須考慮采取當(dāng)前路徑的合理性。

3 結(jié)論

a) 恒轉(zhuǎn)速變扭矩工況下，在初始變化率高的下凹型升程瞬變過程中，柴油機(jī)NOx排放量明顯增加并出現(xiàn)峰值，而線性升程與上凸型升程下NOx排放曲線出現(xiàn)明顯波谷，NOx排放最大降幅達(dá)到55.3%；恒扭矩變轉(zhuǎn)速工況下，所有升程規(guī)律下NOx排放均呈現(xiàn)先減后增隨后趨于穩(wěn)定趨勢，初始變化率高的上凸型升程排放谷值要低于線性升程與下凹型升程，最大降幅達(dá)到23.07%；兩種瞬態(tài)工況下，NO與NOx排放規(guī)律基本一致，而EGR閥升程規(guī)律對NO2排放影響甚微；

b) 不同EGR閥升程規(guī)律下兩種瞬態(tài)工況的煙度變化規(guī)律相同，呈先增后減最后趨于穩(wěn)定的趨勢，且下凹型升程的煙度峰值較低；

c) 不同EGR閥升程規(guī)律下兩種瞬態(tài)工況的燃油消耗率變化規(guī)律相同，均呈先減后增最后趨于穩(wěn)定的趨勢，且波谷十分接近，這說明EGR閥升程規(guī)律對燃油經(jīng)濟(jì)性影響不大，且所選路徑在合理范圍內(nèi)。

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