國(guó)六柴油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的研究

(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 前言

內(nèi)燃機(jī)是汽車、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、電站和船舶的主要?jiǎng)恿碓础?017年我國(guó)內(nèi)燃機(jī)總產(chǎn)量突破8 000萬臺(tái)，但內(nèi)燃機(jī)的排放對(duì)環(huán)境的污染也日趨嚴(yán)重，僅2016年全國(guó)機(jī)動(dòng)車排放污染物核算約為4 472.5萬t。因此節(jié)能減排是內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的主要方向。

為了滿足嚴(yán)格的國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，柴油機(jī)需要采用更加先進(jìn)的技術(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的最高爆發(fā)壓力至18 MPa以上，德國(guó)Man公司最新推出的D38發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)爆發(fā)壓力高達(dá)25 MPa[1]；優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，優(yōu)化燃燒室、氣道，降低進(jìn)氣渦流比至1.5左右；高壓共軌系統(tǒng)噴射壓力進(jìn)一步提高到200 MPa以上；采用性能和效率更高的增壓器，包括可變截面電控增壓器、二級(jí)增壓器；采用減摩技術(shù)或可變技術(shù)以進(jìn)一步減低摩擦功；采用先進(jìn)的廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)，包括高/低壓EGR系統(tǒng)；采用氧化催化器(DOC)+柴油顆粒捕集器(DPF)+選擇性催化還原(SCR)+氨逃逸催化器(ASC)先進(jìn)后處理技術(shù)等。

1 國(guó)六EGR系統(tǒng)開發(fā)流程

如圖(1)所示，首先從性能排放和總體布置尺寸兩方面同時(shí)明確EGR系統(tǒng)開發(fā)的具體要求，定義EGR系統(tǒng)總體方案，包括EGR系統(tǒng)的選型，采用高/低壓雙EGR系統(tǒng)還是高壓EGR單系統(tǒng)，采用單通道EGR系統(tǒng)還是雙通道EGR系統(tǒng)，然后進(jìn)行EGR系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)選型。

在給定的整車邊界下設(shè)計(jì)EGR模塊方案，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)性能及溫度場(chǎng)、模態(tài)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)仿真，當(dāng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算通過，且外形布置滿足要求后，再進(jìn)行性能樣件的開發(fā)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放試驗(yàn)、部件設(shè)計(jì)驗(yàn)證(DV)，以及開發(fā)樣件，搭載在發(fā)動(dòng)機(jī)和整車上進(jìn)行相應(yīng)的耐久考核，通過后進(jìn)行工程樣件(OTS)驗(yàn)證工作。

圖1 國(guó)六EGR系統(tǒng)開發(fā)流程

2 采用基于特征點(diǎn)法模擬計(jì)算來定義EGR系統(tǒng)性能開發(fā)指標(biāo)

首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)指標(biāo)、排放目標(biāo)及整車應(yīng)用，定義不同性能的發(fā)動(dòng)機(jī)特征工況點(diǎn)。如圖2所示，然后進(jìn)行模擬計(jì)算各個(gè)特征工況點(diǎn)的EGR主要性能參數(shù)：高/低壓EGR流量、EGR入口溫度、出口溫度、EGR換熱功率以及EGR冷卻器阻力等。根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行EGR閥的選型和冷卻器性能模擬計(jì)算。

圖2 在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)選取特征點(diǎn)

3 開發(fā)EGR主要部件的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 熱端EGR閥部件的耐高溫技術(shù)

國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)加大了EGR流量和提高了EGR入口溫度，為了確保EGR閥部件在高溫下可靠工作，需要對(duì)EGR閥座設(shè)計(jì)專用冷卻流道，并進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬計(jì)算，如圖3所示。通過優(yōu)化冷卻流道、冷卻液流量等參數(shù)來確保EGR閥桿和密封圈、閥座及其緊固螺栓、EGR閥驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件的最高溫度低于限值。

圖3 EGR閥溫度場(chǎng)

根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果，首先確定溫度高的風(fēng)險(xiǎn)部位，在發(fā)動(dòng)機(jī)性能排放基本標(biāo)定完成后進(jìn)行臺(tái)架EGR閥座模塊溫度場(chǎng)試驗(yàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)全脈譜中采集高風(fēng)險(xiǎn)部位的溫度，如圖4所示，將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度控制到最高允許溫度110 ℃以內(nèi)。

圖4 在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上測(cè)得的EGR閥座圈處溫度

臺(tái)架溫度場(chǎng)試驗(yàn)通過后，進(jìn)行整車溫度場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)整車滿載條件下，并在大于40 ℃的高溫環(huán)境下采集這些有相同風(fēng)險(xiǎn)的部位的溫度并進(jìn)行記錄，然后進(jìn)一步評(píng)估是否滿足限值要求。如圖5所示，在整車環(huán)境倉里進(jìn)行的爬坡情況下測(cè)得的閥座溫度，最高溫度測(cè)得260 ℃，低于限值400 ℃。

圖5 整車環(huán)境倉測(cè)得的閥座溫度

3.2 EGR冷卻器開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1EGR冷卻性能

EGR冷卻器性能直接影響到EGR冷卻后的溫度，并進(jìn)一步影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放。因此，開發(fā)了冷卻效率更高的翅板以加大國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)EGR散熱功率，在外形尺寸不增加的情況下滿足EGR冷卻功率增加的需求，從而可以有效控制設(shè)計(jì)成本和空間布置。如圖6所示，這款柴油機(jī)新EGR冷卻器采用了新一代的板翅結(jié)構(gòu)，相同尺寸下增加了散熱面積和EGR氣體的擾流，提高了散熱效率和散熱功率，在相同的入口溫度和流量下， EGR冷卻后的溫度降低了15 ℃。

圖6 冷卻翅板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后性能比較

EGR冷卻器中不同的紊流片翅距對(duì)冷卻性能也有影響。采用紊流片翅距分別為3.5 mm和5.0 mm的EGR冷卻器，相同入口溫度和流量以及冷卻側(cè)相同條件下，經(jīng)5.0 mm翅距的EGR冷卻器冷卻后的出氣溫度上升了30 ℃。

對(duì)于大排量國(guó)六柴油機(jī)，由于EGR流量和EGR率更大，因此需要開發(fā)冷卻功率大的EGR冷卻器，文獻(xiàn)[2]介紹了一種高低溫兩級(jí)冷卻的大功率EGR冷卻器，這種二級(jí)冷卻的EGR冷卻器相比一級(jí)EGR冷卻器，可進(jìn)一步降低氮氧化物(NOx)排放，另一優(yōu)點(diǎn)是EGR冷卻器中積炭少，在使用過程中冷卻功率保持穩(wěn)定。

3.2.2EGR冷卻器防積炭堵塞技術(shù)

積炭堵塞是EGR冷卻器開發(fā)和使用過程中遇到的最嚴(yán)重的問題，積炭堵塞會(huì)直接引起冷卻效率和冷卻功率下降，導(dǎo)致排放超標(biāo)。EGR冷卻器的積炭機(jī)理是：EGR廢氣中含有碳?xì)浠衔?HC)和碳煙顆粒，經(jīng)過冷卻器冷卻后，HC沉積在EGR冷卻器散熱片表層相對(duì)廢氣溫度較低的壁面上，碳煙顆粒沉積在HC層上面，在EGR冷卻器內(nèi)氣體流動(dòng)和散熱管中紊流和熱泳共同作用影響下，HC層和碳煙顆粒層繼續(xù)被壓緊，另外廢氣中的H2O、H2SO4和HC等受到冷卻/擴(kuò)散和吸收作用的影響,繼續(xù)結(jié)膠在原來已有的沉積物上,不斷加厚直至堵塞。

防止EGR冷卻器積炭堵塞的有效技術(shù)包括：設(shè)計(jì)匹配合理的EGR冷卻器散熱功率，防止EGR冷卻后的溫度過低；EGR冷卻器帶旁通閥，在低溫環(huán)境下，旁通閥打開，EGR廢氣不經(jīng)過冷卻器冷卻；降低柴油機(jī)HC排放是非常有效的措施，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)，HC排放濃度建議控制在小于300×10-6；通過基于EGR出氣溫度模型來標(biāo)定并控制EGR出氣溫度。圖7是同一款柴油機(jī)國(guó)五和國(guó)六HC排放，國(guó)六柴油機(jī)通過優(yōu)化燃燒和標(biāo)定技術(shù)來進(jìn)一步降低HC排放。

圖7 同一柴油機(jī)國(guó)五和國(guó)六HC排放

為了防止積炭，EGR冷卻器廢氣的流速設(shè)計(jì)需要大于6 m/s。圖8為EGR冷卻器CFD計(jì)算結(jié)果，流速均大于6 m/s，并且氣側(cè)流場(chǎng)中不能存在明顯的漩渦區(qū)。

圖8 EGR冷卻器流場(chǎng)分布

國(guó)六柴油機(jī)后處理帶有DPF，DPF再生需要采用后噴處理來提高廢氣溫度，但同時(shí)廢氣中的HC排放也增長(zhǎng)比較快。因此，在DPF再生過程中，需要通過優(yōu)化標(biāo)定控制策略來主動(dòng)關(guān)閉EGR閥，防止過多的HC進(jìn)入EGR冷卻器造成積炭堵塞。

3.3 提高發(fā)動(dòng)機(jī)各缸EGR率均勻性的技術(shù)

國(guó)六柴油機(jī)為了提高各缸燃燒的一致性，將EGR率不均性控制在±5%以內(nèi)，進(jìn)氣管采用集成設(shè)計(jì)EGR混合腔和混合器的技術(shù)方案，圖9發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的工況點(diǎn)(轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，壓力為0.3 MPa)，各缸的EGR率較為均勻。

圖9 各缸EGR率

4 滿足國(guó)六排放、降低油耗的高/低壓EGR技術(shù)

4.1 高/低壓EGR系統(tǒng)

國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)為了滿足運(yùn)行工況更大范圍內(nèi)的NOx限值，及更嚴(yán)苛的油耗目標(biāo)，高/低壓EGR系統(tǒng)是國(guó)六小排量柴油機(jī)發(fā)展趨勢(shì)。圖10所示為一款國(guó)六柴油機(jī)高壓/低壓EGR系統(tǒng)。

圖10 國(guó)六高低壓EGR系統(tǒng)

4.2 高/低壓EGR系統(tǒng)控制策略

如上圖10所示，較低溫度的低壓EGR在增壓器入口和新鮮空氣混合后進(jìn)入增壓器，相比高壓EGR，低壓EGR可以進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量和空燃比，相比采用高壓EGR系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)中高速和中高負(fù)荷并達(dá)到相同NOx值的條件下，僅采用低壓EGR比僅用高壓EGR可以使燃油耗降低2%～4%，煙度也會(huì)有明顯改善。因此，如圖11～13所示，在高速和中高負(fù)荷下低壓EGR流量占總流量的百分比高達(dá)70%～90%以上，僅在低速小負(fù)荷采用高壓EGR。

圖11 低壓EGR流量占總EGR流量的百分比的MAP

圖12 高壓EGR率

圖13 低壓EGR率

4.3 低壓EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低壓EGR取氣點(diǎn)位置應(yīng)位于DPF和SCR 涂層柴油機(jī)顆粒過濾器(SDPF)之后，而且在取氣口設(shè)計(jì)1個(gè)過濾器，目的是為了減少柴油機(jī)排氣顆粒對(duì)低壓增壓器壓氣機(jī)葉輪的腐蝕和損壞，防止因腐蝕和葉片損壞而影響增壓器的性能及可靠性。另外，低壓EGR在發(fā)動(dòng)機(jī)總體布置時(shí)要考慮管路長(zhǎng)度，以提高EGR系統(tǒng)的響應(yīng)性，同時(shí)降低低壓EGR流動(dòng)的阻力損失并降低廢氣調(diào)節(jié)閥的使用頻率，降低排氣背壓。另外，管路短流動(dòng)損失小也能提高低壓EGR率。大眾公司推出的EA288柴油機(jī)[3]，把低壓EGR冷卻器集成在后處理中，同時(shí)后處理采用緊耦合技術(shù)，低壓管路設(shè)計(jì)得十分緊湊。

5 大排量重型國(guó)六柴油機(jī)雙通道高壓EGR技術(shù)

對(duì)于排量大于7.0 L以上的柴油機(jī)，為了滿足國(guó)六排放，EGR率高達(dá)15%以上，8.0 L左右的柴油機(jī)高壓EGR率最大流量高達(dá)210 kg/h，另外由于排氣壓力與進(jìn)氣壓力壓差較小，為了達(dá)到較高的EGR流量，需要采用雙通道高壓EGR系統(tǒng)，如圖14所示，包括雙通道EGR閥、雙通道EGR冷卻器和雙單向閥。為了與雙通道EGR閥匹配，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管是由1～3缸排氣歧管和4～6缸排氣歧管組成，分別各有1個(gè)EGR取氣口對(duì)應(yīng)雙通道EGR閥的入口。

圖14 重型國(guó)六柴油機(jī)雙通道高壓EGR系統(tǒng)

6 結(jié)論

采用國(guó)六柴油機(jī)EGR系統(tǒng)先進(jìn)的開發(fā)流程，面向整車排放和應(yīng)用采用基于特征點(diǎn)能夠有效定義EGR系統(tǒng)的性能開發(fā)目標(biāo)，確保EGR系統(tǒng)既能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)排放所需的EGR率，而且EGR冷卻器也能滿足冷卻要求。通過溫度場(chǎng)仿真、臺(tái)架和整車溫度場(chǎng)試驗(yàn)考核來保證EGR系統(tǒng)在高溫下能可靠工作；EGR冷卻器采用新一代板翅結(jié)構(gòu)可以在相同尺寸下降低EGR冷卻后溫度約15 ℃；控制發(fā)動(dòng)機(jī)HC排放濃度在300×10-6以下，通過基于EGR出氣溫度模型的標(biāo)定優(yōu)化、設(shè)計(jì)合適冷卻功率是防止積炭堵塞的有效技術(shù)措施；高/低壓EGR雙系統(tǒng)是小排量發(fā)動(dòng)機(jī)滿足國(guó)六排放、降低油耗的有效技術(shù)；雙通道EGR系統(tǒng)可以滿足大排量國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)EGR率需求。