排氣背壓對(duì)有無EGR重型柴油機(jī)油耗的影響

祁金柱，王國仰，唐志濤，于濤

?

排氣背壓對(duì)有無EGR重型柴油機(jī)油耗的影響

祁金柱1，王國仰2，唐志濤1，于濤1

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005；2.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000）

為了研究排氣背壓對(duì)有無廢氣再循環(huán)（EGR,Exhaust Gas Recirculation）重型柴油機(jī)油耗及排溫等性能的影響，選取了1540r/min和320N.m的穩(wěn)態(tài)工況分別對(duì)有EGR和無EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了變排氣背壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：排氣背壓每增加1kPa，無EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率增加0.49g/kWh；有EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率增加1.43g/kWh；排氣背壓對(duì)有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率更敏感；低背壓時(shí)，有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率低于無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，高背壓時(shí)，有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)高于無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)。研究結(jié)果為重型柴油機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置提供了理論指導(dǎo)。

重型柴油機(jī)；EGR；排氣背壓；油耗率

前言

柴油機(jī)具有油耗低、低速扭矩大等優(yōu)點(diǎn)，因而作為道路和非道路機(jī)械動(dòng)力得到廣泛應(yīng)用[1]，但是柴油機(jī)的顆粒物排放嚴(yán)重。必須加裝DPF才能滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)[2]。隨著PM在DPF中積累和一些排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓增加，增壓器性能下降，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣量減少[3]。排氣背壓的增加反過來又會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒惡化，油耗率升高[4]。

國內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)排氣背壓進(jìn)行了相關(guān)的探索，但是這些研究都是針對(duì)汽油機(jī)和小型單缸柴油機(jī)的。對(duì)于有EGR和無EGR的重型柴油機(jī)的橫向?qū)Ρ壬僖?。所以有必要?duì)此進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)裝置及方法

如圖1所示，試驗(yàn)用一臺(tái)電控高壓共軌、增壓中冷、帶EGR的直列式柴油機(jī)，技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)用油硫含量低于10mg/kg。通過調(diào)節(jié)蝶形閥產(chǎn)生穩(wěn)定的背壓，使用量程為30kPa 的壓差傳感器讀取實(shí)時(shí)的壓差，壓力穩(wěn)定以后測(cè)量180s左右，通過更換ECU來調(diào)節(jié)EGR閥的開閉。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架總體布置圖

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率的影響

無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)分段采樣11個(gè)梯度（在4.48kPa-30.00kPa之間，以2.50kPa的步長(zhǎng)采樣）。有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)采樣7次（以2.5步長(zhǎng)在2.50kPa-17.50kPa之間取樣）。因?yàn)橛蠩GR發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著排氣背壓的增加，ECU自動(dòng)調(diào)節(jié)EGR率，導(dǎo)致排氣背壓不容易提升，即使背壓閥開度很小時(shí)，背壓增加也不明顯，不利于采樣。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行變得極不穩(wěn)定，為了防止損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，只采集了7次。

圖2 排氣背壓對(duì)油耗率的影響

由圖2可知，無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)背壓從4.48kPa增加到29.99kPa，油耗率從244.28g/kWh增加到了256.85g/kWh，增長(zhǎng)了5.15%，背壓每增加1kPa，油耗率增加0.49g/kWh，由此可得經(jīng)驗(yàn)公式為y=0.51x+241.33；有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)背壓從2.38kPa增加到17.85kPa，油耗率從235.35g/kWh增加到257.40g/kWh，增長(zhǎng)了9.37%。背壓每增加1kPa，油耗率增加1.43g/kWh。

對(duì)油耗率的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在排氣背壓比較?。ㄐ∮?5kPa）時(shí)，和無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)相比，有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率明顯偏低。原因可能在于，在一定范圍內(nèi)，隨著排氣背壓的增大，EGR率也增大，部分高溫廢氣進(jìn)入氣缸參與燃燒，使缸內(nèi)的溫度升高。此時(shí)，溫度升高對(duì)燃燒帶來的益處超過了氧含量降低帶來的惡化，使缸內(nèi)的油氣混合更加的均勻，燃燒也更加的充分，燃油經(jīng)濟(jì)性更好，所以此時(shí)油耗率偏低。隨著排氣背壓的繼續(xù)增大（超過15kPa），有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率急劇增大，超過了無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率。究其原因，一是帶有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)隨著排氣背壓的繼續(xù)增加，相應(yīng)的EGR率也會(huì)增大，更多的廢氣返回氣缸。此時(shí)，溫度升高對(duì)燃燒帶來的益處已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氧含量降低帶來的惡化，導(dǎo)致缸內(nèi)的燃燒狀況急劇變差，油耗率明顯增加。二是隨著排氣背壓的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣受阻，更多的廢氣滯留缸內(nèi)，導(dǎo)致殘余廢氣系數(shù)增加，充氣效率降低，氧含量降低。另外，此時(shí)增壓器的動(dòng)力也會(huì)減小，這樣會(huì)使進(jìn)氣量減少。氧氣量的不足反過來又加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的惡化，最后油耗率大大增加。

所以在排氣背壓比較低的時(shí)候?qū)oEGR發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率影響較小，而在背壓升高比較明顯的時(shí)候，對(duì)有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率影響急劇增大。

2.2 排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的影響

由圖3知，進(jìn)氣流量都隨著排氣背壓的增大而減少，但是有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)減小的幅度比無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)要大很多，當(dāng)無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓從4.48kPa增加到29.99kPa，進(jìn)氣流量從629.88kg/h減少到551.01kg/h，減少率為12.52%，排氣背壓每增加1kPa，進(jìn)氣流量減少3.09kg/h；而有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓從2.38kPa增加到17.85kPa，進(jìn)氣流量從454.97kg/h減少到302.14kg/h，減少率為33.59%，排氣背壓每增加1kPa，進(jìn)氣流量減少9.88kg/h。

圖3 排氣背壓對(duì)進(jìn)氣流量的影響

上述現(xiàn)象的原因主要是由于排氣背壓對(duì)渦前壓力和進(jìn)氣壓力產(chǎn)生的影響，進(jìn)而影響到了進(jìn)氣流量。

由圖4可知：對(duì)于無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著背壓的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣受阻，渦輪旋轉(zhuǎn)的阻力變大，渦前的壓力也會(huì)增加。當(dāng)排氣背壓從4.48kPa增加到29.99kPa時(shí)，無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)渦前壓力從50.05kPa增加到了62.96kPa，增長(zhǎng)率為24.67%，排氣背壓每增加1kPa，渦前壓力增加0.49kPa；背壓增加的幅度明顯大于渦前壓力增加的幅度，所以兩者的差值減少，渦輪做功降低，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)氣流量減少。

圖4 排氣背壓對(duì)渦前壓力的影響

而對(duì)于有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)排氣背壓從2.38kPa增加到17.85kPa，渦前壓力反而從45.93kPa減少到了39.29kPa，減少率為14.45%，排氣背壓每增加1kPa，渦前壓力減少0.43kPa。通過分析，可能是因?yàn)椋拖袂懊嫣岬降?，隨著背壓的增大，EGR率增大，殘余廢氣系數(shù)增大，缸內(nèi)廢氣增多，進(jìn)氣流量減少，充量系數(shù)急劇減小。而此時(shí)，油耗量反而又增大，油氣混合極度不均勻，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的高溫高壓氣體的溫度、壓力峰值降低。所以隨著排氣背壓的增加，渦前壓力反而減小。又由于增壓器的動(dòng)力減小，阻力增大，所以兩者的差值減小更多，進(jìn)而使渦輪前后的壓差減少，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量減少。

圖5是排氣背壓對(duì)進(jìn)氣壓力的影響，由上面對(duì)渦前壓力的分析可知，隨著排氣背壓的增加，增壓器的做功能力有所下降，所以導(dǎo)致了進(jìn)氣壓力降低。所以較低壓力的氣體，單位體積所含有的新鮮空氣量較少，所以發(fā)動(dòng)機(jī)總的進(jìn)氣的量減少了，最終才導(dǎo)致了上面提到的進(jìn)氣流量的降低。

圖5 排氣背壓對(duì)進(jìn)氣壓力的影響

2.3 排氣背壓對(duì)排氣溫度的影響

圖6 排氣背壓對(duì)排氣溫度的影響

由圖6可知，無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓從4.48kPa增加到29.99kPa，排氣溫度從288℃升高到了354℃，升高率為23.00%，排氣背壓每增加1kPa，排氣溫度增加2.60℃；而有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓從2.38kPa增加到17.85kPa，排氣溫度從274.69℃升高到了392℃，升高率為42.66%，排氣背壓每增加1kPa，排氣溫度增加7.57℃。溫度升高幅度明顯比無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)高的多。

通過對(duì)排氣溫度的對(duì)比試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，帶有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度增加明顯比無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)大很多，主要原因在于進(jìn)氣流量，由圖3可知,由于有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓增大時(shí)，進(jìn)氣流量減少的幅度比較大，又由圖2可知在有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗量和無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗量相差不大的情況下，根據(jù)公式（1）可知，在產(chǎn)生的總熱量接近，進(jìn)氣流量更小的情況之下，單位體積氣體吸收的熱量將會(huì)更多，所以排氣溫度升高的也會(huì)更加的明顯。

其中，Q氣體吸收的總熱量，C空氣的比熱容，M空氣的質(zhì)量，最終溫度T2，初始溫度T1。通過對(duì)排氣溫度的對(duì)比試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，排氣背壓對(duì)有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)對(duì)無EGR和有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下排氣背壓的研究，揭示了排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，進(jìn)氣流量和排氣溫度等的影響規(guī)律。

（1）無EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣背壓每增加1kPa，油耗率增加0.49g/kWh；有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣背壓每增加1kPa，油耗增加1.43g/kWh。

（2）無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣背壓每增加1kPa，進(jìn)氣流量減少3.09kg/h；而有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣背壓每增加1kPa，進(jìn)氣流量減少9.88kg/h。

（3）無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣背壓每增加1kPa，排氣溫度增加2.60℃；而有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣背壓每增加1kPa，排氣溫度增加7.57℃。溫度升高幅度明顯比無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)高的多。排氣背壓對(duì)有EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無EGR發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)研究對(duì)DPF的主動(dòng)再生以及發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣熱管理有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 帥石金,唐韜,趙彥光,等.柴油車排放法規(guī)及后處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2012, 3(3): 200-217.

[2] Johnson T V. Diesel Emission Control in Review[C]. SAE technical paper 2006-01-0030, 2006.

[3] 梁辰,崔毅,鄧康耀等.排氣背壓對(duì)增壓柴油機(jī)功率的影響分析及其改進(jìn)方法[J].柴油機(jī),2013,35(3):16-20+24.

[4] 郭仲海.柴油機(jī)性能對(duì)排氣背壓的敏感性研究[J].內(nèi)燃機(jī),2010.（4）:47-49.

Effect of exhaust back pressure on fuel consumption of the heavy diesel enginewith EGR and without EGR

Qi Jinzhu1, Wang Guoyang2, Tang Zhitao1, Yu Tao1

( 1.School of Electromechanical and Automotive Engineering, Yantai University, Shandong Yantai 264005; 2.School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Shandong Ji’nan 250000 )

In order to obtain the exhaust back pressure to the influence of engine performance of fuel consumption and exhaust temperature etc with EGR and without EGR heavy-duty diesel engine. On engine test bench, selected the 1540 r/min and 320 N/m steady-state conditions respectively for the engine with EGR and without EGR related exhaust back pressure experiment. The experimental results showed: For each additional 1kPa of exhaust back pressure, the engine without EGR the fuel consumption increases by 0.49g/kWh; the engine with EGR the fuel consumption increases by 1.43g/kWh.The research content provides theoretical guidance for the design and layout of engine exhaust system with EGR and without EGR.

heavy-duty diesel engines; EGR; exhaust back pressure; fuel consumption rate

A

1671-7988(2019)03-125-03

TK421+.5

A

1671-7988(2019)03-125-03

TK421+.5

祁金柱（1989-），男(漢)，就讀于煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向：柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.040