VNT和EGR耦合對柴油機性能及排放特性影響的試驗研究

劉寧，王興光，田勇，王桂敏，湯東

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇四達動力機械集團有限公司技術(shù)中心，江蘇 無錫 214100)

據(jù)統(tǒng)計，2018年我國石油對外依存度高達69.8%，并且未來還會持續(xù)增加，對我國的能源安全造成威脅[1]。汽車保有量的增加使得所消耗的石油資源激增，并且其排放產(chǎn)物會造成空氣污染[2-3]。為了應(yīng)對能源危機與環(huán)境污染問題，我國相繼制定了國六排放法規(guī)和第四階段油耗法規(guī)并實施，推動著柴油機向著節(jié)能與減排的方向發(fā)展。

與國五排放法規(guī)相比，質(zhì)量為2 000 kg的N1類柴油車國六a階段新增THC、NMHC、N2O的排放限值，NOx排放的限值加嚴(yán)了70%[4]。EGR可以大幅度降低NOx的排放，而VNT-EGR技術(shù)是柴油機滿足國六排放法規(guī)的主要技術(shù)路線之一[5-6]。VNT增壓器可以根據(jù)工況來調(diào)節(jié)噴嘴環(huán)的開度，開度變化直接影響到渦前壓力，可以保證合適的EGR驅(qū)動壓差，解決了部分工況下EGR引入困難的問題，并實現(xiàn)VNT 開度與 EGR率之間的優(yōu)化匹配，從而改善全工況范圍內(nèi)的經(jīng)濟性與排放性能[7-9]。

EGR引流和渦輪機渦輪都是由排氣能量驅(qū)動，當(dāng)VNT增壓器與EGR同時工作時，兩者會通過增壓壓力與渦前壓力影響進氣量、EGR率等參數(shù)變化，二者之間存在強烈的耦合作用，VNT與EGR耦合控制可以實現(xiàn)理想的控制效果[10]。近年來，為了滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，國內(nèi)學(xué)者對VNT與柴油機的匹配做了大量的研究。天津大學(xué)的王滸通過臺架試驗研究了VNT對柴油機性能的影響規(guī)律[11]，結(jié)果表明，VNT增壓器可以顯著改善柴油機部分工況的燃油經(jīng)濟性，提高低速扭矩。北京交通大學(xué)的林磊用GT-Power軟件建立帶有VNT的柴油機模型進行匹配研究[12]，以經(jīng)濟性和動力性為目標(biāo)制取了全工況最佳的VNT開度MAP；大連理工大學(xué)的曹爽進行VGT+EGR系統(tǒng)與柴油機匹配的試驗研究[5]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高速工況下引入EGR可以降低泵氣損失，經(jīng)濟性有所改善，VGT與EGR開度配合可以顯著降低NOx的排放。昆明理工大學(xué)的王俊用響應(yīng)曲面法分析了VNT與EGR耦合對柴油機性能的影響關(guān)系[13]，研究發(fā)現(xiàn)，在不同工況下，性能參數(shù)隨VNT和EGR開度有不同的變化趨勢。

目前有關(guān)VNT與柴油機單獨匹配的研究較多，但對VNT與EGR之間、VNT與噴油參數(shù)之間優(yōu)化匹配的研究較少。在一臺配備VNT-EGR系統(tǒng)的四缸高壓共軌柴油機上，研究了VNT與EGR耦合對柴油機的經(jīng)濟性和排放特性的影響規(guī)律，并分析了其對增壓器效率的影響規(guī)律；通過VNT開度與EGR開度的正交試驗，以NOx比排放為控制目標(biāo)、燃油經(jīng)濟性為優(yōu)化目標(biāo)進行匹配優(yōu)化，并結(jié)合VNT-EGR的協(xié)調(diào)控制策略與噴油參數(shù)，制取全工況范圍內(nèi)最佳的增壓壓力、進氣量的MAP圖，完成VNT和EGR系統(tǒng)與柴油機的匹配，為后續(xù)進行瞬態(tài)工況的優(yōu)化研究打下基礎(chǔ)，對國六柴油機增壓系統(tǒng)開發(fā)有一定的借鑒意義。

1 試驗裝置及研究方法

試驗所用柴油機的臺架示意圖和基本參數(shù)分別如圖1、表1所示。試驗邊界條件按照GB 18352—2016 《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》進行控制。試驗中所用到的主要儀器設(shè)備如表2所示。VNT增壓器噴嘴環(huán)的位置通過關(guān)閉度占空比信號控制，噴嘴環(huán)最大開度占空比為0%，最小開度輸出占空比為100%。通過EGR閥的開度來控制EGR率，定義EGR閥全關(guān)時為0%開度，全開時為100%開度。

圖1 試驗臺架示意

表1 柴油機基本參數(shù)

表2 試驗儀器設(shè)備

WLTC測試循環(huán)與NEDC測試循環(huán)相比，加速與減速工況頻繁交替，更貼近發(fā)動機的實際運行情況，對柴油機的排放控制技術(shù)要求更高[14]。本研究選取WLTC測試循環(huán)代表工況點1 600 r/min的70%負荷、2 200 r/min的70%負荷，開展VNT與EGR開度的正交試驗，先設(shè)置VNT一定的開度以保證合適的EGR驅(qū)動壓差，EGR開度由0%調(diào)整至15%，平均采集4個開度數(shù)據(jù)，然后設(shè)定VNT至下一開度，正交點大致為4×5。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 VNT和EGR開度對發(fā)動機性能的影響

2 200 r/min，70%負荷工況的進氣壓力和渦前壓力的變化關(guān)系如圖2所示。渦前壓力和增壓壓力隨著VNT關(guān)閉度的增大而增加，但在小EGR開度時上升更快，噴嘴環(huán)流通面積的改變將直接影響到渦前壓力的大小，渦輪機葉片轉(zhuǎn)速隨之改變，進一步影響到增壓壓力，由于傳動過程存在機械損失導(dǎo)致增壓壓力上升的幅度較小，EGR驅(qū)動壓差增大；當(dāng)EGR開度從0%增加到15%時，最小VNT開度的增壓壓力降低34 kPa，進一步導(dǎo)致缸內(nèi)的新鮮進氣量減少。

圖2 增壓壓力與渦前壓力

空燃比隨VNT、EGR開度的變化關(guān)系如圖3所示。在負荷一定時，空燃比的變化主要與進氣量相關(guān)，隨著VNT關(guān)閉度的增大，渦輪機葉輪轉(zhuǎn)速上升，進氣量增加的趨勢與增壓壓力相同；在EGR開度為15%時，空燃比隨VNT關(guān)閉度增加上升得比較緩慢，此時大部分廢氣會通過EGR管道進入進氣歧管中，排氣能量的減小導(dǎo)致新鮮進氣量上升緩慢。

圖3 空燃比

發(fā)動機在不同工況運行時都有最佳的EGR率，需要調(diào)整VNT與EGR的開度進行控制。EGR驅(qū)動壓差、EGR率隨VNT和EGR開度的變化關(guān)系如圖4、圖5所示。EGR與VNT開度的變化將直接影響到驅(qū)動壓差的大小，渦前壓力越大，驅(qū)動壓差隨EGR開度的變化越明顯；EGR率的大小主要與EGR閥開度和EGR驅(qū)動壓差有關(guān)，EGR閥開度一定時，EGR率隨驅(qū)動壓差的增大而增加；VNT開度不變時，雖然驅(qū)動壓差隨EGR開度的增大有所減小，但EGR率明顯增加，說明此時EGR閥開度起主要作用。

圖4 EGR驅(qū)動壓差

圖5 EGR率

VNT與EGR開度對燃油經(jīng)濟性的影響如圖6所示。相同EGR開度下燃油消耗率隨著VNT關(guān)閉度的增大呈先降低后升高的趨勢，是泵氣損失與燃燒狀況共同作用的結(jié)果，進氣量的增加使得缸內(nèi)燃燒更為充分，經(jīng)濟性有所改善，但當(dāng)減小到某一開度時，泵氣損失對油耗的惡化作用大于進氣量的改善作用，油耗開始上升，在2 200 r/min時由于排氣流量大導(dǎo)致油耗上升速度更快；在泵氣損失影響不大的條件下，油耗隨著EGR開度的增加而升高，流入缸內(nèi)的廢氣進一步降低了氧氣濃度，部分混合氣不能完全燃燒，經(jīng)濟性惡化。

圖6 燃油消耗率

增壓器與柴油機匹配的要求是讓聯(lián)合運行曲線經(jīng)過高效率區(qū)域，不能發(fā)生喘振與阻塞。VNT與EGR開度對柴油機聯(lián)合運行曲線的變化關(guān)系如圖7所示。隨著EGR開度的增大，增壓器的效率向低效率區(qū)域移動，可利用廢氣能量的降低導(dǎo)致增壓器的轉(zhuǎn)速和增壓壓比減??；EGR開度一定時，VNT關(guān)閉度的增大提高了渦輪機葉輪的轉(zhuǎn)速，廢氣能量的利用率增加使得壓氣機的進氣流量與增壓壓比升高，壓氣機效率增加；在1 600 r/min工況點EGR開度為15%時，隨著VNT關(guān)閉度的增加出現(xiàn)了新鮮進氣量下降的現(xiàn)象，更多的廢氣通過EGR管路進入缸內(nèi)，壓氣機效率隨之降低。

圖7 聯(lián)合運行曲線

2.2 VNT和EGR對排放的影響

NOx比排放隨EGR率的變化關(guān)系如圖8所示。EGR可以大幅度降低NOx的排放，廢氣的引入減緩了可燃混合氣的燃燒速度，比熱容的增加降低了缸內(nèi)的最高燃燒溫度，抑制了NOx生成。在VNT開度為65%、EGR率從0%增加到23%時，NOx比排放降低了66.2%；隨著VNT關(guān)閉度的增大，循環(huán)進氣量的增加導(dǎo)致NOx比排放的總體水平有所升高，在EGR率為5%、VNT關(guān)閉度從65%增加到70%時，NOx比排放增加了0.65 g/(kW·h)。

圖8 NOx比排放

煙度隨EGR率變化的關(guān)系如圖9所示。EGR率在0%～10%內(nèi)時，由于缸內(nèi)富氧燃燒的條件，廢氣對燃燒惡化的程度小，使得煙度對EGR率不敏感；在大EGR率時，煙度主要與進氣量相關(guān)，在70%VNT開度時，進氣量的增加使得煙度隨EGR率變化的趨勢比較緩慢。煙度的整體趨勢是隨著EGR率的升高而增加，隨著VNT關(guān)閉度的增大，空燃比升高，EGR率對燃燒過程的惡化越發(fā)不明顯，在煙度水平相同的條件下，可以實現(xiàn)更大的EGR率，NOx的排放進一步降低。

圖9 煙度

2.3 煙度、燃油消耗率與NOx比排放的trade-off關(guān)系

VNT與EGR開度會通過渦前壓力影響到柴油機的進氣量與EGR率，并且彼此又相互影響。柴油機的每一工況點都有最佳VNT、EGR開度，為了更直觀地分析經(jīng)濟性與排放特性之間的關(guān)系，對煙度與NOx比排放、油耗與NOx比排放之間的關(guān)系做了進一步研究。

圖10示出2 200 r/min和1 600 r/min工況點NOx與煙度的trade-off關(guān)系。兩個工況點的總體變化趨勢相同，煙度都在NOx比排放降低到3 g/(kW·h)附近時急劇升高，但1 600 r/min工況點的總體煙度水平較高。低速大負荷時首先要保證足夠的進氣量，進氣流速較低導(dǎo)致缸內(nèi)湍流運動較弱，柴油與空氣混合的不均勻度增大，部分混合氣不能完全燃燒，導(dǎo)致煙度較高，所以低速大負荷時EGR開度不宜過大。EGR開度相同時，減小VNT開度可以提高柴油機的空燃比，在煙度水平相同的條件下，可以實現(xiàn)更大的EGR率，進一步降低NOx排放，煙度與NOx的總體排放水平有所降低。

圖11示出2 200 r/min和1 600 r/min工況點油耗與NOx比排放的關(guān)系。在一定的VNT開度范圍內(nèi)，燃油消耗率隨著EGR開度的增大而上升，廢氣在降低NOx排放的同時惡化缸內(nèi)燃燒，熱效率和放熱率峰值降低，導(dǎo)致燃油消耗率上升；在泵氣損失影響不大的情況下，油耗與NOx比排放也是“此消彼長”的關(guān)系；隨著VNT關(guān)閉度的增大，燃油消耗率呈先降低后升高的趨勢，1 600 r/min，75%VNT關(guān)閉度時總體油耗水平開始上升，隨著轉(zhuǎn)速的升高，排氣流量增大，泵氣損失對油耗的影響逐漸升高，導(dǎo)致燃油消耗率上升的趨勢更為明顯。

圖10 煙度與NOx比排放的trade-off關(guān)系

圖11 燃油消耗率與NOx比排放的trade-off關(guān)系

2.4 優(yōu)化匹配

由于國六柴油機普遍采用DPF后處理裝置，捕集效率達90%以上，所以優(yōu)化目標(biāo)是將NOx比排放控制在3 g/(kW·h)以內(nèi)，在煙度不明顯惡化的情況下優(yōu)化燃油經(jīng)濟性。圖12示出優(yōu)化前后NOx比排放、煙度和燃油消耗率的變化。VNT與EGR開度優(yōu)化可以大幅度降低NOx排放，1 600 r/min和2 200 r/min工況點的NOx比排放分別降低38.4%和49.6%，但煙度和燃油消耗率有所上升，低速大負荷時煙度總體排放水平較高；引入EGR后燃油經(jīng)濟性會變差，但在低速大負荷時經(jīng)濟性會有所改善，1 600 r/min工況點的燃油消耗率降低了1.96 g/(kW·h)，VNT與EGR開度優(yōu)化同時增加了缸內(nèi)的新鮮進氣量和EGR率，新鮮充量對燃燒的改善效果大于廢氣的惡化作用。

圖12 優(yōu)化結(jié)果對比

噴油參數(shù)的優(yōu)化主要包括噴油壓力和主噴定時的調(diào)節(jié)。推遲噴油可以使缸內(nèi)整個燃燒過程后移，部分燃油在上止點后燃燒，缸內(nèi)最高燃燒溫度和燃燒效率降低，抑制NOx的生成，但煙度與THC會有所升高；提高軌壓可以促進燃油與空氣的均勻混合，燃燒比較迅速和充分，可以降低煙度，改善燃油經(jīng)濟性，但會導(dǎo)致NOx排放升高。兩個工況點的噴油參數(shù)優(yōu)化可以在NOx排放基本不變的情況下，改善VNT與EGR優(yōu)化后煙度與經(jīng)濟性惡化的現(xiàn)象，減輕后處理系統(tǒng)的壓力。

在VNT與EGR的閉環(huán)控制策略中，分別以增壓壓力、沖程進氣量為反饋信號進行開度控制，對相關(guān)MAP的制定精度要求較高。通過正交優(yōu)化原則對WLTC測試循環(huán)內(nèi)的121個工況點進行優(yōu)化，得到了WLTC測試工況范圍的最佳增壓壓力MAP和沖程進氣量MAP(見圖13、圖14)。當(dāng)發(fā)動機進入穩(wěn)定工況后，通過協(xié)調(diào)控制策略確定增壓壓力和進氣量的值，此時就對應(yīng)著本工況最佳的VNT與EGR開度。

圖13 增壓壓力MAP

圖14 基礎(chǔ)進氣量MAP

3 結(jié)論

a) EGR開度增加導(dǎo)致可利用的排氣能量降低，柴油機的增壓壓比和進氣量減少，壓氣機的效率向低效率區(qū)域移動，減小VNT開度可改善這一現(xiàn)象；

b) 減小VNT開度能同時增加空燃比和EGR率，在煙度水平相同的條件下，可以實現(xiàn)更低的NOx比排放，煙度與NOx的總體排放水平降低，燃油消耗率有所升高；

c) 2 200 r/min工況時VNT與EGR優(yōu)化降低了49.6%的NOx比排放，煙度和油耗分別上升0.1 FSN、1.67 g/(kW·h)，配合噴油參數(shù)可改善燃油經(jīng)濟性，實現(xiàn)在滿足NOx原排的條件下，經(jīng)濟性最優(yōu)。