某車用柴油機EGR系統(tǒng)應(yīng)用試驗研究

殷海紅，解永輝，李海慶，周海磊，肖有強

1.濰坊職業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 濰坊 261001；2.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

近年來，空氣污染越來越受到重視，NOx是空氣污染的重要指標。降低柴油機NOx排放，除增加選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)后處理外，最有效的途徑是利用NOx生成的燃燒機理來降低NOx排放。NOx是缸內(nèi)高溫富氧環(huán)境下燃油燃燒的產(chǎn)物，廢氣再循環(huán)(exhaust gas rericalation,EGR)系統(tǒng)能夠?qū)⒁徊糠謴U氣引入進氣管，與新鮮空氣混合后再進入氣缸，降低了混合氣體中的氧氣含量，從而降低NOx生成，EGR系統(tǒng)是降低柴油機NOx排放的主要部件[1]。

國內(nèi)外學(xué)者對EGR技術(shù)的原理和應(yīng)用[2-6]及EGR系統(tǒng)對柴油機性能的影響和應(yīng)用[7-10]進行了深入研究。劉辰朋等[11]研究表明：船用低速柴油機在額定工況下，隨著EGR率增大，NOx排放逐漸降低，煙度排放逐漸升高；EGR率約為20%時是NOx排放降低速率的轉(zhuǎn)折點，EGR率小于20%時，NOx減排效率更高；燃燒室內(nèi)高溫區(qū)域存續(xù)時間及峰值隨EGR率的增加而降低。付哲等[12]研究表明：隨著EGR率增加，滯燃期增大，點火燃燒時的缸內(nèi)當量比降低，燃油分布更加均勻；采用EGR后缸內(nèi)平均溫度顯著降低，缸內(nèi)高溫區(qū)域和溫度分布差異明顯減小，能夠有效抑制NOx的生成。樓狄明等[13]研究表明：相同轉(zhuǎn)速下隨著負荷增大，EGR閥門開度先增大后減小；中等負荷下可變截面渦輪增壓器閥門開度較小；隨著轉(zhuǎn)速的升高，閥門開度逐漸增大，NOx及CO排放整體較低；大負荷和高轉(zhuǎn)速工況下，NOx排放顯著提升；低速大負荷工況下，CO排放明顯升高，中等負荷下排氣煙度極低，但低速大負荷工況下煙度迅速升高。劉寧等[14]針對可變噴嘴渦輪增壓器(variable nozzle turbocharger，VNT)和EGR技術(shù)在國六柴油機上的應(yīng)用研究了VNT與EGR耦合對柴油機經(jīng)濟性和排放特性的影響規(guī)律。秦智超[15]通過對中高轉(zhuǎn)速(4500 r/min)的氫燃料發(fā)動機進行計算流體動力學(xué)模擬，研究了不同 EGR 率對燃燒性能及排放性能的影響。Jain等[16]研究了低溫燃燒時燃油噴射和EGR對NOx和顆粒物(particulate matter,PM)排放的影響。

本文中針對某2級增壓車用柴油機EGR應(yīng)用開展試驗研究，研究不同EGR率對發(fā)動機經(jīng)濟性和排放性的影響，以及利用EGR旁通提升發(fā)動機性能，為EGR系統(tǒng)應(yīng)用提供參考。

1 試驗儀器和設(shè)備

試驗用柴油機如圖1所示。該柴油機采用2級增壓系統(tǒng)，將2個不同大小的廢氣渦輪增壓器串聯(lián)，對空氣進行2級壓縮，通過高壓級的放氣閥進行調(diào)節(jié)，滿足柴油機各工況下對進氣量的要求，同時為柴油機提供足夠的渦前壓力，確保能夠為柴油機提供高EGR率。該EGR系統(tǒng)為高壓EGR系統(tǒng)，廢氣經(jīng)過EGR閥，再通過EGR冷卻器冷卻后引入進氣管。

圖1 試驗用柴油機

柴油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，柴油機控制和測試儀器如表2所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

表2 柴油機控制和測試儀器表

2 試驗方法

2.1 試驗工況

由于柴油機在實際道路運行中主要運行在高速中高負荷工況，因此選取轉(zhuǎn)速為1800 r/min、 75%額定負荷(扭矩為700 N·m)作為特征工況點。

2.2 試驗方法

固定選定的工況點，調(diào)整EGR開度得到不同的EGR率，EGR率為13%～29%，然后調(diào)整電控放氣閥開度、提前角、軌壓等參數(shù)進行試驗設(shè)計(design of experiments，DoE)。采集DoE數(shù)據(jù)后，采用外包絡(luò)線擬合方法進行數(shù)據(jù)處理，分析隨著EGR率的增大，柴油機的性能變化。發(fā)動機的性能主要為經(jīng)濟性、排放性和加速性，由于試驗用柴油機加速時采用EGR閥關(guān)閉的控制策略，因此EGR的應(yīng)用對加速性影響不大，所以主要研究高EGR率對發(fā)動機經(jīng)濟性和排放性的影響。

3 試驗分析

3.1 EGR率綜合影響分析

EGR率對NOx排放和燃油消耗率的權(quán)衡(trade-off)影響如圖2所示，EGR率對NOx排放和483煙度的trade-off影響如圖3所示，其中氣泡大小代表EGR率大小。由圖2、3可知：隨著EGR率的增加，NOx排放明顯降低，483煙度逐漸升高，同時燃油消耗率進一步降低；EGR率小于20%時，483煙度增加緩慢，燃油消耗率降低明顯；但當EGR率大于20%時，483煙度迅速增加，燃油消耗率降低的幅度減小。這是因為EGR率較小時，缸內(nèi)氧氣濃度有少量減少，此時發(fā)動機的過量空氣系數(shù)相對較大(在1.70以上)，減少氧氣濃度不會對燃油燃燒造成明顯影響，但是隨著繼續(xù)氧氣濃度減小，過量空氣系數(shù)明顯降低，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒快速惡化，483煙度排放迅速增加。EGR率小于15%時，即使降低噴油提前角，NOx排放也不能降低到5 g/(kW·h)；高EGR率能夠得到更低的NOx排放，同時還可以降低燃油消耗率，所以高EGR系統(tǒng)是超低排放的發(fā)動機首選。

圖2 EGR率對NOx排放和燃油消耗率trade-off影響曲線 圖3 EGR率對NOx排放和483煙度的trade-off影響曲線

3.2 高EGR率對經(jīng)濟性能的影響

EGR率對新鮮進氣量和過量空氣系數(shù)的影響趨勢如圖4、5所示。由圖4、5可知，新鮮進氣量和過量空氣系數(shù)均隨 EGR 率的升高而線性降低。因為隨著EGR率升高，進入缸內(nèi)的廢氣量增加，進入增壓器做功的廢氣量減少，最終導(dǎo)致進入缸內(nèi)的新鮮進氣量減少。

圖4 EGR率對新鮮進氣量的影響曲線 圖5 EGR率對過量空氣系數(shù)的影響曲線

EGR率對爆發(fā)壓力的影響趨勢如圖6所示。由圖6可知，爆發(fā)壓力隨EGR率的升高而降低，這是由于隨著EGR率的升高，新鮮進氣量減少，氧氣濃度減少，燃燒平緩。

排氣溫度和燃油消耗率隨EGR率變化趨勢如圖7、8所示。由圖7、8可知：排氣溫度隨著EGR率升高而提高，這是因為EGR率升高，燃燒持續(xù)期延長，同時新鮮進氣量減少，較高溫度的廢氣增多，進入氣缸的混合氣溫度升高；燃油消耗率隨著EGR率的升高而降低，這主要因為該發(fā)動機為2級增壓，渦端壓力很高，EGR率升高可以降低渦端壓力，減小泵氣損失，提高增壓器效率，同時由于進氣量充足，氧氣濃度很高；而EGR率升高可以適當降低氧氣濃度，更有利于燃燒。

燃燒噪聲隨著EGR率變化如圖9所示。由圖9可知，燃燒噪聲隨EGR率的升高而降低，這是因為新鮮進氣量減小后，氧氣濃度減小，燃燒滯燃期增大，有利于燃油和氣體混合，燃燒較平緩，可以有效降低缸內(nèi)壓力，噪聲隨之降低。

總體來說，隨著EGR率的升高，新鮮進氣量成線性減小，過量空氣系數(shù)成線性減小，爆發(fā)壓力減小，排氣溫度升高，燃油消耗率減小，燃燒噪聲減小。EGR率為13%～16%，各參數(shù)變化明顯；EGR率為16%～23%，各參數(shù)變化平緩；EGR率為23%～29%，除排氣溫度和噪聲變緩?fù)?，其它參?shù)變化趨勢又增加。由EGR率增大帶來的爆發(fā)壓力減小可以提升發(fā)動機的耐久性能，而排氣溫度增加可以提高后處理轉(zhuǎn)化效率，燃燒噪聲的降低可以降低發(fā)動機的整體噪聲，提升舒適感。所以從經(jīng)濟性各方面來看，EGR率的升高，能夠帶來更優(yōu)的性能。

圖6 EGR率對過量爆發(fā)壓力的影響曲線 圖7 EGR率對排氣溫度的影響曲線

圖8 EGR率對燃油消耗率的影響曲線 圖9 EGR率對燃燒噪聲的影響曲線

3.3 高EGR率對排放性能的影響

NOx比排放和483煙度隨EGR率的變化趨勢如圖10、11所示。由圖10、11可知：隨著 EGR 率升高，NOx降低而煙度升高；EGR率大于23%后，隨著EGR率升高，缸內(nèi)廢氣量增加，氧氣濃度減少，不完全燃燒的碳增加，煙度排放明顯增加。隨著EGR率的升高，缸內(nèi)氧濃度減少，打破了高溫富氧的環(huán)境，NOx生成量減少。

圖10 EGR率對NOx比排放的影響曲線 圖11 EGR率對483煙度的影響曲線

排放物中HC和CO體積分數(shù)隨EGR率的變化趨勢如圖12、13所示。由圖12、13可知：EGR率對HC排放的影響較小，最大體積分數(shù)變化不超過3×10-6，但隨著EGR率的升高，HC排放有降低的趨勢；CO排放隨EGR率的升高而增大。這主要因為隨著EGR率升高，燃燒持續(xù)期延長，過量空氣系數(shù)下降，導(dǎo)致CO排放體積分數(shù)增加。

圖12 EGR率對HC排放的影響曲線 圖13 EGR率對CO排放的影響曲線

總體來說，EGR率在23%以內(nèi)，NOx、HC、CO和煙度排放可以達到比較好的平衡；EGR率為23%～29%，NOx和HC排放可以進一步降低，但CO和煙度排放呈指數(shù)升高。

綜上所述，采用EGR系統(tǒng)對NOx排放有很好的抑制作用，可以有效的降低NOx排放，EGR率過大會引起碳煙和CO排放的急驟增加，所以在應(yīng)用EGR系統(tǒng)時，需平衡NOx排放和煙度、CO排放的需求。

3.4 進氣旁通對發(fā)動機性能的影響

柴油機低速時的扭矩可以表征發(fā)動機扭矩儲備能力。增加低速扭矩可以有效提升整車爬坡能力，但低速時，進氣量制約扭矩的提升，如何提升柴油機低轉(zhuǎn)速下的進氣量是提升扭矩的重點。

中冷后進氣壓力比渦前排氣壓力高時， 產(chǎn)生的壓差可以使廢氣流向進氣管， 當中冷后進氣壓力比渦前排氣壓力低時，產(chǎn)生的壓差使中冷后氣體流向渦端。外特性工況下中冷后進氣壓力和渦前排氣壓力的對比如圖14所示。由圖14可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1000 r/min以下時，中冷后壓力比渦前排氣壓力高，在這些工況EGR閥開啟后進氣會旁通到增壓器的渦端，此時EGR閥可作為旁通閥。

圖14 中冷后進氣壓力和渦前排氣壓力對比曲線(外特性工況)

表3 進氣旁通前后性能對比表

圖15 外特性對比曲線

本次試驗對發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為700 r/min時的低速工況點進行進氣旁通。進氣旁通前后性能對比表如表3所示。由表3可知，進氣旁通后扭矩可以從552 N·m提升到590 N·m，提高了6.8%，增壓器效率增加了2.7%。這主要因為進氣旁通后廢氣量增加，推動渦輪的能量提高，從而提高增壓器效率，提高發(fā)動機的缸內(nèi)進氣量。這種方法可以解決低速提扭矩進氣量不足的問題，提升低速下的扭矩。用同樣的方法應(yīng)用到柴油機轉(zhuǎn)速為800～1000 r/min時，扭矩提升效果如圖15所示。由圖15可知，旁通后，1000 r/min以下的扭矩比旁通前提升6%～8%。因此進氣旁通可以作為提升低速扭矩的方法。

4 結(jié)論

在2級增壓車用柴油機上，研究高EGR率對發(fā)動機各項性能的影響，得到以下結(jié)論。

1)EGR率小于15%時，即使調(diào)整燃燒參數(shù)也無法達到5 g/(kW·h)的NOx排放量，高EGR率能夠得到更低的NOx排放，同時能夠降低燃油消耗率，故超低排放的發(fā)動機，高EGR系統(tǒng)是應(yīng)用的首選。

2)隨著EGR率的升高，燃油消耗率、燃燒噪聲降低，發(fā)動機經(jīng)濟性和舒適性提升；排氣溫度升高，有助于提高SCR后處理效率；缸內(nèi)壓力減少可提升發(fā)動機可靠性。

3)隨著EGR率升高，NOx排放明顯降低，但會引起CO和煙度排放升高；EGR率低于23%時CO排放和煙度升高緩慢，高于23%時升高趨勢明顯。如何更好的應(yīng)用EGR系統(tǒng)，需要平衡NOx排放和煙度、CO排放的需求。

4)當中冷后進氣壓力高于渦前排氣壓力時，EGR閥可作為旁通閥，將進氣旁通到增壓器渦端。進氣旁通后能夠提高增壓器的效率，從而提高發(fā)動機缸內(nèi)進氣量，進而提高低速時的過量空氣系數(shù)，最終提高低速扭矩，因此，進氣旁通可以作為提升低速扭矩的方法。