不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)輕型柴油機(jī)燃燒與排放的影響*

王 俊，申立中，畢玉華，雷基林

（1. 西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，昆明 650224；2. 昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

前言

大眾“排放門”事件的發(fā)生，使得人們更加關(guān)注汽車實(shí)際道路排放問(wèn)題。大量的研究已經(jīng)表明，實(shí)際道路排放是實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證循環(huán)測(cè)試的數(shù)倍，特別是氮氧化物（NO）排放，有的車型甚至高達(dá)22 倍。為了減少實(shí)際行駛的污染物排放，不同國(guó)家和地區(qū)均增加了實(shí)際行駛排放試驗(yàn)。我國(guó)輕型車第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)里面還規(guī)定了運(yùn)行在擴(kuò)展海拔條件下，實(shí)際行駛條件的污染物排放必須達(dá)到相應(yīng)的限值。在高原地區(qū)，進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮充量降低，導(dǎo)致運(yùn)行在這些區(qū)域的柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒和排放等均有不同程度的惡化。在全世界范圍內(nèi)，高原地區(qū)分布廣泛。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，運(yùn)行在這些地區(qū)以柴油機(jī)為動(dòng)力的汽車數(shù)量還將進(jìn)一步攀升。

NO和碳煙是柴油機(jī)排放控制的重點(diǎn)。已有的研究表明，在高原地區(qū)，排氣再循環(huán)（EGR）仍舊是降低NO排放的有效技術(shù)措施之一。張韋等研究了海拔2 000 m 的高原環(huán)境下EGR 中各組分對(duì)柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果顯示，高原地區(qū)EGR 的適用范圍變窄，EGR 對(duì)碳煙排放更為敏感。鄭偉等的研究表明，在大氣壓力為80 kPa時(shí)，即使在小負(fù)荷工況，EGR 對(duì)煙度的排放影響也很大。劉偉等的仿真表明，高原地區(qū)，3 000 r/min不同負(fù)荷下EGR 對(duì)中小負(fù)荷的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響較小，NO排放隨EGR 率的增大迅速減少，而高EGR 率時(shí)碳煙排放急劇升高。畢玉華等的研究表明，高原環(huán)境下使用EGR 降低了柴油機(jī)燃用含氧燃料時(shí)的NO排放，但惡化了動(dòng)力性、增加了一氧化碳（CO）和碳煙排放。雖然高原地區(qū)使用EGR 會(huì)對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生諸多不利影響，但其仍然能夠有效降低NO排放，加之國(guó)六排放法規(guī)的實(shí)施，迫使人們重新考慮使用該技術(shù)來(lái)降低NO排放。

在平原地區(qū)，大量的研究已經(jīng)表明，EGR 結(jié)合VNT 技術(shù)可以在降低NO排放的同時(shí)保持較高的空燃比，進(jìn)而不至于大幅惡化柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和碳煙排放。高原地區(qū)，大氣壓力下降，導(dǎo)致進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮充量降低，單獨(dú)采用EGR 將進(jìn)一步惡化柴油機(jī)的高原運(yùn)行性能，而配合使用可變噴嘴渦輪增壓器（VNT），可以有效緩解高原地區(qū)和使用EGR 帶來(lái)進(jìn)氣流量降低的問(wèn)題，從而改善運(yùn)行在高原地區(qū)柴油機(jī)的性能和排放。文萬(wàn)斌等的仿真表明，高原地區(qū)使用EGR 時(shí)，通過(guò)減小VNT 開(kāi)度，可以改善燃油經(jīng)濟(jì)性；隨著EGR 率的升高，NO排放降低，而碳煙排放升高。楊永忠等采用響應(yīng)曲面法分析了大氣壓力-VNT-EGR交互作用對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響，結(jié)果顯示，在不同工況下，VNT 和EGR 耦合時(shí)，NO和煙度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。畢玉華等的研究表明，隨VNT 開(kāi)度和EGR 率的增大，柴油機(jī)燃用含氧燃料的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和NO排放降低，煙度排放升高；隨著大氣壓力的升高，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和NO排放升高，而煙度排放降低。綜上，高原環(huán)境或不同海拔關(guān)于EGR 與VNT 聯(lián)合使用來(lái)改善柴油機(jī)的燃燒和排放的報(bào)道較少。為此，通過(guò)高原環(huán)境模擬裝置研究不同海拔下（0，1 000，1 960 m）采用VNT驅(qū)動(dòng)EGR的方式對(duì)某輕型車用柴油機(jī)燃燒和排放的影響，為高原環(huán)境下車用柴油機(jī)降低污染物排放提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

研究機(jī)型為一臺(tái)輕型車用高速直噴柴油機(jī)，該機(jī)配備霍尼韋爾公司的VNT 與高壓EGR 系統(tǒng)，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。試驗(yàn)柴油機(jī)不帶任何后處理裝置。試驗(yàn)儀器主要包括杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公司的WE31N 水力測(cè)功機(jī)、EIM0311D 測(cè)控系統(tǒng)、FCMA 油耗儀，AVL 李斯特公司的GH13P 預(yù)熱塞式缸壓傳感器、365C 角標(biāo)儀、IndiModul 622 數(shù)據(jù)采集器、microIFEM 電荷放大器、SESAM i60 FT 傅里葉紅外光譜儀、415S G002 煙度計(jì)，上海同圓發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備有限公司的LFE300進(jìn)氣流量計(jì)與KT2400發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空調(diào)，德國(guó)ETAS有限公司的ES590.1接口硬件與IncaCOM v7.1 電控標(biāo)定軟件，德國(guó)博世公司帶ETK的開(kāi)發(fā)式電子控制單元（ECU）等。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

1.2 海拔高度的模擬

由于試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔高度約為1 960 m，為研究不同海拔下基于VNT 驅(qū)動(dòng)EGR 的方式對(duì)該柴油機(jī)燃燒和排放的影響，采用高原環(huán)境模擬裝置分別模擬不同的海拔高度。當(dāng)模擬的海拔低于當(dāng)?shù)睾０螘r(shí)，利用KT2400發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空調(diào)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣端進(jìn)行加壓，排氣端通過(guò)調(diào)節(jié)背壓閥開(kāi)度分別模擬海拔0 與1 000 m 時(shí)的大氣環(huán)境。KT2400 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空調(diào)可以調(diào)節(jié)進(jìn)氣的壓力、溫度和濕度，能夠較為準(zhǔn)確地模擬相應(yīng)海拔高度下的大氣環(huán)境。圖1 為臺(tái)架的示意圖。

圖1 臺(tái)架示意圖

1.3 VNT與EGR的控制

試驗(yàn)機(jī)型配備是美國(guó)霍尼韋爾公司的GT C1446VZ可變噴嘴渦輪增壓器和德國(guó)皮爾博格公司的IAA2012-03 高壓EGR 系統(tǒng)。通過(guò)電控標(biāo)定系統(tǒng)，采用開(kāi)環(huán)控制的方式，按照給定的開(kāi)度直接修改VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的標(biāo)定脈譜（MAP）和EGR 閥開(kāi)度的標(biāo)定MAP，得到相應(yīng)的開(kāi)度值。對(duì)于VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度，0%表示全關(guān)，此時(shí)渦輪流通截面最??；100%表示全開(kāi)，此時(shí)渦輪流通截面最大。對(duì)于EGR 閥開(kāi)度，0%表示EGR閥全關(guān)，100%表示EGR閥全開(kāi)。

1.4 試驗(yàn)方法

隨著海拔的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)壓差（定義為排氣歧管壓力與進(jìn)氣歧管壓力之差）降低，驅(qū)動(dòng)EGR 的能力逐漸減弱。在前期的試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)EGR 閥開(kāi)度，獲得的EGR 率較小，甚至在個(gè)別工況，由于較大的VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度，發(fā)動(dòng)機(jī)壓差為負(fù)值，無(wú)法實(shí)現(xiàn)EGR。為了在高原地區(qū)獲得較高的EGR 率，在試驗(yàn)過(guò)程中將EGR 閥置于全開(kāi)位置，選取發(fā)動(dòng)機(jī)壓差為正值的VNT 開(kāi)度范圍，通過(guò)調(diào)節(jié)VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度，獲得盡可能大的EGR 率。在試驗(yàn)過(guò)程中，首先利用高原環(huán)境模擬裝置調(diào)節(jié)進(jìn)排氣狀態(tài)參數(shù)，待模擬海拔高度的大氣環(huán)境穩(wěn)定之后，然后通過(guò)電控標(biāo)定系統(tǒng)把各個(gè)工況點(diǎn)主要的標(biāo)定參數(shù)固定為原機(jī)控制MAP 值，即在同一工況不同海拔下，均保持其他標(biāo)定參數(shù)（如預(yù)噴正時(shí)、預(yù)噴油量、主噴正時(shí)、噴油壓力等）不變，將EGR 閥開(kāi)度置于全開(kāi)狀態(tài)（即100%），只調(diào)節(jié)VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度，待柴油機(jī)工況穩(wěn)定之后，記錄相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用SESAM i60 FT 傅里葉紅外光譜儀分別測(cè)量進(jìn)排氣管道中的二氧化碳（CO）濃度，通過(guò)計(jì)算進(jìn)氣CO濃度與排氣CO濃度的比值得到對(duì)應(yīng)的EGR率。

選取具有代表性的最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速2 200 r/min 和額定功率轉(zhuǎn)速4 000 r/min 的不同負(fù)荷（25%、50%、75%和100%）工況，在海拔分別為0、1 000和1 960 m時(shí)，試驗(yàn)研究了采用VNT 驅(qū)動(dòng)EGR 的方式對(duì)車用柴油機(jī)燃燒和排放的影響。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，同一轉(zhuǎn)速不同負(fù)荷工況的性能參數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，而在不同轉(zhuǎn)速之間性能參數(shù)的變化規(guī)律存在差異，因此重點(diǎn)選取最大轉(zhuǎn)矩工況（2 200 r/min 全負(fù)荷）和額定功率工況（4 000 r/min 全負(fù)荷）加以分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同海拔下VNT對(duì)進(jìn)排氣參數(shù)的影響

2.1.1 不同海拔下VNT對(duì)EGR率的影響

將EGR 閥開(kāi)度置為全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，不同海拔下EGR 率隨VNT噴嘴環(huán)開(kāi)度的變化如圖2所示。在海拔高度一定時(shí)，EGR 率隨著VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的增大而逐漸降低；在VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度一定時(shí)，EGR 率也隨著海拔的升高而逐漸降低。VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度增大，渦輪流通截面增大，排氣阻力減小，排氣歧管壓力也相應(yīng)降低，進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)壓差減小，驅(qū)動(dòng)EGR的能力減弱。在VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度一定時(shí)，隨著海拔的升高，進(jìn)氣流量降低，排氣流量也隨之減小，流量降低導(dǎo)致排氣阻力減小，進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)壓差降低，EGR 率減小。在0、1 000、1 960 m 海拔下，最大轉(zhuǎn)矩工況的EGR 率分別減小20.6%、21.3%、20.6%，平均減小20.8%；額定功率工況的EGR 率分別減小3.4%、3.5%、3.4%，平均減小3.4%。由此可見(jiàn)，不同海拔下，在相同的VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度范圍內(nèi)，EGR率的變化范圍也幾乎相同。分析認(rèn)為，不同海拔下VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度變化相同的范圍，其驅(qū)動(dòng)EGR 的能力一致，因此EGR 率的變化范圍也幾乎相同；在額定功率工況，由于進(jìn)氣流量和排氣流量較大且均高于最大轉(zhuǎn)矩工況，在相同的EGR 回路下，管道阻力增大，致使再循環(huán)排氣較為困難，并且VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度也相對(duì)較大，因此額定功率工況的EGR 率變化范圍較小。

圖2 不同海拔下VNT噴嘴環(huán)開(kāi)度對(duì)EGR率的影響

2.1.2 不同海拔下VNT對(duì)進(jìn)氣流量的影響

將EGR 閥開(kāi)度置為全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，不同海拔下進(jìn)氣流量隨VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的變化如圖3 所示。在VNT噴嘴環(huán)開(kāi)度一定時(shí)，隨著海拔的升高，進(jìn)氣流量逐漸降低。在海拔高度一定時(shí)，在最大轉(zhuǎn)矩工況，進(jìn)氣流量隨VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的增大而升高，在3 個(gè)海拔下平均升高15.5%；在額定功率工況，進(jìn)氣流量隨VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的增大而降低，在3 個(gè)海拔下平均降低19.2%。海拔升高，大氣壓力下降，進(jìn)入缸內(nèi)的空氣流量降低。在VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度過(guò)小和過(guò)大時(shí)，渦輪效率都較低。在最大轉(zhuǎn)矩工況，隨著VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的減小，驅(qū)動(dòng)EGR 的能力增強(qiáng)，排氣分流到EGR 系統(tǒng)的流量增多，而分流到渦輪的排氣流量減小，并且此時(shí)VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度逐漸減小，渦輪效率有所降低，其做功能力也隨之減弱，進(jìn)氣流量降低。在全負(fù)荷工況下，循環(huán)噴油量不變，此時(shí)空燃比也隨VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的減小而減小，亦即，EGR 閥全開(kāi)時(shí)，在最大轉(zhuǎn)矩工況，采用減小VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的方式驅(qū)動(dòng)EGR，空燃比隨著EGR 率的升高而減小，如圖4（a）所示，在3 個(gè)海拔下，空燃比平均減小2.9，平均降幅15.0%。在額定功率工況，隨著VNT噴嘴環(huán)開(kāi)度的減小，驅(qū)動(dòng)EGR 的能力增強(qiáng)，同時(shí)VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度逐漸過(guò)渡到中等開(kāi)度，此時(shí)渦輪效率較高，加之較小的渦輪面積，此時(shí)渦輪做功能力較強(qiáng)，進(jìn)氣流量增大，空燃比也隨之升高，亦即，在EGR閥全開(kāi)時(shí)，在額定功率工況，采用減小VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的方式驅(qū)動(dòng)EGR，空燃比隨著EGR 率的升高而升高，如圖4（b）所示，在3個(gè)海拔下，該工況的空燃比平均升高3.9，平均增幅23.5%。由此可見(jiàn)，采用EGR 與VNT 結(jié)合的方式，通過(guò)合理調(diào)節(jié)VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度，可以在該工況下同時(shí)提高空燃比和EGR率。

圖3 不同海拔下VNT噴嘴環(huán)開(kāi)度對(duì)進(jìn)氣流量的影響

圖4 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)空燃比的影響

2.1.3 不同海拔下VNT驅(qū)動(dòng)EGR對(duì)渦后排溫的影響

為滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，需同時(shí)采用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和后處理裝置。排氣溫度是影響后處理效率的關(guān)鍵因素。圖5 為不同海拔下基于VNT 驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)渦后排溫的影響。在相同EGR 率下，渦后排溫隨著海拔的升高而升高。隨著EGR 率的增大，最大轉(zhuǎn)矩工況的渦后排溫呈緩慢增大趨勢(shì)，3 個(gè)海拔平均升高21.4 ℃，升幅5.3%；而額定功率工況的渦后排溫降低且降幅較大，3 個(gè)海拔平均降低111.8 ℃，降幅17.0%。隨著海拔的升高，進(jìn)氣流量降低，在相同EGR 率下，缸內(nèi)含氧量下降，燃燒滯后，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，使得排氣溫度升高。在最大轉(zhuǎn)矩工況，空燃比隨著EGR 率的升高而降低，與海拔升高類似，進(jìn)氣流量的降低致使排氣溫度升高，由于該工況的空燃比降幅相對(duì)較小，含氧量降低對(duì)排氣溫度的影響不顯著，因此渦后排溫的增幅較小。在額定功率工況，空燃比隨著EGR 率增大而增大，由于在該工況EGR 率的變化范圍較小，而空燃比的增幅較大，含氧量的大幅增加改善了燃燒狀況，進(jìn)而使得排氣溫度降幅較大。

圖5 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)渦后排溫的影響

2.2 不同海拔下VNT驅(qū)動(dòng)EGR對(duì)燃燒的影響

2.2.1 對(duì)最高缸內(nèi)壓力的影響

不同海拔下基于VNT 驅(qū)動(dòng)的EGR 對(duì)最高缸內(nèi)壓力的影響如圖6 所示。在相同EGR 率下，最高缸內(nèi)壓力隨著海拔的升高而降低。在最大轉(zhuǎn)矩工況，最高缸內(nèi)壓力隨著EGR 率的升高而降低，在3 個(gè)海拔下平均降低3.9%；在額定功率工況，最高缸內(nèi)壓力隨著EGR 率的升高而升高，在3 個(gè)海拔下平均升高17.3%。海拔升高，進(jìn)氣流量降低，燃燒惡化，進(jìn)而使得最高缸內(nèi)壓力下降。在最大轉(zhuǎn)矩工況，隨著EGR 率的增大，VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度減小使得進(jìn)氣流量降低（如圖3（a）所示），此時(shí)缸內(nèi)氧含量降低，燃燒滯后，因而最高缸內(nèi)壓力逐漸降低；在額定功率工況，隨著EGR 率的增大，VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度減小使得進(jìn)氣流量升高（如圖3（b）所示），此時(shí)缸內(nèi)氧含量增多，燃燒提前，最高缸內(nèi)壓力升高。

圖6 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)最高缸內(nèi)壓力的影響

2.2.2 對(duì)最高平均溫度的影響

圖7 為不同海拔下基于VNT 驅(qū)動(dòng)的EGR 對(duì)最高平均溫度的影響。最高平均溫度隨著海拔的升高而升高，隨著EGR 率的增大而降低。在3個(gè)海拔下，最高平均溫度在最大轉(zhuǎn)矩工況平均降低6.7%，在額定功率工況平均降低13.0%。海拔升高使得進(jìn)氣流量降低，滯燃期延長(zhǎng)，在該期間內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量增多，預(yù)混燃燒階段的放熱量增大，最高平均溫度升高。隨著EGR 率的升高，缸內(nèi)再循環(huán)的排氣增多，排氣中的二氧化碳、水等三原子氣體增大了燃燒工質(zhì)的比熱容，降低了最高平均溫度。

圖7 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)最高平均溫度的影響

2.2.3 對(duì)燃燒始點(diǎn)的影響

不同海拔下基于VNT 驅(qū)動(dòng)的EGR 對(duì)燃燒始點(diǎn)的影響如圖8 所示。隨著海拔的升高，燃燒始點(diǎn)推后。在最大轉(zhuǎn)矩工況，燃燒始點(diǎn)隨著EGR 率的增大而推后，在3 個(gè)海拔下平均推后6.2%；在額定功率工況，燃燒始點(diǎn)隨著EGR 率的增大而提前，在3個(gè)海拔下平均提前16.2%。在相同的EGR 率下，海拔升高，進(jìn)氣流量增大，滯燃期縮短，使得燃燒始點(diǎn)提前。在最大轉(zhuǎn)矩工況，隨著EGR 率的增大，空燃比減小，缸內(nèi)氧含量的減小使得滯燃期延長(zhǎng)，燃燒始點(diǎn)推后；在額定功率工況，隨著EGR 率的增大，空燃比也相應(yīng)升高，缸內(nèi)氧含量的增多，使得滯燃期縮短，燃燒始點(diǎn)提前。

圖8 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)燃燒始點(diǎn)的影響

2.2.4 對(duì)燃燒持續(xù)期的影響

圖9 為不同海拔下基于VNT 驅(qū)動(dòng)的EGR 對(duì)燃燒持續(xù)期的影響。隨著海拔的升高，燃燒持續(xù)期增長(zhǎng)。在最大轉(zhuǎn)矩工況，燃燒持續(xù)期隨著EGR 率的增大而增大，在3 個(gè)海拔下平均增大6.4%；在額定功率工況，燃燒持續(xù)期隨著EGR 率的增大而縮短，在3個(gè)海拔下平均縮短1.9%。進(jìn)氣流量隨著海拔的升高而降低，進(jìn)氣流量降低導(dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)壓力減小，加之氧含量的減少，兩者均使得燃燒速率減緩，燃燒持續(xù)期增長(zhǎng)。在最大轉(zhuǎn)矩工況，空燃比隨著EGR 率的增大而減小，缸內(nèi)氧含量的降低使得燃燒速率減緩，燃燒持續(xù)期增長(zhǎng)；在額定功率工況，空燃比隨著EGR率的增大而增大，缸內(nèi)氧含量的增多使得燃燒速率加快，燃燒持續(xù)期縮短。

圖9 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)燃燒持續(xù)期的影響

2.3 不同海拔下VNT驅(qū)動(dòng)EGR對(duì)排放的影響

2.3.1 對(duì)NO比排放的影響

不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)NO比排放的影響如圖10 所示。隨著海拔的升高，NO比排放逐漸降低；隨著EGR 率的增大，不同海拔下的NO比排放也隨之減少。在0、1 000、1 960 m 海拔下，最大轉(zhuǎn)矩工況的NO比排放分別降低62.3%、68.0%、73.8%，3 個(gè)海拔平均降低68.0%；額定功率工況的NO比排放降低14.1%、22.9%、28.9%，3 個(gè)海拔平均降低22.0%。這說(shuō)明不同海拔下，EGR 仍然能夠有效降低NO排放，且NO比排放的降幅隨著海拔升高而增大。隨著海拔的升高，進(jìn)氣流量降低，一方面，缸內(nèi)氧含量減少，抑制了NO的生成；另一方面，隨著海拔的升高，最高燃燒溫度升高，又促進(jìn)了NO的生成，在全負(fù)荷工況，缸內(nèi)燃燒溫度均相對(duì)較高，此時(shí)富氧環(huán)境成為NO生成的主要條件，因而在相同的EGR 率下NO排放隨海拔的升高而降低。在最大轉(zhuǎn)矩工況，最高燃燒溫度和空燃比均隨著EGR 率的升高而降低，高溫、富氧的條件進(jìn)一步減弱，二者均抑制了NO的生成，因此NO排放降幅較大；在額定功率工況，隨著EGR 率的升高，最高燃燒溫度降低，而空燃比升高，因而NO排放降幅較小。

圖10 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)NOx比排放的影響

2.3.2 對(duì)CO比排放的影響

圖11為不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR 對(duì)CO比排放的影響。隨著海拔的升高，CO 比排放逐漸升高；隨著EGR 率的升高，CO 比排放在最大轉(zhuǎn)矩工況逐漸升高，在額定功率工況逐漸降低。在幾乎相同的EGR 變化范圍內(nèi)（由圖2 的分析可知），在0、1 000、1 960 m 海拔下，CO 比排放在最大轉(zhuǎn)矩工況分別升高0.14、0.40、0.71 g/（kW·h），3 個(gè)海拔平均升高156.8%；在額定功率工況分別降低2.71、3.53、3.95 g/（kW·h），3個(gè)海拔平均降低73.0%。由此可見(jiàn)，高原地區(qū)CO 比排放對(duì)EGR 的變化更為敏感。在相同EGR 率下，海拔的升高使得進(jìn)氣流量減少，缸內(nèi)的混合氣質(zhì)量進(jìn)一步下降，燃燒不完全的機(jī)率進(jìn)一步增大，同時(shí)氧含量的減少，不利于CO 的氧化，雖然此時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度隨海拔的升高而升高，又有利于CO 的氧化，但在全負(fù)荷工況下，局部缺氧對(duì)CO 生成的影響更大，因而CO 排放升高。在最大轉(zhuǎn)矩工況，隨著EGR 率的升高，空燃比和缸內(nèi)燃燒溫度均逐漸降低，兩者均使得CO 排放增多；在額定功率工況，隨著EGR 的升高，缸內(nèi)燃燒溫度降低，抑制了CO 的氧化，加之空燃比也隨之升高，此時(shí)EGR 的引入并不會(huì)惡化燃燒，氧含量的增加改善了燃燒過(guò)程，因而CO生成較少。

圖11 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)CO比排放的影響

2.3.3 對(duì)煙度的影響

不同海拔下基于VNT 驅(qū)動(dòng)的EGR 對(duì)煙度的影響如圖12 所示。隨著海拔的升高，煙度逐漸升高；與CO 比排放類似，隨著EGR 率的升高，煙度在最大轉(zhuǎn)矩工況逐漸升高，在額定功率工況逐漸降低。在0、1 000、1 960 m 海拔下，煙度在最大轉(zhuǎn)矩工況分別升 高0.22、0.34、0.79 FSN，3 個(gè) 海 拔 平 均 升 高734.5%；在額定功率工況分別降低1.07、1.82、2.35 FSN，3 個(gè)海拔平均降低30.4%。由此可見(jiàn)，高原地區(qū)，EGR對(duì)煙度的影響更為顯著。此外，結(jié)合圖10（b）與圖11（b）可以看出，在額定功率工況，采用VNT 驅(qū)動(dòng)EGR 的方式，可以同時(shí)減小NO比排放、CO 比排放和煙度。隨著海拔的升高，一方面，缸內(nèi)燃燒溫度升高，在全負(fù)荷工況下，局部缺氧的區(qū)域較多，燃燒溫度升高使得燃油裂解反應(yīng)速率加快，促進(jìn)了這些區(qū)域碳煙的生成；另一方面，進(jìn)氣流量降低，缸內(nèi)氧含量的減少抑制了碳煙的后期氧化，這兩方面的原因?qū)е聼煻扰欧懦尸F(xiàn)上述變化趨勢(shì)。在最大轉(zhuǎn)矩工況，隨著EGR 率升高，空燃比的減少促進(jìn)了碳煙的生成，缸內(nèi)燃燒溫度的降低也使得碳煙的后期氧化能力減弱，二者均使得煙度排放升高；在額定功率工況，隨著EGR 率升高，空燃比的升高改善了燃燒過(guò)程，碳煙生成較少，因而煙度排放逐漸降低。

圖12 不同海拔下基于VNT驅(qū)動(dòng)的EGR對(duì)煙度的影響

3 結(jié)論

采用高原環(huán)境模擬裝置，通過(guò)試驗(yàn)研究了在0、1 000 和1 960 m 海拔時(shí)，基于VNT 驅(qū)動(dòng)EGR 的方式對(duì)某輕型車用高速直噴柴油機(jī)燃燒和排放的影響，可以得出以下結(jié)論：

（1）不同海拔下，在相同的VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度范圍內(nèi)，EGR 率的變化范圍也幾乎相同；隨著VNT 噴嘴環(huán)開(kāi)度的增大，在3 個(gè)海拔下，EGR 率在最大轉(zhuǎn)矩工況平均減小20.8%，在額定功率工況平均減小3.4%。

（2）不同海拔下，隨著EGR 率的升高，最大轉(zhuǎn)矩工況的空燃比降低，3 個(gè)海拔平均降低15.0%；而額定功率工況的空燃比升高，3 個(gè)海拔平均升高23.5%。

（3）不同海拔下，隨著EGR 率的升高，渦后排溫在最大轉(zhuǎn)矩工況逐漸升高，3 個(gè)海拔平均升高5.3%；而在額定功率工況呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，3個(gè)海拔平均降低17.0%。

（4）不同海拔下，最高平均溫度隨著EGR 率的升高而降低；在最大轉(zhuǎn)矩工況平均降低6.7%，在額定功率工況平均降低13.0%。隨著EGR 率的升高，最大轉(zhuǎn)矩工況的最高缸內(nèi)壓力降低，燃燒始點(diǎn)推后，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)；而額定功率工況的最高缸內(nèi)壓力升高，燃燒始點(diǎn)提前，燃燒持續(xù)期縮短。

（5）EGR 仍然能夠有效降低不同海拔下的NO排放；不同海拔下，NO比排放隨著EGR 率的增大而降低，且隨著海拔的升高，NO比排放降幅增大；在3個(gè)海拔下，NO比排放在最大轉(zhuǎn)矩工況平均降低68.0%，在額定功率工況平均降低22%。隨著EGR率的升高，最大轉(zhuǎn)矩工況的CO 比排放和煙度升高，平均分別升高156.8%和734.5%；而額定功率工況的CO 比排放和煙度降低，平均分別降低73.0%和30.4%，并且高原地區(qū)，EGR 對(duì)CO 比排放和煙度的影響更為顯著。