使用EGR技術的柴油機國IV排放研究

摘要：本文通過對發動機增壓器匹配優化、EGR冷卻器散熱面積計算和ANSYS建模分析、帶EGR的發動機穩態和瞬態標定技術研究等，驗證了EGR結合POC和DOC可以使4.5 L樣機滿足國IV排放法規。而EGR+DOC不能使樣機滿足國IV排放法規。

關鍵詞：EGR； POC；DOC；國IV排放法規

中圖分類號：TK421.5文獻標志碼：A文章編號：1005-2550(2012)01-0023-04

Diesel Engine Research for NS4 Emissions Legislation by EGR

ZHANG Shi-bing，LI Yu-gui，ZHENG Guo-shi，YANG Hua，GAO Jun

（Dongfeng Cummins Engine CO.，Ltd.，Xiangyang 441004，China）

Abstract: This paper described turbocharger optimization，EGR cooler radiating area calculation，ANSYS model analysis，ESC ETC test of engine with EGR. By choosing one kind of POC DOC with EGR，the engine test results showed that prototype engine with EGR POC DOC meets NS4 Emissions legislation. On the other hand，the engine test results showed that prototype engine with EGR DOC does not meet NS4 Emissions legislation.

Key Words: EGR; POC；DOC；NS4 Emission Legislation

中小型柴油機實現國IV排放有兩條主要的技術路線：其一是采用EGR 降低機內NOx排放，再通過顆粒捕集（POC）或氧化催化(DOC)降低機外PM 排放；其二是利用缸內燃燒過程優化降低機內PM排放，再利用催化還原后處理技術(SCR）降低機外NOx排放。EGR 技術路線與SCR 技術路線相比，具有后處理系統相對簡單、OBD 檢測簡易等特點。而且，較小排量的柴油機的EGR技術路線比SCR技術路線有較大的價格優勢。

1 發動機參數

本研究是在一臺排量為4.5 L的國III電控高壓共軌柴油機上進行的，發動機主要參數如表1所示。

2 EGR/DOC/POC原理

2.1 EGR(廢氣再循環裝置) 技術基本原理

EGR技術的主要作用是降低柴油機燃燒室內NOx的排放量。EGR廢氣中含有大量的N2等接近惰性的氣體，可以導致混合氣著火延遲，從而降低燃燒室內最高燃燒溫度。EGR廢氣中含有水蒸汽和CO2等三原子分子，比熱容大，可降低燃燒室內最高燃燒溫度。EGR廢氣稀釋作用降低氧氣相對濃度，改善柴油機的富氧燃燒情況。

2.2 DOC（柴油機氧化催化劑裝置）技術基本原理

DOC技術的主要作用是氧化HC、CO和NO并捕捉SOF部分，同時放出一部分熱量。NO氧化生成NO2和放出熱量非常重要，熱量對于POC能夠擴大反應窗口，使更多的碳和NO2反應。其基本原理如圖1所示。

2.3 POC(顆粒氧化催化劑裝置)技術基本原理

POC技術的主要作用是攔截碳煙，燃燒碳煙中的Soot部分。POC基本原理見圖1。

3 系統開發

本次系統開發是基于一臺4.5 L國Ⅲ電控高壓共軌柴油機。在原型機上重新設計EGR系統，然后配備DOC+POC后處理系統，其結構原理如圖2所示。

3.1 增壓器開發

EGR技術的應用中，在排放區域能夠有足夠的廢氣進入進氣充量中是非常關鍵的，所以選擇合適的增壓器很重要。在原型機中，原配增壓器在排放區域中（A轉速1 455 r/min，B轉速1 846 r/min，C轉速2 237 r/min）的進排氣壓力如圖3所示。在A轉速和B轉速之間，進氣壓力高于排氣壓力，雖然在EGR閥的前端有單向閥可以使進氣充量不進入排氣系統中，但此時不能實現有效的EGR率，所以在該區域就不能降低NOx的比排放值，解決此問題的方法有兩種：一種是將原配增壓器更換為可變截面增壓器；另一種是減小增壓器的渦殼，使低轉速區域的進排氣壓差改變。由于可變截面增壓器的價格較高，所以本次開發沒有考慮這種技術，僅采用小渦殼增壓器，即將渦殼由7#更換為5#，其形成的進排氣壓力如圖4所示。由圖4可知，在排放區域進排氣壓差均為負值，即廢氣在EGR閥打開的時候，可以在排放區域進入進氣充量中，從而形成一定的EGR率，達到降低NOx排放的效果。

增壓器開發還需要關注以下幾個參數：渦前排氣溫度、低速煙度、低速扭矩、氣缸燃燒壓力、增壓器轉速等，這些參數都有一定的限值，如果在額定點或者最大扭矩點的試驗數據超出限值，則需要重新匹配增壓器。本次開發經過試驗數據的分析，更換小渦殼增壓器后，這些數據均在發動機的限值之內，不會影響發動機的性能及可靠性。

3.2 EGR冷卻器開發

在系統的結構設計中，由于是在冷端安裝EGR閥，所以必須將高溫的廢氣冷卻后與進氣充量預混和，此時EGR冷卻器的面積就需要進行優化設計。優化后的EGR冷卻器首先能將廢氣冷卻，但又不至于將廢氣溫度降得過低，因為過低的廢氣溫度很容易使廢氣中的未燃燒烴類變成油泥附著在管道中，造成污染；而廢氣溫度過高則回流的廢氣將加熱進氣充量，導致氣缸內燃燒溫度和壓力的大幅度升高，抵消了EGR降低NOx排放的作用，嚴重時還會損壞發動機機體結構。因此，有必要對高溫的EGR氣體進行冷卻［1］。

計算散熱面積首先需要確定散熱量，散熱量需要根據最大散熱量的工況確定，并假定EGR率，還需要確定廢氣需要冷卻到的溫度，根據實際情況，在此選擇ESC排放試驗的第13工況點，假定EGR率30%，需要冷卻到120 ℃，計算得到散熱量為133 335 kJ/h，約等于37 kW，經過ANSYS軟件建模分析并與生產廠家進行結構及工藝確認，最終確定EGR冷卻器散熱面積為0.35 m2。

4 試驗開發

使用EGR技術的柴油機匹配標定是基于良好的渦輪增壓器匹配和EGR系統設計基礎之上的，在適當的工況下選擇合適的EGR率，并輔以優化的噴油規律，使之在NOx比排放達標的前提下盡可能地降低氣缸內顆粒物排放，以減輕后處理系統降顆粒的工作量。同時在瞬態工況下，合理地調節EGR率，調整噴油規律，滿足發動機穩態、瞬態等法規循環要求［2］。

4.1 穩態試驗開發

柴油機的主要排放污染物是NOx和PM。而首先機內凈化的是NOx。不同的機型，可以根據其使用特點，確定穩態試驗循環（ESC）中的13個工況點NOx比排放值。為此，可以在試驗開發之前初步確定NOx目標值分布。

所謂NOx目標值分布，就是ESC試驗中13個工況點的NOx（g/kWh）數值分布。ESC試驗的最終結果要滿足排放法規要求，但具體分配到每個工況點的NOx數值可以根據需要進行設計。主要考慮三個方面的因素：

①工作循環（Duty Cycle）。在常用工況區的點NOx盡量做大，以提高柴油機的經濟性。

②各點的小時油耗。小時耗油量與功率大致成比例，功率越大，小時耗油量越高。小時耗油量高的點應盡量提高經濟性，亦取較大的NOx值。

③可靠性限值。在建NOx目標值分布的時候，需要綜合考慮柴油機的設計限值。比如在B100%和C100%附近，如果NOx值取得太小，會導致排溫和增壓器轉速上升，有可能超過限值。

綜合以上三方面的因素，可以初步確定柴油機的NOx目標值分布。圖5為4.5 L柴油機的NOx目標值分布，其綜合NOx比排放設計值為3.3 g/kWh。

使用EGR技術和電控高壓共軌燃油系統的柴油機需要標定的參數有：EGR閥升程、主噴正時、高壓油軌壓力、預噴正時、預噴油量、后噴正時、后噴油量等。確定了每個工況點的NOx比排放值后，逐點進行標定。標定時，首先打開EGR閥，0.5 mm/升程逐步打開，觀察此時的煙度值，當煙度值較大時（如超過0.1 m-1）不再打開EGR閥，此時確認該點閥的升程不能超過該值，否則煙度會超標。對13個工況點標定完畢后，再針對EGR閥的升程、主噴正時、高壓油軌壓力進行初步標定。

確定EGR閥升程后，依據NOx-煙度的Trade-Off關系，重新對主噴參數進行詳細標定，隨后可繼續針對預噴、后噴等參數進行優化。

在13個工況點標定完畢后，可將NOx目標值分布擴大，依據轉速和扭矩進行插值，得到排放區域每個整數轉速點的比排放值，這樣可以調整整個排放區域的NOx比排放值。同時滿足排放認證試驗必須進行的NOx檢查點的抽查需要。

4.2 瞬態試驗開發

瞬態排放控制的難點在于改變工況時增壓氣體響應的滯后及EGR閥開啟本身帶來的大煙度后果。提高發動機瞬態響應，在瞬態條件下使得油和氣實現最佳匹配，以獲得在NOx滿足排放要求的條件下的最佳顆粒排放是瞬態試驗循環（ETC）標定的關鍵。

ETC標定重要手段之一是根據發動機實測進氣狀態靈活調整噴油量，這稱之為煙度限制。原理是：當變工況油氣不匹配時，強制減少一定比例油量，從而強制增大空燃比，同時補償噴油參數；等渦輪增壓器及時響應后，再恢復設定油量。

在試驗過程中，如果使用同樣的EGR閥開度，則ETC的NOx比排放值會比較低，相反，PM會變大。因此，手段之一是減小EGR閥開度，讓較少的廢氣進入柴油機進氣充量，同時減小油氣比，以實現煙度限制原理。

5 結果分析

在本研究中，共設計了7個方案。方案0是原型機+EGR技術方案，方案1～5是原型機+EGR技術+（DOC+POC）后處理方案，方案6是采用EGR技術+DOC-Only后處理方案，樣品分別來自于不同的生產廠家。表2是各種方案的ESC試驗結果，表3是各種方案的ETC試驗結果。結果分析如下：

方案0（原型機+EGR技術）的ESC和ETC的試驗結果表明，EGR技術可以降低NOx排放值，并使之滿足國IV排放要求；同時通過電控標定優化，可以適當降低PM排放值，但仍然不能滿足國IV排放要求。

方案5（原型機+EGR技術+（DOC+POC））的ESC和ETC的試驗結果同時滿足了國IV排放要求。由此可知，在DOC和POC體積及配方合適的情況下，最高的捕集率可以達到60%以上。此外，DOC對THC和CO降低明顯。

方案6（原型機+EGR技術+DOC-Only）的ESC和ETC的試驗結果不能滿足國IV排放要求。即方案6不能使PM排放值滿足國IV排放要求。

EGR 技術是機內降NOx排放的有效措施，該技術的關鍵是保證合適的EGR 率及選擇合適冷卻面積的冷卻器以使EGR 廢氣溫度降低到合適的范圍，同時輔以優化的噴油規律，根據原型機氣體和顆粒排放及煙度值等合理匹配顆粒后處理系統。本研究通過帶EGR技術的柴油機試驗標定，匹配合適的冷卻器，選用合適的電動EGR閥以保證瞬態響應，通過穩態和瞬態標定，使在使用符合國IV標準燃油的前提下，排放升級至國IV水平。

6 結論

① 4.5 L國Ⅲ電控高壓共軌柴油機匹配合適的EGR+DOC+POC技術，可以滿足國IV排放法規。

② 4.5 L國Ⅲ電控高壓共軌柴油機匹配EGR+DOC技術，不能滿足國IV排放法規。

參考文獻：

［1］ 孫劍濤，劉忠長，許允，等. YC4112ZLQ增壓中冷柴油機排氣再循環冷卻器的設計計算［J］.吉林大學學報，2004，34(4):564-568.

［2］ 項旭昇，殷勇，華岳，等. 重型柴油機達歐IV EGR試驗研究［C］.2009年APC聯合學術年會論文.