使用EGR技術(shù)的柴油機(jī)國IV排放研究

摘要：本文通過對發(fā)動機(jī)增壓器匹配優(yōu)化、EGR冷卻器散熱面積計算和ANSYS建模分析、帶EGR的發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)標(biāo)定技術(shù)研究等，驗(yàn)證了EGR結(jié)合POC和DOC可以使4.5 L樣機(jī)滿足國IV排放法規(guī)。而EGR+DOC不能使樣機(jī)滿足國IV排放法規(guī)。

關(guān)鍵詞：EGR； POC；DOC；國IV排放法規(guī)

中圖分類號：TK421.5文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)實(shí)現(xiàn)國IV排放有兩條主要的技術(shù)路線：其一是采用EGR 降低機(jī)內(nèi)NOx排放，再通過顆粒捕集（POC）或氧化催化(DOC)降低機(jī)外PM 排放；其二是利用缸內(nèi)燃燒過程優(yōu)化降低機(jī)內(nèi)PM排放，再利用催化還原后處理技術(shù)(SCR）降低機(jī)外NOx排放。EGR 技術(shù)路線與SCR 技術(shù)路線相比，具有后處理系統(tǒng)相對簡單、OBD 檢測簡易等特點(diǎn)。而且，較小排量的柴油機(jī)的EGR技術(shù)路線比SCR技術(shù)路線有較大的價格優(yōu)勢。

1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

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(jī)上進(jìn)行的，發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

2 EGR/DOC/POC原理

2.1 EGR(廢氣再循環(huán)裝置) 技術(shù)基本原理

EGR技術(shù)的主要作用是降低柴油機(jī)燃燒室內(nèi)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(dǎo)致混合氣著火延遲，從而降低燃燒室內(nèi)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(nèi)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(jī)的富氧燃燒情況。

2.2 DOC（柴油機(jī)氧化催化劑裝置）技術(shù)基本原理

DOC技術(shù)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(kuò)大反應(yīng)窗口，使更多的碳和NO2反應(yīng)。其基本原理如圖1所示。

2.3 POC(顆粒氧化催化劑裝置)技術(shù)基本原理

POC技術(shù)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(tǒng)開發(fā)

本次系統(tǒng)開發(fā)是基于一臺4.5 L國Ⅲ電控高壓共軌柴油機(jī)。在原型機(jī)上重新設(shè)計EGR系統(tǒng)，然后配備DOC+POC后處理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

3.1 增壓器開發(fā)

EGR技術(shù)的應(yīng)用中，在排放區(qū)域能夠有足夠的廢氣進(jìn)入進(jìn)氣充量中是非常關(guān)鍵的，所以選擇合適的增壓器很重要。在原型機(jī)中，原配增壓器在排放區(qū)域中（A轉(zhuǎn)速1 455 r/min，B轉(zhuǎn)速1 846 r/min，C轉(zhuǎn)速2 237 r/min）的進(jìn)排氣壓力如圖3所示。在A轉(zhuǎn)速和B轉(zhuǎn)速之間，進(jìn)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(jìn)氣充量不進(jìn)入排氣系統(tǒng)中，但此時不能實(shí)現(xiàn)有效的EGR率，所以在該區(qū)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(zhuǎn)速區(qū)域的進(jìn)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(fā)沒有考慮這種技術(shù)，僅采用小渦殼增壓器，即將渦殼由7#更換為5#，其形成的進(jìn)排氣壓力如圖4所示。由圖4可知，在排放區(qū)域進(jìn)排氣壓差均為負(fù)值，即廢氣在EGR閥打開的時候，可以在排放區(qū)域進(jìn)入進(jìn)氣充量中，從而形成一定的EGR率，達(dá)到降低NOx排放的效果。

增壓器開發(fā)還需要關(guān)注以下幾個參數(shù)：渦前排氣溫度、低速煙度、低速扭矩、氣缸燃燒壓力、增壓器轉(zhuǎn)速等，這些參數(shù)都有一定的限值，如果在額定點(diǎn)或者最大扭矩點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)超出限值，則需要重新匹配增壓器。本次開發(fā)經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，更換小渦殼增壓器后，這些數(shù)據(jù)均在發(fā)動機(jī)的限值之內(nèi)，不會影響發(fā)動機(jī)的性能及可靠性。

3.2 EGR冷卻器開發(fā)

在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)氣充量預(yù)混和，此時EGR冷卻器的面積就需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)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?yàn)檫^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(jìn)氣充量，導(dǎo)致氣缸內(nèi)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(yán)重時還會損壞發(fā)動機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)。因此，有必要對高溫的EGR氣體進(jìn)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(jù)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(jù)實(shí)際情況，在此選擇ESC排放試驗(yàn)的第13工況點(diǎn)，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(jīng)過ANSYS軟件建模分析并與生產(chǎn)廠家進(jìn)行結(jié)構(gòu)及工藝確認(rèn)，最終確定EGR冷卻器散熱面積為0.35 m2。

4 試驗(yàn)開發(fā)

使用EGR技術(shù)的柴油機(jī)匹配標(biāo)定是基于良好的渦輪增壓器匹配和EGR系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)之上的，在適當(dāng)?shù)墓r下選擇合適的EGR率，并輔以優(yōu)化的噴油規(guī)律，使之在NOx比排放達(dá)標(biāo)的前提下盡可能地降低氣缸內(nèi)顆粒物排放，以減輕后處理系統(tǒng)降顆粒的工作量。同時在瞬態(tài)工況下，合理地調(diào)節(jié)EGR率，調(diào)整噴油規(guī)律，滿足發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等法規(guī)循環(huán)要求［2］。

4.1 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)開發(fā)

柴油機(jī)的主要排放污染物是NOx和PM。而首先機(jī)內(nèi)凈化的是NOx。不同的機(jī)型，可以根據(jù)其使用特點(diǎn)，確定穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（ESC）中的13個工況點(diǎn)NOx比排放值。為此，可以在試驗(yàn)開發(fā)之前初步確定NOx目標(biāo)值分布。

所謂NOx目標(biāo)值分布，就是ESC試驗(yàn)中13個工況點(diǎn)的NOx（g/kWh）數(shù)值分布。ESC試驗(yàn)的最終結(jié)果要滿足排放法規(guī)要求，但具體分配到每個工況點(diǎn)的NOx數(shù)值可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計。主要考慮三個方面的因素：

①工作循環(huán)（Duty Cycle）。在常用工況區(qū)的點(diǎn)NOx盡量做大，以提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

②各點(diǎn)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(diǎn)應(yīng)盡量提高經(jīng)濟(jì)性，亦取較大的NOx值。

③可靠性限值。在建NOx目標(biāo)值分布的時候，需要綜合考慮柴油機(jī)的設(shè)計限值。比如在B100%和C100%附近，如果NOx值取得太小，會導(dǎo)致排溫和增壓器轉(zhuǎn)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(jī)的NOx目標(biāo)值分布。圖5為4.5 L柴油機(jī)的NOx目標(biāo)值分布，其綜合NOx比排放設(shè)計值為3.3 g/kWh。

使用EGR技術(shù)和電控高壓共軌燃油系統(tǒng)的柴油機(jī)需要標(biāo)定的參數(shù)有：EGR閥升程、主噴正時、高壓油軌壓力、預(yù)噴正時、預(yù)噴油量、后噴正時、后噴油量等。確定了每個工況點(diǎn)的NOx比排放值后，逐點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)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(dāng)煙度值較大時（如超過0.1 m-1）不再打開EGR閥，此時確認(rèn)該點(diǎn)閥的升程不能超過該值，否則煙度會超標(biāo)。對13個工況點(diǎn)標(biāo)定完畢后，再針對EGR閥的升程、主噴正時、高壓油軌壓力進(jìn)行初步標(biāo)定。

確定EGR閥升程后，依據(jù)NOx-煙度的Trade-Off關(guān)系，重新對主噴參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)定，隨后可繼續(xù)針對預(yù)噴、后噴等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

在13個工況點(diǎn)標(biāo)定完畢后，可將NOx目標(biāo)值分布擴(kuò)大，依據(jù)轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行插值，得到排放區(qū)域每個整數(shù)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的比排放值，這樣可以調(diào)整整個排放區(qū)域的NOx比排放值。同時滿足排放認(rèn)證試驗(yàn)必須進(jìn)行的NOx檢查點(diǎn)的抽查需要。

4.2 瞬態(tài)試驗(yàn)開發(fā)

瞬態(tài)排放控制的難點(diǎn)在于改變工況時增壓氣體響應(yīng)的滯后及EGR閥開啟本身帶來的大煙度后果。提高發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)，在瞬態(tài)條件下使得油和氣實(shí)現(xiàn)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(tài)試驗(yàn)循環(huán)（ETC）標(biāo)定的關(guān)鍵。

ETC標(biāo)定重要手段之一是根據(jù)發(fā)動機(jī)實(shí)測進(jìn)氣狀態(tài)靈活調(diào)整噴油量，這稱之為煙度限制。原理是：當(dāng)變工況油氣不匹配時，強(qiáng)制減少一定比例油量，從而強(qiáng)制增大空燃比，同時補(bǔ)償噴油參數(shù)；等渦輪增壓器及時響應(yīng)后，再恢復(fù)設(shè)定油量。

在試驗(yàn)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(jìn)入柴油機(jī)進(jìn)氣充量，同時減小油氣比，以實(shí)現(xiàn)煙度限制原理。

5 結(jié)果分析

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

方案0（原型機(jī)+EGR技術(shù)）的ESC和ETC的試驗(yàn)結(jié)果表明，EGR技術(shù)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(biāo)定優(yōu)化，可以適當(dāng)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(jī)+EGR技術(shù)+（DOC+POC））的ESC和ETC的試驗(yàn)結(jié)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(dá)到60%以上。此外，DOC對THC和CO降低明顯。

方案6（原型機(jī)+EGR技術(shù)+DOC-Only）的ESC和ETC的試驗(yàn)結(jié)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(shù)是機(jī)內(nèi)降NOx排放的有效措施，該技術(shù)的關(guān)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(yōu)化的噴油規(guī)律，根據(jù)原型機(jī)氣體和顆粒排放及煙度值等合理匹配顆粒后處理系統(tǒng)。本研究通過帶EGR技術(shù)的柴油機(jī)試驗(yàn)標(biāo)定，匹配合適的冷卻器，選用合適的電動EGR閥以保證瞬態(tài)響應(yīng)，通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)標(biāo)定，使在使用符合國IV標(biāo)準(zhǔn)燃油的前提下，排放升級至國IV水平。

6 結(jié)論

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

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

參考文獻(xiàn)：

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