旁通式EGR冷卻器實(shí)現(xiàn)廢氣溫度可控的試驗(yàn)研究

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉 林 5 37005）

為應(yīng)對(duì)2013年即將實(shí)施的國(guó)4排放法規(guī)，中國(guó)各大主機(jī)廠都已開發(fā)了自主的國(guó)4系列產(chǎn)品。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上的國(guó)4產(chǎn)品，重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用SCR后處理路線，而中輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)（以輕型為主）則主要采用EGR+DOC（+POC）后處理路線。對(duì)于輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，為滿足更低的NOx氣體排放要求，國(guó)4階段發(fā)動(dòng)機(jī)需求最高EGR率相比國(guó)3階段增加了15%。廢氣需求量的增加，對(duì)EGR系統(tǒng)的冷卻能力、可靠性水平都提出了更高要求[1]。

EGR系統(tǒng)由于廢氣的長(zhǎng)時(shí)間流通，會(huì)帶來(lái)一系列積碳、結(jié)膠等問(wèn)題，給EGR冷卻器、EGR閥造成損害。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，EGR冷卻器的積碳，主要與廢氣在冷卻器中的溫度、廢氣自身的碳煙濃度以及廢氣流量有關(guān)。基于此，本文主要研究如何通過(guò)EGR冷卻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣溫度的一定范圍內(nèi)可控，從而達(dá)到改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平，減少EGR系統(tǒng)中積碳的目的[2]。

1 研究對(duì)象

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

本文研究的對(duì)象，是某款在開發(fā)的國(guó)4排放的2.5 L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用高壓共軌燃油系統(tǒng)，后處理采用EGR+DOC路線。匹配目標(biāo)車型為MPV，屬M(fèi)2類車型，根據(jù)《GB 18352.3-2005輕型車排放限值》規(guī)定，需要進(jìn)行整車轉(zhuǎn)鼓排放測(cè)試，測(cè)試工況為NEDC循環(huán)。

發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 旁通式EGR混合器

為實(shí)現(xiàn)廢氣溫度在一定范圍內(nèi)可控，試驗(yàn)采用了一種帶旁通裝置的EGR冷卻器，其主體EGR冷卻冷卻器殼體屬常規(guī)的管殼結(jié)構(gòu)，分別設(shè)有冷卻水通道和廢氣通道A和B。通過(guò)通道A的廢氣可與冷卻水發(fā)生熱交換，通過(guò)通道B的廢氣則直通到進(jìn)氣管。在廢氣入口處，設(shè)置有一個(gè)可控的旁通閥裝置，當(dāng)旁通閥開啟時(shí)，廢氣可經(jīng)由通道B旁通。外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旁通式EGR冷卻器結(jié)構(gòu)圖

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)概述

發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用工況較為復(fù)雜，除了大負(fù)荷高EGR率的工況外，還存在有小負(fù)荷低EGR率的工況。為更好地冷卻EGR廢氣，EGR冷卻器應(yīng)具備較高的冷卻效率，但這會(huì)導(dǎo)致部分工況點(diǎn)存在廢氣過(guò)度冷卻的問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，隨著冷卻后廢氣溫度降低，在相同EGR率下，發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過(guò)程中能進(jìn)入更多的新鮮空氣，這樣能明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能及排放指標(biāo)。但這個(gè)冷卻溫度有一定范圍，低于這個(gè)值，發(fā)動(dòng)機(jī)性能排放改善不明顯，同時(shí)會(huì)帶來(lái)EGR系統(tǒng)的結(jié)膠問(wèn)題[3]。因此，通過(guò)旁通的方式，在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)使用工況，有選擇性地冷卻廢氣以達(dá)到最佳性能排放水平。

2.2 試驗(yàn)工況選取

通過(guò)AVL CRUSE軟件，輸入整車及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的參數(shù)后，將整車實(shí)際運(yùn)行的NEDC循環(huán)，轉(zhuǎn)化成發(fā)動(dòng)機(jī)的14個(gè)特征排放點(diǎn)，如圖2所示。圖中顯示了轉(zhuǎn)速-扭矩分布情況，每個(gè)工況對(duì)應(yīng)的數(shù)字為其所占的權(quán)重比。

圖2 NEDC循環(huán)特征工況點(diǎn)分布

選取兩個(gè)不同負(fù)荷率的工況點(diǎn)，分別為0.4 MPa/（1 620 r/min）（工況A）和0.08 MPa/（2 330 r/min）（工況B），進(jìn)行不同EGR率條件下旁通閥的比對(duì)試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)邊界設(shè)定

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定如下試驗(yàn)邊界：

FSN煙度值≤1.5 FSN；

EGR廢氣冷卻后溫度：（90~280）℃；

進(jìn)氣總管進(jìn)氣溫度：≤80℃。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 旁通式EGR冷卻器對(duì)性能的影響

根據(jù)選取的工況，進(jìn)行不同EGR開度下的性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示，EGR率增加，煙度、油耗水平逐步惡化。加入旁通功能后，性能變化趨勢(shì)基本一致。如圖3所示。

圖3 工況A旁通對(duì)性能的影響

將廢氣旁通后，廢氣不經(jīng)冷卻直接引入進(jìn)氣管，與新鮮空氣混合前的廢氣溫度顯著升高，由原來(lái)的平均100℃，升高至200℃以上。廢氣溫度升高，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入缸內(nèi)的空氣溫度升高，缸內(nèi)實(shí)際的進(jìn)氣充量減少，進(jìn)氣不足導(dǎo)致燃燒變差。同時(shí)，進(jìn)氣溫度升高，會(huì)導(dǎo)致燃燒滯燃期變短，油氣混合不充分。以上因素，均會(huì)導(dǎo)致煙度、油耗變差。當(dāng)EGR開度處于70%時(shí)，煙度惡化超過(guò)1.5 FSN的邊界。

工況B試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)類似，但工況B由于負(fù)荷率低，空燃比較大，廢氣溫度的上升對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響相對(duì)較小，如圖4所示。

圖4 工況B旁通對(duì)性能的影響

3.2 旁通式EGR冷卻器對(duì)排放的影響

廢氣經(jīng)旁通后，氣體排放CO、HC值顯著降低，NOx排放變化不明顯。負(fù)荷越小，趨勢(shì)越明顯。

圖5 工況A旁通對(duì)排放的影響

在工況A，廢氣旁通前后，NOx氣體排放沒(méi)有明顯變化，但HC、CO排放水平經(jīng)過(guò)旁通后，平均降低了10%左右。而在工況B，由于負(fù)荷更小，HC、CO的排放水平改善幅度更為明顯，平均在20%左右。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷時(shí)噴油量較小，噴油器由于結(jié)構(gòu)和控制方式的原因，在小油量的噴射穩(wěn)定性以及各缸噴射的一致性控制，都存在較大問(wèn)題，這會(huì)引起燃油的霧化較差。小負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)燃燒溫度較低，會(huì)導(dǎo)致大量液態(tài)油滴未燃燒就從缸內(nèi)排出。這一系列影響因素，導(dǎo)致小負(fù)荷時(shí)CO、HC排放值較大。而通過(guò)旁通的方式，加熱缸內(nèi)進(jìn)氣溫度，能有效改善這種現(xiàn)象。

4 排放驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 排放點(diǎn)優(yōu)化

根據(jù)以上方法，對(duì)14個(gè)排放特征點(diǎn)均進(jìn)行了旁通優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在扭矩點(diǎn)2 400 r/min轉(zhuǎn)速以下，負(fù)荷50 N·m以下的工況點(diǎn)，采用廢氣旁通的方式，能有效降低HC、CO的排放量，而性能指標(biāo)煙度和比油耗惡化程度在可接受范圍內(nèi)。

4.2 排放對(duì)比試驗(yàn)

保持各項(xiàng)試驗(yàn)邊界條件不變，在試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行穩(wěn)態(tài)NEDC排放測(cè)試，對(duì)比優(yōu)化EGR冷卻器旁通閥前后的排放結(jié)果。采用旁通后，發(fā)動(dòng)機(jī)綜合排放結(jié)果改善。

圖6 旁通優(yōu)化前后排放結(jié)果對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放變化不大，CO、HC排放量明顯降低。對(duì)于乘用車NEDC排放循環(huán)，濾紙收集的PM成分，除了一部分Soot和SOF物質(zhì)外，還含有大量液態(tài)HC物質(zhì)。通過(guò)采用旁通的方式，能很大程度上減少這類HC物質(zhì)的生成。故雖然采用旁通的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)的Soot排放量會(huì)略有升高，但液態(tài)HC的減少，對(duì)PM改善更為顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)旁通式EGR冷卻器將廢氣旁通后，發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)如煙度、油耗存在一定惡化，但負(fù)荷較小時(shí)，這種惡化影響在可接受范圍；當(dāng)廢氣旁通后，發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放指標(biāo)，如CO、HC等，得到改善，負(fù)荷越小，這種改善現(xiàn)象越明顯；通過(guò)廢氣旁通閥，根據(jù)實(shí)際工況，將EGR廢氣溫度控制在適宜溫度范圍，能有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放水平。

[1]U Krüger，S Edwards，E Pantow and R Lutz，R Dreisbach and M Glensvig.High Performance Cooling and EGR Systems as a Contribution to Meeting Future Emission Standards[J].SAE Paper，2008（1）：1199.

[2]Ho Teng，Gerhard Regner.Particulate Fouling in EGR Coolers[J].SAE Paperx，2009（1）：2877.

[3]李愛娟，李舜酩，魏民祥，等.車用柴油機(jī)冷EGR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42（5）：650-655.

[4]周龍保，等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)：第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.