EGR對重型柴油機性能影響的試驗研究

王玉玲龔志國洪 偉劉 偉王 銳

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.中國石油天然氣股份有限公司吉林銷售分公司）

1 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，重型柴油機的需求量在快速增長，而環(huán)境污染的加劇和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，使得其燃燒和排放的控制技術(shù)受到了新挑戰(zhàn)。

廢氣中含有大量的N2和CO2等惰性氣體，當(dāng)這些廢氣部分回流到進氣管后會稀釋新鮮進氣，使燃燒反應(yīng)速率減緩；而且廢氣中含有的水蒸氣和CO2為三原子分子氣體，比熱容大，可以有效降低氣缸內(nèi)最高燃燒溫度。因此，EGR技術(shù)成為目前降低柴油機NOx排放的最有效的措施之一[1～3]。本文對重型柴油機應(yīng)用EGR后對其燃燒和排放的影響效果進行試驗研究，并分析EGR耦合噴射參數(shù)的折中策略對其影響和EGR冷卻溫度對柴油機性能及排放的影響。

2 試驗裝置與試驗方案

2.1 試驗樣機與測試設(shè)備

試驗樣機為1臺具有高壓共軌噴射系統(tǒng)和廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的直列6缸柴油機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

試驗采用HORIBA7100D發(fā)動機排放測試系統(tǒng)來測量柴油機的 NOx、CO、CO2和 THC等氣體及EGR率；采用AVL439透光式煙度計測量排氣煙度；用自制的部分流顆粒物采集裝置采集PM；采用FCMM-2型發(fā)動機油耗儀記錄燃油消耗量，計算出燃油消耗率；采用Kistler公司生產(chǎn)的6125B型缸壓傳感器測量缸內(nèi)壓力；并使用DS9100型多通道瞬態(tài)燃燒分析儀測量燃燒放熱率等量。發(fā)動機臺架及各測試設(shè)備連接見圖1。

2.2 試驗方案

試驗采用EGR高壓回流方式（渦前-增壓后），圖2所示為外特性工況下中冷后進氣壓力和渦前排氣壓力對比，廢氣需在兩者的壓差作用下回流入進氣管。由圖2可知，在高速時渦前壓力高于進氣壓力，在壓差作用下能夠?qū)崿F(xiàn)廢氣回流入進氣管；而在低速時出現(xiàn)渦前壓力低于進氣壓力的情況，廢氣無法回流。另外，在小負(fù)荷和怠速時一般不提倡加EGR。因此試驗在8工況基礎(chǔ)上選擇了以下工況點（表2）進行試驗。

表2 試驗工況點

3 EGR對柴油機性能的影響

3.1 EGR對柴油機燃油經(jīng)濟性的影響

圖3所示為EGR率對柴油機燃油消耗率的影響曲線。從圖3可知，隨著EGR率的增大，同等負(fù)荷下燃油消耗率都有所增加，EGR率由2%增加至10%時，在各工況下燃油消耗率的增加幅度近5%。全負(fù)荷相對于中等負(fù)荷的燃油消耗率曲線變化幅度稍大，其原因是隨著負(fù)荷的增大，空燃比降低，引入EGR后會使空燃比進一步降低，缸內(nèi)缺氧區(qū)域增多，并且EGR率越高該情況越嚴(yán)重，更易導(dǎo)致燃燒惡化，因此全負(fù)荷的燃油消耗率比中等負(fù)荷的變化幅度稍大。

3.2 EGR對排放的影響

影響NOx生成的因素有高溫、富氧和反應(yīng)時間，而對于柴油機最主要的因素是缸內(nèi)的富氧環(huán)境和足夠高的燃燒溫度[4]。為了研究EGR率對重型柴油機NOx排放的影響，試驗測取了轉(zhuǎn)速為2000 r/min，50%、75%和100%3種不同負(fù)荷下NOx的生成量隨EGR率的變化規(guī)律（圖4）。由圖4可知，同等負(fù)荷下NOx的濃度隨EGR率的增加會明顯下降，特別是在全負(fù)荷時效果更加明顯，當(dāng)EGR率上升到10%時NOx下降了約50%。這主要是因為廢氣的加入使新鮮空氣量減少，減少了O2與N2的反應(yīng)機會。另外，從EGR對燃燒的影響來看，廢氣中的CO2和H2O的比熱容大，降低了缸內(nèi)工質(zhì)溫度及燃燒反應(yīng)速率，并降低了缸內(nèi)壓力和放熱率 （圖5），從而降低了NOx的生成量。隨EGR率的增大抑制作用也會增大，所以NOx的生成量也會越來越少。不同負(fù)荷之間NOx降低程度不同是因為50%和75%負(fù)荷的空燃比大，加入較多的EGR對空燃比的影響并不是很明顯，而全負(fù)荷時空燃比相對較小，隨EGR的增加會明顯下降，所以50%和75%負(fù)荷的NOx隨EGR率的變化曲線比全負(fù)荷的平緩。

如圖6所示為EGR率對重型柴油機排氣煙度的影響曲線，可知在柴油機上采用EGR后，煙度排放升高，在75%和50%負(fù)荷時，排放煙度隨EGR率的變化不大，主要是因為此時O2充足，廢氣的增多對燃燒過程的影響不大[4]。而在全負(fù)荷工況點排放煙度的增加趨勢非常顯著，當(dāng)EGR率由1%增加到10%左右時，煙度值由0.5%增大到了3.3%。原因是全負(fù)荷需要濃混合氣，新鮮空氣相對較少，EGR加入后對空氣進行稀釋，氧氣濃度降低，局部缺氧區(qū)域增多，燃油不能充分燃燒，另外促使燃料脫氫碳化的環(huán)境進一步加強，EGR加入的越多，其負(fù)面作用也更加明顯，導(dǎo)致煙度增加而產(chǎn)生黑煙[5]。因此在全負(fù)荷點最好是采用小的EGR率，防止由于嚴(yán)重的局部缺氧而導(dǎo)致煙度急劇上升。

如圖7所示為轉(zhuǎn)速2000 r/min，負(fù)荷為50%、75%和100%負(fù)荷工況下的EGR率對HC和CO排放的影響。由圖7a可知，各負(fù)荷工況下HC比排放隨EGR率的增大均沒有明顯變化，在10%EGR率范圍內(nèi)最大HC比排放變化量不超過0.05 g/（kW·h）。

圖7b中各負(fù)荷工況下CO比排放也都隨著EGR率的增加而上升。在75%和50%負(fù)荷時CO增加幅度不大；但在全負(fù)荷時，CO上升很快，當(dāng)EGR率到10%時，增加了大約3倍，其原因是全負(fù)荷時燃油比小負(fù)荷時多，加入廢氣后氧氣濃度稀薄，燃油進入到燃燒室時不能夠完全氧化成CO2，致使CO的量上升。

4 EGR耦合噴射參數(shù)對排放和經(jīng)濟性的折中影響

為了避免在100%負(fù)荷時產(chǎn)生過多的碳煙以及不影響發(fā)動機的動力性能，一般應(yīng)控制加入EGR的量或者不加，所以本節(jié)只研究了轉(zhuǎn)速為2000 r/min，75%和50%負(fù)荷下的EGR耦合噴射壓力和噴射定時對柴油機排放和經(jīng)濟性的影響。圖8、圖9所示分別為兩種工況下的EGR與噴射參數(shù)耦合前、后對（NOx+HC）比排放與消光煙度、燃油消耗率的折中影響。圖中的折線為單純調(diào)整不同噴射壓力和噴射定時得到的曲線，所調(diào)參數(shù)值見表 3（以150（10～-3）為例；油角為曲軸轉(zhuǎn)角，下同）；分散點為噴射參數(shù)耦合EGR后得到的數(shù)據(jù)，所調(diào)參數(shù)值見表4。

表3 無EGR耦合噴射參數(shù)調(diào)整值（以150（10～-3）為例）

表4 EGR耦合噴射壓力和噴射定時參數(shù)調(diào)整值

由圖8可知，不加EGR時，煙度的排放和（NOx+HC）排放呈此消彼長的趨勢。為了同時降低（NOx+HC）和煙度排放，試驗加入了EGR耦合調(diào)整。加入EGR后的數(shù)據(jù)都集中在折線圖的左下角，這表明EGR耦合噴射參數(shù)策略可以同時使碳煙和（NOx+HC）都降低，采用這種策略優(yōu)化了原機的排放性能，煙度和（NOx+HC）排放得到了一定范圍的控制。

由圖9可知，無EGR耦合時，隨（NOx+HC）比排放和值的減小，燃油消耗率增加，兩者也為此消彼長的趨勢；而EGR耦合策略的分散點大部分集中在左下角。由此可得出結(jié)論:EGR耦合噴射參數(shù)策略可使燃油消耗率和（NOx+HC）比排放同時達到降低的目的，即在降低NOx和HC排放的同時，優(yōu)化了原機的燃油經(jīng)濟性。

這種EGR耦合噴射參數(shù)的策略之所以能同時改善原機的排放性和經(jīng)濟性，主要是因為相同（NOx+HC）下，原機不加入EGR時為了抑制NOx的生成，噴射壓力和噴射定時都會有所降低和推遲，而加入EGR后，廢氣可抑制NOx生成，因此允許適當(dāng)提高噴射壓力和提前噴射定時以兼顧PM排放和燃油經(jīng)濟性。噴射壓力越高，燃料噴霧粒度越細(xì)，噴油速率也越高，柴油機的煙度與顆粒物排放指標(biāo)也越好；適當(dāng)提前噴射定時，使更多的燃油在壓縮上止點左右燃燒，做功能力增強，比油耗降低[6～7]。因此，EGR耦合策略能獲得較好的 （NOx+HC）、PM和燃油經(jīng)濟性三者之間的折中關(guān)系。

表5所列為EGR耦合噴射參數(shù)前、后8工況優(yōu)化結(jié)果對比，可知EGR耦合策略較無EGR策略各類排放物的加權(quán)比排放值和比油耗均明顯降低，表明EGR耦合噴射參數(shù)策略能夠同時降低排放和燃油消耗，使發(fā)動機獲得更好的排放性和經(jīng)濟性。而且EGR耦合策略的NOx與HC加權(quán)比排放值僅為3.5 g/（kW·h），PM 加權(quán)比排放值僅為 0.104 g/（kW·h），均遠(yuǎn)低于 EPA Tier3 標(biāo)準(zhǔn)（BS（HC+NOx）-4.0 g/（kW·h），BSPM-0.2 g/（kW·h））， 因此本研究達到了預(yù)期的優(yōu)化排放和經(jīng)濟性目標(biāo)。

表5 EGR耦合噴射參數(shù)前、后8工況優(yōu)化結(jié)果對比g/（kW·h）

5 EGR冷卻溫度的影響研究

對于NOx和碳煙這兩種柴油機主要排放污染物，溫度是影響其在缸內(nèi)形成的一個關(guān)鍵因素。進一步考察了EGR冷卻溫度對發(fā)動機性能和排放的影響，在試驗過程中將原機機內(nèi)冷卻系統(tǒng)更換為外接冷卻系統(tǒng)。圖10為兩套冷卻系統(tǒng)的EGR冷卻后溫度和EGR率的對比，可知采用外接冷卻系統(tǒng)后EGR的溫度明顯降低，而且在EGR閥開度不變的情況下使發(fā)動機進氣中的EGR率得到提升。

圖11所示為機內(nèi)冷卻和外接冷卻兩種EGR冷卻方式下的NOx和消光煙度的排放變化曲線，可知在外接冷卻方式下EGR溫度降低后，NOx排放比機內(nèi)冷卻EGR時明顯降低，但消光煙度有所增加。主要是因為EGR溫度降低，會降低缸內(nèi)燃燒溫度，使NOx的生成量降低[5]，但是燃燒溫度的降低會使燃燒惡化，而導(dǎo)致煙度有所增加。

表6所列為EGR溫度降低前、后8工況試驗測試數(shù)據(jù)。通過對比可以看出EGR溫度降低后PM和加權(quán)燃油消耗率雖有所惡化，但惡化幅度較小；CO排放稍有降低，HC和NOx比排放值明顯降低，降幅達10%以上。進一步降低EGR溫度，并且耦合噴射壓力和噴油定時的聯(lián)合調(diào)整將會使樣機獲得更好的使用性能。

表6 EGR溫度降低后8工況試驗測試數(shù)據(jù) g/（kW·h）

6 結(jié)束語

a.EGR能有效改善柴油機NOx的排放水平，但經(jīng)濟性會有所下降，碳煙排放增加，也會給HC和CO排放帶來不同程度的負(fù)面影響。

b.采用聯(lián)合調(diào)整EGR和噴射參數(shù)的折中策略改善了消光煙度和（NOx+HC）的排放，同時也降低了燃油消耗以及PM和CO的排放。

c. 進一步提高EGR冷卻器的冷卻能力，降低EGR溫度，將會使柴油機獲得更好的使用性能。

1 田永海.EGR對共軌柴油機燃燒和排放的影響：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2008.

2 韓林沛，劉洪濤，孫博，等.EGR對車用柴油機性能影響的試驗研究.車用發(fā)動機，2012，1：51～55.

3 宮長明，閆淑芳，蘇巖，等.車用增壓柴油機EGR下排放特性.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2005，4：144～146.

4 周龍保，劉忠長，高宗英.內(nèi)燃機學(xué).北京：機械工業(yè)出版社，2010：212～220.

5 郭亮，劉忠長，田徑，等.車用重型高壓共軌柴油機EGR性能及優(yōu)化.車用發(fā)動機，2009，2：49～53.

6 Nguyen L D K，Sung N W，Lee S S.Effects of Split Injiection，Oxygen Enriched Air and Heavy EGR on Soot in a Diesel Engine.Automotive Technology， 2011，12（3）：339～350.

7 Admir M Kreso，John H Johnson， Linda D Gratz，et al.A Study of the Effects of Exhaust Gas Recirculation on Heavy -duty Diesel Engine Emission.SAE Paper，981422，1998.