一種滿足歐Ⅵ排放的EGR燃燒技術研究

陳偉建，李冀，涂志濤，張輝亞，向輝（東風商用車有限公司發動機部，武漢 430056）

一種滿足歐Ⅵ排放的EGR燃燒技術研究

陳偉建，李冀，涂志濤，張輝亞，向輝
（東風商用車有限公司發動機部，武漢 430056）

為滿足歐Ⅵ排放法規，本文首先分析了歐Ⅵ主流的技術路線的優缺點，并選擇了一種比較穩妥的技術路線進行研究，同時確認了發動機本體排放開發目標。然后在一臺重型共軌柴油機基礎上采用了一種冷卻EGR、高噴射壓力（最高噴射壓力2500bar）以及可變截面增壓（VGT）的燃燒技術進行試驗研究。結果表明，通過正交優化VGT和EGR閥位置開度可以有效實現最佳EGR率和空燃比控制，顯著降低NOx排放；采用關鍵正交組合優化方法，確認了最佳油嘴和噴油器墊片的組合；高噴射壓力技術可以有效改善NOx和PM的折衷關系，同時改善了燃油經濟性。在燃燒系統優化的基礎上，最終WHSC的測試結果滿足了發動機本體排放開發目標，最低比油耗達到了188 g/kW.h。試驗結果說明該路線具備滿足歐Ⅵ排放的潛力同時又具有較好的燃油經濟性。

重型柴油機；歐Ⅵ；EGR；VGT；高壓共軌燃油系統

陳偉建

畢業于華中科技大學，大學本科學歷，現任東風商用車技術中心主管工程師，主要研究方向：柴油機整機開發及燃燒技術。

1　背景

嚴格的排放法規對柴油機排放技術提出了日益嚴峻的挑戰。我國排放法規同國際接軌的步伐正在加快。目前我國正在制定六階段的標準，預計2016年完成。因我國等效采用歐洲排放法規體系，因此，預估國Ⅵ排放的限值和歐Ⅵ保持一致。為了適應未來排放法規和市場需求，需要提前研究柴油機滿足歐Ⅵ排放的技術可行性。

對于重型柴油機滿足歐Ⅵ排放標準，目前歐洲主流的技術路線有兩種：

一是冷卻EGR+DOC+DPF+SCR技術路線，其技術途經是通過冷卻EGR降低部分發動機本體NOx排放，然后再采用DOC+DPF+SCR后處理技術進一步降低NOx排放和顆粒排放。該技術路線的優點是：采用的EGR率比較適中，一般全負荷最大EGR率控制在12-20%，這樣對SCR后處理的轉化效率要求不高（通常只需90～92%的效率），尿素消耗率也較低（一般控制在2～3%），對發動機綜合燃油經濟性影響小。另外，這種路線對發動機本體排放的生產一致性要求也不高。但這種路線一般都需要較好發動機基礎。

二是DOC+DPF+SCR技術路線。其技術路徑是通過燃燒優化使顆粒排放控制在合適水平，然后通過DOC+DPF+SCR后處理進一步處理。這種路線對本機的硬件要求不高，但需要非常高的SCR轉化效率（96～99%）、復雜的SCR閉環控制系統和較高的尿素消耗率（6～10%）。另外，由于采用的非常高的SCR轉化效率，其對發動機本體排放的生產一致性要求非常嚴格。

因此，冷卻EGR技術路線是當前一種實現歐VI排放比較穩妥的技術。本研究選擇冷卻EGR技術路線。

2　開發目標

歐VI排放研究一般需要分為機內凈化和機外后處理，本研究第一階段只考慮柴油機的本體穩態排放達成開發目標即可（不考慮后處理開發）。根據冷卻EGR技術路線分析，發動機的本體關鍵參數以及排放目標設定見表1，其目的減輕對高效SCR后處理的依賴以及給改善發動機的經濟性。

表1　發動機參數以及開發目標

3　試驗分析

3.1發動機測試設備

主要測試設備見表2，測試的關鍵控制邊界見表3：

表2　測試設備

表3　測試控制邊界

3.2VGT和EGR對發動機性能和排放影響

對于重型柴油機來說，可變截面增壓器的匹配重點在于可兼顧各工況所需的EGR率、最低空燃比（≥20）以及較小的泵氣損失。

由于EGR閥和VGT均可以通過位置開度調節實現不同的EGR率，故需要研究關鍵工況點EGR閥位置和VGT位置對EGR率和空燃比的影響規律。中低速高負荷工況一般實現大EGR率比較困難，因此，選擇1200r/min全負荷作為是增壓器匹配的關鍵工況點。圖1為該工況點EGR閥和VGT位置開度對EGR率影響規律。

其中，橫坐標VGT位置開度的數值越大，表示增壓器渦輪的流通面積越小，驅動EGR能力越強。縱坐標EGR閥的位置開度的數值越大，EGR閥的流通面積越小。

圖1a表明，EGR率隨著VGT的開度增大而增大，說明VGT有較強的EGR率驅動能力，在此工況可以實現22%以上的EGR率，足以滿足開發需求；圖1b表明，EGR率隨著EGR閥位置開度增大而增大，但當EGR閥位置開度大于50%以上時，EGR率變化很小，系統的穩定性較好；圖1c表明，排氣與進氣的壓力差隨著EGR閥開度增大而減小，而排氣與進氣的壓力差越小意味著發動機的泵氣損失越小，對該燃油經濟性有利。以上說明，采用VGT可以有效形成EGR循環，調節VGT位置開度可以有效控制EGR率；調節EGR閥位置開度可以有效控制進氣和排氣壓力差。

圖2給出了EGR率對空燃比、NOx和煙度的影響規律。圖2a中空燃比隨著EGR率增加出現了先平緩上升然后快速下降的變化規律，這表明EGR率從0到17%范圍內，采用VGT實現中等EGR率的同時可以較好的控制空燃比。圖2b表明，EGR率從0到17%范圍內，煙度隨著EGR率增大，其排放變化比較平緩，這種顯著優點說明VGT在實現EGR率的同時可以保持較好的顆粒排放；圖3c表明，EGR率可以有效降低NOx排放，這是因為EGR率增大將導致缸內燃燒溫度下降從而抑制了NOx的上升。

3.3噴油器選型

本次試驗研究，提供了4種噴油器（表4）。噴油器選型的工況需體現發動機的運行特點，應包括低速小負荷、中速中負荷以及高速高負荷工況。因此，選擇了3個典型工況點進行匹配（1200r/min，25%負荷；1500r/min，50%負荷和1800r/min，100%負荷）。在上述工況點下，對軌壓和噴油正時進行組合對比試驗，試驗結果如圖3，圖4，圖5。

表4　噴油器參數設置

描述噴油器的關鍵特征參數為噴油器的流量、噴油器的孔數以及噴霧錐角，噴油器孔數主要影響油霧的空間分配，噴油器孔數多則在圓周方向油霧更加均勻；噴油器流量大則在相同噴射壓力下油束更易穿透。但孔數過多，也可能造成局部油束疊加影響燃燒。對這兩個參數，需要多的工況對比。噴油器選型主要通過對軌壓和正時進行掃點，判斷各項性能參數的差異，然后從性能參數上選取最佳的匹配噴油器。

圖3表明，低速低負荷工況，A噴油器具有更好的BSFC、BSPM折衷關系，但B噴油器的BSFC和BSPM隨著NOx變化比較平緩，具有好的魯棒性。

圖4表明，中速中負荷工況，A噴油器和B噴油器具有更好的BSFC折衷關系，且兩條曲線基本重合。但B噴油器的BSPM隨著NOx變化比較平緩，具有好的魯棒性。

圖5表明，高速高負荷工況，A噴油器、B噴油器和C噴油器具有更好的BSFC折衷關系，且三條曲線基本重合。但B噴油器的BSPM隨著NOx變化比較平緩，具有好的魯棒性。

以上數據表明，B噴油器在三種工況中都具有較好的魯棒性。最終選擇油噴油器B，做為后續研究工作的開發基礎。

3.4噴射壓力對性能和排放的影響

噴射壓力對柴油機性能和排放的影響主要來自對混合氣形成的作用。提高噴射壓力相當于增加了燃油的噴射能量，使噴霧的索特平均直徑變小，噴霧更加細化，噴霧在燃燒室的空間占有率更大，同時也加速了擴散燃燒期內的油氣混合，使擴散燃燒速度明顯提高。

為了滿足具有競爭力的歐VI排放，本研究研究了關鍵工況點的煙度、NOx、燃油經濟性隨噴射壓力變化（1800bar到2500bar）的作用規律。

選擇發動機典型工況點（1500r/min，100%工況；1800r/min，100%工況）研究噴射壓力對顆粒排放和燃油經濟性的影響規律。

圖6（a）、圖7（a）試驗結果表明：在相同噴射壓力下隨著EGR率的增加，煙度呈現惡化趨勢，這是因為EGR率增加導致空燃比下降，同時缸內燃燒溫度下降也對碳煙氧化不利；EGR率在15%-20%，噴射壓力在2000-2500bar，該區域煙度隨著EGR率增加變化不明感，同時所對應的油耗變化也不敏感（圖6（b）、圖7（b））；隨著EGR率增加，噴射壓力越高，煙度突變的拐點越靠后。

在相同EGR率下噴射壓力越高經濟性越好（圖6b，圖7b），這是因為高噴射壓力可以使噴霧更加細化，有效改善油氣混合，提高了燃油經濟性，但NOx也有所增加（圖6c，圖7c）。因此，并不是每個工況點噴射壓力越高越好，根據實際需求綜合平衡NOx、煙度以及BSFC。

總體來說，中高速高適合使用較高噴噴射壓力（大于2000bar以上），可以在降低排放的同時有效兼顧燃油經濟性，低速工況噴射壓力控制在2000bar以下比較合適。

3.5整機測試結果

圖8為發動機EGR率萬有特性的最終試驗結果。外特性工況EGR率保持在10%～20%（部分負荷會更大）；外特性最低空燃比均大于21（圖9）；高速大負荷區域最高噴射壓力達到了2500bar（圖10）。

VGT增壓比相對原固定節目增壓器（中冷后進氣表壓與環境壓力之比）增加了18%，最高達到了2.5（圖11）。這導致了整機的最大缸內爆發壓力達到了196bar，這需要發動機本體具備較好的承載基礎。

WHSC工況加權NOx為3.7 g/kW.h，WHSC工況加權PM為0.04 g/kW.h（表5），滿足本體開發目標。

發動機本體WHSC工況加權油耗202g/kW.h（表7），最低比油耗達到了188 g/kW.h，經濟性的改善得益于高效燃燒技術的應用。另外，由于歐VI排放需要使用SCR技術，這將導致消耗額外的尿素，因此，需要將尿素折合成燃油計算發動機綜合燃油經濟性。圖12對比了不同的尿素與柴油價格比對整機綜合燃油經濟性影響，結果表明：尿素與燃油價格比從0.25到1，整機本體NOx排放在3-4g/kw.h可以獲得整機最佳綜合燃油經濟性，說明本次開發目標可以較好的適應市場變化需求；隨著尿素與燃油價格比減小，整機本體NOx排放越大，綜合燃油經濟性越好。

表5　最終WHSC測試結果（單位：g/kW.h）

4　結 論

1）采用可變截面增壓（VGT）和電控EGR閥可以有效控制EGR率，顯著降低NOx排放以及實現合理空燃比。

2）為了適應冷卻EGR和高噴射壓力高效燃燒，匹配小流量、多孔、大錐角噴油器具有較好的優勢，可以有效改善NOX和煙度的折衷關系。

3）提高噴射壓力可以有效改善NOX和煙度的折衷關系；可以顯著降低因EGR率增加導致燃油經濟性惡化帶來的的負面影響。

4）由于應用了EGR和較高的增壓比，使得最高爆壓達到了196bar，需要對發動機基礎部件進行強化，提高發動機本體可靠性。

5）最終的WHSC排放測試結果滿足了開發目標，燃油經濟性具有較強的競爭優勢。這表明，采用冷卻EGR、可變增壓以及高噴射壓力燃燒技術具備滿足歐Ⅵ排放的能力。

［1］劉江唯. 國IV階段應用EGR技術的可行性［C］. 中國內燃機學會燃燒節能凈化分會2011年學術年會暨973項目年度工作會議論文集［A］.

［2］鄭尊清，堯命發，高俊華等. 采用VNT/EGR和DOC降低柴油機排放的試驗. 《內燃機學報》，2010，04期：289-296.

［3］Madhushankar Palanisamy，Jeffrey Lorch，Russell J. Truemner，et al. Combustion Characteristics of a 3000 Bar Diesel Fuel System on a Single Cylinder Research Engine. SAE Paper 2015-09-29，2015.

［4］Robert Morgan，Andrew Banks，Andrew Auld，et al. The Benefits of High Injection Pressure on Future Heavy Duty Engine Performance. SAE Paper 2015-09-06，2015.

［5］Timothy Jacobs，Dennis N. Assanis，Zoran Filipi. The Impact of Exhaust Gas Recirculation on Performance and Emissions of a Heavy-Duty Diesel Engine. SAE Paper 2003-03-03，2003.

［6］解茂昭. 內燃機計算燃燒學. 大連： 大連理工大學出版社，2005.

［7］王建盺，帥石金. 汽車發動機原理. 北京： 清華大學出版社，2012.

專家推薦

龍永生：

隨著排放法規越來越嚴，對改善發動機排放技術的研究會越來越受到關注。本文通過分析歐Ⅵ主流技術路線的優缺點。并選擇其中一種技術路線進行研究，在一臺重型共軌柴油機的基礎上通過采用冷卻EGR、高噴射壓力（最高噴射壓力250MPa）以及可變截面增壓（VGT）的燃燒技術進行試驗研究。結果表明這些措施具備滿足歐Ⅵ排放同時又具有較好的燃油經濟性的潛力。

文章已針對之前提出的問題進行修改，并得出EGR率對空燃比、NOx和煙度的影響規律。即：隨著EGR率增加空燃比會出現先平緩上升然后快速下降的變化規律，表明EGR率從0到17%范圍內，采用VGT實現中等EGR率的同時可以較好的控制空燃比；當EGR率從0到17%范圍內變化時，隨著EGR率增大，煙度排放變化比較平緩，這種顯著優點說明VGT在實現EGR率的同時可以保持較好的顆粒排放；隨著EGR率增大將會導致缸內燃燒溫度下降從而抑制了NOx的上升，因此EGR率可以有效降低NOx排放…等。

以上結論對企業解決排放問題有一定的指導意義，同意發表。

Research on Diesel engine EGR Combustion Technology for Conforming to Euro Ⅵ Standard

CHEN Wei-jian，LI Ji，TU Zhi-tao，ZHANG Hui-ya，XIANG Hui
（DongFeng Commercial Vehicle Co.，LTD.，the Engine Department Wuhan 430056，China）

To meet Euro-Ⅵ standard，firstly，current Euro-Ⅵ technology road map were analyzed anda Reliable technology was choosed for research. Also Based engine emission target was setting. Then，a combustion technology research on reduction emission by cooling EGR system，variable geometry turbocharger（VGT）and high injection pressure system was conducted by a heavy-duty common rail diesel engine. Results show that EGR ratio and air/fuel ratio can be best controlled by an orthogonal optimization method for adjusting EGR valve position and VGT position. An orthogonal optimization method also was used for choosing best injector and gasket. Increasing injection pressure can effectively improve the trade-off relationship between NOx and smoke emission，also fuel economy was improved. Base on optimization combustion system，WHSC test results shows that emissions can meet development target and best BSFC can reach 188 （g/kW.h）. It shows that this combustion technology has great potential for meeting Euro-Ⅵ standard and better fuel economy.

heavy-duty diesel engine； EURO Ⅵ； EGR； VGT；HPCR

2016-02-18

TK427

A

1005-2550（2016）04-0007-07

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.001