柴油機NOx排放控制技術研究及性能優化*

侯獻軍 李孟孟 杜松澤 莫麗蓉 許 京

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協同創新中心2) 武漢 430070)

柴油機NOx排放控制技術研究及性能優化*

侯獻軍1,2)李孟孟1,2)杜松澤1,2)莫麗蓉1,2)許 京1,2)

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協同創新中心2)武漢 430070)

研究高壓共軌、增壓中冷和廢氣再循環技術對發動機NOx排放及整機性能的影響，并將3種機內凈化技術聯合運行以優化發動機的綜合性能.結果表明，推遲噴油正時，增加噴油脈寬、降低增壓壓力和進氣溫度、增加EGR率都會降低柴油機NOx排放；優化后，最佳技術參數組合為：噴油正時為17 ℃A，噴油脈寬為1.75 ms，增壓壓力為240 kPa，增壓溫度為45 ℃，EGR率為15.2%.NOx排放從11.38 g/(kW·h)降低到3.22 g/(kW·h)，此時經濟性改善0.85%，動力性與原機相當.

NOx排放；機內凈化技術；性能優化；GT-POWER

0 引 言

柴油機以動力強勁、油耗低及工作可靠等優勢，成為車用動力的主要來源.同時隨著排放法規的日益嚴苛，NOx作為柴油機的主要排放物之一，對其排放控制技術的研究具有重要意義.

目前，國內外的主要研究趨勢是如何不犧牲或少犧牲發動機動力性和經濟性，盡可能發揮排放控制技術降低NOx排放的潛力[1].Christer等[2]研究二級增壓、廢氣再循環(exhaust gas recirculation，EGR)、可變氣門正時等技術對發動機的影響，目的是在保證動力性不下降的前提下，實現油耗、熱負荷及排放的降低.Braun等[3]研究柴油機同時采用高EGR率、高增壓和高噴射壓力以降低排放的潛力.張韋等[4]結合進氣富氧及高EGR率，實現某增壓中冷柴油機低NO-碳煙排放.王曉武[5]模擬分析了NOx和碳煙的分布及生成總量變化，研究了燃燒室結構和噴嘴參數對柴油機性能的影響.安士杰等[6]采用DOE與遺傳算法優化共軌柴油機結構參數，最終柴油機油耗、NOx和碳煙排放都有所降低.譚丕強等[7]研究EGR和噴油正時協同作用對發動機燃燒特性、燃油消耗率、NOx和HC排放的影響.

文中基于發動機工作過程模擬計算軟件GT-POWER，研究高壓共軌、增壓中冷和EGR技術對發動機NOx和碳煙排放、動力性及經濟性的影響.聯合3種機內凈化技術，對發動機綜合性能進行優化，確定最佳參數組合，以實現NOx排放降低的同時，保證動力性和經濟性的惡化程度在允許范圍內.

1 原機模型建立及校準

1.1 模型建立

研究樣機為某直列四缸四沖程、增壓中冷柴油機，主要技術參數見表1.

根據實際經驗，可將復雜的柴油機結構進行等效簡化，所建立的發動機原機模型由進排氣系統、渦輪增壓系統、中冷器系統、燃油噴射系統、氣缸和曲軸箱及相應連接管路等部分組成，見圖1.其中高壓共軌燃油噴射系統模型包括高壓油泵、共軌管、噴油器3部分.

表1 柴油機主要技術參數

圖1 原機計算模型

1.2 模型校準

為評價所建模型的計算精度和可靠性，對發動機外特性的仿真值與試驗值進行對比，見圖2～3.計算結果表明，有效功率和有效轉矩仿真值與試驗值誤差分別在2.09%，1.92%以內，仿真值與試驗值吻合良好，能夠進行發動機的定性研究.

圖2 發動機功率校準曲線

圖3 發動機轉矩校準曲線

2 高壓共軌技術對發動機性能的影響

2.1 噴油提前角對發動機性能的影響

基于GT-POWER軟件中的DOE(design of experiment)模塊，將噴油提前角由7.5 ℃A增加至22.5 ℃A.研究工況為額定功率點，即全負荷、發動機轉速為2 500 r/min.圖4為噴油提前角對發動機動力性、經濟性和排放性的影響.

圖4 噴油提前角對發動機性能的影響

由圖4a)～b)可知，推遲噴油，發動機的有效轉矩和有效功率均降低，燃油消耗率增大.推遲噴油導致著火滯燃期縮短，形成的可燃混合氣減少，從而降低了燃燒速率和放熱速率，最高爆發壓力和最高燃燒溫度都會減少.推遲噴油會使燃油燃燒不充分，發動機的動力性和經濟性有所惡化.

由圖4c)可知，推遲噴油定時可以降低柴油機 NOx排放，但碳煙排放增加.這主要是由于NOx和碳煙生成條件的不同造成的.NOx生成的3要素包括高溫、富氧和N2和O2的反應時間，碳煙生成因素為高溫和缺氧，主要在擴散燃燒中生成.推遲噴油定時，預混合燃燒的燃油量減少，而擴散燃燒燃油量占比增大，缸內最高燃燒壓力和最高燃燒溫度均降低，并且預混合氣處于缺氧的狀態，抑制NOx生成，但促進了碳煙生成.

2.2 噴油脈寬對發動機性能的影響

將噴油脈寬設置在1.58～2.08 ms之間，步長為0.05 ms，研究噴油脈寬對發動機性能的影響.圖5為噴油脈寬對發動機動力性、經濟性及排放性的影響.

圖5 噴油脈寬對發動機性能的影響

由圖5a)～b)可知，隨著噴油脈寬的增大，發動機的功率、轉矩均增大，燃油消耗率先降低后增大.這是因為噴油脈寬增大，噴油量增加，缸內平均壓力增大，有效功率和轉矩增大，燃油消耗率降低，但當噴油脈寬持續增大，燃油過多氧氣不足，導致經濟性惡化.

由圖5c)可知，隨著噴油脈寬的增大， NOx排放逐漸降低，碳煙排放增加.這是因為噴油量增大，高溫區氧質量濃度相對降低，導致大量碳煙產生，不利于NOx的生成.另一方面燃油過多，使得燃燒不完全，碳煙排放增加.

3 增壓中冷技術發動機性能的影響

3.1 增壓壓力對發動機性能的影響

將目標增壓壓力從160 kPa增至240 kPa，研究增壓壓力對發動機性能的影響，計算結果見圖6.

圖6 增壓壓力對發動機性能的影響

由圖6a)～b)可知，增壓壓力由160 kPa增加到240 kPa，發動機有效轉矩和功率增大，燃油消耗率有所降低.這是因為增壓壓力提高，發動機的空燃比增大，燃油燃燒更加充分，動力性上升，經濟性得以改善.

圖6c)為增壓壓力對發動機NOx和碳煙排放的影響.可以看出，提高增壓壓力，發動機NOx排放增加，碳煙排放降低.這主要是因為，增壓促進初始放熱，提高了燃燒溫度，同時也為燃燒提供了更多的氧氣.

3.2 增壓溫度對發動機性能的影響

保證增壓壓力不變，使中冷器溫度從300 K增長到350 K，研究增壓溫度對發動機性能的影響，計算結果見圖7.

圖7 中冷器溫度對發動機性能的影響

由圖7a)～b)可知，中冷器溫度降低，發動機轉矩和功率均增大，燃油消耗率降低.這是因為進氣溫度降低，空氣密度增加，進入氣缸的空氣質量增加會延長著火滯燃期，提高缸內燃燒壓力，從而提高動力性，改善燃油經濟性.

由圖7c)可見，中冷器溫度降低，發動機NOx排放降低，碳煙排放在中冷器溫度由350 K降低到310 K的過程是降低的，當中冷器溫度降低到300 K又稍有增加.進氣溫度降低，空氣密度增加，進入氣缸的空氣質量增加，壓縮終點溫度降低，缸內最高溫度降低，從而降低NOx排放，碳煙也會有所降低，但是當進氣溫度降低一定程度會削弱碳煙的氧化程度，碳煙排放又有所升高.

4 EGR技術對發動機性能的影響

4.1 EGR系統模型的建立

基于原機模型建立冷卻EGR系統，選擇高低壓回路，即渦輪機前到壓氣機前的進氣方式，見圖8.模型中控制EGR閥直徑實現EGR率的改變.

圖8 冷卻R系統仿真模型

4.2 EGR率對發動機性能的影響

EGR率目標值設定為0，5%，10%，15%，20%，25%.圖9為EGR率對發動機性能的影響.

圖9 EGR率對發動機性能的影響

由9a)～b)可知，隨著EGR率的增大，發動機的有效轉矩和功率均有所下降，燃油消耗率增加，且變化趨勢由緩到急.這是因為隨著EGR率的增加，空燃比下降，缸內阻滯燃燒化學反應的惰性氣體增多，擴散燃燒持續期延長，后燃加重.

由圖9c)可知，增加EGR率會使NOx排放顯著降低，碳煙排放增大.廢氣的引入稀釋新鮮進氣，降低了N2和O2的反應機會.再循環廢氣中含有比熱容較大的三原子氣體，例如，H2O和CO2，使缸內燃燒溫度降低，NOx生成受到抑制.此外，EGR減緩了燃燒速度，燃燒壓力和最高燃燒溫度都有所降低.進氣氧含量降低造成局部缺氧區域擴大，燃油燃燒不充分情況嚴重，碳煙生成量增加.

5 機內凈化技術關鍵參數優化

綜上所述，聯合3種機內凈化技術對發動機性能進行綜合優化.研究表明，經空空中冷的進氣溫度可降低到(50±5) ℃，所以設置中冷器溫度為45 ℃.基于DOE模塊對噴油正時、噴油脈寬、增壓壓力及EGR率進行聯合優化.將噴油正時設置為13 ℃A～17 ℃A，噴油脈寬設置為1.7～1.8 ms，增壓壓力設置為240～260 kPa，EGR率設置為14.7%～15.7%，計算結果見圖10.

圖10 關鍵技術參數DOE設置的發動機性能

對NOx排放進行約束得到方案31為最優方案，即噴油正時為17 ℃A、噴油脈寬為1.75 ms、噴油壓力為160 MPa、增壓壓力為240 kPa、EGR率為15.2%.最終NOx排放為3.22 g/(kW·h)，同時動力性與原機相當，燃油消耗率有所改善，見表2.

表2 優化前后發動機性能變化

6 結 論

1) 基于GT-POWER軟件建立柴油機原機計算模型并校準，模擬結果和試驗結果偏差在2%左右，適用于柴油機性能的定性研究.

2) 基于DOE模塊，研究高壓共軌技術中的噴油正時、噴油脈寬，增壓中冷技術中的增壓壓力和增壓溫度，EGR技術的EGR率對發動機NOx排放和整機性能的影響.研究結果表明，推遲噴油正時，增加噴油脈寬，降低增壓壓力和進氣溫度，增加EGR都會降低柴油機NOx排放.

3) 優化結果表明，研究工況下的最佳參數組合為：噴油正時為17 ℃A、噴油脈寬為1.75 ms、增壓壓力為240 kPa、中冷器溫度為45 ℃、EGR率為15.2%，最終NOx排放為3.22 g/(kW·h)，比原機降低71.73%，發動機經濟性有所改善，動力性與原機相當.

[1]趙航，王務林，楊建軍，等.車用柴油機后處理技術[M].北京：中華科學技術出版社，2010.

[2]CHRISTER W， BJORN H. Reducing emissions using two-stage turbocharging[J]. Wartsila Technical Journal,2008(1):35-41.

[3]BRAUN T, RABL H, MAYER W. Emission reduction potential by means of high boost and injection pressure at low- and mid-load for a common rail diesel engine under high egr rates[C]. SAE,2013(1)：25-41.

[4]張韋，舒歌群，沈穎剛，等.EGR與進氣富氧對直噴柴油機NO和碳煙排放的影響[J].內燃機學報，2012，30(1)：16-21.

[5]王曉武.一種高強化柴油機排放和燃油經濟性的數值模擬計算分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2009，33(4)：753-756.

[6]安士杰，白祿峰.基于DOE與遺傳算法相結合的共軌柴油機噴射參數優化[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2013，37(6)：1176-1179.

[7]譚丕強，劉慶鵬，徐寧，等.輕型柴油機EGR與噴油正時的協調性能研究[J].內燃機工程，2014，35(6)：7-13.

Research on NOxEmission Control Technology of Diesel Engine and Its Performance Optimization

HOU Xianjun1,2)LI Mengmeng1,2)DU Songze1,2)MO Lirong1,2)XU Jing1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

The influence of high pressure common rail technology, turbocharged inter-cooled technology and Exhaust Gas Recirculation (EGR) technology on diesel engine NOxemission and engine performance is studied in this paper. The engine performance is optimized by combining three types of internal-engine purification technologies. The research shows that the diesel engine NOxemission can be reduced by delaying the injection timing, increasing the width of fuel injection pulse, reducing the supercharging pressure and inlet temperature as well as increasing the EGR rate. After the optimization of engine performance, the injection timing is 17°; the fuel injection pulse width is 1.75 ms; the boost pressure and temperature are 240 kPa and 45 degrees, respectively; and the EGR rate is 15.2%. The resulting diesel engine NOxemission reduces from 11.38g/(kW·h) to 3.22 g/(kW·h), the fuel economy improves by 0.85%, and the power performance decreases by 0.28%. Besides, the power characteristic of the optimized engine is similar to that of the original engine.

NOxemission; purification technology; performance optimization; GT-POWER

2016-08-22

*湖北省自然科學基金重點項目資助(2013CFA104)

TK421

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.004

侯獻軍 (1973—)：男，博士，教授，主要研究領域為汽車及發動機CAD/CAE，發動機排放控制及電控技術