EGR柴油機瞬態性能優化研究

高官龍， 李盛成， 劉忠長， 田徑， 韓恒， 于凱波

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130022)

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EGR柴油機瞬態性能優化研究

高官龍， 李盛成， 劉忠長， 田徑， 韓恒， 于凱波

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130022)

以降低瞬態過程煙度和NOx排放為目標，在一臺高壓共軌電控重型柴油機上進行了EGR對柴油機恒轉速增扭矩5 s典型瞬態過程燃燒和排放性能影響的優化研究。結果表明：瞬態過程中固定EGR閥開度造成EGR率“超調”、煙度劇增；與“全程軌壓”策略相比，“分段軌壓”有利于改善小負荷工況的燃燒熱氛圍，提高瞬態起始負荷并耦合“分段軌壓”可以有效降低瞬態過程煙度峰值；EGR閥的開閉對瞬態性能影響最大，瞬態過程1.5 s關閥、4 s開閥的策略可以實現較好的煙度和NOx排放折中，消光煙度峰值為9.2%，NOx峰值稍有增加但增幅不大。

增壓柴油機； 瞬態工況； 噴油壓力； 廢氣再循環； 煙度； 氮氧化物

車用柴油機大部分運行時間處于瞬態工況下，增壓柴油機瞬態工況下進氣嚴重滯后于噴油，會導致柴油機性能劣變[1]。與穩態工況相比，瞬態工況下存在噪聲激增、排放及燃油經濟性惡化等問題[2]，特別是引入EGR系統后，若將穩態性能優化時所采用的EGR閥開度直接運用于瞬態工況，更是加劇了排放及燃油經濟性的惡化程度[3]。為此，如何解決EGR柴油機瞬態過程的性能惡化問題已成為內燃機性能開發領域的研究重點。

為應對柴油機瞬態性能劣變問題，國內外柴油機研究機構更偏向于通過噴油參數柔性調制與EGR閥耦合控制等常用穩態性能優化策略來解決。比如，將實現低溫燃燒模式的高噴油壓力和多次噴射方式[3-6]直接運用于瞬態工況，理論上有助于避開NOx和炭煙生成區域。這主要得益于高噴油壓力會提高燃油油束動量，促進發動機瞬態過程燃油和空氣的混合，降低柴油機尾氣中的顆粒物排放。此外，EGR閥動態響應差導致原機瞬態過程缸內油氣混合狀態較穩態工況明顯偏離等因素，促使對柴油機瞬態性能的研究領域也側重在EGR系統設計和控制方面，比如在EGR低壓回路或低高壓雙回路實現對EGR率寬范圍閾值可控[7-9]前提下，借助尾氣中氧氣質量分數作為EGR閥反饋控制參數[10]或構建EGR閥PID模塊控制[11-12]等，均在一定程度上有效抑制了EGR超調現象及顆粒物峰值排放惡化問題。從而不難看出當下對柴油機瞬態性能優化研究主要集中于較為單一的優化方式探索，尚缺乏科學的系統性瞬態性能優化路徑分析。為此，本研究主要針對EGR導致瞬態性能嚴重劣變這一特征，在一臺增壓中冷高壓共軌重型柴油機上從EGR閥控制、噴油參數、瞬態工況特征等多個角度探討典型恒轉速增扭矩瞬態過程性能優化的可行性，為制定EGR瞬態性能優化路徑提供理論依據。

1 試驗測控系統及研究方法

增壓中冷高壓共軌電控重型柴油機樣機的技術參數見表1。試驗臺架裝置及測控系統見圖1。研究采用毫秒級A/D數據采集卡及相應的高速傳感器構建了實時(10 ms)參數測量系統，可以實現發動機轉速、扭矩、進排氣溫度及壓力、消光式煙度和尾氣排放的實時測量和記錄；共軌平臺下發動機工況控制最終信號為油門電壓，瞬態工況點控制借助單片機實現，具備了高響應速度和高精度優點，配合電渦流測功機可實現典型瞬態工況的重復再現。

此外，本研究采用高—低回路EGR循環方式，回流廢氣從渦輪機之前引出，廢氣流經單向閥后再進入EGR中冷器，最終引入壓氣機前。利用步進電機控制EGR閥開度，并根據穩態工況EGR率優化結果利用單片機查詢轉速和負荷MAP可以實時控制EGR閥的最優開度(EGR閥全開60步，單步執行時間為20 ms)。

表1 試驗用柴油機主要參數

圖1 瞬態試驗臺架和測控平臺示意

試驗過程中柴油機的轉速穩定在1 650 r/min，負荷在5 s時間內從0%，10%或20%線性地上升到滿負荷。試驗中采用體積濃度的方法計算EGR率：

式中：(CO2)atm為環境中CO2體積分數；(CO2)exh為排氣管中CO2體積分數；(CO2)int為進氣管中CO2體積分數。CO2濃度由MEXA-7200DEGR排放分析儀進行檢測，并且能夠同時對尾氣中的CO，THC，NOx等進行實時測量。

2 試驗結果及分析

試驗首先研究瞬態過程中固定EGR閥開度對柴油機性能的影響(見圖2)。以典型的恒轉速增扭矩瞬態過程(1 650 r/min、負荷在0～5 s時間內從0%線性增至100%)入手，固定EGR閥開度恒定在1 650 r/min，50%負荷時達到5%EGR率時所對應的開度。

圖2 瞬態工況下EGR率的突變

從圖2中可以看出，EGR閥開度固定時，瞬態過程中EGR率和穩態工況相比明顯升高(最大差值為2.6%)。EGR率的“超調”加重了瞬態過程中進氣量不足的現象，造成消光煙度峰值急劇升高(峰值達到31.4%)。為了抑制煙度，試驗依次研究了噴油壓力和EGR閥開度對瞬態過程的影響。

2.1 噴油壓力策略對瞬態性能的影響

為了描述瞬態性能的變化趨勢，本研究均將瞬態過程開始時間(0 s)設定為第0個工作循環，5 s內共經歷69個工作循環。

2.1.1 “全程軌壓”策略對瞬態性能的影響

在恒轉速增扭矩的瞬態工況下，進氣中引入EGR加劇了煙度惡化。為了改善加EGR以后的瞬態性能，首先研究“全程軌壓”策略對加EGR以后的瞬態性能的影響。“全程軌壓”策略指以原機軌壓MAP為基礎，分別將軌壓增加10 MPa和20 MPa，受限于最高軌壓(160 MPa)，軌壓的最大增量設置為20 MPa。

圖3示出“全程軌壓”策略對瞬態過程排放和進氣量的影響。從圖3可以看出，瞬態過程中隨軌壓增加NOx排放升高，而消光煙度變化較小。采取“全程軌壓”策略有利于促進燃油與空氣的混合，改善缸內燃燒過程，增加缸內NOx的生成。但從圖3c可以看出，提高軌壓對于瞬態過程進氣量響應幾乎無影響。又由于EGR的引入，缸內氧濃度降低，這對炭煙的生成起到主要促進作用。

圖4示出“全程軌壓”策略對瞬態過程燃燒性能的影響?？梢钥闯?，在瞬態過程的前期，“全程軌壓”策略造成缸壓峰值增加，缸壓峰值對應的曲軸轉角和燃燒重心提前，燃燒持續期縮短；瞬態過程的中后期，“全程軌壓”策略對燃燒性能的影響減弱。推測其原因：瞬態工況前期(小負荷階段)，由于進氣響應延遲，缸內工質密度較低，進氣氣流運動相對較弱，此時增加噴油壓力又引起油束貫穿距離增加，極有可能造成燃油“濕壁”現象。此外，進氣氣流運動與噴油壓力的不匹配還會加劇瞬態工況熱力狀態的延遲，給瞬態過程中后期帶來不利影響，抵消增加軌壓對燃燒過程的改善效果。

圖3 “全程軌壓”策略對瞬態過程排放和進氣量的影響

圖4 “全程軌壓”策略對燃燒性能的影響

2.1.2 起始負荷對瞬態性能的影響

通過研究發現，“全程軌壓”策略對0%—100%負荷瞬態工況煙度的改善較小?？紤]到瞬態過程小負荷階段增加噴油壓力可能造成燃油“濕壁”，加劇缸內熱力狀態延遲，試驗繼續研究提高瞬態起始負荷對加EGR以后瞬態性能的影響。具體的策略為：采取和前文相同的EGR閥開度(1 650 r/min，50%負荷時達到5%EGR率時所對應的開度)和瞬態時間(5 s)，分別探究0%—100%，10%—100%和20%—100%瞬態過程下的性能變化規律。

圖5示出不同起始負荷對瞬態過程煙度和進氣量的影響。從圖5a可以看出，提高瞬態過程的起始負荷能夠有效降低柴油機瞬態過程中的煙度峰值，20%—100%瞬態工況下的消光煙度峰值為20.5%，與0%—100%過程相比降幅達34.7%。煙度降低主要受益于進氣量的增加，如圖5b所示，瞬態起始負荷為20%時的進氣量相比0%負荷時增加89 kg/h。此外，較高的起始負荷下具有更好的缸內燃燒熱氛圍，有利于緩解瞬態工況熱力狀態的延遲。

圖5 起始負荷對瞬態過程煙度和進氣量的影響

2.1.3 “分段軌壓”策略對瞬態性能的影響

雖然提高瞬態過程的起始負荷能夠減小煙度，但是受限于柴油機實際使用過程，起始負荷不能太高。因此，為了進一步優化柴油機進氣加EGR后的瞬態性能，本試驗采取“分段軌壓”策略(見圖6)，即在小負荷時保持原機軌壓，當達到某一設定負荷時(45%負荷)，在原機的基礎上增加軌壓(增加20 MPa)。

試驗中采取的“分段軌壓”策略見表2，在20%—100%負荷瞬態工況下，保持EGR閥開度恒定，分別以20%，25%，35%和45%負荷為軌壓增加的拐點負荷，將原機軌壓增加20 MPa。

圖6 “分段軌壓”策略示意

策略1234軌壓增加拐點負荷/%20253545拐點負荷的扭矩/N·m280350490630

圖7示出“分段軌壓”策略對瞬態過程煙度的影響。為了更加直觀地比較瞬態過程煙度的差別，本研究定義累計煙度比例的概念：以20%—100%原機瞬態過程的累計煙度為1，“分段軌壓”策略下的累計煙度與其比值就是該策略下的累計煙度比例。累計煙度的比例越小(小于1)，則表明該策略對瞬態過程煙度的優化能力越強。瞬態過程中累計煙度的計算方法為

式中：t1為瞬態加載開始時刻；t2為瞬態加載結束時刻；N為瞬時煙度值。

從圖7可以看出，“分段軌壓”對消光煙度峰值的影響較小(略有降低)，但“分段軌壓”策略對煙度的生成歷程影響較為明顯。如圖7b所示，490 N·m之后增加噴油壓力(策略3)對累計煙度(76.7%)的優化效果最好。由圖7a可見，“分段軌壓”策略對瞬態過程中、大負荷煙度的改善程度增加，這印證了保持原機軌壓更有利于改善小負荷工況的燃燒熱氛圍，間接證明“全程軌壓”的局限性。

圖7 “分段軌壓”對煙度的影響

圖8示出“分段軌壓”策略對燃燒性能的影響。由圖8可見，采取“分段軌壓”策略后缸壓峰值顯著增加，燃燒重心明顯提前。其原因是：隨著噴油壓力的增加，噴油持續期減小，油氣混合更加均勻且混合速率加快，燃燒更加集中，促進了燃料的快速、充分燃燒。

圖8 “分段軌壓”策略對燃燒性能的影響

2.2 EGR策略對瞬態性能的影響

2.2.1 EGR閥關閉時刻對瞬態性能的影響

增加起始負荷和采取“分段軌壓”策略都能降低柴油機瞬態過程中的煙度，但是由于瞬態過程固定EGR閥開度，不可避免地引起EGR率的“超調”，煙度峰值仍然較大。因此，試驗繼續研究瞬態過程中EGR閥關閉時刻對性能的影響。仍然在20%—100%負荷瞬態工況下，計瞬態過程開始時刻為0 s，分別設置EGR閥關閉時刻為0 s，0.5 s，1 s，1.5 s和2 s。

圖9示出EGR閥關閉時刻對瞬態過程排放性能的影響?？梢钥闯觯P閉EGR閥后NOx排放大幅增加，而煙度大幅減小。選取1.5 s為最優的關閥時刻時，消光煙度峰值為8.9%，與20%—100%負荷原機瞬態過程相比，降幅為56.6%。結合圖10可以發現，隨著EGR閥的關閉，EGR率迅速減小至0，進氣量相比原機明顯增加。采取關閥措施可以避免EGR率的“超調”并在一定程度上緩解加EGR后引起的進氣量減少，因此可以有效抑制煙度。

圖9 EGR閥關閉時刻對瞬態排放性能的影響

圖10 EGR閥關閉時刻對進氣量和EGR率的影響

在前文研究的基礎上，試驗又將EGR閥關閉時刻和“分段軌壓”策略相結合，進一步研究降低煙度的可能性。

圖11示出20%—100%瞬態過程中，1.5 s關閉EGR閥結合“分段軌壓”(策略3)對煙度的影響。如圖所示，使用“分段軌壓”策略后瞬態過程中煙度峰值進一步降低至6.8%。EGR閥的關閉在一定程度上增加了進氣量，進氣與供油的匹配性更優，燃燒狀況改善更大。

圖11 EGR閥關閉時刻結合“分段軌壓”策略對 消光煙度的影響

2.2.2 EGR閥開啟時刻對瞬態性能的影響

通過結合EGR閥關閉策略和“分段軌壓”策略能滿足對煙度的要求，但NOx排放增加較大。試驗為達到煙度和NOx排放的折中，以最優EGR閥關閉時刻(1.5 s)和“分段軌壓”策略(策略3)為基礎，繼續研究EGR閥的開啟時刻對瞬態排放性能的影響。其中，分別設置EGR閥的打開時刻為瞬態開始后的2.5 s，3 s，3.5 s和4 s，再次打開時EGR閥的開度與關閉之前相同。

圖12示出EGR閥開啟時刻對瞬態排放性能的影響。從圖12a可以看出，EGR閥再次開啟會引起煙度增加，且開啟時刻越早，煙度增幅越大；結合圖12b，再次開啟EGR閥可以明顯改善NOx排放。數據表明，4 s時開啟EGR閥可以得到最優的煙度和NOx排放折中，此時，消光煙度峰值比原機(固定閥開度)降低了55.1%(從20.5%降低至9.2%)，而NOx排放在出現短暫的峰值后連續降低，NOx峰值僅比原機增加17%(從559×10-6升至657×10-6)。EGR閥再次打開的時刻較晚有兩個好處：一方面，進氣滯后得到較大緩解，EGR的引入對進氣量影響較小，所以煙度變化較小，消光煙度峰值相比1.5 s關閥而不開閥時僅增加了2.4%；另一方面，瞬態過程后期缸內燃燒溫度達到較高值，EGR的熱效應和稀釋效應起主導作用，可以有效抑制NOx生成。

圖12 EGR閥開啟時刻對瞬態排放性能的影響

3 結論

a) 瞬態過程中固定EGR閥開度會引起EGR率“超調”現象，造成煙度嚴重惡化；

b) “全程軌壓”策略對進氣加EGR后的瞬態性能改善程度很小，在小負荷時過高的噴油壓力還會引起燃油“濕壁”現象；

c) 適當提高瞬態起始負荷，并結合使用“分段軌壓”策略，可以較好地避開瞬態過程小負荷階段熱力狀態延遲問題，優化煙度性能；

d) EGR閥的開閉對瞬態性能影響明顯，1.5 s關閉EGR閥，并結合“分段軌壓”策略可以使煙度峰值降低至6.8%，但NOx排放增幅較大；進一步設置4 s時開啟EGR閥可以得到最優的煙度和NOx排放折中，此時，煙度峰值為9.2%，NOx峰值僅比原機(固定EGR閥開度)增加17%。

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[編輯： 袁曉燕]

Optimization of Transient Performance for Diesel Engine with EGR

GAO Guanlong, LI Shengcheng, LIU Zhongchang, TIAN Jing, HAN Heng, YU Kaibo

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control of Jilin University, Changchun 130022, China)

In order to reduce the NOxand smoke emissions during the transient process, the influences of EGR on combustion and emission were studied though the test of 5 s torque increase at constant speed on a high pressure common rail electronically-controlled heavy duty diesel engine. The results show that the EGR rate will overshoot so that the soot emission drastically increases if the EGR opening keeps constant during the transient process. Compared with the full-stage rail pressure strategy, the multi-stage fuel injection strategy helps to form the better thermo-atmosphere, which can reduce the peak soot emission effectively combined with higher initial loads. In addition, the opening and closing behavior of EGR valve have a great influence on engine transient performance. The 1.5 s opening and 4.0 s closing strategy can realize the compromise between soot and NOxemissions, while the peak smoke opacity is 9.2% and the peak NOxemission has little increase.

turbocharged diesel engine; transient process; injection pressure; exhaust gas recirculation(EGR); smoke; nitrogen oxides

2017-03-03；

2017-03-29

吉林省科技發展計劃項目(20150520113JH)

高官龍(1991—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機公害與控制；ggld1991@163.com。

李盛成(1965—)，男，主要研究方向為內燃機公害與控制；lisc@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.008

TK421.5

B

1001-2222(2017)03-0042-07