基于WLTC工況的柴油機高低壓EGR分配策略的試驗研究

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，環境污染問題越來越突出，也越來越受到重視。2016年，國家環保部發布了輕型汽車國六排放法規[1]，相比于國五法規，以M1類車為例，氮氧化物(NOx)排放限值從國五的180 g/km降低到了80 g/km，降幅達56%(圖1)。越來越嚴格的排放法規一方面對柴油機如何在保持經濟性的同時降低NOx和顆粒物排放提出了更嚴苛的要求，同時也成為柴油機技術不斷革新的有效驅動力。

圖1 輕型車NOx排放法規限值

柴油機排氣凈化技術主要分為機內凈化技術和機外凈化技術，機內凈化技術主要有：電控高壓燃油噴射技術、渦輪增壓技術、廢氣再循環(EGR)技術等，機外凈化技術主要有：顆粒物過濾技術、氧化催化轉換技術、氮氧化物還原催化技術等[2]。

EGR技術是公認的降低柴油機NOx排放的有效技術。根據在增壓柴油機上取氣位置的不同，EGR可以分為高壓和低壓2種形式。其中高壓EGR廢氣取自渦輪前，引入到進氣歧管，而低壓EGR則是廢氣取自柴油顆粒過濾器(DPF)后，引入到壓氣機前。

相對于傳統的高壓EGR系統，低壓EGR系統主要有以下幾點優勢：

(1)低壓EGR的廢氣引入在壓氣機前，要經過中冷器及很長的管路，所以低壓EGR的氣體溫度更低。

(2)排氣廢氣經過了DPF的過濾，EGR廢氣變得更清潔。

(3)在相同的增壓壓力下，可變截面渦輪增壓器(VGT)開度更小，使得運行工況點向增壓器壓氣機的高效率區域轉移，更高的增壓器效率使泵氣損失更低[3]。

本文對1臺2.0 L的高壓共軌柴油機，研究了其性能和隨著高低壓EGR率及其不同分配比例對排放的影響。另外，針對1個匹配車型，運用試驗設計(DOE)的方法分析了各個工況的最佳EGR控制策略。

1 試驗方案與研究方法

試驗樣機為1臺2.0 L的高壓共軌柴油機，發動機的主要技術參數見表1。圖2是高低壓EGR系統示意圖。表2列出了試驗用到的主要測量設備。

表1 發動機主要技術參數

表2 主要測量設備

圖2 高低壓EGR系統示意圖

EGR率主要通過排氣分析儀測量CO2的濃度計算得到[4]，試驗時總共布置3個CO2濃度測點：一個在增壓器渦輪出口，氧化催化器(DOC)之前，測量排氣中的CO2濃度；一個在進氣歧管上，測量進氣總的CO2濃度；還有一個在增壓中冷之后，節氣門之前，測量低壓EGR部分的CO2濃度。高壓EGR率由總EGR率和低壓EGR率相減得到，計算如下：

(1)

(2)

HPEGR%=(EGR%-LPEGR%)×100%

(3)

文中以低壓EGR的比例來描述高低壓EGR分配的關系。低壓比例100%表示純低壓EGR工作，低壓比例為0表示純高壓EGR工作，低壓比例60%表示高低壓EGR同時工作，且低壓EGR占比60%，高壓EGR占比40%。

2 試驗結果與分析

針對1臺歐6排放標準的皮卡車，根據車輛的道路阻力、整備質量、速比等信息，把整車WLTC循環工況換算成了發動機工況，選擇有代表性的3個工況點進行試驗研究。輕型車WLTC循環見圖3。圖4是換算成的發動機工況點。表3示出了選擇的3個工況點，表4是整車的主要技術參數。

表3 穩態試驗工況點

表4 整車主要技術參數

圖3 輕型車WLTC循環

圖4 WLTC循環對應發動機工況點

為了評價低壓EGR相對于高壓EGR的不同性能，對所選的3個工況點進行EGR掃描試驗，也就是試驗時保持其他燃燒參數不變，通過改變新鮮空氣的需求量改變EGR率，從EGR率為0慢慢增大，直到邊界條件到達了極限。

從圖5中可以看出，在相同的NOx排放水平下，使用低壓EGR比高壓EGR的油耗和煙度都要低，與僅用低壓EGR和僅用高壓EGR相比，油耗降低約2%，煙度降低約38%。低壓EGR的廢氣經過了低壓EGR冷卻器和中冷器，相對于高壓EGR而言，EGR出氣溫度更低，進氣歧管的溫度基本接近中冷后的溫度，由于進氣歧管溫度低，低壓EGR改善了過量空氣系數，因此，低壓EGR系統更低的缸內燃燒溫度導致了更低的NOx排放水平。但是，另一方面，從整車的角度考慮，由于低速低負荷時排氣流量小，低壓EGR的管路又要長于高壓EGR，會導致瞬態響應差，空氣量的實際值跟不上需求值，會導致動態排放變差。

圖5 1 500 r/min BMEP 0.3 MPa工況點下高低壓EGR不同分配比例的影響

圖6是在轉速1 800 r/min BMEP 0.8 MPa工況下不同高低壓EGR分配比例的試驗結果。結果顯示：隨著低壓EGR比例的提高，油耗和煙度都有不同程度的改善，僅使用低壓EGR和僅使用高壓EGR相比，在NOx排放同樣為1.0 g/kWh時，油耗降低4.5%，煙度降低50%。

圖6 1 800 r/min BMEP 0.8 MPa工況下高低壓EGR不同分配比例的影響

圖7是在轉速2 200 r/min BMEP 1.6 MPa工況下不同高低壓EGR分配比例的試驗結果。結果顯示：在該工況點，低壓EGR比例30%和60%時的比油耗接近且最低，僅使用低壓EGR和低壓EGR比例60%時煙度結果接近且最低。

圖7 2 200r/min BMEP 1.6 MPa高低壓EGR不同分配比例的影響

結合圖5、圖6以及圖7可以看出，不同的工況需要使用不同的高低壓EGR分配策略，才能使油耗和排放達到最優。低速低負荷時，雖然從穩態試驗結果看，低壓EGR能降低油耗和煙度，但是由于低速響應的問題，需要結合整車匹配進行綜合考慮，中速中負荷使用低壓EGR可以大幅度地改善油耗和降低煙度，高速高負荷時，高低壓EGR結合使用能更大程度地降低油耗和排放。

在相同的NOx排放水平下，對3個穩態試驗工況點進行高低壓EGR分配比例的優化標定，結果如圖8所示。優化后，在1 500 r/min， BMEP 0.3 MPa， 1 800 r/min、BMEP 0.8 MPa和2 200 r/min， BMEP 1.6 MPa這三個工況點低壓EGR比例分別為25%、90%和82%。

圖8 相同NOx排放下不同工況高低壓EGR分配比例掃描

隨著轉速和負荷的增加，提高低壓EGR的比例可以改善油耗和降低排放。使用低壓EGR由于進氣歧管溫度低，要達到相同的NOx排放水平，所需的EGR率可以更低。如果使用高壓EGR，由于進氣歧管溫度相對較高，從而使進氣密度下降。另一方面，由于更高的EGR率需要更大的渦前壓力，也就是需要增大增壓器VGT的開度，增加了泵氣損失，隨著轉速和負荷的增加，泵氣損失更大，導致發動機效率降低。所以，在高速高負荷時使用低壓EGR更有優勢。

為了進一步優化整個輕型車排放區域的高低壓EGR分配策略，使用全局DOE的方法對發動機參數以及高低壓EGR的分配進行了優化，優化目標是在NOx和PM排放達到工程目標的前提下，最大程度地改善油耗。全局DOE優化的區域如圖9所示，基本覆蓋了整個WLTC循環工況。

圖9 全局DOE優化區域

考慮到瞬態EGR控制是輕型車發動機標定過程中的其中一個關鍵因素，結合WLTC的循環工況，最終的高低壓EGR分配比例結果如圖10所示。從圖中可以看到，低速低負荷區域，以高壓EGR為主，中速中負荷區域以低壓EGR為主，低壓EGR的比例在80%～90%左右，高速高負荷區域還是以低壓EGR為主，但是比例有所降低，在70%左右。整個發動機區域的優化結果也顯示了高低壓EGR系統相對于傳統的高壓EGR系統具有更好的燃油經濟性和更好的排放潛能。相比僅采用高壓EGR的系統，低壓EGR由于更低的進氣歧管溫度和泵氣損失，使其高速高負荷的優勢更加明顯。

3 結論

通過本文對高低壓EGR發動機的試驗研究，可以總結出如下結論：

(1)在相同的NOx排放水平下，使用低壓EGR能改善油耗和降低煙度。

(2)低速低負荷時，由于低壓EGR的管路較高壓EGR長，瞬態響應沒有高壓EGR快，所以低速低負荷使用高壓EGR更佳。

圖10 高低壓EGR分配比例優化結果

(3)隨著轉速和負荷的增大，更低的進氣歧管溫度和泵氣損失使低壓EGR更具優勢。

(4)中等負荷區域以低壓EGR為主，高壓EGR為輔，高低壓EGR結合使用的策略使發動機在保持低排放的前提下獲得更好的燃油經濟性水平。

[1]GB 18352.6-2016，輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)[S].

[2]童澄教. 內燃機排放與凈化[M]. 上海交通大學出版社, 1994.

[3]Nam K, Yu J, Cho S. Improvement of fuel economy and transient control in a passenger diesel engine using LP(Low Pressure)-EGR[J]. SAE Technical Papers, 2011-01-0400.

[4]張文強，鄭尊清，堯命發，等．高/低壓EGR對兩級增壓柴油機性能和排放影響的試驗研究[J].內燃機工程, 2014 ,35(1)：1-7.