排氣背壓對有無EGR重型柴油機油耗的影響

祁金柱，王國仰，唐志濤，于濤

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排氣背壓對有無EGR重型柴油機油耗的影響

祁金柱1，王國仰2，唐志濤1，于濤1

（1.煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264005；2.山東大學能源與動力工程學院，山東 濟南 250000）

為了研究排氣背壓對有無廢氣再循環（EGR,Exhaust Gas Recirculation）重型柴油機油耗及排溫等性能的影響，選取了1540r/min和320N.m的穩態工況分別對有EGR和無EGR的發動機進行了變排氣背壓試驗。試驗結果表明：排氣背壓每增加1kPa，無EGR的發動機油耗率增加0.49g/kWh；有EGR的發動機油耗率增加1.43g/kWh；排氣背壓對有EGR發動機的油耗率更敏感；低背壓時，有EGR發動機的油耗率低于無EGR發動機，高背壓時，有EGR發動機高于無EGR發動機。研究結果為重型柴油機排氣系統結構設計和布置提供了理論指導。

重型柴油機；EGR；排氣背壓；油耗率

前言

柴油機具有油耗低、低速扭矩大等優點，因而作為道路和非道路機械動力得到廣泛應用[1]，但是柴油機的顆粒物排放嚴重。必須加裝DPF才能滿足日趨嚴格的排放法規[2]。隨著PM在DPF中積累和一些排氣系統設計的不合理，導致發動機排氣背壓增加，增壓器性能下降，進而導致進氣量減少[3]。排氣背壓的增加反過來又會使發動機的燃燒惡化，油耗率升高[4]。

國內外有很多學者對排氣背壓進行了相關的探索，但是這些研究都是針對汽油機和小型單缸柴油機的。對于有EGR和無EGR的重型柴油機的橫向對比少見。所以有必要對此進行研究。

1 試驗裝置及方法

如圖1所示，試驗用一臺電控高壓共軌、增壓中冷、帶EGR的直列式柴油機，技術參數見表1。試驗用油硫含量低于10mg/kg。通過調節蝶形閥產生穩定的背壓，使用量程為30kPa 的壓差傳感器讀取實時的壓差，壓力穩定以后測量180s左右，通過更換ECU來調節EGR閥的開閉。

圖1 試驗臺架總體布置圖

表1 發動機主要參數

2 試驗結果與分析

2.1 排氣背壓對發動機油耗率的影響

無EGR發動機分段采樣11個梯度（在4.48kPa-30.00kPa之間，以2.50kPa的步長采樣）。有EGR發動機采樣7次（以2.5步長在2.50kPa-17.50kPa之間取樣）。因為有EGR發動機，隨著排氣背壓的增加，ECU自動調節EGR率，導致排氣背壓不容易提升，即使背壓閥開度很小時，背壓增加也不明顯，不利于采樣。此時發動機運行變得極不穩定，為了防止損壞發動機，只采集了7次。

圖2 排氣背壓對油耗率的影響

由圖2可知，無EGR發動機，當背壓從4.48kPa增加到29.99kPa，油耗率從244.28g/kWh增加到了256.85g/kWh，增長了5.15%，背壓每增加1kPa，油耗率增加0.49g/kWh，由此可得經驗公式為y=0.51x+241.33；有EGR發動機，當背壓從2.38kPa增加到17.85kPa，油耗率從235.35g/kWh增加到257.40g/kWh，增長了9.37%。背壓每增加1kPa，油耗率增加1.43g/kWh。

對油耗率的對比可以發現，在排氣背壓比較小（小于15kPa）時，和無EGR發動機相比，有EGR發動機的油耗率明顯偏低。原因可能在于，在一定范圍內，隨著排氣背壓的增大，EGR率也增大，部分高溫廢氣進入氣缸參與燃燒，使缸內的溫度升高。此時，溫度升高對燃燒帶來的益處超過了氧含量降低帶來的惡化，使缸內的油氣混合更加的均勻，燃燒也更加的充分，燃油經濟性更好，所以此時油耗率偏低。隨著排氣背壓的繼續增大（超過15kPa），有EGR發動機的油耗率急劇增大，超過了無EGR發動機的油耗率。究其原因，一是帶有EGR發動機隨著排氣背壓的繼續增加，相應的EGR率也會增大，更多的廢氣返回氣缸。此時，溫度升高對燃燒帶來的益處已遠遠小于氧含量降低帶來的惡化，導致缸內的燃燒狀況急劇變差，油耗率明顯增加。二是隨著排氣背壓的增加，發動機排氣受阻，更多的廢氣滯留缸內，導致殘余廢氣系數增加，充氣效率降低，氧含量降低。另外，此時增壓器的動力也會減小，這樣會使進氣量減少。氧氣量的不足反過來又加劇了發動機缸內燃燒的惡化，最后油耗率大大增加。

所以在排氣背壓比較低的時候對無EGR發動機油耗率影響較小，而在背壓升高比較明顯的時候，對有EGR發動機油耗率影響急劇增大。

2.2 排氣背壓對發動機進氣流量的影響

由圖3知，進氣流量都隨著排氣背壓的增大而減少，但是有EGR發動機減小的幅度比無EGR發動機要大很多，當無EGR發動機排氣背壓從4.48kPa增加到29.99kPa，進氣流量從629.88kg/h減少到551.01kg/h，減少率為12.52%，排氣背壓每增加1kPa，進氣流量減少3.09kg/h；而有EGR發動機排氣背壓從2.38kPa增加到17.85kPa，進氣流量從454.97kg/h減少到302.14kg/h，減少率為33.59%，排氣背壓每增加1kPa，進氣流量減少9.88kg/h。

圖3 排氣背壓對進氣流量的影響

上述現象的原因主要是由于排氣背壓對渦前壓力和進氣壓力產生的影響，進而影響到了進氣流量。

由圖4可知：對于無EGR發動機，隨著背壓的增加發動機的排氣受阻，渦輪旋轉的阻力變大，渦前的壓力也會增加。當排氣背壓從4.48kPa增加到29.99kPa時，無EGR發動機渦前壓力從50.05kPa增加到了62.96kPa，增長率為24.67%，排氣背壓每增加1kPa，渦前壓力增加0.49kPa；背壓增加的幅度明顯大于渦前壓力增加的幅度，所以兩者的差值減少，渦輪做功降低，進而導致進氣流量減少。

圖4 排氣背壓對渦前壓力的影響

而對于有EGR發動機，當排氣背壓從2.38kPa增加到17.85kPa，渦前壓力反而從45.93kPa減少到了39.29kPa，減少率為14.45%，排氣背壓每增加1kPa，渦前壓力減少0.43kPa。通過分析，可能是因為，就像前面提到的，隨著背壓的增大，EGR率增大，殘余廢氣系數增大，缸內廢氣增多，進氣流量減少，充量系數急劇減小。而此時，油耗量反而又增大，油氣混合極度不均勻，導致缸內燃燒所產生的高溫高壓氣體的溫度、壓力峰值降低。所以隨著排氣背壓的增加，渦前壓力反而減小。又由于增壓器的動力減小，阻力增大，所以兩者的差值減小更多，進而使渦輪前后的壓差減少，最終導致發動機進氣流量減少。

圖5是排氣背壓對進氣壓力的影響，由上面對渦前壓力的分析可知，隨著排氣背壓的增加，增壓器的做功能力有所下降，所以導致了進氣壓力降低。所以較低壓力的氣體，單位體積所含有的新鮮空氣量較少，所以發動機總的進氣的量減少了，最終才導致了上面提到的進氣流量的降低。

圖5 排氣背壓對進氣壓力的影響

2.3 排氣背壓對排氣溫度的影響

圖6 排氣背壓對排氣溫度的影響

由圖6可知，無EGR發動機排氣背壓從4.48kPa增加到29.99kPa，排氣溫度從288℃升高到了354℃，升高率為23.00%，排氣背壓每增加1kPa，排氣溫度增加2.60℃；而有EGR發動機排氣背壓從2.38kPa增加到17.85kPa，排氣溫度從274.69℃升高到了392℃，升高率為42.66%，排氣背壓每增加1kPa，排氣溫度增加7.57℃。溫度升高幅度明顯比無EGR發動機高的多。

通過對排氣溫度的對比試驗研究可以發現，帶有EGR發動機的排氣溫度增加明顯比無EGR發動機大很多，主要原因在于進氣流量，由圖3可知,由于有EGR發動機的排氣背壓增大時，進氣流量減少的幅度比較大，又由圖2可知在有EGR發動機的油耗量和無EGR發動機的油耗量相差不大的情況下，根據公式（1）可知，在產生的總熱量接近，進氣流量更小的情況之下，單位體積氣體吸收的熱量將會更多，所以排氣溫度升高的也會更加的明顯。

其中，Q氣體吸收的總熱量，C空氣的比熱容，M空氣的質量，最終溫度T2，初始溫度T1。通過對排氣溫度的對比試驗研究發現，排氣背壓對有EGR發動機的排氣溫度產生的影響要遠遠大于無EGR發動機。

3 結論

通過試驗對無EGR和有EGR發動機穩態工況下排氣背壓的研究，揭示了排氣背壓對發動機油耗，進氣流量和排氣溫度等的影響規律。

（1）無EGR的發動機，排氣背壓每增加1kPa，油耗率增加0.49g/kWh；有EGR發動機，排氣背壓每增加1kPa，油耗增加1.43g/kWh。

（2）無EGR發動機，排氣背壓每增加1kPa，進氣流量減少3.09kg/h；而有EGR發動機，排氣背壓每增加1kPa，進氣流量減少9.88kg/h。

（3）無EGR發動機，排氣背壓每增加1kPa，排氣溫度增加2.60℃；而有EGR發動機，排氣背壓每增加1kPa，排氣溫度增加7.57℃。溫度升高幅度明顯比無EGR發動機高的多。排氣背壓對有EGR發動機的排氣溫度產生的影響遠遠大于無EGR發動機。試驗研究對DPF的主動再生以及發動機的排氣熱管理有一定的指導意義。

[1] 帥石金,唐韜,趙彥光,等.柴油車排放法規及后處理技術的現狀與展望[J].汽車安全與節能學報,2012, 3(3): 200-217.

[2] Johnson T V. Diesel Emission Control in Review[C]. SAE technical paper 2006-01-0030, 2006.

[3] 梁辰,崔毅,鄧康耀等.排氣背壓對增壓柴油機功率的影響分析及其改進方法[J].柴油機,2013,35(3):16-20+24.

[4] 郭仲海.柴油機性能對排氣背壓的敏感性研究[J].內燃機,2010.（4）:47-49.

Effect of exhaust back pressure on fuel consumption of the heavy diesel enginewith EGR and without EGR

Qi Jinzhu1, Wang Guoyang2, Tang Zhitao1, Yu Tao1

( 1.School of Electromechanical and Automotive Engineering, Yantai University, Shandong Yantai 264005; 2.School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Shandong Ji’nan 250000 )

In order to obtain the exhaust back pressure to the influence of engine performance of fuel consumption and exhaust temperature etc with EGR and without EGR heavy-duty diesel engine. On engine test bench, selected the 1540 r/min and 320 N/m steady-state conditions respectively for the engine with EGR and without EGR related exhaust back pressure experiment. The experimental results showed: For each additional 1kPa of exhaust back pressure, the engine without EGR the fuel consumption increases by 0.49g/kWh; the engine with EGR the fuel consumption increases by 1.43g/kWh.The research content provides theoretical guidance for the design and layout of engine exhaust system with EGR and without EGR.

heavy-duty diesel engines; EGR; exhaust back pressure; fuel consumption rate

A

1671-7988(2019)03-125-03

TK421+.5

A

1671-7988(2019)03-125-03

TK421+.5

祁金柱（1989-），男(漢)，就讀于煙臺大學機電汽車工程學院，碩士研究生，研究方向：柴油機排氣后處理技術。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.040