廢氣平衡閥開度對(duì)柴油機(jī)性能及排放影響規(guī)律研究

馮偉超 翁志勇 魏沖 王眾 趙海峰

摘? 要：主要介紹了非對(duì)稱增壓器的基本原理，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的主要成分、生成機(jī)理。通過(guò)調(diào)整廢氣平衡閥開度進(jìn)行油耗、氮氧化物（NOx）、碳煙試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探索廢氣平衡閥不同開度對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、氮氧化物、碳煙生成的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：非對(duì)稱增壓器;廢氣平衡閥;碳煙;NOx;燃油消耗率

中圖分類號(hào)：U470.30? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0008-05

Abstract： The principles of asymmetrical supercharger， the main components of diesel engine emission and the formation mechanism. Fuel consumption， nitrogen oxide and soot emission tests were carried out by adjusting the opening of the exhaust gas balance valve，，and the test results were analyzed to explore the influence of different opening of the exhaust gas balance valve on fuel consumption， NOx and soot generation of diesel engine.

Key Words： asymmetrical turbocharger; exhaust balance valve; soot; nitrogen oxide; fuel consumption ratio

目前重型柴油機(jī)普遍采用渦輪增壓技術(shù)以增加動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，柴油機(jī)燃燒以高溫富氧擴(kuò)散燃燒為主，但是機(jī)內(nèi)混合氣又非常不均勻，形成局部高溫缺氧，所以柴油機(jī)產(chǎn)生的排氣污染物主要為NOx和碳煙[1]。2013年奔馳公司就已經(jīng)推出滿足歐Ⅵ排放法規(guī)的柴油機(jī)，采用非對(duì)稱增壓器驅(qū)動(dòng)EGR系統(tǒng)。隨著中國(guó)重型柴油機(jī)排放法規(guī)不斷升級(jí)，為同時(shí)兼顧油耗和尿素消耗量，本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）+選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）+微粒補(bǔ)集系統(tǒng)（DPF）來(lái)降低NOx和碳煙來(lái)滿足法規(guī)要求。傳統(tǒng)的高壓回路廢氣再循環(huán)技術(shù)在降低柴油機(jī)氮氧化物排放的同時(shí)增加了泵氣損失，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性變差。可變幾何截面（VGT）增壓器在國(guó)外歐Ⅵ發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用，但是該種增壓器存在成本高，零部件多，可靠性差等問(wèn)題。非對(duì)稱雙流道增壓器（AWT）在中高工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性有明顯改善，在中低速可以顯著提高EGR率，降低氮氧排放，在提高廢氣利用率、可靠性、成本上有著比較明顯的優(yōu)勢(shì)[2-3]。

1? ? 非對(duì)稱增壓器原理

非對(duì)稱增壓器的渦輪有一大一小兩個(gè)流道，兩個(gè)流道分別與1～3缸和4～6缸相連，如圖1所示：

其中，與1～3缸相連接的流道截面積較小，可以明顯提高流道內(nèi)氣體壓力，保證了EGR系統(tǒng)需要的掃氣壓差，從而使一部分廢氣通過(guò)EGR管路進(jìn)入氣缸，EGR系統(tǒng)的廢氣全部取自1～3缸的排氣，剩余的排氣驅(qū)動(dòng)渦輪，4～6缸的排氣全部用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪，驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)壓氣[5]。在雙流道中間設(shè)有一個(gè)廢氣平衡閥裝置，并由外接氣源驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的壓力，從而克服彈簧預(yù)緊力及排氣阻力來(lái)調(diào)節(jié)廢氣平衡閥的開度，氣源壓力越大，廢氣平衡閥打開的角度就越大。當(dāng)廢氣平衡閥打開時(shí)，可以使1～3缸排氣進(jìn)入4～6缸排氣中，通過(guò)改變廢氣平衡閥的開度，可以改變兩個(gè)流道中氣體壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力，進(jìn)而改變EGR率、排放和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低增壓器出現(xiàn)超速的風(fēng)險(xiǎn)。

2? ? 試驗(yàn)對(duì)象及方法

所選試驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)13L國(guó)Ⅵ重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)型采用高爆發(fā)壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及輕量化設(shè)計(jì)、低微粒分布式燃燒系統(tǒng)、自主電控共軌系統(tǒng)和氣驅(qū)尿素噴射系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)，主要參數(shù)見表1：

在不同工況、不同廢氣平衡閥開度下，分別記錄燃油消耗率、NOx濃度、碳煙，其中油耗采用AVL740油耗儀測(cè)量，NOx濃度采用HORIBA7500排放分析儀測(cè)量，采用AVL415煙度計(jì)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)煙度水平。上述設(shè)備都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢測(cè)，可以保證測(cè)量準(zhǔn)確性。

3? ? 廢氣平衡閥開度對(duì)性能及排放的影響分析

通過(guò)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在法規(guī)要求的排放區(qū)內(nèi)選取5個(gè)實(shí)際常用的工況點(diǎn)以及1個(gè)非排放區(qū)域的工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為不噴射尿素的情況下，法規(guī)排放區(qū)域工況為1500Nm@1800r/min、1370Nm@1600r/min、860Nm@1400r/min、1250Nm@1200r/min、1070Nm@1000r/min，非法規(guī)區(qū)域工況點(diǎn)為1000Nm@600r/min，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可參考性，在各個(gè)工況點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)，除廢氣平衡閥開度變化外，其他標(biāo)定參數(shù)保持不變，試驗(yàn)邊界條件保持一致。

3.1? ?常用工況下廢氣平衡閥開度對(duì)柴油機(jī)油耗的影響試驗(yàn)分析

為了探索廢氣平衡閥開度對(duì)油耗的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)工況點(diǎn)穩(wěn)定后分別調(diào)整廢氣平衡閥開度為0%、20%、40%、60%、80%、100%進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)AVL740油耗儀測(cè)量油耗，通過(guò)HORIBA7500排放分析儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)EGR率，壓力傳感器測(cè)量排氣壓力，對(duì)所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得到燃油消耗率曲線和影響油耗的EGR率、排氣壓力變化曲線，見圖2、圖3、圖4：

從圖2中可知燃油消耗率隨著廢氣平衡閥的開度增大而降低。柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與機(jī)內(nèi)燃燒水平有很大關(guān)系，缸內(nèi)氧氣濃度越高，燃油燃燒的越充分，燃油消耗率也會(huì)越低。由圖3可知，隨著廢氣平衡閥的開度不斷增大，會(huì)有越來(lái)越多的尾

氣由小截面排氣流道進(jìn)入大截面排氣流道，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)EGR進(jìn)氣管路壓力變低，進(jìn)入EGR系統(tǒng)的尾氣減少，EGR率隨之降低，氣缸內(nèi)氧氣濃度變大，燃燒變好，燃油消耗率也隨之變好。

泵氣損失對(duì)柴油機(jī)油耗也有一定影響，由圖4可知，隨著廢氣平衡閥開度不斷增大，越來(lái)越多的廢氣進(jìn)入排氣管路，排氣壓力越來(lái)越大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失增加，燃油經(jīng)濟(jì)性理論上會(huì)變差。但由圖4可知，由于廢氣平衡閥不同開度下排氣壓力變化很小，所以由于廢氣平衡閥開度變化所引起的泵氣損失影響可以忽略不計(jì)，且影響燃油消耗率的因素是多方面的，所以廢氣平衡閥開度變大導(dǎo)致排氣壓力的變化并沒(méi)有改變?nèi)加拖穆收w向下的趨勢(shì)。

由圖2～圖4可見，在廢氣平衡閥開度由0%變化到60%時(shí)，燃油消耗率、EGR率、排氣壓力變化并不明顯，原因是該開度并不是廢氣平衡閥實(shí)際開度，實(shí)際為作用在廢氣平衡閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)上外接氣源的壓力。由于彈簧預(yù)緊力的存在，在0%～60%時(shí)，外接氣源壓力不斷變大，該壓力并不足以是閥門打開，所以開度在0%～60%的時(shí)候，閥片實(shí)際位置變化很小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放造成的影響也很小。

3.2? ?常用工況下廢氣平衡閥開度對(duì)柴油機(jī)排放的影響試驗(yàn)分析

對(duì)于柴油機(jī)，燃燒污染物主要成分是氮氧化物和碳煙，本試驗(yàn)在保證其他 標(biāo)定參數(shù)不變的前提下分別調(diào)整廢氣平衡閥開度為0%、20%、40%、60%、80%、100%對(duì)所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得到NOx、煙度變化曲線，見圖5、圖6：

由圖5和圖6可知，氮氧化物隨廢氣平衡閥的開度增大而增大，煙度隨廢氣平衡閥開度增大而減小。結(jié)合圖3可知，隨著廢氣平衡閥的開度不斷增大，越來(lái)越多的尾氣由小截面排氣流道進(jìn)入大截面排氣流道，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入EGR系統(tǒng)的尾氣減少，EGR率隨之降低，缸內(nèi)燃燒溫度上升，所以氮氧化物會(huì)增多，煙度減少。

3.3? ?低轉(zhuǎn)速非常用工況廢氣平衡閥開度對(duì)柴油機(jī)性能及排放的影響試驗(yàn)分析

為了更全面的對(duì)廢氣放氣閥開度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放的影響進(jìn)行分析，本次試驗(yàn)特意選取了該發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)非常用工況點(diǎn)1000Nm@600r/min進(jìn)行試驗(yàn)，作為本次研究的參考，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8：

由圖7和圖8可知，燃油消耗率隨廢氣平衡閥開度增大而增大，氮氧化物隨平衡閥開度增大而減小。此工況點(diǎn)與常用工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放變化趨勢(shì)相反，由于此工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低，所以在實(shí)際標(biāo)定時(shí)廢氣放氣閥會(huì)一直關(guān)閉。

4? ? 結(jié)論

通過(guò)調(diào)整廢氣平衡閥開度，對(duì)一臺(tái)國(guó)Ⅵ柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄油耗、氮氧化物、碳煙等數(shù)據(jù)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了上述研究分析，結(jié)果表明：

1）在該發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況內(nèi)油耗隨廢氣平衡閥開度的增加而減小。

2）在該發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況柴油機(jī)氮氧化物排放量隨廢氣平衡閥開度增加而增加。

3）在該發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況碳煙隨廢氣平衡閥開度增加而減小。

4）在低轉(zhuǎn)速區(qū)域某些非常用工況，發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放結(jié)果與常用工況區(qū)域研究結(jié)果相反。

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