不同海拔下基于VNT驅動的EGR對輕型柴油機燃燒與排放的影響*

王 俊，申立中，畢玉華，雷基林

（1. 西南林業大學機械與交通學院，昆明 650224；2. 昆明理工大學，云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500）

前言

大眾“排放門”事件的發生，使得人們更加關注汽車實際道路排放問題。大量的研究已經表明，實際道路排放是實驗室認證循環測試的數倍，特別是氮氧化物（NO）排放，有的車型甚至高達22 倍。為了減少實際行駛的污染物排放，不同國家和地區均增加了實際行駛排放試驗。我國輕型車第六階段排放標準里面還規定了運行在擴展海拔條件下，實際行駛條件的污染物排放必須達到相應的限值。在高原地區，進入缸內的新鮮充量降低，導致運行在這些區域的柴油機動力性、經濟性、燃燒和排放等均有不同程度的惡化。在全世界范圍內，高原地區分布廣泛。隨著經濟社會的發展，運行在這些地區以柴油機為動力的汽車數量還將進一步攀升。

NO和碳煙是柴油機排放控制的重點。已有的研究表明，在高原地區，排氣再循環（EGR）仍舊是降低NO排放的有效技術措施之一。張韋等研究了海拔2 000 m 的高原環境下EGR 中各組分對柴油機性能的影響，結果顯示，高原地區EGR 的適用范圍變窄，EGR 對碳煙排放更為敏感。鄭偉等的研究表明，在大氣壓力為80 kPa時，即使在小負荷工況，EGR 對煙度的排放影響也很大。劉偉等的仿真表明，高原地區，3 000 r/min不同負荷下EGR 對中小負荷的動力性和經濟性影響較小，NO排放隨EGR 率的增大迅速減少，而高EGR 率時碳煙排放急劇升高。畢玉華等的研究表明，高原環境下使用EGR 降低了柴油機燃用含氧燃料時的NO排放，但惡化了動力性、增加了一氧化碳（CO）和碳煙排放。雖然高原地區使用EGR 會對柴油機產生諸多不利影響，但其仍然能夠有效降低NO排放，加之國六排放法規的實施，迫使人們重新考慮使用該技術來降低NO排放。

在平原地區，大量的研究已經表明，EGR 結合VNT 技術可以在降低NO排放的同時保持較高的空燃比，進而不至于大幅惡化柴油機的動力性、經濟性和碳煙排放。高原地區，大氣壓力下降，導致進入缸內的新鮮充量降低，單獨采用EGR 將進一步惡化柴油機的高原運行性能，而配合使用可變噴嘴渦輪增壓器（VNT），可以有效緩解高原地區和使用EGR 帶來進氣流量降低的問題，從而改善運行在高原地區柴油機的性能和排放。文萬斌等的仿真表明，高原地區使用EGR 時，通過減小VNT 開度，可以改善燃油經濟性；隨著EGR 率的升高，NO排放降低，而碳煙排放升高。楊永忠等采用響應曲面法分析了大氣壓力-VNT-EGR交互作用對柴油機性能和排放的影響，結果顯示，在不同工況下，VNT 和EGR 耦合時，NO和煙度呈現不同的變化規律。畢玉華等的研究表明，隨VNT 開度和EGR 率的增大，柴油機燃用含氧燃料的動力性、經濟性和NO排放降低，煙度排放升高；隨著大氣壓力的升高，動力性、經濟性和NO排放升高，而煙度排放降低。綜上，高原環境或不同海拔關于EGR 與VNT 聯合使用來改善柴油機的燃燒和排放的報道較少。為此，通過高原環境模擬裝置研究不同海拔下（0，1 000，1 960 m）采用VNT驅動EGR的方式對某輕型車用柴油機燃燒和排放的影響，為高原環境下車用柴油機降低污染物排放提供參考。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗設備

研究機型為一臺輕型車用高速直噴柴油機，該機配備霍尼韋爾公司的VNT 與高壓EGR 系統，主要技術參數如表1 所示。試驗柴油機不帶任何后處理裝置。試驗儀器主要包括杭州奕科機電技術有限公司的WE31N 水力測功機、EIM0311D 測控系統、FCMA 油耗儀，AVL 李斯特公司的GH13P 預熱塞式缸壓傳感器、365C 角標儀、IndiModul 622 數據采集器、microIFEM 電荷放大器、SESAM i60 FT 傅里葉紅外光譜儀、415S G002 煙度計，上海同圓發動機測試設備有限公司的LFE300進氣流量計與KT2400發動機進氣空調，德國ETAS有限公司的ES590.1接口硬件與IncaCOM v7.1 電控標定軟件，德國博世公司帶ETK的開發式電子控制單元（ECU）等。

表1 試驗用發動機基本參數

1.2 海拔高度的模擬

由于試驗地點的海拔高度約為1 960 m，為研究不同海拔下基于VNT 驅動EGR 的方式對該柴油機燃燒和排放的影響，采用高原環境模擬裝置分別模擬不同的海拔高度。當模擬的海拔低于當地海拔時，利用KT2400發動機進氣空調對柴油機進氣端進行加壓，排氣端通過調節背壓閥開度分別模擬海拔0 與1 000 m 時的大氣環境。KT2400 發動機進氣空調可以調節進氣的壓力、溫度和濕度，能夠較為準確地模擬相應海拔高度下的大氣環境。圖1 為臺架的示意圖。

圖1 臺架示意圖

1.3 VNT與EGR的控制

試驗機型配備是美國霍尼韋爾公司的GT C1446VZ可變噴嘴渦輪增壓器和德國皮爾博格公司的IAA2012-03 高壓EGR 系統。通過電控標定系統，采用開環控制的方式，按照給定的開度直接修改VNT 噴嘴環開度的標定脈譜（MAP）和EGR 閥開度的標定MAP，得到相應的開度值。對于VNT 噴嘴環開度，0%表示全關，此時渦輪流通截面最小；100%表示全開，此時渦輪流通截面最大。對于EGR 閥開度，0%表示EGR閥全關，100%表示EGR閥全開。

1.4 試驗方法

隨著海拔的升高，發動機壓差（定義為排氣歧管壓力與進氣歧管壓力之差）降低，驅動EGR 的能力逐漸減弱。在前期的試驗過程中發現，通過單獨調節EGR 閥開度，獲得的EGR 率較小，甚至在個別工況，由于較大的VNT 噴嘴環開度，發動機壓差為負值，無法實現EGR。為了在高原地區獲得較高的EGR 率，在試驗過程中將EGR 閥置于全開位置，選取發動機壓差為正值的VNT 開度范圍，通過調節VNT 噴嘴環開度，獲得盡可能大的EGR 率。在試驗過程中，首先利用高原環境模擬裝置調節進排氣狀態參數，待模擬海拔高度的大氣環境穩定之后，然后通過電控標定系統把各個工況點主要的標定參數固定為原機控制MAP 值，即在同一工況不同海拔下，均保持其他標定參數（如預噴正時、預噴油量、主噴正時、噴油壓力等）不變，將EGR 閥開度置于全開狀態（即100%），只調節VNT 噴嘴環開度，待柴油機工況穩定之后，記錄相應的試驗數據。利用SESAM i60 FT 傅里葉紅外光譜儀分別測量進排氣管道中的二氧化碳（CO）濃度，通過計算進氣CO濃度與排氣CO濃度的比值得到對應的EGR率。

選取具有代表性的最大轉矩轉速2 200 r/min 和額定功率轉速4 000 r/min 的不同負荷（25%、50%、75%和100%）工況，在海拔分別為0、1 000和1 960 m時，試驗研究了采用VNT 驅動EGR 的方式對車用柴油機燃燒和排放的影響。通過試驗數據的分析表明，同一轉速不同負荷工況的性能參數變化趨勢基本一致，而在不同轉速之間性能參數的變化規律存在差異，因此重點選取最大轉矩工況（2 200 r/min 全負荷）和額定功率工況（4 000 r/min 全負荷）加以分析。

2 試驗結果與分析

2.1 不同海拔下VNT對進排氣參數的影響

2.1.1 不同海拔下VNT對EGR率的影響

將EGR 閥開度置為全開狀態時，不同海拔下EGR 率隨VNT噴嘴環開度的變化如圖2所示。在海拔高度一定時，EGR 率隨著VNT 噴嘴環開度的增大而逐漸降低；在VNT 噴嘴環開度一定時，EGR 率也隨著海拔的升高而逐漸降低。VNT 噴嘴環開度增大，渦輪流通截面增大，排氣阻力減小，排氣歧管壓力也相應降低，進而使得發動機壓差減小，驅動EGR的能力減弱。在VNT 噴嘴環開度一定時，隨著海拔的升高，進氣流量降低，排氣流量也隨之減小，流量降低導致排氣阻力減小，進而使得發動機壓差降低，EGR 率減小。在0、1 000、1 960 m 海拔下，最大轉矩工況的EGR 率分別減小20.6%、21.3%、20.6%，平均減小20.8%；額定功率工況的EGR 率分別減小3.4%、3.5%、3.4%，平均減小3.4%。由此可見，不同海拔下，在相同的VNT 噴嘴環開度范圍內，EGR率的變化范圍也幾乎相同。分析認為，不同海拔下VNT 噴嘴環開度變化相同的范圍，其驅動EGR 的能力一致，因此EGR 率的變化范圍也幾乎相同；在額定功率工況，由于進氣流量和排氣流量較大且均高于最大轉矩工況，在相同的EGR 回路下，管道阻力增大，致使再循環排氣較為困難，并且VNT 噴嘴環開度也相對較大，因此額定功率工況的EGR 率變化范圍較小。

圖2 不同海拔下VNT噴嘴環開度對EGR率的影響

2.1.2 不同海拔下VNT對進氣流量的影響

將EGR 閥開度置為全開狀態時，不同海拔下進氣流量隨VNT 噴嘴環開度的變化如圖3 所示。在VNT噴嘴環開度一定時，隨著海拔的升高，進氣流量逐漸降低。在海拔高度一定時，在最大轉矩工況，進氣流量隨VNT 噴嘴環開度的增大而升高，在3 個海拔下平均升高15.5%；在額定功率工況，進氣流量隨VNT 噴嘴環開度的增大而降低，在3 個海拔下平均降低19.2%。海拔升高，大氣壓力下降，進入缸內的空氣流量降低。在VNT 噴嘴環開度過小和過大時，渦輪效率都較低。在最大轉矩工況，隨著VNT 噴嘴環開度的減小，驅動EGR 的能力增強，排氣分流到EGR 系統的流量增多，而分流到渦輪的排氣流量減小，并且此時VNT 噴嘴環開度逐漸減小，渦輪效率有所降低，其做功能力也隨之減弱，進氣流量降低。在全負荷工況下，循環噴油量不變，此時空燃比也隨VNT 噴嘴環開度的減小而減小，亦即，EGR 閥全開時，在最大轉矩工況，采用減小VNT 噴嘴環開度的方式驅動EGR，空燃比隨著EGR 率的升高而減小，如圖4（a）所示，在3 個海拔下，空燃比平均減小2.9，平均降幅15.0%。在額定功率工況，隨著VNT噴嘴環開度的減小，驅動EGR 的能力增強，同時VNT 噴嘴環開度逐漸過渡到中等開度，此時渦輪效率較高，加之較小的渦輪面積，此時渦輪做功能力較強，進氣流量增大，空燃比也隨之升高，亦即，在EGR閥全開時，在額定功率工況，采用減小VNT 噴嘴環開度的方式驅動EGR，空燃比隨著EGR 率的升高而升高，如圖4（b）所示，在3個海拔下，該工況的空燃比平均升高3.9，平均增幅23.5%。由此可見，采用EGR 與VNT 結合的方式，通過合理調節VNT 噴嘴環開度，可以在該工況下同時提高空燃比和EGR率。

圖3 不同海拔下VNT噴嘴環開度對進氣流量的影響

圖4 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對空燃比的影響

2.1.3 不同海拔下VNT驅動EGR對渦后排溫的影響

為滿足國六排放標準，需同時采用機內凈化技術和后處理裝置。排氣溫度是影響后處理效率的關鍵因素。圖5 為不同海拔下基于VNT 驅動的EGR對渦后排溫的影響。在相同EGR 率下，渦后排溫隨著海拔的升高而升高。隨著EGR 率的增大，最大轉矩工況的渦后排溫呈緩慢增大趨勢，3 個海拔平均升高21.4 ℃，升幅5.3%；而額定功率工況的渦后排溫降低且降幅較大，3 個海拔平均降低111.8 ℃，降幅17.0%。隨著海拔的升高，進氣流量降低，在相同EGR 率下，缸內含氧量下降，燃燒滯后，后燃現象嚴重，使得排氣溫度升高。在最大轉矩工況，空燃比隨著EGR 率的升高而降低，與海拔升高類似，進氣流量的降低致使排氣溫度升高，由于該工況的空燃比降幅相對較小，含氧量降低對排氣溫度的影響不顯著，因此渦后排溫的增幅較小。在額定功率工況，空燃比隨著EGR 率增大而增大，由于在該工況EGR 率的變化范圍較小，而空燃比的增幅較大，含氧量的大幅增加改善了燃燒狀況，進而使得排氣溫度降幅較大。

圖5 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對渦后排溫的影響

2.2 不同海拔下VNT驅動EGR對燃燒的影響

2.2.1 對最高缸內壓力的影響

不同海拔下基于VNT 驅動的EGR 對最高缸內壓力的影響如圖6 所示。在相同EGR 率下，最高缸內壓力隨著海拔的升高而降低。在最大轉矩工況，最高缸內壓力隨著EGR 率的升高而降低，在3 個海拔下平均降低3.9%；在額定功率工況，最高缸內壓力隨著EGR 率的升高而升高，在3 個海拔下平均升高17.3%。海拔升高，進氣流量降低，燃燒惡化，進而使得最高缸內壓力下降。在最大轉矩工況，隨著EGR 率的增大，VNT 噴嘴環開度減小使得進氣流量降低（如圖3（a）所示），此時缸內氧含量降低，燃燒滯后，因而最高缸內壓力逐漸降低；在額定功率工況，隨著EGR 率的增大，VNT 噴嘴環開度減小使得進氣流量升高（如圖3（b）所示），此時缸內氧含量增多，燃燒提前，最高缸內壓力升高。

圖6 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對最高缸內壓力的影響

2.2.2 對最高平均溫度的影響

圖7 為不同海拔下基于VNT 驅動的EGR 對最高平均溫度的影響。最高平均溫度隨著海拔的升高而升高，隨著EGR 率的增大而降低。在3個海拔下，最高平均溫度在最大轉矩工況平均降低6.7%，在額定功率工況平均降低13.0%。海拔升高使得進氣流量降低，滯燃期延長，在該期間內形成的可燃混合氣數量增多，預混燃燒階段的放熱量增大，最高平均溫度升高。隨著EGR 率的升高，缸內再循環的排氣增多，排氣中的二氧化碳、水等三原子氣體增大了燃燒工質的比熱容，降低了最高平均溫度。

圖7 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對最高平均溫度的影響

2.2.3 對燃燒始點的影響

不同海拔下基于VNT 驅動的EGR 對燃燒始點的影響如圖8 所示。隨著海拔的升高，燃燒始點推后。在最大轉矩工況，燃燒始點隨著EGR 率的增大而推后，在3 個海拔下平均推后6.2%；在額定功率工況，燃燒始點隨著EGR 率的增大而提前，在3個海拔下平均提前16.2%。在相同的EGR 率下，海拔升高，進氣流量增大，滯燃期縮短，使得燃燒始點提前。在最大轉矩工況，隨著EGR 率的增大，空燃比減小，缸內氧含量的減小使得滯燃期延長，燃燒始點推后；在額定功率工況，隨著EGR 率的增大，空燃比也相應升高，缸內氧含量的增多，使得滯燃期縮短，燃燒始點提前。

圖8 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對燃燒始點的影響

2.2.4 對燃燒持續期的影響

圖9 為不同海拔下基于VNT 驅動的EGR 對燃燒持續期的影響。隨著海拔的升高，燃燒持續期增長。在最大轉矩工況，燃燒持續期隨著EGR 率的增大而增大，在3 個海拔下平均增大6.4%；在額定功率工況，燃燒持續期隨著EGR 率的增大而縮短，在3個海拔下平均縮短1.9%。進氣流量隨著海拔的升高而降低，進氣流量降低導致缸內工質壓力減小，加之氧含量的減少，兩者均使得燃燒速率減緩，燃燒持續期增長。在最大轉矩工況，空燃比隨著EGR 率的增大而減小，缸內氧含量的降低使得燃燒速率減緩，燃燒持續期增長；在額定功率工況，空燃比隨著EGR率的增大而增大，缸內氧含量的增多使得燃燒速率加快，燃燒持續期縮短。

圖9 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對燃燒持續期的影響

2.3 不同海拔下VNT驅動EGR對排放的影響

2.3.1 對NO比排放的影響

不同海拔下基于VNT驅動的EGR對NO比排放的影響如圖10 所示。隨著海拔的升高，NO比排放逐漸降低；隨著EGR 率的增大，不同海拔下的NO比排放也隨之減少。在0、1 000、1 960 m 海拔下，最大轉矩工況的NO比排放分別降低62.3%、68.0%、73.8%，3 個海拔平均降低68.0%；額定功率工況的NO比排放降低14.1%、22.9%、28.9%，3 個海拔平均降低22.0%。這說明不同海拔下，EGR 仍然能夠有效降低NO排放，且NO比排放的降幅隨著海拔升高而增大。隨著海拔的升高，進氣流量降低，一方面，缸內氧含量減少，抑制了NO的生成；另一方面，隨著海拔的升高，最高燃燒溫度升高，又促進了NO的生成，在全負荷工況，缸內燃燒溫度均相對較高，此時富氧環境成為NO生成的主要條件，因而在相同的EGR 率下NO排放隨海拔的升高而降低。在最大轉矩工況，最高燃燒溫度和空燃比均隨著EGR 率的升高而降低，高溫、富氧的條件進一步減弱，二者均抑制了NO的生成，因此NO排放降幅較大；在額定功率工況，隨著EGR 率的升高，最高燃燒溫度降低，而空燃比升高，因而NO排放降幅較小。

圖10 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對NOx比排放的影響

2.3.2 對CO比排放的影響

圖11為不同海拔下基于VNT驅動的EGR 對CO比排放的影響。隨著海拔的升高，CO 比排放逐漸升高；隨著EGR 率的升高，CO 比排放在最大轉矩工況逐漸升高，在額定功率工況逐漸降低。在幾乎相同的EGR 變化范圍內（由圖2 的分析可知），在0、1 000、1 960 m 海拔下，CO 比排放在最大轉矩工況分別升高0.14、0.40、0.71 g/（kW·h），3 個海拔平均升高156.8%；在額定功率工況分別降低2.71、3.53、3.95 g/（kW·h），3個海拔平均降低73.0%。由此可見，高原地區CO 比排放對EGR 的變化更為敏感。在相同EGR 率下，海拔的升高使得進氣流量減少，缸內的混合氣質量進一步下降，燃燒不完全的機率進一步增大，同時氧含量的減少，不利于CO 的氧化，雖然此時缸內燃燒溫度隨海拔的升高而升高，又有利于CO 的氧化，但在全負荷工況下，局部缺氧對CO 生成的影響更大，因而CO 排放升高。在最大轉矩工況，隨著EGR 率的升高，空燃比和缸內燃燒溫度均逐漸降低，兩者均使得CO 排放增多；在額定功率工況，隨著EGR 的升高，缸內燃燒溫度降低，抑制了CO 的氧化，加之空燃比也隨之升高，此時EGR 的引入并不會惡化燃燒，氧含量的增加改善了燃燒過程，因而CO生成較少。

圖11 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對CO比排放的影響

2.3.3 對煙度的影響

不同海拔下基于VNT 驅動的EGR 對煙度的影響如圖12 所示。隨著海拔的升高，煙度逐漸升高；與CO 比排放類似，隨著EGR 率的升高，煙度在最大轉矩工況逐漸升高，在額定功率工況逐漸降低。在0、1 000、1 960 m 海拔下，煙度在最大轉矩工況分別升 高0.22、0.34、0.79 FSN，3 個 海 拔 平 均 升 高734.5%；在額定功率工況分別降低1.07、1.82、2.35 FSN，3 個海拔平均降低30.4%。由此可見，高原地區，EGR對煙度的影響更為顯著。此外，結合圖10（b）與圖11（b）可以看出，在額定功率工況，采用VNT 驅動EGR 的方式，可以同時減小NO比排放、CO 比排放和煙度。隨著海拔的升高，一方面，缸內燃燒溫度升高，在全負荷工況下，局部缺氧的區域較多，燃燒溫度升高使得燃油裂解反應速率加快，促進了這些區域碳煙的生成；另一方面，進氣流量降低，缸內氧含量的減少抑制了碳煙的后期氧化，這兩方面的原因導致煙度排放呈現上述變化趨勢。在最大轉矩工況，隨著EGR 率升高，空燃比的減少促進了碳煙的生成，缸內燃燒溫度的降低也使得碳煙的后期氧化能力減弱，二者均使得煙度排放升高；在額定功率工況，隨著EGR 率升高，空燃比的升高改善了燃燒過程，碳煙生成較少，因而煙度排放逐漸降低。

圖12 不同海拔下基于VNT驅動的EGR對煙度的影響

3 結論

采用高原環境模擬裝置，通過試驗研究了在0、1 000 和1 960 m 海拔時，基于VNT 驅動EGR 的方式對某輕型車用高速直噴柴油機燃燒和排放的影響，可以得出以下結論：

（1）不同海拔下，在相同的VNT 噴嘴環開度范圍內，EGR 率的變化范圍也幾乎相同；隨著VNT 噴嘴環開度的增大，在3 個海拔下，EGR 率在最大轉矩工況平均減小20.8%，在額定功率工況平均減小3.4%。

（2）不同海拔下，隨著EGR 率的升高，最大轉矩工況的空燃比降低，3 個海拔平均降低15.0%；而額定功率工況的空燃比升高，3 個海拔平均升高23.5%。

（3）不同海拔下，隨著EGR 率的升高，渦后排溫在最大轉矩工況逐漸升高，3 個海拔平均升高5.3%；而在額定功率工況呈現快速下降趨勢，3個海拔平均降低17.0%。

（4）不同海拔下，最高平均溫度隨著EGR 率的升高而降低；在最大轉矩工況平均降低6.7%，在額定功率工況平均降低13.0%。隨著EGR 率的升高，最大轉矩工況的最高缸內壓力降低，燃燒始點推后，燃燒持續期延長；而額定功率工況的最高缸內壓力升高，燃燒始點提前，燃燒持續期縮短。

（5）EGR 仍然能夠有效降低不同海拔下的NO排放；不同海拔下，NO比排放隨著EGR 率的增大而降低，且隨著海拔的升高，NO比排放降幅增大；在3個海拔下，NO比排放在最大轉矩工況平均降低68.0%，在額定功率工況平均降低22%。隨著EGR率的升高，最大轉矩工況的CO 比排放和煙度升高，平均分別升高156.8%和734.5%；而額定功率工況的CO 比排放和煙度降低，平均分別降低73.0%和30.4%，并且高原地區，EGR 對CO 比排放和煙度的影響更為顯著。