不同海拔下EGR對輕型柴油機(jī)性能和排放的影響

王俊，申立中，畢玉華，雷基林

(1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點實驗室，云南 昆明 650500)

試驗室排放認(rèn)證測試循環(huán)與實際道路行駛排放(RDE)差別較大[1-3]，特別是氮氧化物(NOx)排放，其測量值是RDE的數(shù)倍[4-6]。我國輕型車第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了不同海拔下RDE的排放限值。研究表明，柴油機(jī)的NOx排放隨海拔的變化并不呈現(xiàn)一定的規(guī)律[7-10]，但是高原地區(qū)柴油車實際道路排放的NOx排放仍高于排放標(biāo)準(zhǔn)中的限值[11]。

廢氣再循環(huán)(EGR)是降低NOx排放的有效措施之一，現(xiàn)有關(guān)于EGR對柴油機(jī)性能、燃燒以及排放的影響研究多數(shù)都集中在平原地區(qū)[12-17]。高原地區(qū)進(jìn)氣流量降低，柴油機(jī)使用EGR將進(jìn)一步惡化其高原運(yùn)行性能。劉偉等[18]的仿真表明，高原地區(qū)3 000 r/min時，EGR對中小負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性影響較小，NOx排放隨EGR率的增大迅速減少，而EGR率較高時，炭煙排放急劇升高。鄭偉等[19-20]通過大氣壓力模擬裝置初步研究了80 kPa和100 kPa大氣壓力下EGR對某柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性和煙度的影響，結(jié)果表明，高原地區(qū)即使在小負(fù)荷工況，EGR對煙度的影響也很大。張韋等[21]研究了海拔2 000 m的高原環(huán)境下EGR中各組分對柴油機(jī)性能的影響，結(jié)果顯示，高原地區(qū)EGR的適用范圍變窄，EGR對炭煙排放更為敏感。畢玉華等[22]在81 kPa和100 kPa的大氣壓力下研究了EGR對柴油機(jī)燃用含氧燃料時性能和排放的影響，結(jié)果表明，高原環(huán)境下使用EGR惡化了柴油機(jī)燃用含氧燃料的動力性，而對經(jīng)濟(jì)性的影響較小；使用EGR時，NOx排放降低，CO排放和炭煙升高。高原環(huán)境下使用EGR技術(shù)雖然會對柴油機(jī)產(chǎn)生諸多不利影響，但其仍然能夠有效降低NOx排放[23]，加之國六排放法規(guī)的實施，迫使人們重新考慮使用該技術(shù)來降低NOx排放。關(guān)于高原地區(qū)柴油機(jī)使用EGR對排放性能的影響研究相對較少，為此，采用海拔模擬裝置，試驗研究0 m，1 000 m以及1 960 m海拔下EGR對某輕型車用柴油機(jī)性能和排放的影響，為高原地區(qū)柴油機(jī)使用EGR技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 試驗裝置與方法

研究機(jī)型為一臺匹配高壓EGR系統(tǒng)的車用高速直噴柴油機(jī)，基本參數(shù)如表1所示。試驗設(shè)備主要有奕科WE31N水力測功機(jī)、FCMA油耗儀、EIM0311D測控系統(tǒng)，同圓LFE300進(jìn)氣流量計與KT2400發(fā)動機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，AVL SESAM i60 FT傅里葉紅外光譜儀和415 S煙度計，ETAS ES590.1接口硬件與IncaCOM v7.1電控標(biāo)定軟件，博世開發(fā)式電子控制單元(ECU)等。

表1 發(fā)動機(jī)基本設(shè)計參數(shù)

試驗地點的海拔為1 960 m，為模擬更低的海拔，采用KT2400發(fā)動機(jī)進(jìn)氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)并調(diào)節(jié)排氣背壓閥開度，分別模擬0 m和1 000 m時的大氣環(huán)境。為防止進(jìn)排氣脈動對試驗測試的影響，在柴油機(jī)的進(jìn)排氣端分別安裝相應(yīng)的穩(wěn)壓裝置。臺架布置示意圖見圖1，臺架實物圖見圖2。

圖1 臺架布置示意

圖2 臺架實物圖

試驗過程中，通過電控標(biāo)定系統(tǒng)改變EGR閥開度得到不同的EGR率，其余標(biāo)定參數(shù)保持不變，待柴油機(jī)工況穩(wěn)定之后，記錄相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)。利用SESAM i60 FT傅里葉紅外光譜儀分別測量進(jìn)排氣的CO2濃度，通過計算得到相應(yīng)的EGR率。選取最大扭矩工況和標(biāo)定功率工況研究不同海拔下EGR對該柴油機(jī)性能和排放的影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同海拔下EGR率隨EGR閥開度的變化

圖3示出同海拔下EGR率隨EGR閥開度的變化。由圖3可見：隨著EGR閥開度的增大，EGR率開始急劇增大然后趨于平緩；相同EGR開度下，隨著海拔的升高，EGR率逐漸降低。在全負(fù)荷工況下，即使EGR閥全開，EGR率仍然相對較小。在EGR閥開度較小時，排氣歧管與進(jìn)氣歧管壓差(如圖4所示)相對較大，驅(qū)動EGR的能力較強(qiáng)。隨著EGR閥開度逐漸增大，壓差逐漸減小，驅(qū)動EGR的能力也逐漸減弱。隨著海拔升高，進(jìn)氣流量降低，在保證正常燃燒的情況下，容忍EGR的能力減弱，因而高原地區(qū)的EGR率較小。

圖3 不同海拔下EGR率隨EGR閥開度的變化

圖4 不同海拔下排氣歧管與進(jìn)氣歧管壓差隨EGR閥開度的變化

2.2 不同海拔下EGR率對扭矩的影響

圖5示出不同海拔下EGR閥開度對扭矩的影響。從圖5可以看出：隨著EGR率的增大，扭矩逐漸降低，在EGR率較大時，高海拔扭矩降幅較大；相同EGR率下，扭矩隨著海拔的升高而降低。隨著EGR率的增大，缸內(nèi)氧含量降低，燃燒惡化，EGR率進(jìn)一步增大，缸內(nèi)可燃混合氣質(zhì)量也大幅下降，燃燒惡化加劇，柴油機(jī)做功能力也大幅降低，因而扭矩降幅較大。高海拔地區(qū)，缸內(nèi)氧含量的減少進(jìn)一步惡化了燃燒，因而動力性降幅更大。

圖5 不同海拔下EGR率對扭矩的影響

2.3 不同海拔下EGR率對有效燃油消耗率的影響

不同海拔下EGR率對經(jīng)濟(jì)性的影響見圖6。隨著EGR率的升高，有效燃油消耗率逐漸升高，經(jīng)濟(jì)性變差，高原地區(qū)的經(jīng)濟(jì)性惡化程度相對更大；相同EGR率下，有效燃油消耗率隨著海拔的升高而升高。缸內(nèi)氧含量隨著EGR率的增大而降低，可燃混合氣的數(shù)量減少、質(zhì)量也下降，燃燒效率降低，因而油耗升高。海拔升高進(jìn)一步加劇了上述現(xiàn)象，因而經(jīng)濟(jì)性較差。

圖6 不同海拔下EGR率對有效燃油消耗率的影響

2.4 不同海拔下EGR率對排放的影響

圖7示出不同海拔下EGR率對NOx比排放的影響。隨著EGR率的升高，NOx比排放幾乎呈直線下降，由此可見，不同海拔下，EGR仍能夠大幅降低NOx排放；相同EGR率下，NOx比排放隨著海拔的升高而降低。EGR的引入使得NOx生成的高溫富氧環(huán)境遭到破壞，因而NOx排放大幅減小。海拔升高對NOx生成有兩方面影響：一方面，缸內(nèi)氧含量減少，抑制了NOx的生成；另一方面，缸內(nèi)燃燒溫度隨著海拔的升高而升高[24-25]，有利于NOx的生成。全負(fù)荷工況下，缸內(nèi)燃燒溫度相對較高，氧含量對NOx的生成起主導(dǎo)作用，因而高海拔的NOx排放較少。

圖7 不同海拔下EGR率對NOx比排放的影響

不同海拔下EGR率對CO比排放的影響見圖8。隨著EGR率的升高，CO比排放呈現(xiàn)先緩慢增加后急劇升高的現(xiàn)象；相同EGR率下，CO比排放隨海拔的升高而升高。隨著EGR率的升高，氧含量減少，使得混合氣質(zhì)量下降，不完全燃燒的概率增大，同時氧含量和缸內(nèi)燃燒溫度的降低也不利于CO的氧化，因而CO排放增多。海拔升高，雖然缸內(nèi)燃燒溫度升高有利于CO的后期氧化，但全負(fù)荷工況下氧含量的減少使得缸內(nèi)過濃混合氣區(qū)域進(jìn)一步增多，CO生成加劇。

圖8 不同海拔下EGR率對CO比排放的影響

圖9示出不同海拔下EGR率對煙度的影響。隨著EGR率的升高，煙度急劇升高，高海拔的煙度惡化程度更為嚴(yán)重；相同EGR率下，煙度也隨海拔的升高而升高。EGR率增大，缸內(nèi)缺氧的區(qū)域增多，同時含氧量減少也抑制了炭煙的后期氧化，因而煙度急劇升高。海拔升高進(jìn)一步促進(jìn)了高溫缺氧的環(huán)境，因而高海拔的煙度更大。

圖9 不同海拔下EGR率對煙度的影響

3 結(jié)論

a) 相同EGR閥開度下，EGR率隨著海拔的升高而降低，高原地區(qū)EGR率的容忍能力減小；

b) 不同海拔下，柴油機(jī)動力性隨著EGR率的升高而逐漸降低，高海拔的動力性降幅更大；有效燃油消耗率隨著EGR率的升高而升高，經(jīng)濟(jì)性變差；與經(jīng)濟(jì)性相比，高原地區(qū)EGR對動力性的影響更大；

c) 不同海拔下，隨著EGR率的升高，NOx比排放呈直線下降的趨勢，而CO比排放和煙度升高；與平原地區(qū)相比，高原環(huán)境下CO比排放和煙度對EGR更為敏感。