EGR對(duì)柴油機(jī)排放影響之研究

鄒振宇,劉 晶

(1.吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院,長春130118;2.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院;3.國家開發(fā)銀行吉林省分行,長春130021)

0 引言

節(jié)能、減排是當(dāng)今世界面臨的最大問題,柴油機(jī)的排放是影響這兩個(gè)問題的最大因素之一。為了解決這個(gè)問題,世界范圍內(nèi)對(duì)柴油機(jī)排放的研究越來越熱。我國對(duì)柴油機(jī)排放也做了大量的研究。要解決柴油機(jī)尾氣污染的問題,根據(jù)大量的研究經(jīng)驗(yàn)來看,廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)是降低柴油機(jī)排放的一項(xiàng)最有利措施[1-2]。通過在進(jìn)氣管中引入CO2,能有效增加比熱[3-4]。引入CO2可以通過引入部分排氣來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)EGR稀釋了混合氣中的O2,NOx的生成量被大大降低[5-7]。本文利用EGR技術(shù),通過試驗(yàn)的方法,研究EGR對(duì)柴油機(jī)排放的影響,并總結(jié)其影響規(guī)律。

1 EGR系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的結(jié)構(gòu)布置

1.1 樣機(jī)參數(shù)

本文所研究樣機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)參數(shù)

1.2 EGR的結(jié)構(gòu)布置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本試驗(yàn)的EGR系統(tǒng)采用廢氣從渦輪機(jī)前排氣管引出模式(試驗(yàn)設(shè)備由一汽集團(tuán)某科研單位提供的專業(yè)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行,EGR系統(tǒng)以此試驗(yàn)臺(tái)架為基礎(chǔ)由筆者自行搭建),廢氣與壓后進(jìn)氣混合進(jìn)入汽缸。此種EGR廢氣流動(dòng)路線設(shè)計(jì)與其他方式相比可以避免再循環(huán)廢氣污染壓氣機(jī)和中冷器,使壓氣機(jī)和中冷器不受排氣中的微粒、碳?xì)浠衔锖土虻挠绊?從而減少了可能會(huì)出現(xiàn)的淤塞與腐蝕問題[8]。通常增壓直噴柴油機(jī)的排氣平均壓力小于進(jìn)氣平均壓力,要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的廢氣再循環(huán),必須采取措施克服壓力逆差,使足量的廢氣送入進(jìn)氣系統(tǒng)?？朔毫δ娌钔ㄟ^調(diào)整增壓器參數(shù)以提高渦前壓力方法來實(shí)現(xiàn)。由渦輪前排氣管向中冷后進(jìn)氣管加EGR廢氣,通過廢氣調(diào)節(jié)閥控制廢氣流量,并利用EGR冷卻器對(duì)廢氣進(jìn)行冷卻。

1.3 EGR試驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)試驗(yàn)時(shí)需要嚴(yán)格控制試驗(yàn)邊界條件,比如對(duì)EGR系統(tǒng)影響較大的排氣背壓,中冷后溫度和壓力等試驗(yàn)參數(shù),時(shí)刻控制這些重要參數(shù)保持在合理的范圍之內(nèi)。

(2)試驗(yàn)過程中要密切關(guān)注一些對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要影響的試驗(yàn)參數(shù),如發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷是否運(yùn)行,發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況下,排氣溫度和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速是否超標(biāo)等,這些都是 EGR系統(tǒng)可能帶來的一些負(fù)面影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)A100轉(zhuǎn)速特性圖

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)A100轉(zhuǎn)速特性圖(此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 460 r/min,負(fù)荷為450 N·m),圖上各點(diǎn)數(shù)值為多次測(cè)量后的平均值。從圖上可以發(fā)現(xiàn)EGR開度由小變大的過程中,EGR率很小,最高可以達(dá)到4左右。對(duì)于A100轉(zhuǎn)速,由于渦前與中冷后壓差較小,也就是說沒有足夠的壓力差使廢氣再循環(huán),是無法實(shí)現(xiàn)較大EGR率的真正原因。因此,此工況下,通過EGR來控制NOx就比較困難。可以發(fā)現(xiàn),NOx的排放量位于5.3～6.5 g/kW·h之間,而SOOT的排放量卻只在0.004～0.009 g/kW·h之間,可以說A100代表了發(fā)動(dòng)機(jī)A轉(zhuǎn)速的特性,EGR率比較小,NOx的排放量比較大,而SOOT排放相對(duì)要小。雖然,對(duì)于A轉(zhuǎn)速利用 EGR控制NOx的排放量比較苦難,但從圖上也可以看到,隨著EGR開度增大逐漸減小,而SOOT卻相反增加。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)C100轉(zhuǎn)速標(biāo)定特性圖

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)C100轉(zhuǎn)速特性圖(此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 220 r/min,負(fù)荷為420 n·m),圖上各點(diǎn)數(shù)值為多次測(cè)量后的平均值。此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR率是比較高的,很小的EGR開度就可以得到很高的EGR率。對(duì)于C100轉(zhuǎn)速,由于渦前與中冷后壓差較大,也就是說具有足夠的壓力差使廢氣再循環(huán)。在此時(shí),NOx的排放量位于2.8～4.6 g/kW·h之間,而SOOT的排放量卻在0.02～0.1 g/kW·h之間。對(duì)比A轉(zhuǎn)速,NOx的排放量大大地降低了,而SOOT的排放量卻大大地增加了。這正是因?yàn)樵贑100轉(zhuǎn)速工況下,EGR率比較大,廢氣再循環(huán)進(jìn)入汽缸中的廢氣量比較多,從而大大破壞了NOx的生存環(huán)境,很大程度上降低了NOx的排放量,但也產(chǎn)生了副面效應(yīng),由于引進(jìn)的廢氣變多,使燃油燃燒不充分,這樣使碳煙SOOT的生成量變大。從圖3也可以看出,隨著EGR開度的增大,柴油機(jī)排放物中NOx的排放量也是隨著EGR開度增大逐漸減小,而SOOT卻相反的增加。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)B100轉(zhuǎn)速標(biāo)定特性圖

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)B100轉(zhuǎn)速特性圖(此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 840 rpm,負(fù)荷為440 n·m),圖上各點(diǎn)數(shù)值為多次測(cè)量后的平均值。此工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR率位于A轉(zhuǎn)速與C轉(zhuǎn)速之間,從圖4也可以看出,隨著EGR開度的增大,柴油機(jī)排放物中NOx的排放量也是隨著EGR開度的增大而逐漸減小,而SOOT卻相反地增加。B100轉(zhuǎn)速,NOx的排放量位于3.2～5.6 g/kW ·h之間,而SOOT的排放量卻只在0.01～0.035 g/kW·h之間。對(duì)比A和C轉(zhuǎn)速,排放物排放量也在A與C轉(zhuǎn)速之間。這種工況下可以比較容易地平衡NOx和SOOT的排放關(guān)系。

3 結(jié)語

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)A轉(zhuǎn)速時(shí),EGR率低,NOx的排放量大,而SOOT的排放量小。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)B轉(zhuǎn)速時(shí),EGR率較大,NOx的排放量降低,而SOOT的排放量增高。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)C轉(zhuǎn)速時(shí),EGR率最大,NOx的排放量最低,但同時(shí)SOOT的排放量也最高。

(4)EGR率越大,發(fā)動(dòng)機(jī)排放物中NOx的排放量越低,而SOOT的排放量越高。說明EGR對(duì)過濾發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放是很有效果的,但同時(shí)也增加了微粒的排放量。

(5)要想完全控制柴油機(jī)尾氣的排放,還需要進(jìn)行尾氣后處理。

[1]張振東,諸超美,周評(píng).增壓直噴柴油機(jī)EGR控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車工程,2004,26(2):136-138.

[2]姚春德,何幫全,李萬眾.高速車用柴油機(jī)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2001,30(2):29-32.

[3]杜常清.用EGR技術(shù)降低柴油機(jī)NOx排放的研究發(fā)展[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2005(2):59-60.

[4]孫躍東,張振東.增壓中冷柴油機(jī)EGR排放特性試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2004,5(35):47-49.

[5]GB 7258—1997,機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件[S].

[6]王凱明,朱軍,魏俊強(qiáng),等.汽車排放治理技術(shù)指導(dǎo)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:15-16.

[7]蔡茂春,楊雪茹,孫平.增壓柴油機(jī)采用廢氣再循環(huán)的燃燒過程和排放特性研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2008,2(37):32-35.

[8]楊雪茹,梅德純,畢勝強(qiáng).EGR對(duì)增壓柴油機(jī)排放特性的影響[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2008(2):27-30.