復(fù)合EGR對增壓柴油機燃燒及排放特性的影響

王云超　閆迎博　桂小林　王建中　王興華　于　超

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

復(fù)合EGR對增壓柴油機燃燒及排放特性的影響

王云超1,2閆迎博1,2桂小林1,2王建中1,2王興華1,2于超1,2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

在一臺增壓高壓共軌柴油機上，進行HP-EGR和復(fù)合EGR對柴油機燃燒和排放影響的試驗研究。研究結(jié)果表明：復(fù)合EGR可以明顯改善EGR對進氣溫度和過量空氣系數(shù)的影響，有利于柴油機上高EGR率的應(yīng)用；低轉(zhuǎn)速時，復(fù)合EGR和HP-EGR都實現(xiàn)了NOx和碳煙排放的同時降低，但解決NOx和碳煙之間trade-off關(guān)系（新折中關(guān)系），復(fù)合EGR比HP-EGR更加有效；復(fù)合EGR可以明顯拓展高EGR率使用，且保持相對低的HC和CO排放；低負(fù)荷時，HP-EGR對NOx和油耗率之間trade-off關(guān)系改善明顯，而中高負(fù)荷時，復(fù)合EGR的效果更加明顯。

復(fù)合EGR柴油機燃燒排放

引言

柴油機以其高熱效率、強勁動力等優(yōu)勢，在工程機械及汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但日益嚴(yán)格的排放法規(guī)對降低柴油機NOx和碳煙（Soot）排放提出了更高的要求［1］。

若采用后處理器解決NOx排放問題，不僅會帶來成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低等多方面的問題，而且僅采用DeNOx后處理器降低NOx排放的效果有限。

為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，柴油機在采用后處理器的同時必須配合機內(nèi)燃燒凈化措施。而廢氣再循環(huán)（EGR）是機內(nèi)凈化NOx排放的有效手段之一［2-3］。傳統(tǒng)柴油機采用高壓EGR（HP-EGR）通常會造成過量空氣系數(shù)減小，導(dǎo)致碳煙、HC及CO排放升高，燃油經(jīng)濟性變差。而采用（高-低壓）復(fù)合EGR能實現(xiàn)更高的進氣壓力，增加進氣流量，并減小EGR帶來的不利影響。

本文在一臺增壓柴油機試驗臺架上，針對HPEGR和復(fù)合EGR系統(tǒng)對增壓柴油機燃燒、排放特性的影響進行了試驗研究。該研究將為增壓柴油機采用復(fù)合EGR技術(shù)降低排放提供一定的理論支持及工程指導(dǎo)。

1　試驗裝置與研究方法

試驗發(fā)動機為增壓中冷、電控高壓共軌柴油機。其主要技術(shù)參數(shù)見表1，試驗臺架如圖1所示，試驗儀器設(shè)備見表2。

表1　發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

圖1　臺架布置圖

試驗中建立了一套電控高-低壓EGR系統(tǒng)。其中HP-EGR系統(tǒng)包括HP-EGR冷卻器、HP-EGR閥及背壓閥。其廢氣從渦輪前引入進氣管路。HP-EGR率通過調(diào)節(jié)HP-EGR閥的開度來控制，若HP-EGR閥全開仍不能滿足所需最大EGR率要求，則在HPEGR閥全開時調(diào)節(jié)背壓閥增大HP-EGR吸入能力。LP-EGR系統(tǒng)包括LP-EGR冷卻器、LP-EGR閥及背壓閥。其廢氣從渦輪后引入進氣管路。LP-EGR率通過調(diào)節(jié)LP-EGR閥的開度來控制，若LP-EGR閥全開依然不能滿足EGR率的需求，則在LP-EGR閥全開時調(diào)節(jié)背壓閥增大LP-EGR引入能力。

本文中設(shè)定EGR率達到最大值的邊界條件為柴油機能維持穩(wěn)定運行，以指示平均有效壓力的循環(huán)變動系數(shù)不大于5%來衡量。

EGR率是通過Horiba MEXA-7100D EGR排放分析儀測量進氣與排氣中CO2體積分?jǐn)?shù)計算得到，計算公式為：

碳煙（Soot）排放是通過AVL公司的415S煙度計測量煙度計算得到，碳煙和煙度的換算公式為：

式中：FSN為實測煙度值；mair為進氣流量，單位為kg/h，mfuel為柴油機的小時油耗量，單位為kg/h；Pe為有效功率；e≈2.7183。

本文主要以NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)測試的部分工況為研究對象，A、B、C分別代表轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、2 000 r/min和2 400 r/min的工況點，工況點參數(shù)如表3所示。

表3　工況點參數(shù)

2　試驗結(jié)果及分析

2.1不同EGR方式對燃燒特性的影響

圖2為不同工況下進氣溫度隨EGR率的變化。由圖2可知，HP-EGR的進氣溫度明顯高于復(fù)合EGR。這是因為低EGR率時，復(fù)合EGR中的低壓EGR廢氣經(jīng)渦輪做功后，廢氣溫度顯著降低，進氣溫度變化較小。

圖2不同EGR方式對進氣溫度的影響

圖3和圖4分別為各工況點進氣壓力和渦前壓力隨EGR率的變化。

圖3　不同EGR方式對進氣壓力的影響

圖4　不同EGR方式對渦前壓力的影響

由圖3和圖4可知，采用HP-EGR時，由于渦前較多廢氣未經(jīng)增壓器渦輪做功直接進入缸內(nèi)，導(dǎo)致渦前及進氣壓力降低。在低轉(zhuǎn)速時，由于渦前廢氣能力小，采用HP-EGR使供給渦輪膨脹做功的可用廢氣進一步減少，當(dāng)EGR率增大時，使進氣壓力大幅降低。但此時為提高EGR率，減小了背壓閥開度，使渦前壓力先降低后升高。在中高轉(zhuǎn)速時，雖然EGR分流使渦前壓力降低，但廢氣能力比較充足，進氣壓力的降低幅度減小。

由圖3和圖4還可得知，復(fù)合EGR的渦前及進氣壓力明顯高于HP-EGR，這是因為LP-EGR的廢氣都先經(jīng)渦輪做功，然后進入氣缸，對增壓器的影響很小，使復(fù)合EGR的渦前及進氣壓力降低的趨勢變緩。

圖5為各工況點過量空氣系數(shù)隨EGR率的變化。由圖5可知，復(fù)合EGR的過量空氣系數(shù)明顯高于HP-EGR，隨著EGR率的增加，兩者的差距逐漸增大；而隨著轉(zhuǎn)速的升高，兩者的差距逐漸減小。這是因為低轉(zhuǎn)速時，復(fù)合EGR和HP-EGR的進氣壓力差距較大，而隨著轉(zhuǎn)速的升高，兩者差距減小。

圖5　不同EGR方式對過量空氣系數(shù)的影響

圖6為各工況點缸壓及放熱率隨EGR率的變化。由圖6可知，復(fù)合EGR的缸內(nèi)壓力較高。這是因為HP-EGR的過量空氣系數(shù)、進氣壓力下降幅度更大，降低了壓縮壓力和溫度，使得滯燃期延長，燃燒相位推遲，燃燒速度和瞬時放熱率峰值升高。隨著負(fù)荷的升高，壓縮壓力和溫度升高，滯燃期縮短，且過量空氣系數(shù)、進氣壓力的差異減小，使兩種EGR方式的缸壓和放熱率的差異減小。

圖7為各工況點油耗率隨EGR率的變化。由圖7可知，EGR率較小時，HP-EGR的油耗率略低于復(fù)合EGR，隨著EGR率的增加，HP-EGR的油耗率快速升高，明顯高于復(fù)合EGR。這是因為HP-EGR的影響主要來自泵氣損失和燃燒相位兩個方面。EGR率較小時，泵氣損失降低起主要作用，使油耗率下降；當(dāng)EGR率較大時，泵氣損失降低的作用減小，燃燒相位推遲和反應(yīng)速度減慢，且過量空氣系數(shù)降低到一定數(shù)值，對燃燒反應(yīng)的影響更加明顯，油耗率上升趨勢更明顯。而LP-EGR對過量系數(shù)的影響較小，推遲了復(fù)合EGR的油耗率升高的趨勢。

圖6　不同EGR方式對缸壓及放熱率的影響

圖9　不同EGR方式對碳煙排放的影響

2.2不同EGR方式對排放特性的影響

圖8為各工況點NOx排放隨EGR率的變化。由圖8可知，隨著EGR率的增加，復(fù)合EGR和HPEGR的NOx排放都大幅降低，但HP-EGR的效果更加明顯。這是因為HP-EGR對過量空氣系數(shù)、進氣壓力的影響更大，使缸內(nèi)壓縮壓力和溫度降低，同時氧濃度降低，使NOx排放降低更明顯。

圖9為各工況點碳煙（Soot）排放隨EGR率的變化。由圖9可知，在低轉(zhuǎn)速時，HP-EGR的碳煙排放隨著EGR率的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這是典型的柴油機低溫燃燒特性。而復(fù)合EGR的碳煙排放呈逐漸降低的趨勢。這是因為復(fù)合EGR進氣加熱作用較弱，過量空氣系數(shù)較高，缸內(nèi)氧氣充足，避開了碳煙生成區(qū)域，使碳煙排放降低。而高轉(zhuǎn)速低EGR率時，復(fù)合EGR和HP-EGR對碳煙排放的影響趨勢相同，但復(fù)合EGR可以明顯推遲碳煙排放升高的趨勢。

圖10為各工況點HC排放隨EGR率的變化。由圖10可知，低EGR率時，隨著EGR率的增加，HPEGR的HC排放逐漸降低，而復(fù)合EGR的HC排放變化不明顯。這是因為HP-EGR對進氣加熱作用明顯，促進了燃油的蒸發(fā)、霧化及燃燒，使HC排放降低。隨著EGR的繼續(xù)增加，過量空氣系數(shù)減小，缸內(nèi)氧濃度降低，使HC無法被氧化，HP-EGR和復(fù)合EGR的HC排放都升高。

圖11為各工況點CO排放隨EGR率的變化。由圖11可知，復(fù)合EGR和HP-EGR對CO排放的影響趨勢相同。但相對于HP-EGR，復(fù)合EGR可以明顯推遲CO排放升高的趨勢。

圖10　不同EGR方式對HC排放的影響

圖11　不同EGR方式對CO排放的影響

3　結(jié)論

1）復(fù)合EGR可以明顯改善EGR對進氣溫度和過量空氣系數(shù)的影響，有利于柴油機上高EGR率的應(yīng)用。

2）低轉(zhuǎn)速時，復(fù)合EGR和HP-EGR都實現(xiàn)了NOx和碳煙排放的同時降低。但解決NOx和碳煙之間trade-off關(guān)系（新折中關(guān)系），復(fù)合EGR比高壓EGR更加有效。

3）復(fù)合EGR可以明顯拓展高EGR率使用，且保持相對低的HC和CO排放。

1陳貴升，鄭尊清，堯命發(fā)，等.不同增壓方式下EGR對高壓共軌柴油機燃燒和排放的影響［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2011，17（6）：512-520

2Alriksson M，Denbratt I G.Low temperature combustion in a heavy duty diesel engine using high levels of EGR［C］.SAE Paper 2006-01-0026

3鄭尊清，張文強，堯命發(fā)，等.高/低壓EGR對兩級增壓柴油機性能和排放影響的試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2014，35（1）：1-7

4）低負(fù)荷時，HP-EGR對NOx和油耗率之間trade-off關(guān)系改善明顯；而中高負(fù)荷時，復(fù)合EGR的效果更加明顯。

Experimental Study of Influence of Hybrid EGR on the Turbocharged Diesel Engine Combustion

Wang Yunchao1，2，Yan Yingbo1，2，Gui Xiaolin1，2，Wang Jianzhong1，2，Wang Xinghua1，2，Yu Chao1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Experimental study on combustion and emissions was carried out on an electron-controlled common-rail diesel engine with turbocharger and both HP-EGR and Hybrid EGR.The study results show：Hybrid EGR could obviously improve the influence of EGR on intake temperature and excess air coefficient，and was advantageous to apply high EGR rate on product diesel；Both Hybrid EGR and HPEGR could reduce the emissions of NOxand Soot at the same time，but to solve the trade-off relation of NOxand Soot，Hybrid EGR was more effective than HP-EGR；Hybrid EGR could obviously expand the using of high EGR rate，and keep opposite low emissions of the HC and CO；The HP-EGR was obviously effective to improve the trade-off relation of NOxand BSFC under low load，but under medium and high load，Hybrid EGR was more effective.

Hybrid EGR，Diesel，Combustion，Emission

TK421+.5

A

2095-8234（2016）03-0020-05

王云超（1990—），男，工程師，主要研究方向為EGR系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用.

2016-04-06）