EGR對二級增壓高壓共軌柴油機燃燒及排放的影響

朱 睿，孫萬臣，杜家坤，李魯寧，李國良，李文祥

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025；2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

渦輪增壓是柴油機的一項關(guān)鍵技術(shù)，但傳統(tǒng)的單級增壓由于其固有缺陷已不能滿足未來柴油機更高的性能和排放要求［1－2］。二級增壓系統(tǒng)具有壓比高、調(diào)節(jié)能力強、結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)點，逐步在重型柴油機上得到廣泛應(yīng)用［3－4］。匹配二級增壓系統(tǒng)后，柴油機的升功率、低速扭矩大幅提高，煙度和油耗則可得到較大程度的改善［5－6］。二級增壓是滿足未來更為嚴格排放法規(guī)和高功率密度柴油機需求的重要技術(shù)［7］。

二級增壓系統(tǒng)能夠大幅提高柴油機的進氣壓力，增加缸內(nèi)新鮮充量，有利于降低微粒排放［8－9］。同時，較大的空燃比允許采用更高的廢氣再循環(huán)（EGR）量，從而能夠進一步降低 NOx排放［10］，因此二級增壓耦合EGR系統(tǒng)在降低發(fā)動機排放方面具有較大潛力［11］。

本研究針對某重型車用柴油機超低排放開發(fā)目標進行了二級增壓與EGR系統(tǒng)匹配，試驗研究了不同工況下EGR系統(tǒng)對二級增壓重型柴油機性能、燃燒及排放的影響規(guī)律，為實現(xiàn)重型柴油機的高效清潔燃燒提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗裝置與研究方法

研究采用某重型直列6缸增壓中冷柴油機，原機裝有HOLSET單級渦輪增壓系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。本研究采用的二級增壓系統(tǒng)及EGR布置方案見圖1。試驗中發(fā)動機測控系統(tǒng)（見圖2）由CW440電渦流測功機、DF2420油耗儀、7100DEGR排放分析儀、AVL439消光煙度計和DS0928燃燒分析儀等組成。

研究中單級增壓（原機）和二級增壓柴油機試驗工況均采用ESC穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)除怠速外的12個工況點（見表2和表3）。

表1 試驗柴油機主要技術(shù)參數(shù)

表2 單級增壓發(fā)動機試驗工況點

表3 二級增壓發(fā)動機試驗工況點

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 EGR對二級增壓柴油機燃燒的影響

圖3示出了1 965r／min，50%負荷工況下原機與二級增壓柴油機缸內(nèi)燃燒特性隨EGR率的變化對比，試驗中在不同EGR率下噴油始點保持不變。

由圖3可見，隨著EGR率增大，原機與二級增壓柴油機缸內(nèi)壓力峰值及瞬時放熱率峰值降低，缸內(nèi)最高燃燒溫度有所降低。相同EGR率下，原機缸內(nèi)壓力峰值及瞬時放熱率峰值較二級增壓柴油機低，但其缸內(nèi)最高燃燒溫度高于二級增壓柴油機。原機與二級增壓柴油機的燃燒始點隨EGR率變化不明顯，說明滯燃期變化不大。原因是柴油機的滯燃期主要取決于燃料性質(zhì)、混合氣濃度、溫度以及壓力條件，引入EGR后，一方面，空燃比減小，混合氣中的氧濃度降低，CO2，H2O等惰性氣體分子增多，導(dǎo)致滯燃期有所延長，而另一方面，廢氣再循環(huán)提高了缸內(nèi)混合氣溫度，縮短了滯燃期。由此可見，混合氣中氧的濃度對滯燃期的影響與進氣溫度對滯燃期的影響作用相當，使得EGR率的變化對該工況下滯燃期的影響不明顯。

2.2 EGR對二級增壓發(fā)動機性能的影響

圖4示出了二級增壓與單級增壓柴油機渦前與進氣壓差的對比（圖中a，b，c分別代表ESC試驗工況點的3個轉(zhuǎn)速，分別為1 335r／min，1 650r／min，1 965r／min）。由圖可見，采用二級增壓后，由于排氣背壓升高，發(fā)動機各工況下渦前與進氣壓差均大于原機，且單級增壓在大部分工況下壓差均為負值，很難采用高壓EGR回路實現(xiàn)較大的EGR率，而二級增壓僅在低轉(zhuǎn)速大負荷工況下渦前與進氣壓差存在負值，這有利于EGR廢氣的引入，能實現(xiàn)更大的EGR率，最大EGR率可以達到20%。

圖5示出了1 965r／min，50%負荷工況下EGR對二級增壓和單級增壓發(fā)動機性能的影響對比。

由圖可見，采用二級增后，增壓比、進氣量及空燃比明顯增加。在燃油消耗量增加的前提下，發(fā)動機的扭矩增加，但排氣背壓和泵氣損失增加，導(dǎo)致小EGR率下的燃油消耗率增加。單級增壓發(fā)動機由于渦前及進氣壓差不足，最大EGR率只能達到16%。由圖可以看出，對于二級增壓和單級增壓，發(fā)動機的增壓比、進氣量和空燃比均隨EGR率的增大而減小；單級增壓在EGR率大于12%時，發(fā)動機的空燃比、進氣量、扭矩開始急劇降低，燃油消耗率和渦前排溫開始大幅升高，EGR率達到16%時扭矩降低了3.6%，燃油消耗率增加了4.1%。而二級增壓在更寬的EGR率范圍內(nèi)可以保持發(fā)動機良好的動力性和經(jīng)濟性，不同EGR率下的扭矩、燃油消耗率及排氣溫度基本不變。

2.3 EGR對二級增壓發(fā)動機排放的影響

圖6示出了1 965r／min，50%負荷工況下，EGR率對二級增壓和單級增壓發(fā)動機排放的影響對比。由圖可以看出，單級增壓發(fā)動機在EGR率大于12%時HC排放急劇升高，變化明顯，而二級增壓發(fā)動機HC排放變化不大。這是因為在中等負荷工況下單級增壓發(fā)動機過量空氣系數(shù)較小，HC排放對EGR造成的氧濃度下降比較敏感，而二級增壓發(fā)動機進氣壓力大，進氣量增加，缸內(nèi)空燃比相較單級增壓有所提高，改善了燃燒過程，抵消了因EGR造成的氧濃度下降的影響。兩者CO排放均隨EGR率的增大而增加，但二級增壓發(fā)動機CO增加幅度明顯低于單級增壓，單級增壓在EGR率由12%增加到16%時，CO排放增加了近5倍，而二級增壓EGR率由12%增加到20%時CO排放僅升高了50%。這主要是由于EGR廢氣的引入降低了缸內(nèi)的氧氣濃度和燃燒反應(yīng)溫度，使氧化不充分，而二級增壓發(fā)動機過量空氣系數(shù)較大，氧濃度下降不明顯，燃燒反應(yīng)溫度也比原機單級增壓要高，所以CO排放增長較緩。

在炭煙排放方面，隨著EGR率的增大，單級增壓發(fā)動機的煙度在EGR率大于12%時開始急劇升高，而二級增壓發(fā)動機煙度增長比較緩慢。由圖中可以看出，當EGR率由0增加到16%時，單級增壓煙度由2.12%增加到11.4%，而二級增壓發(fā)動機EGR率由0增加到20%時，煙度僅由0.85%增加到2.69%。因為中等負荷工況二級增壓發(fā)動機過量空氣系數(shù)較單級增壓發(fā)動機高，煙度對較低的過量空氣系數(shù)更為敏感，煙度惡化趨勢較快。

在NOx排放方面，當EGR率為0時，由于二級增壓的增壓比較大，發(fā)動機的進氣量較大，造成缸內(nèi)氧濃度升高，使NOx排放高于單級增壓。采用EGR后，由于廢氣的稀釋作用和對燃燒的抑制作用，NOx排放隨EGR率的增大而降低，二級增壓發(fā)動機NOx排放的降低效果更為明顯，當EGR率由0增加到16%時，單級增壓發(fā)動機NOx排放降低了34%，而二級增壓發(fā)動機NOx排放降低了43%。原因是，在相同的EGR率下，雖然二級增壓發(fā)動機的空燃比更大，混合氣更稀，但是更多的空氣量也使得燃燒溫度降低，由于二級增壓發(fā)動機的渦前排溫及缸內(nèi)燃燒溫度較原機低，抑制了NOx的生成，所以二級增壓發(fā)動機NOx排放較低，且二級增壓能實現(xiàn)更大的EGR率，可進一步降低NOx的排放。

圖7示出了兩種轉(zhuǎn)速，中高負荷工況下采用EGR后二級增壓和單級增壓發(fā)動機NOx排放與燃油消耗率及煙度的平衡關(guān)系。由圖可見，在不同工況下，二級增壓NOx和煙度的平衡關(guān)系均優(yōu)于單級增壓，NOx和燃油消耗率的平衡關(guān)系僅在無EGR或EGR率較小時比原機稍差。原因是EGR率較小時二級增壓發(fā)動機的泵氣損失較大，對燃油消耗率的影響比較明顯，隨著EGR率的增大，二級增壓NOx和燃油消耗率的平衡關(guān)系優(yōu)于單級增壓。

3 結(jié)論

a）二級增壓系統(tǒng)渦前與進氣壓差更大，有利于EGR的引入，能實現(xiàn)更大的EGR率，可在更寬的EGR率范圍內(nèi)保持發(fā)動機良好的經(jīng)濟性和動力性；

b）隨EGR率增加，二級增壓柴油機缸內(nèi)燃燒壓力、放熱率峰值及缸內(nèi)平均溫度降低，且對滯燃期的影響不大；

c）相同EGR率下，二級增壓的CO，HC和炭煙排放均低于單級增壓，且隨EGR率增大，CO，HC和炭煙排放增幅明顯低于單級增壓，同時對NOx排放具有更好的抑制作用；

d）采用EGR后，相比單級增壓，二級增壓發(fā)動機NOx與煙度及燃油消耗率的平衡關(guān)系更好，二級增壓系統(tǒng)耦合EGR技術(shù)可作為未來柴油機實現(xiàn)高效清潔燃燒的重要技術(shù)手段之一。

［1］ 韓志玉，陳 征，劉敬平，等.現(xiàn)代乘用車柴油機技術(shù)［J］.中國工程科學(xué)，2009，11（11）：36－38.

［2］ Timothy V Johnson.Diesel Emission Control in Review［C］.SAE Paper 2008－01－0069.

［3］ 袁 鋒，鄭尊清，堯命發(fā)，等.二級增壓重型柴油機排放和燃燒特性的試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2012，33（4）：9－16，21.

［4］ Unemasa Hashimoto.BSFC Improvement and NOxReduction by Sequential Turbo System in a Heavy Duty Diesel Engine［C］.SAE Paper 2012－01－0712.

［5］ Mattarelli E.Comparison among different 2－stage supercharging systems for HSDI diesel engines［C］.SAE Paper 2009－24－0072.

［6］ Marcello Canova，F(xiàn)abio Chiara，Giorgio Rizzoni.Design and Validation of a Control－Oriented Model of a Diesel Engine with Two－Stage Turbocharger［C］.SAE Paper 2009－24－0122.

［7］ Nitta J，Minato A，Shimazaki N.Performance evaluation of three－stage turbocharging system for heavy－duty diesel engine［C］.SAE Paper 2011－01－0374.

［8］ Galindo J，Serrano J R，Climent H，et al.Impact of twostage turbocharging architectures on pumping losses of automotive engines based on an analytical model［J］.Energy Conversion and Management，2010，51：1958－1969.

［9］ 李魯寧，孫萬臣，李文祥，等.車用重型柴油機二級增壓系統(tǒng)模擬及試驗研究［J］.車用發(fā)動機，2013（1）：56－60.

［10］ Maiboom A，Tauzia X，Hétet J F.Experimental study of various effects of exhaust gas recirculation （EGR）on combustion and emissions of an automotive direct injection diesel engine［J］.Energy，2008，33（1）：22－34.

［11］ Alper T Calik，Cem Sorusbay，Metin Ergeneman，et al.Investigation of the Effect of Boost Pressure and Exhaust Gas Recirculation Rate on Nitrogen Oxide and Particulate Matter Emissions in Diesel Engines［C］.SAE Paper 2013－24－0017.