EGR閥升程規律對重型柴油機瞬態工況排放特性的影響

樓狄明，文杰，孔德立，譚丕強，胡志遠

(1.同濟大學，上海 201804；2. 聯合汽車電子有限公司，上海 201804)

柴油機具有燃油消耗低、扭矩輸出高及可靠性高等優點，在交通運輸、農業機械及工程機械領域得到了廣泛的應用，但柴油機有害排放物極大地制約了柴油機的發展。日益嚴格的排放法規對柴油機排放控制提出了更高的技術要求，因此依靠發動機機內凈化和機外后處理技術共同實現排放達標已越來越成為共識[1-2]。機內凈化氮氧化物(NOx)的廢氣再循環技術(exhaust gas recycling, EGR)與機外凈化微粒的微粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)的結合是目前比較主流的柴油機排放控制技術路線[3-5]。但使用EGR會對柴油機燃燒以及炭煙排放產生不良影響，因此，合理優化各工況下的EGR閥控制策略是采用EGR技術的關鍵。

實際道路工況下，車用柴油機大部分時間都處于瞬態工況，穩態標定的最佳性能不可能長時間持續，因此，針對瞬態工況柴油機性能與排放特性的研究更能適應未來發展需求。在ETC測試循環中，恒轉速變扭矩(constant speed increased torque，CSIT)和恒扭矩變轉速(constant torque increased speed，CTIS)是典型瞬態工況，在此工況下，EGR在NOx和炭煙排放控制中的矛盾也比較突出[6]。本研究主要目的是在柴油機CSIT與CTIS瞬變過程中探究EGR閥升程規律對柴油機排放特性的影響，為優化柴油機瞬態工況排放提供技術參考。

1 試驗設計

1.1 試驗樣機及燃料

試驗樣機為配備EGR的某高壓共軌增壓中冷重型柴油機，具體技術參數見表1。試驗燃料為國Ⅴ柴油，其理化指標見表2。

表1 柴油機主要技術參數

表2 柴油主要理化指標

1.2 試驗設備

柴油機試驗臺架基于AVL-PUMA自動測控臺架進行設計和搭建(見圖1)。其主要儀器設備和測試系統包括：AVL-ATA404電力測功機、AVL-439煙度儀、AVL-735油耗儀、ECU標定工具ETAS、AVL-i60氣體測試儀及AVL-PEUS多組分儀等(見表3)。其中AVL-i60和AVL-PEUS多組分氣體分析儀的采樣頻率設置為10 Hz。

圖1 試驗臺架布置示意

試驗設備測試參數測試目的AVL?735油耗儀燃油消耗率/g·(kW·h)-1柴油機基本性能指標AVL?i60(氣體測試儀)NOx體積分數/10-6柴油機重要的排放物AVL?PEUS(多組分分析儀)NO體積分數/10-6NO2體積分數/10-6NOx的主要組成成分AVL?439煙度儀瞬態煙度國Ⅲ以上法規要求

本研究中發動機的標定使用的是基于CCP(CAN Calibration Protocol)的ETAS INCA軟件。INCA主要提供一個工作平臺進行實時監控，并且測量發動機的運行數據，可通過接口模塊ES590向ECU開發板發送控制參數對瞬態試驗中EGR閥開度進行控制。

1.3 試驗工況

分別在恒定扭矩相同轉速增加率與恒定轉速相同扭矩增加率下， 研究EGR閥升程規律對瞬態工況排放特性的影響。通過穩態正交試驗已經確定了柴油機瞬變過程前后工況點的EGR閥開度，關鍵是如何設計中間的升程規律。通過試驗設計方法DOE(Design of Experiment)，將前后工況點(A，B)標注于坐標系中(見圖2)，列舉工況A與B之間可隨時間隨機走過的點，通過排列組合連接成不同EGR閥升程規律曲線。升程規律基本可分為3類：線性升程、上凸型升程以及下凹型升程。

圖2 EGR閥過渡工況可選路徑點

EGR閥升程規律選擇示意見圖3。在恒轉速變扭矩工況，柴油機工況由1 295 r/min，387 N·m通過5 s恒轉速變扭矩瞬變到1 295 r/min，1 160 N·m。EGR閥與柴油機同時開始瞬變，瞬變前后EGR閥的開度從70%降低到25%。升程規律見圖3a，其中升程1是簡單線性過渡；升程2、升程3與升程1相比，EGR閥開度變化速率更大，且依次降低，總體呈現下凹狀。升程4、升程5與升程1相比，EGR閥開度推遲瞬變，變化率高于升程1，總體呈現上凸狀。

圖3 EGR閥升程規律選擇示意

在恒扭矩變轉速工況，柴油機工況由1 295 r/min，1 145 N·m通過3 s恒扭矩變轉速瞬變到1 590 r/min，1 145 N·m，EGR閥與柴油機同時開始瞬變，瞬變前后EGR閥的開度從32%升高到50%。升程規律見圖3b，其中升程A是簡單線性過渡；升程B、升程C總體呈現上凸狀；升程D、升程E總體呈現下凹狀。

2 試驗結果和分析

2.1 EGR閥升程規律對NOx排放的影響

圖4示出恒轉速變扭矩工況柴油機EGR閥升程規律對NOx排放的影響。

圖4 恒轉速變扭矩工況EGR閥升程規律對柴油機NOx排放的影響

由圖4a可知，下凹型升程2、升程3的NOx排放出現了明顯的峰值，其他升程均出現明顯谷值。對于升程2、升程3，EGR閥開度變化速率從瞬變開始就高于線性升程1，EGR閥開度迅速減小使廢氣回流量降低，提高了缸內的進氣量，混合氣體總熱容降低且隨負荷增加缸內噴油量增大，缸內燃燒溫度上升，基本符合NOx高溫富氧生成條件[7-9]，因此，缸內產生的NOx會突增。升程2的EGR閥開度過渡完成用時少于升程3，其NOx峰值相比升程3升高了20.10%。升程4、升程5與升程1相比，最大的不同是在瞬變始點其EGR閥開度保持不變，一段時間后才開始變化。因此在瞬變開始時，缸內新鮮空氣進氣量較穩態時大幅降低，而隨負荷增大缸內噴油量增加，導致缸內空燃比下降，造成了NOx排放的降低。升程5EGR 閥延遲變化時間比升程4長，其NOx谷值相比升程4降低了14.4%。

由圖4b可知，NO不論是排放水平還是整體趨勢上與NOx排放均有極高的統一性。通過對比分析發現，升程2的NO排放峰值明顯，升程3幾乎看不出峰值，其余升程NO排放均出現谷值。其中升程5谷值最小，相比于升程2峰值，NO排放下降58.19%。

由圖4c可知，與NO相比，NO2的排放水平要低很多，該工況所有升程的NO2排放峰值均沒超過20×10-6，對NOx整體的排放數量級與趨勢沒有造成明顯的影響。NO與NO2的比例在1∶9到1∶10之間。

圖5示出恒扭矩變轉速工況柴油機EGR閥升程規律對NOx排放的影響。

從圖5a可知，各升程規律下NOx的排放規律一致，瞬變開始后NOx排放先減后增，最后趨于穩定。不同EGR閥升程規律下谷值明顯不同，與線性升程A相比，升程B、升程C的谷值降低了15.27%和9.16%，升程D、升程E的谷值高于升程A9.08%和9.73%。由圖3b可知，升程B、升程C的相同點是在瞬變工況開始時EGR閥變化速率高于線性升程A。EGR閥開度快速增大使廢氣回流量增加，缸內氧濃度進一步降低，抑制了NOx的產生，因此EGR閥過渡時間最短的升程B的NOx谷值最低。升程D、升程E在瞬變開始時EGR閥沒有立刻響應，EGR閥開度的延遲變化使瞬變始點缸內的廢氣回流低于線性升程，因此缸內氧濃度較高。而1 145 N·m屬于中高負荷，缸內燃燒溫度較高，缸內的氧含量決定了NOx排放量。而升程E的EGR閥開度變化延遲時間最長，故NOx排放最高。

由圖5b可知，NO的排放水平與NOx基本一致。其中，升程B、升程C的NOx谷值分別比升程A低9.8%，8.4%；升程D、升程E的谷值分別較升程A高5.63%和8.12%。

圖5 恒扭矩變轉速工況EGR閥升程規律對柴油機NOx排放的影響

由圖5c可知，所有升程下NO2排放值均低于20×10-6。柴油機NO2排放水平很低，其排放規律對NOx排放的整體規律不會造成很大影響。

2.2 EGR閥升程規律對煙度的影響

圖6示出柴油機不同EGR閥升程規律下消光系數的變化曲線，該參量可以表征柴油機的煙度水平[10]。

由圖6a可知，恒轉速變扭矩工況下，所有EGR閥升程規律下煙度變化趨勢相同，均呈先增后減隨后趨于穩定的趨勢。升程2、升程3的煙度峰值與線性升程1相比下降了51.5%和55.73%，升程4、升程5的煙度峰值比升程1高了7.7%和35.1%。在增負荷過程中，隨噴油量增加缸內溫度也逐步上升，缸內空燃比成為影響炭煙生成的重要因素[11-13]。升程2、升程3EGR閥開度快速減小使得缸內廢氣回流量減少，提升了缸內的進氣量，優化了缸內的空燃比，因此與線性升程相比，這兩種升程下煙度有了大幅下降。同理，升程4、升程5EGR閥開度推遲變化使缸內進氣量比線性變化時更加不足，燃燒質量也比其他升程要差，因此煙度劣于線性升程。

圖6 EGR閥升程規律對柴油機消光系數的影響

由圖6b可知，恒扭矩變轉速工況下，各升程規律下柴油機消光系數的變化趨勢一致，均是在瞬變過程中出現一個峰值，之后再回到穩態的水平。升程B、升程C的煙度峰值比線性升程A高88.81%，48.64%，升程D、升程E的煙度峰值比升程A低0.2%和10.4%。該過渡工況屬于中高負荷，缸內燃燒溫度較高，煙度與缸內的含氧量密切相關。升程B、升程C在瞬變工況開始時EGR閥變化速率高于線性升程A，廢氣回流量增加使缸內氧濃度進一步降低，導致炭煙排放增加。升程D、升程E的EGR閥保持小開度的時間較長，缸內氧含量比其他升程更高，因此煙度峰值更低。

2.3 EGR閥升程規律對燃油消耗率的影響

圖7示出柴油機EGR閥升程規律對燃油消耗率的影響。

由圖7a可知，恒轉速變扭矩工況下，所有升程下柴油機燃油消耗率瞬變過程中的變化趨勢都是先降后升，最后趨于穩定。這是因為從小負荷向大負荷過渡時，瞬變始點缸內EGR廢氣回流加熱了缸內氣體，改善燃油霧化質量導致油耗降低；而隨著負荷增大到一定程度，廢氣回流反而降低了缸內進氣量，燃燒惡化，因此燃油消耗率逐漸上升[14-15]。不同升程規律下柴油機燃油消耗率差異較小，升程2、升程3的燃油消耗率谷值比線性升程1低3.24%和5.02%，升程4、升程5的燃油消耗率谷值比線性升程1高4.03%和5.16%。

圖7 EGR閥升程規律對柴油機燃油消耗率的影響

由圖7b可知，恒扭矩變轉速工況下，所有的升程規律下燃油消耗率均出現一個谷值，且不同升程下谷值沒有明顯的差異。導致這種現象的主要原因是，隨著柴油機的轉速升高，瞬態過程中增壓器遲滯影響明顯減小，柴油機的充氣增加，優化了缸內燃燒[14-15]。計算分析后發現，升程B、升程C的燃油消耗率谷值比升程A高1.95%和1.34%，升程D、升程E的燃油消耗率谷值相比升程A低1.83%和0.84%。與升程A相比，所有升程下燃油消耗率谷值的最大差值僅為3.8 g/(kW·h)。

在分析排放的同時也要關注不同EGR閥升程規律對瞬態工況柴油燃油消耗率的影響。如果瞬態過程某一 EGR 閥升程規律導致柴油機燃油消耗率惡化明顯，就必須考慮采取當前路徑的合理性。

3 結論

a) 恒轉速變扭矩工況下，在初始變化率高的下凹型升程瞬變過程中，柴油機NOx排放量明顯增加并出現峰值，而線性升程與上凸型升程下NOx排放曲線出現明顯波谷，NOx排放最大降幅達到55.3%；恒扭矩變轉速工況下，所有升程規律下NOx排放均呈現先減后增隨后趨于穩定趨勢，初始變化率高的上凸型升程排放谷值要低于線性升程與下凹型升程，最大降幅達到23.07%；兩種瞬態工況下，NO與NOx排放規律基本一致，而EGR閥升程規律對NO2排放影響甚微；

b) 不同EGR閥升程規律下兩種瞬態工況的煙度變化規律相同，呈先增后減最后趨于穩定的趨勢，且下凹型升程的煙度峰值較低；

c) 不同EGR閥升程規律下兩種瞬態工況的燃油消耗率變化規律相同，均呈先減后增最后趨于穩定的趨勢，且波谷十分接近，這說明EGR閥升程規律對燃油經濟性影響不大，且所選路徑在合理范圍內。

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