國六柴油機廢氣再循環系統開發技術的研究

(上海柴油機股份有限公司，上海 200438)

0 前言

內燃機是汽車、工程機械、農業機械、電站和船舶的主要動力來源。2017年我國內燃機總產量突破8 000萬臺，但內燃機的排放對環境的污染也日趨嚴重，僅2016年全國機動車排放污染物核算約為4 472.5萬t。因此節能減排是內燃機發展的主要方向。

為了滿足嚴格的國六排放標準，柴油機需要采用更加先進的技術，提高發動機的最高爆發壓力至18 MPa以上，德國Man公司最新推出的D38發動機設計爆發壓力高達25 MPa[1]；優化發動機的燃燒過程，優化燃燒室、氣道，降低進氣渦流比至1.5左右；高壓共軌系統噴射壓力進一步提高到200 MPa以上；采用性能和效率更高的增壓器，包括可變截面電控增壓器、二級增壓器；采用減摩技術或可變技術以進一步減低摩擦功；采用先進的廢氣再循環(EGR)技術，包括高/低壓EGR系統；采用氧化催化器(DOC)+柴油顆粒捕集器(DPF)+選擇性催化還原(SCR)+氨逃逸催化器(ASC)先進后處理技術等。

1 國六EGR系統開發流程

如圖(1)所示，首先從性能排放和總體布置尺寸兩方面同時明確EGR系統開發的具體要求，定義EGR系統總體方案，包括EGR系統的選型，采用高/低壓雙EGR系統還是高壓EGR單系統，采用單通道EGR系統還是雙通道EGR系統，然后進行EGR系統主要部件的結構選型。

在給定的整車邊界下設計EGR模塊方案，計算流體力學(CFD)性能及溫度場、模態和結構強度計算機輔助工程(CAE)仿真，當性能、結構強度計算通過，且外形布置滿足要求后，再進行性能樣件的開發、發動機性能和排放試驗、部件設計驗證(DV)，以及開發樣件，搭載在發動機和整車上進行相應的耐久考核，通過后進行工程樣件(OTS)驗證工作。

圖1 國六EGR系統開發流程

2 采用基于特征點法模擬計算來定義EGR系統性能開發指標

首先根據發動機性能開發指標、排放目標及整車應用，定義不同性能的發動機特征工況點。如圖2所示，然后進行模擬計算各個特征工況點的EGR主要性能參數：高/低壓EGR流量、EGR入口溫度、出口溫度、EGR換熱功率以及EGR冷卻器阻力等。根據這些參數進行EGR閥的選型和冷卻器性能模擬計算。

圖2 在發動機運行區域內選取特征點

3 開發EGR主要部件的關鍵技術

3.1 熱端EGR閥部件的耐高溫技術

國六發動機加大了EGR流量和提高了EGR入口溫度，為了確保EGR閥部件在高溫下可靠工作，需要對EGR閥座設計專用冷卻流道，并進行溫度場模擬計算，如圖3所示。通過優化冷卻流道、冷卻液流量等參數來確保EGR閥桿和密封圈、閥座及其緊固螺栓、EGR閥驅動電機等部件的最高溫度低于限值。

圖3 EGR閥溫度場

根據CFD計算結果，首先確定溫度高的風險部位，在發動機性能排放基本標定完成后進行臺架EGR閥座模塊溫度場試驗。在發動機全脈譜中采集高風險部位的溫度，如圖4所示，將發動機冷卻液溫度控制到最高允許溫度110 ℃以內。

圖4 在發動機臺架上測得的EGR閥座圈處溫度

臺架溫度場試驗通過后，進行整車溫度場試驗。試驗時整車滿載條件下，并在大于40 ℃的高溫環境下采集這些有相同風險的部位的溫度并進行記錄，然后進一步評估是否滿足限值要求。如圖5所示，在整車環境倉里進行的爬坡情況下測得的閥座溫度，最高溫度測得260 ℃，低于限值400 ℃。

圖5 整車環境倉測得的閥座溫度

3.2 EGR冷卻器開發關鍵技術

3.2.1EGR冷卻性能

EGR冷卻器性能直接影響到EGR冷卻后的溫度，并進一步影響到發動機的性能和排放。因此，開發了冷卻效率更高的翅板以加大國六標準EGR散熱功率，在外形尺寸不增加的情況下滿足EGR冷卻功率增加的需求，從而可以有效控制設計成本和空間布置。如圖6所示，這款柴油機新EGR冷卻器采用了新一代的板翅結構，相同尺寸下增加了散熱面積和EGR氣體的擾流，提高了散熱效率和散熱功率，在相同的入口溫度和流量下， EGR冷卻后的溫度降低了15 ℃。

圖6 冷卻翅板結構優化前后性能比較

EGR冷卻器中不同的紊流片翅距對冷卻性能也有影響。采用紊流片翅距分別為3.5 mm和5.0 mm的EGR冷卻器，相同入口溫度和流量以及冷卻側相同條件下，經5.0 mm翅距的EGR冷卻器冷卻后的出氣溫度上升了30 ℃。

對于大排量國六柴油機，由于EGR流量和EGR率更大，因此需要開發冷卻功率大的EGR冷卻器，文獻[2]介紹了一種高低溫兩級冷卻的大功率EGR冷卻器，這種二級冷卻的EGR冷卻器相比一級EGR冷卻器，可進一步降低氮氧化物(NOx)排放，另一優點是EGR冷卻器中積炭少，在使用過程中冷卻功率保持穩定。

3.2.2EGR冷卻器防積炭堵塞技術

積炭堵塞是EGR冷卻器開發和使用過程中遇到的最嚴重的問題，積炭堵塞會直接引起冷卻效率和冷卻功率下降，導致排放超標。EGR冷卻器的積炭機理是：EGR廢氣中含有碳氫化合物(HC)和碳煙顆粒，經過冷卻器冷卻后，HC沉積在EGR冷卻器散熱片表層相對廢氣溫度較低的壁面上，碳煙顆粒沉積在HC層上面，在EGR冷卻器內氣體流動和散熱管中紊流和熱泳共同作用影響下，HC層和碳煙顆粒層繼續被壓緊，另外廢氣中的H2O、H2SO4和HC等受到冷卻/擴散和吸收作用的影響,繼續結膠在原來已有的沉積物上,不斷加厚直至堵塞。

防止EGR冷卻器積炭堵塞的有效技術包括：設計匹配合理的EGR冷卻器散熱功率，防止EGR冷卻后的溫度過低；EGR冷卻器帶旁通閥，在低溫環境下，旁通閥打開，EGR廢氣不經過冷卻器冷卻；降低柴油機HC排放是非常有效的措施，在發動機運行范圍內，HC排放濃度建議控制在小于300×10-6；通過基于EGR出氣溫度模型來標定并控制EGR出氣溫度。圖7是同一款柴油機國五和國六HC排放，國六柴油機通過優化燃燒和標定技術來進一步降低HC排放。

圖7 同一柴油機國五和國六HC排放

為了防止積炭，EGR冷卻器廢氣的流速設計需要大于6 m/s。圖8為EGR冷卻器CFD計算結果，流速均大于6 m/s，并且氣側流場中不能存在明顯的漩渦區。

圖8 EGR冷卻器流場分布

國六柴油機后處理帶有DPF，DPF再生需要采用后噴處理來提高廢氣溫度，但同時廢氣中的HC排放也增長比較快。因此，在DPF再生過程中，需要通過優化標定控制策略來主動關閉EGR閥，防止過多的HC進入EGR冷卻器造成積炭堵塞。

3.3 提高發動機各缸EGR率均勻性的技術

國六柴油機為了提高各缸燃燒的一致性，將EGR率不均性控制在±5%以內，進氣管采用集成設計EGR混合腔和混合器的技術方案，圖9發動機運行的工況點(轉速為1 500 r/min，壓力為0.3 MPa)，各缸的EGR率較為均勻。

圖9 各缸EGR率

4 滿足國六排放、降低油耗的高/低壓EGR技術

4.1 高/低壓EGR系統

國六發動機為了滿足運行工況更大范圍內的NOx限值，及更嚴苛的油耗目標，高/低壓EGR系統是國六小排量柴油機發展趨勢。圖10所示為一款國六柴油機高壓/低壓EGR系統。

圖10 國六高低壓EGR系統

4.2 高/低壓EGR系統控制策略

如上圖10所示，較低溫度的低壓EGR在增壓器入口和新鮮空氣混合后進入增壓器，相比高壓EGR，低壓EGR可以進一步降低發動機的進氣溫度，提高發動機的進氣量和空燃比，相比采用高壓EGR系統，在發動機中高速和中高負荷并達到相同NOx值的條件下，僅采用低壓EGR比僅用高壓EGR可以使燃油耗降低2%～4%，煙度也會有明顯改善。因此，如圖11～13所示，在高速和中高負荷下低壓EGR流量占總流量的百分比高達70%～90%以上，僅在低速小負荷采用高壓EGR。

圖11 低壓EGR流量占總EGR流量的百分比的MAP

圖12 高壓EGR率

圖13 低壓EGR率

4.3 低壓EGR系統設計

低壓EGR取氣點位置應位于DPF和SCR 涂層柴油機顆粒過濾器(SDPF)之后，而且在取氣口設計1個過濾器，目的是為了減少柴油機排氣顆粒對低壓增壓器壓氣機葉輪的腐蝕和損壞，防止因腐蝕和葉片損壞而影響增壓器的性能及可靠性。另外，低壓EGR在發動機總體布置時要考慮管路長度，以提高EGR系統的響應性，同時降低低壓EGR流動的阻力損失并降低廢氣調節閥的使用頻率，降低排氣背壓。另外，管路短流動損失小也能提高低壓EGR率。大眾公司推出的EA288柴油機[3]，把低壓EGR冷卻器集成在后處理中，同時后處理采用緊耦合技術，低壓管路設計得十分緊湊。

5 大排量重型國六柴油機雙通道高壓EGR技術

對于排量大于7.0 L以上的柴油機，為了滿足國六排放，EGR率高達15%以上，8.0 L左右的柴油機高壓EGR率最大流量高達210 kg/h，另外由于排氣壓力與進氣壓力壓差較小，為了達到較高的EGR流量，需要采用雙通道高壓EGR系統，如圖14所示，包括雙通道EGR閥、雙通道EGR冷卻器和雙單向閥。為了與雙通道EGR閥匹配，發動機排氣管是由1～3缸排氣歧管和4～6缸排氣歧管組成，分別各有1個EGR取氣口對應雙通道EGR閥的入口。

圖14 重型國六柴油機雙通道高壓EGR系統

6 結論

采用國六柴油機EGR系統先進的開發流程，面向整車排放和應用采用基于特征點能夠有效定義EGR系統的性能開發目標，確保EGR系統既能滿足發動機排放所需的EGR率，而且EGR冷卻器也能滿足冷卻要求。通過溫度場仿真、臺架和整車溫度場試驗考核來保證EGR系統在高溫下能可靠工作；EGR冷卻器采用新一代板翅結構可以在相同尺寸下降低EGR冷卻后溫度約15 ℃；控制發動機HC排放濃度在300×10-6以下，通過基于EGR出氣溫度模型的標定優化、設計合適冷卻功率是防止積炭堵塞的有效技術措施；高/低壓EGR雙系統是小排量發動機滿足國六排放、降低油耗的有效技術；雙通道EGR系統可以滿足大排量國六發動機EGR率需求。