廢氣平衡閥開度對柴油機性能及排放影響規(guī)律研究

馮偉超 翁志勇 魏沖 王眾 趙海峰

摘? 要：主要介紹了非對稱增壓器的基本原理，柴油發(fā)動機排放的主要成分、生成機理。通過調(diào)整廢氣平衡閥開度進行油耗、氮氧化物（NOx）、碳煙試驗，并對試驗結果進行分析，探索廢氣平衡閥不同開度對柴油發(fā)動機油耗、氮氧化物、碳煙生成的影響規(guī)律。

關鍵詞：非對稱增壓器;廢氣平衡閥;碳煙;NOx;燃油消耗率

中圖分類號：U470.30? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2019）03-0008-05

Abstract： The principles of asymmetrical supercharger， the main components of diesel engine emission and the formation mechanism. Fuel consumption， nitrogen oxide and soot emission tests were carried out by adjusting the opening of the exhaust gas balance valve，，and the test results were analyzed to explore the influence of different opening of the exhaust gas balance valve on fuel consumption， NOx and soot generation of diesel engine.

Key Words： asymmetrical turbocharger; exhaust balance valve; soot; nitrogen oxide; fuel consumption ratio

目前重型柴油機普遍采用渦輪增壓技術以增加動力性和燃油經(jīng)濟性，柴油機燃燒以高溫富氧擴散燃燒為主，但是機內(nèi)混合氣又非常不均勻，形成局部高溫缺氧，所以柴油機產(chǎn)生的排氣污染物主要為NOx和碳煙[1]。2013年奔馳公司就已經(jīng)推出滿足歐Ⅵ排放法規(guī)的柴油機，采用非對稱增壓器驅(qū)動EGR系統(tǒng)。隨著中國重型柴油機排放法規(guī)不斷升級，為同時兼顧油耗和尿素消耗量，本文研究的發(fā)動機采用了廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（EGR）+選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）+微粒補集系統(tǒng)（DPF）來降低NOx和碳煙來滿足法規(guī)要求。傳統(tǒng)的高壓回路廢氣再循環(huán)技術在降低柴油機氮氧化物排放的同時增加了泵氣損失，導致發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性變差。可變幾何截面（VGT）增壓器在國外歐Ⅵ發(fā)動機普遍采用，但是該種增壓器存在成本高，零部件多，可靠性差等問題。非對稱雙流道增壓器（AWT）在中高工況下的燃油經(jīng)濟性有明顯改善，在中低速可以顯著提高EGR率，降低氮氧排放，在提高廢氣利用率、可靠性、成本上有著比較明顯的優(yōu)勢[2-3]。

1? ? 非對稱增壓器原理

非對稱增壓器的渦輪有一大一小兩個流道，兩個流道分別與1～3缸和4～6缸相連，如圖1所示：

其中，與1～3缸相連接的流道截面積較小，可以明顯提高流道內(nèi)氣體壓力，保證了EGR系統(tǒng)需要的掃氣壓差，從而使一部分廢氣通過EGR管路進入氣缸，EGR系統(tǒng)的廢氣全部取自1～3缸的排氣，剩余的排氣驅(qū)動渦輪，4～6缸的排氣全部用來驅(qū)動渦輪，驅(qū)動壓氣機壓氣[5]。在雙流道中間設有一個廢氣平衡閥裝置，并由外接氣源驅(qū)動，通過調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)執(zhí)行機構上的壓力，從而克服彈簧預緊力及排氣阻力來調(diào)節(jié)廢氣平衡閥的開度，氣源壓力越大，廢氣平衡閥打開的角度就越大。當廢氣平衡閥打開時，可以使1～3缸排氣進入4～6缸排氣中，通過改變廢氣平衡閥的開度，可以改變兩個流道中氣體壓力和發(fā)動機排氣壓力，進而改變EGR率、排放和燃油經(jīng)濟性，降低增壓器出現(xiàn)超速的風險。

2? ? 試驗對象及方法

所選試驗對象為一臺13L國Ⅵ重型柴油發(fā)動機，該機型采用高爆發(fā)壓力的發(fā)動機結構及輕量化設計、低微粒分布式燃燒系統(tǒng)、自主電控共軌系統(tǒng)和氣驅(qū)尿素噴射系統(tǒng)等創(chuàng)新技術，主要參數(shù)見表1：

在不同工況、不同廢氣平衡閥開度下，分別記錄燃油消耗率、NOx濃度、碳煙，其中油耗采用AVL740油耗儀測量，NOx濃度采用HORIBA7500排放分析儀測量，采用AVL415煙度計測量發(fā)動機煙度水平。上述設備都經(jīng)過嚴格檢測，可以保證測量準確性。

3? ? 廢氣平衡閥開度對性能及排放的影響分析

通過對該發(fā)動機性能數(shù)據(jù)進行分析，在法規(guī)要求的排放區(qū)內(nèi)選取5個實際常用的工況點以及1個非排放區(qū)域的工況點進行試驗，試驗工況為不噴射尿素的情況下，法規(guī)排放區(qū)域工況為1500Nm@1800r/min、1370Nm@1600r/min、860Nm@1400r/min、1250Nm@1200r/min、1070Nm@1000r/min，非法規(guī)區(qū)域工況點為1000Nm@600r/min，為了保證試驗數(shù)據(jù)可參考性，在各個工況點試驗時，除廢氣平衡閥開度變化外，其他標定參數(shù)保持不變，試驗邊界條件保持一致。

3.1? ?常用工況下廢氣平衡閥開度對柴油機油耗的影響試驗分析

為了探索廢氣平衡閥開度對油耗的影響，發(fā)動機在各個工況點穩(wěn)定后分別調(diào)整廢氣平衡閥開度為0%、20%、40%、60%、80%、100%進行試驗，通過AVL740油耗儀測量油耗，通過HORIBA7500排放分析儀測量發(fā)動機EGR率，壓力傳感器測量排氣壓力，對所測的數(shù)據(jù)進行整理分析得到燃油消耗率曲線和影響油耗的EGR率、排氣壓力變化曲線，見圖2、圖3、圖4：

從圖2中可知燃油消耗率隨著廢氣平衡閥的開度增大而降低。柴油機燃油經(jīng)濟性與機內(nèi)燃燒水平有很大關系，缸內(nèi)氧氣濃度越高，燃油燃燒的越充分，燃油消耗率也會越低。由圖3可知，隨著廢氣平衡閥的開度不斷增大，會有越來越多的尾

氣由小截面排氣流道進入大截面排氣流道，導致驅(qū)動EGR進氣管路壓力變低，進入EGR系統(tǒng)的尾氣減少，EGR率隨之降低，氣缸內(nèi)氧氣濃度變大，燃燒變好，燃油消耗率也隨之變好。

泵氣損失對柴油機油耗也有一定影響，由圖4可知，隨著廢氣平衡閥開度不斷增大，越來越多的廢氣進入排氣管路，排氣壓力越來越大，導致發(fā)動機泵氣損失增加，燃油經(jīng)濟性理論上會變差。但由圖4可知，由于廢氣平衡閥不同開度下排氣壓力變化很小，所以由于廢氣平衡閥開度變化所引起的泵氣損失影響可以忽略不計，且影響燃油消耗率的因素是多方面的，所以廢氣平衡閥開度變大導致排氣壓力的變化并沒有改變?nèi)加拖穆收w向下的趨勢。

由圖2～圖4可見，在廢氣平衡閥開度由0%變化到60%時，燃油消耗率、EGR率、排氣壓力變化并不明顯，原因是該開度并不是廢氣平衡閥實際開度，實際為作用在廢氣平衡閥執(zhí)行機構上外接氣源的壓力。由于彈簧預緊力的存在，在0%～60%時，外接氣源壓力不斷變大，該壓力并不足以是閥門打開，所以開度在0%～60%的時候，閥片實際位置變化很小，對發(fā)動機性能及排放造成的影響也很小。

3.2? ?常用工況下廢氣平衡閥開度對柴油機排放的影響試驗分析

對于柴油機，燃燒污染物主要成分是氮氧化物和碳煙，本試驗在保證其他 標定參數(shù)不變的前提下分別調(diào)整廢氣平衡閥開度為0%、20%、40%、60%、80%、100%對所測的數(shù)據(jù)進行整理分析得到NOx、煙度變化曲線，見圖5、圖6：

由圖5和圖6可知，氮氧化物隨廢氣平衡閥的開度增大而增大，煙度隨廢氣平衡閥開度增大而減小。結合圖3可知，隨著廢氣平衡閥的開度不斷增大，越來越多的尾氣由小截面排氣流道進入大截面排氣流道，會導致進入EGR系統(tǒng)的尾氣減少，EGR率隨之降低，缸內(nèi)燃燒溫度上升，所以氮氧化物會增多，煙度減少。

3.3? ?低轉速非常用工況廢氣平衡閥開度對柴油機性能及排放的影響試驗分析

為了更全面的對廢氣放氣閥開度對發(fā)動機性能及排放的影響進行分析，本次試驗特意選取了該發(fā)動機一個非常用工況點1000Nm@600r/min進行試驗，作為本次研究的參考，試驗結果如圖7、圖8：

由圖7和圖8可知，燃油消耗率隨廢氣平衡閥開度增大而增大，氮氧化物隨平衡閥開度增大而減小。此工況點與常用工況點發(fā)動機性能及排放變化趨勢相反，由于此工況點發(fā)動機轉速很低，所以在實際標定時廢氣放氣閥會一直關閉。

4? ? 結論

通過調(diào)整廢氣平衡閥開度，對一臺國Ⅵ柴油機進行試驗，記錄油耗、氮氧化物、碳煙等數(shù)據(jù)，并對試驗結果進行了上述研究分析，結果表明：

1）在該發(fā)動機常用工況內(nèi)油耗隨廢氣平衡閥開度的增加而減小。

2）在該發(fā)動機常用工況柴油機氮氧化物排放量隨廢氣平衡閥開度增加而增加。

3）在該發(fā)動機常用工況碳煙隨廢氣平衡閥開度增加而減小。

4）在低轉速區(qū)域某些非常用工況，發(fā)動機性能及排放結果與常用工況區(qū)域研究結果相反。

參考文獻：

[1]尹寶智.電控參數(shù)對柴油機顆粒物數(shù)量生成的影響規(guī)律研究.汽車科技.2016年第2期.

[2]鎖國濤.非對稱雙流道渦輪增壓器的試驗.內(nèi)燃機學報.2014，第3期，第32卷.

[3]張全長.廢氣再循環(huán)對柴油機氮氧化物和顆粒排放影響的試驗研究.內(nèi)燃機學報，2012，第4期.

[4]王磊.滿足國Ⅵ排放法規(guī)的重型車用柴油機非對稱增壓器開發(fā).汽車技術.APAC19&2017SAECCE論文.

[5]楊海濤.重型柴油機用非對稱渦輪增壓器的開發(fā).現(xiàn)代車用動力第一期.2018.2.