某非道路柴油機雙峰進氣凸輪應用研究

陳峙良 李明星

（廣西玉柴機器股份有限公司 廣西 南寧 530000）

引言

內部廢氣再循環（Internal Exhaust Gas Recirculation，IEGR），有助于改善油耗和排放。非道路柴油機結構簡單，低成本的IEGR 技術在非道路柴油機的排放控制中有著廣闊的應用前景。2013 年，胡鐘林、邊強等在某小型挖掘機柴油機原排氣凸輪的基礎上增加一個小凸輪，使排氣門在進氣沖程后期二次開啟，實現內部EGR，能夠有效地降低NOx排放，但會使發動機的功率和油耗性能有些惡化[1]。2016 年，褚超美等以某六缸增壓柴油機為研究對象，將排氣門二次開啟（Exhaust Valve Re-Opening，EVRO)式IEGR 技術植入柴油機米勒循環工作過程，形成基于柴油機米勒循環的IEGR 方法，能夠有效降低壓縮終點缸內溫度，使IEGR 的NOx減排效能得以充分發揮[2]。2018年，孫旭晨等以某小型非道路電控柴油機為樣機，采用雙峰排氣凸輪實現內部廢氣再循環，結合電控噴油正時的協同優化，具有實現整機性能優化的潛力[3]。

目前與IEGR 凸輪軸相關的研究，主要集中在雙峰排氣凸輪上，尚沒有進氣側雙峰凸輪與增壓器在柴油機上匹配等研究方向的公開報道。基于此，本文提出了進氣側雙峰凸輪與增壓器匹配的新型技術方案，探索第一次開啟的凸輪包角和最大預升程相互關系對油耗及EGR 率的直接影響，排氣開啟角位置和最大預升程角位置對EGR 率及油耗的影響。同時，為解決雙峰進氣凸輪實現IEGR 會使得排氣進入進氣道并升高進氣道溫度，降低進氣充量這一問題，對IEGR 凸輪軸方案需要匹配何種增壓器[4]，仍然值得探討。

本文就某六缸非道路柴油發動機，在爆壓、排溫等條件限制下，為實現排放NOx+HC<4.0 g/（kW·h）及加權燃料消耗量<263 g/kW 等目標要求，采用數值模擬與試驗驗證相結合的方法[5～6]，對發動機的工作過程進行模擬計算，通過凸輪型線優化設計，調整匹配渦輪增壓器，改善缸內EGR。

1 建模及驗證

在一臺某六缸非道路柴油機上開展發動機工作過程計算和性能參數優化工作，發動機參數如表1所示。本次熱力學計算的主要目的是研究探索IEGR技術方案中凸輪軸第一次開啟包角及凸輪最大預升程相互關系對油耗及EGR 率的影響趨勢，排氣開啟角位置和最大預升程角位置對油耗及EGR 率的貢獻影響程度，新型凸輪軸與增壓器的匹配，從而給出試驗方案。

表1 試驗發動機參數

計算過程詳細地考慮了進排氣系統的流動特性，發動機計算模型如圖1 所示，模型中充分考慮柴油機各缸工作不均勻性，使用了試驗采集的缸內壓力數據與燃燒分析數據。圖2 顯示計算模型與試驗值擬合比較好，可以用于后續研究。

圖1 發動機計算模型

圖2 計算結果與試驗結果對比

2 仿真計算結果

2.1 包角與預升程對油耗及EGR 率影響趨勢

如圖3 深橙色所示，進氣側凸輪第一次開啟的部分。先進行DOE 設計如圖4 所示，在仿真計算中，以增壓壓力、功率為目標，進氣側凸輪第一次開啟包角及最大預升程為自變量，在AVL-BOOST 進行多組case 的計算，將結果導入到MATLAB，以便分析處理結果。

圖3 該發動機進氣側凸輪第一次開啟設置

圖4 DOE 設計

進氣側凸輪第一次開啟包角凸輪及凸輪最大預升程高度關系對油耗及EGR 率的影響趨勢如圖5～6所示，表明包角與預升程對EGR 率的貢獻程度是相近的；為取得較好的油耗，在實現相同的EGR 率前提下，宜采用較大的預升程。

圖5 雙因素對油耗貢獻影響趨勢

圖6 雙因素對EGR 率的貢獻影響趨勢

2.2 排氣開啟角位置與最大預升程角位置對EGR率及油耗的影響趨勢

排氣開啟段與進氣側第一次開啟段是有重疊的。排氣開啟角位置與最大預升程位置關系對油耗及EGR 率的影響趨勢如圖7～8 所示。通過對比發現，盡管最大預升程越晚，油耗越好，但EGR 率越來越少。因此，排氣開啟角EVO 與最大的預升程對EGR 率的影響敏感度大于油耗的敏感度。

圖7 雙因素對油耗影響趨勢

圖8 雙因素對EGR 率的影響趨勢

2.3 IEGR 凸輪軸與增壓器匹配

本文通過PID 的控制方法，通過調整增壓器的流通能力，實現相同的增壓壓力，研究結果發現，帶IEGR 的時候，渦輪增壓器流通能力下降了80%～90%，即需要減小排氣質量流量。

另外，研究對比了預升程位置與增壓器對EGR率的影響，結果如圖9 所示，隨著預升程最大位置提前，原始渦輪尺寸的減小，EGR 率呈上升的趨勢。

圖9 預升程與增壓器對EGR 率的影響結果

3 試驗方案及認證結果

試驗方案如表2 所示，性能/排放認證試驗結果判定如表3 所示。

表2 試驗方案

如表3 所示，僅僅列出部分判定結果，結合試驗驗證，表明通過雙峰進氣凸輪實現內部廢氣再循環，結合增壓器匹配的協同優化，具有實現整機性能優化的潛力。

表3 性能/排放認證試驗結果判定 g（/kW·h）

4 結論

1）在實現相同的EGR 率前提下，為取得較好的油耗，宜采用較大的預升程。

2）排氣的開啟角EVO 與最大的預升程對EGR率的影響敏感度大于油耗的敏感度。

3）隨著預升程最大位置提前，原始渦輪尺寸的減小，EGR 率呈上升趨勢。

4）通過雙峰進氣凸輪實現內部廢氣再循環，結合增壓器匹配的協同優化，具有實現整機性能優化的潛力。