不同海拔下EGR對輕型柴油機性能和排放的影響

王俊，申立中，畢玉華，雷基林

(1.西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.昆明理工大學云南省內燃機重點實驗室，云南 昆明 650500)

試驗室排放認證測試循環與實際道路行駛排放(RDE)差別較大[1-3]，特別是氮氧化物(NOx)排放，其測量值是RDE的數倍[4-6]。我國輕型車第六階段排放標準中還規定了不同海拔下RDE的排放限值。研究表明，柴油機的NOx排放隨海拔的變化并不呈現一定的規律[7-10]，但是高原地區柴油車實際道路排放的NOx排放仍高于排放標準中的限值[11]。

廢氣再循環(EGR)是降低NOx排放的有效措施之一，現有關于EGR對柴油機性能、燃燒以及排放的影響研究多數都集中在平原地區[12-17]。高原地區進氣流量降低，柴油機使用EGR將進一步惡化其高原運行性能。劉偉等[18]的仿真表明，高原地區3 000 r/min時，EGR對中小負荷的經濟性影響較小，NOx排放隨EGR率的增大迅速減少，而EGR率較高時，炭煙排放急劇升高。鄭偉等[19-20]通過大氣壓力模擬裝置初步研究了80 kPa和100 kPa大氣壓力下EGR對某柴油機經濟性和煙度的影響，結果表明，高原地區即使在小負荷工況，EGR對煙度的影響也很大。張韋等[21]研究了海拔2 000 m的高原環境下EGR中各組分對柴油機性能的影響，結果顯示，高原地區EGR的適用范圍變窄，EGR對炭煙排放更為敏感。畢玉華等[22]在81 kPa和100 kPa的大氣壓力下研究了EGR對柴油機燃用含氧燃料時性能和排放的影響，結果表明，高原環境下使用EGR惡化了柴油機燃用含氧燃料的動力性，而對經濟性的影響較小；使用EGR時，NOx排放降低，CO排放和炭煙升高。高原環境下使用EGR技術雖然會對柴油機產生諸多不利影響，但其仍然能夠有效降低NOx排放[23]，加之國六排放法規的實施，迫使人們重新考慮使用該技術來降低NOx排放。關于高原地區柴油機使用EGR對排放性能的影響研究相對較少，為此，采用海拔模擬裝置，試驗研究0 m，1 000 m以及1 960 m海拔下EGR對某輕型車用柴油機性能和排放的影響，為高原地區柴油機使用EGR技術提供參考依據。

1 試驗裝置與方法

研究機型為一臺匹配高壓EGR系統的車用高速直噴柴油機，基本參數如表1所示。試驗設備主要有奕科WE31N水力測功機、FCMA油耗儀、EIM0311D測控系統，同圓LFE300進氣流量計與KT2400發動機進氣調節系統，AVL SESAM i60 FT傅里葉紅外光譜儀和415 S煙度計，ETAS ES590.1接口硬件與IncaCOM v7.1電控標定軟件，博世開發式電子控制單元(ECU)等。

表1 發動機基本設計參數

試驗地點的海拔為1 960 m，為模擬更低的海拔，采用KT2400發動機進氣調節系統并調節排氣背壓閥開度，分別模擬0 m和1 000 m時的大氣環境。為防止進排氣脈動對試驗測試的影響，在柴油機的進排氣端分別安裝相應的穩壓裝置。臺架布置示意圖見圖1，臺架實物圖見圖2。

圖1 臺架布置示意

圖2 臺架實物圖

試驗過程中，通過電控標定系統改變EGR閥開度得到不同的EGR率，其余標定參數保持不變，待柴油機工況穩定之后，記錄相應的測試數據。利用SESAM i60 FT傅里葉紅外光譜儀分別測量進排氣的CO2濃度，通過計算得到相應的EGR率。選取最大扭矩工況和標定功率工況研究不同海拔下EGR對該柴油機性能和排放的影響。

2 試驗結果分析

2.1 不同海拔下EGR率隨EGR閥開度的變化

圖3示出同海拔下EGR率隨EGR閥開度的變化。由圖3可見：隨著EGR閥開度的增大，EGR率開始急劇增大然后趨于平緩；相同EGR開度下，隨著海拔的升高，EGR率逐漸降低。在全負荷工況下，即使EGR閥全開，EGR率仍然相對較小。在EGR閥開度較小時，排氣歧管與進氣歧管壓差(如圖4所示)相對較大，驅動EGR的能力較強。隨著EGR閥開度逐漸增大，壓差逐漸減小，驅動EGR的能力也逐漸減弱。隨著海拔升高，進氣流量降低，在保證正常燃燒的情況下，容忍EGR的能力減弱，因而高原地區的EGR率較小。

圖3 不同海拔下EGR率隨EGR閥開度的變化

圖4 不同海拔下排氣歧管與進氣歧管壓差隨EGR閥開度的變化

2.2 不同海拔下EGR率對扭矩的影響

圖5示出不同海拔下EGR閥開度對扭矩的影響。從圖5可以看出：隨著EGR率的增大，扭矩逐漸降低，在EGR率較大時，高海拔扭矩降幅較大；相同EGR率下，扭矩隨著海拔的升高而降低。隨著EGR率的增大，缸內氧含量降低，燃燒惡化，EGR率進一步增大，缸內可燃混合氣質量也大幅下降，燃燒惡化加劇，柴油機做功能力也大幅降低，因而扭矩降幅較大。高海拔地區，缸內氧含量的減少進一步惡化了燃燒，因而動力性降幅更大。

圖5 不同海拔下EGR率對扭矩的影響

2.3 不同海拔下EGR率對有效燃油消耗率的影響

不同海拔下EGR率對經濟性的影響見圖6。隨著EGR率的升高，有效燃油消耗率逐漸升高，經濟性變差，高原地區的經濟性惡化程度相對更大；相同EGR率下，有效燃油消耗率隨著海拔的升高而升高。缸內氧含量隨著EGR率的增大而降低，可燃混合氣的數量減少、質量也下降，燃燒效率降低，因而油耗升高。海拔升高進一步加劇了上述現象，因而經濟性較差。

圖6 不同海拔下EGR率對有效燃油消耗率的影響

2.4 不同海拔下EGR率對排放的影響

圖7示出不同海拔下EGR率對NOx比排放的影響。隨著EGR率的升高，NOx比排放幾乎呈直線下降，由此可見，不同海拔下，EGR仍能夠大幅降低NOx排放；相同EGR率下，NOx比排放隨著海拔的升高而降低。EGR的引入使得NOx生成的高溫富氧環境遭到破壞，因而NOx排放大幅減小。海拔升高對NOx生成有兩方面影響：一方面，缸內氧含量減少，抑制了NOx的生成；另一方面，缸內燃燒溫度隨著海拔的升高而升高[24-25]，有利于NOx的生成。全負荷工況下，缸內燃燒溫度相對較高，氧含量對NOx的生成起主導作用，因而高海拔的NOx排放較少。

圖7 不同海拔下EGR率對NOx比排放的影響

不同海拔下EGR率對CO比排放的影響見圖8。隨著EGR率的升高，CO比排放呈現先緩慢增加后急劇升高的現象；相同EGR率下，CO比排放隨海拔的升高而升高。隨著EGR率的升高，氧含量減少，使得混合氣質量下降，不完全燃燒的概率增大，同時氧含量和缸內燃燒溫度的降低也不利于CO的氧化，因而CO排放增多。海拔升高，雖然缸內燃燒溫度升高有利于CO的后期氧化，但全負荷工況下氧含量的減少使得缸內過濃混合氣區域進一步增多，CO生成加劇。

圖8 不同海拔下EGR率對CO比排放的影響

圖9示出不同海拔下EGR率對煙度的影響。隨著EGR率的升高，煙度急劇升高，高海拔的煙度惡化程度更為嚴重；相同EGR率下，煙度也隨海拔的升高而升高。EGR率增大，缸內缺氧的區域增多，同時含氧量減少也抑制了炭煙的后期氧化，因而煙度急劇升高。海拔升高進一步促進了高溫缺氧的環境，因而高海拔的煙度更大。

圖9 不同海拔下EGR率對煙度的影響

3 結論

a) 相同EGR閥開度下，EGR率隨著海拔的升高而降低，高原地區EGR率的容忍能力減小；

b) 不同海拔下，柴油機動力性隨著EGR率的升高而逐漸降低，高海拔的動力性降幅更大；有效燃油消耗率隨著EGR率的升高而升高，經濟性變差；與經濟性相比，高原地區EGR對動力性的影響更大；

c) 不同海拔下，隨著EGR率的升高，NOx比排放呈直線下降的趨勢，而CO比排放和煙度升高；與平原地區相比，高原環境下CO比排放和煙度對EGR更為敏感。