高/低壓EGR系統(tǒng)對柴油機性能的影響

摘要：為提高柴油機性能、降低排放和油耗，分析高、低壓廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）系統(tǒng)的優(yōu)缺點，對裝配高/低壓EGR系統(tǒng)的某2.0 L柴油機進行臺架及整車試驗，研究高/低壓EGR系統(tǒng)對柴油機性能的影響。結(jié)果表明：同時匹配高/低壓EGR系統(tǒng)并合理分配其應(yīng)用可有效降低柴油機油耗及排放，相比僅匹配高壓EGR系統(tǒng)的柴油機，高/低壓EGR聯(lián)合應(yīng)用的柴油機油耗降低3.1%，NOx排放降低3.0%，顆粒物排放降低22.2%；低壓EGR可減少流經(jīng)進氣歧管的廢氣量，改善進氣歧管結(jié)焦問題；在低溫環(huán)境下應(yīng)用EGR系統(tǒng)時進氣系統(tǒng)存在結(jié)冰風險，需基于環(huán)境溫度修正關(guān)閉高/低壓EGR系統(tǒng)，避免出現(xiàn)因結(jié)冰導(dǎo)致的發(fā)動機損壞。

關(guān)鍵詞：高壓EGR；低壓EGR；油耗；排放；結(jié)焦；結(jié)冰

中圖分類號：TK427；TK424.5文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）03-0062-06

引用格式：辛志鵬，楊麗君，郭昭，等.高/低壓EGR系統(tǒng)對柴油機性能的影響［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2024，41（3）：62-67.

XIN Zhipeng， YANG Lijun， GUO Zhao， et al. The effect of high/low pressure EGR system on performances of a diesel engine ［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（3）：62-67.

收稿日期：2024-01-02

第一作者簡介：辛志鵬（1987—），男，山東濰坊人，工學碩士，工程師，主要研究方向為內(nèi)燃機燃燒與排放控制，E-mail：451828636@qq.com。

DOI：10.19471/j.cnki.1673-6397.2024.03.010

0" 引言

排放標準對發(fā)動機NOx排放限值的要求越來越嚴，為滿足我國有關(guān)排放標準的要求，降低發(fā)動機的NOx排放勢在必行。廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation，EGR）技術(shù)是目前抑制NOx產(chǎn)生的主要技術(shù)手段之一［1-3］。EGR技術(shù)通過將燃燒后的部分廢氣引入到氣缸，一方面增加了缸內(nèi)混合氣的比熱容，另一方面加入廢氣降低了混合氣的燃燒速度，這兩方面因素共同作用，降低了缸內(nèi)的最高燃燒溫度，從而抑制NOx生成［4-5］。當前柴油機主要采用高壓EGR系統(tǒng)，高壓EGR從增壓器渦輪前取氣，降低了增壓器的效率，同時未經(jīng)處理的廢氣直接引入到氣缸內(nèi)，對降低顆粒物（particulate matter，PM）不利。若滿足更加嚴格的排放標準或者進一步提高熱效率應(yīng)引入低壓EGR系統(tǒng)，低壓EGR系統(tǒng)從顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）后取氣，相比高壓EGR系統(tǒng)，低壓EGR系統(tǒng)的進氣溫度較低，廢氣相對清潔，有利于改善燃燒［6-7］；但是低壓EGR也存在反應(yīng)慢的缺點。柴油機高/低壓EGR系統(tǒng)同時使用的量產(chǎn)機型較少，對高/低壓EGR的應(yīng)用研究相對不足，本文中研究高/低壓EGR技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用對發(fā)動機排放、油耗的影響，為高效清潔柴油機開發(fā)提供參考。

1" 高/低壓EGR系統(tǒng)特點及應(yīng)用分配原則

1.1" EGR系統(tǒng)特點

EGR系統(tǒng)根據(jù)進入氣缸內(nèi)廢氣的取氣位置不同分為高壓EGR和低壓EGR。高壓EGR系統(tǒng)從增壓器渦前位置取廢氣，將廢氣引入到壓氣機后與新鮮空氣混合，具有響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、容易精準控制的優(yōu)點；但受增壓器渦前與進氣歧管壓差影響，EGR率過大易出現(xiàn)氣體倒流問題，而且EGR閥及進氣管路處容易出現(xiàn)積碳結(jié)焦問題［8-9］。

低壓EGR系統(tǒng)從DPF下游取廢氣，并將廢氣引入壓氣機前與新鮮空氣混合，不受增壓器渦前與進氣歧管壓差影響，EGR率提高空間較大；相比從渦前取氣，引入廢氣溫度低，廢氣更清潔；但響應(yīng)慢，廢氣污染壓氣機，且低溫時有結(jié)冰損壞增壓器的風險。

1.2" 高/低EGR系統(tǒng)的應(yīng)用分配原則

高/低壓EGR系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，因此合理分配高/低壓EGR系統(tǒng)的工作區(qū)間，有利于提高柴油機性能，以降低柴油機的排放及油耗［10-11］。

1.2.1" 低壓EGR區(qū)域

相比高壓EGR系統(tǒng)，低壓EGR系統(tǒng)從DPF下游取廢氣，不會造成增壓器渦端的能量損失，對增壓器的效率沒有影響，有利于提高空燃比［12］。

1.2.2" 高壓EGR區(qū)域

柴油機在低負荷工況工作時，排氣背壓較低，此時若使用低壓EGR，需應(yīng)用排氣背壓閥增大EGR閥前后壓差，

將低壓EGR引入的廢氣導(dǎo)入到壓氣機前，但增大排氣背壓導(dǎo)致燃燒惡化，使油耗升高。高負荷區(qū)域滿足高壓EGR的壓差要求，渦輪前的部分廢氣通過高壓EGR系統(tǒng)流入到缸內(nèi)，降低渦前壓力，降低增壓器的泵氣損失，有利于降低油耗。

高/低壓EGR分配原則示意圖由圖1所示，圖中A區(qū)域為低壓EGR系統(tǒng)使用工況，B、C區(qū)域為高壓EGR系統(tǒng)使用工況。

2" 試驗驗證

2.1" 臺架試驗

通過軟件CAMEO對高/低壓EGR系統(tǒng)分配進行試驗設(shè)計（design of experiment，DoE），根據(jù)DoE結(jié)果標定至發(fā)動機電控單元中，并在某排量為2.0 L的4缸柴油機上進行臺架試驗，驗證高/低壓EGR系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響。該柴油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，試驗用主要設(shè)備及型號如表2所示。

從圖1中的3個區(qū)域內(nèi)各選取一個工況點，對比NOx排放相同時高/低壓EGR系統(tǒng)對燃油消耗率和煙度的影響。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、轉(zhuǎn)矩為60 N·m時，采用高/低壓EGR系統(tǒng)的柴油機燃油消耗率和煙度隨NOx比排放變化曲線如圖2所示。由圖2可知：相比采用低壓EGR系統(tǒng)，采用高壓EGR系統(tǒng)時NOx比排放越小，燃油消耗率和煙度降低越明顯；NOx比排放為0.35 g/（kW·h）時，燃油消耗率降低25.3 g/（kW·h），濾紙式煙度計（filter smoke number，F(xiàn)SN）測量的煙度降低0.69。這是因為柴油機在低負荷工況工作時，排氣背壓較低，使用低壓EGR系統(tǒng)時需通過排氣背壓閥增大排氣背壓，保證廢氣能夠通過低壓EGR系統(tǒng)導(dǎo)入到氣缸內(nèi)；但增大排氣背壓導(dǎo)致燃燒惡化，油耗升高。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3 600 r/min、轉(zhuǎn)矩為250 N·m時，采用高/低壓EGR系統(tǒng)的柴油機燃油消耗率和煙度隨NOx比排放變化曲線如圖3所示。

由圖3可知：NOx比排放相同時，相比采用低壓EGR系統(tǒng)，采用高壓EGR系統(tǒng)有利于降低燃油消耗率和煙度；NOx比排放為2.38 g/（kW·h）時，油耗降低8.3 g/（kW·h）；NOx比排放為1.30 g/（kW·h）時，F(xiàn)SN煙度降低0.2。這是因為在高負荷區(qū)域，渦輪前的部分廢氣通過高壓EGR系統(tǒng)進入氣缸，部分廢氣流出使渦前壓力降低，降低了增壓器的泵氣損失，改善燃燒。

轉(zhuǎn)速為1 800 r/min、轉(zhuǎn)矩為180 N·m時，燃油消耗率和煙度隨NOx比排放的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知：NOx比排放相同時，相比高壓EGR系統(tǒng)，采用低壓EGR系統(tǒng)有利于降低燃油消耗率和煙度；NOx比排放為0.60 g/（kW·h）時，燃油消耗率降低9.3 g/（kW·h），NOx比排放為0.35 g/（kW·h）時，F(xiàn)SN煙度降低0.4。這是因為低壓EGR系統(tǒng)從DPF后取氣，相比高壓EGR系統(tǒng)，進氣溫度較低，廢氣相對清潔，有利于改善燃燒。

臺架試驗結(jié)果表明，合理分配高/低壓EGR系統(tǒng)應(yīng)用可有效改善柴油機的排放及油耗。

2.2" 整車試驗

匹配該柴油機的某車型的整車參數(shù)如表3所示。

輕型車測試循環(huán)（worldwide light duty test cycle，WLTC）運行工況示意圖如圖5所示。由圖5可知：WLTC工況主要運行區(qū)域主要集中在低壓EGR及高壓低速小負荷區(qū)域，發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于2 800 r/min。

在整車轉(zhuǎn)轂試驗臺上分別進行僅使用高壓EGR系統(tǒng)和高/低EGR系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用的WLTC試驗，對比高/低壓EGR的應(yīng)用對整車排放和油耗的影響，結(jié)果對比如表4所示。由表4可知：相比僅使用高壓EGR時，高/低壓EGR的聯(lián)合應(yīng)用可有效降低整車的油耗和排放，油耗降低3.1%，NOx排放降低3.0%，PM排放降低22.2%。

2.3" 臺架可靠性試驗

僅用高壓EGR和應(yīng)用高/低壓EGR系統(tǒng)組合進行柴油機可靠性試驗， 經(jīng)過560 h后進氣歧管的結(jié)焦情況如圖6所示。

由圖6可知：高/低壓EGR的組合應(yīng)用，減少了通過進氣歧管的廢氣量，進氣歧管的結(jié)焦問題明顯改善。

高壓EGR系統(tǒng)從渦輪前取廢氣，廢氣經(jīng)過冷卻后進入到壓氣機后，可以避免油氣與顆粒對增壓器的污染，但發(fā)動機廢氣中含有未充分燃燒的柴油，經(jīng)過EGR冷凝器冷卻后，溫度降低時容易形成結(jié)膠和積碳［13］。可靠性試驗結(jié)果表明：溫度為65～85 ℃時，易形成膠狀物；溫度為85～120 ℃時，容易形成漆狀物。常規(guī)EGR冷凝器無法實現(xiàn)流量控制，低轉(zhuǎn)速小負荷工況柴油機排溫偏低，特別是當EGR率較小時，更容易造成進入進氣歧管內(nèi)的廢氣溫度偏低。如果通過降低EGR冷凝效率提高進氣歧管內(nèi)的廢氣溫度，會導(dǎo)致EGR系統(tǒng)在大流量工況時廢氣冷凝效率不足問題，而應(yīng)用可控水流量EGR冷凝器極大的增加成本。增加低壓EGR系統(tǒng)后，可以減少高EGR的使用頻率，從而減小通過EGR的廢氣流量，明顯改善進氣歧管處結(jié)焦問題。

2.4" 高/低壓EGR結(jié)冰試驗

通過高壓EGR系統(tǒng)引入的高溫廢氣與相對低溫的空氣在進氣歧管混合凝結(jié)成水汽，水汽隨混合氣進入氣缸，易造成發(fā)動機起動困難。通過高壓EGR系統(tǒng)引入的高溫廢氣與相對低溫的空氣在增壓器壓氣機前混合凝結(jié)成水汽，當環(huán)境溫度較低時，水汽遇冷結(jié)冰，冰隨混合氣進入壓氣機內(nèi)，易造成壓氣機內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的葉片損壞［14-15］，如圖7所示。在滿足標準要求的前提下，通過冬季或環(huán)境倉試驗，確認整車高/低壓EGR應(yīng)用的環(huán)境溫度，防止水汽或結(jié)冰導(dǎo)致的發(fā)動機損壞。

使用與WLTC試驗同型號整車進行冬季試驗，半載情況下進行城市、郊區(qū)、高速、綜合路況及不同溫度下的道路的測試。測試結(jié)果表明：當環(huán)境溫度低于-13 ℃時，不同路況下混合氣體內(nèi)的水汽都出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。因此基于各車型的熱管理情況設(shè)置合適的閾值，當環(huán)境溫度低于該閾值時關(guān)閉EGR系統(tǒng)，EGR系統(tǒng)停止工作，能夠有效避免EGR系統(tǒng)和增壓器進氣歧管的結(jié)冰問題。

3" 結(jié)論

1）基于高/低壓EGR系統(tǒng)各自優(yōu)缺點，匹配高/低壓EGR系統(tǒng)的柴油機在油耗、排放及可靠性方面明顯優(yōu)于僅應(yīng)用高壓EGR系統(tǒng)的柴油機。

2）整車WLTC驗證結(jié)果表明，相比匹配高壓EGR系統(tǒng)，高/低壓EGR系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用時油耗降低3.1%，NOx排放降低3.0%，PM排放降低22.2%；同時應(yīng)用低壓EGR系統(tǒng)可有效改善進氣歧管的結(jié)焦問題。

3）在低溫環(huán)境下，可以通過基于環(huán)境溫度的修正關(guān)閉高/低壓EGR系統(tǒng)，避免低溫環(huán)境下出現(xiàn)結(jié)冰問題導(dǎo)致的發(fā)動機損壞。

參考文獻：

［1］" 官維，盛利，王輝，等.基于高低壓EGR技術(shù)實現(xiàn)高效天然氣發(fā)動機燃燒［J］.內(nèi)燃機學報，2023，41（1）：25-32.

［2］" 姜智超，姜順超，甄龍信.EGR控制怠速下柴油機燃燒噪聲的試驗研究［J］.車輛與動力技術(shù)，2022（2）：56-59.

［3］" 王振，張育春，李文輝，等.EGR系統(tǒng)壓損對發(fā)動機油耗的影響分析［J］.機械研究與應(yīng)用，2023，36（3）：118-120.

［4］" 胡志龍，崔毅，鄧康耀，等.柴油機米勒循環(huán)結(jié)合EGR的性能分析及優(yōu)化［J］.船舶工程，2017，39（1）：1-5.

［5］" 張韋，吳偉，朱明，等.高原環(huán)境下EGR中的各組分對柴油機性能的影響［J］.燃燒科學與技術(shù)，2015，21（3）：209-216.

［6］" 楊武森，余光耀，袁觀練.某阿特金森發(fā)動機低壓EGR應(yīng)用研究［J］.內(nèi)燃機，2023，39（2）：7-12.

［7］" 余光耀，李巖，曹春暉，等.低壓廢氣再循環(huán)（LP_EGR）在汽油機上的應(yīng)用［J］.汽車科技，2019（2）：54-60.

［8］" 曾契，沈凱，張振東，等.高/低壓EGR對汽油機和增壓器影響的試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2018，39（4）：33-38.

［9］nbsp; 凡次永.D19柴油機EGR系統(tǒng)匹配開發(fā)及應(yīng)用［D］.昆明：昆明理工大學，2023.

［10］" 鄭尊清，張文強，堯命發(fā)，等.高/低壓EGR對兩級增壓柴油機性能和排放影響的試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2014，35（1）：1-7.

［11］" 朱昌吉.車用柴油機電控EGR系統(tǒng)設(shè)計及性能研究［D］.長春：吉林大學，2006.

［12］" 張鵬，曹思雨，鄭洪磊，等.低壓冷卻EGR系統(tǒng)對汽油發(fā)動機燃油經(jīng)濟性及排放影響的研究［J］.小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2019，48（6）：6-9.

［13］" 梁和平，賈志超，葉萬鑫，等.基于實際場景下的EGR冷卻器可靠性提升［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2024，62（1）：183-188.

［14］" 李俊琦，石磊，牛鴻斌，等.柴油機EGR混合器管路結(jié)冰分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2022，39（6）：60-65.

［15］" 彭文，孫云龍，陳良，等.低壓EGR冷凝水對壓氣機葉輪性能和結(jié)構(gòu)破壞的影響研究［J］.車用發(fā)動機，2021（5）：52-57.

The effect of high/low pressure EGR system on performances of

a diesel engine

XIN Zhipeng1，2， YANG Lijun1，2， GUO Zhao1，2， TIAN Jiangwei1，2

1.Great Wall Motor Co.， Ltd.， Baoding 071000，China；

2.Hebei Automotive Engine Technology Innovation Center，Baoding 071000，China

Abstract：In order to improve the performance of a diesel engine， optimize emissions and reduce fuel consumption， advantages and disadvantages of high/low pressure（HP/LP） exhaust gas recirculation（EGR） are analyzed. A 2.0 L diesel engine equipped with HP/LP-EGR system is tested on the bench and vehicle to study the impact of HP/LP-EGR system on diesel engine performance. The results show that fuel consumption and emissions can be effectively reduced by matching HP/LP EGR system and applying it rationally， compared with diesel engines with HP EGR system， the combined application of HP/LP-EGR system can reduce fuel consumption by 3.1%， NOx emission by 3.0%， and PM emission by 22.2%. The application of LP EGR system can reduce the amount of exhaust gas flowing through the intake manifold， thereby improving the intake manifold coking problem. The EGR system may freeze when the intake system is used in a low temperature environment. The HP/LP EGR system should be closed based on the ambient temperature to avoid engine damage caused by ice.

Keywords：HP EGR; LP EGR; fuel consumption; emission; coking; ice formation

（責任編輯：劉麗君）