EGR閥開度對柴油發動機性能的影響

摘要：為提高柴油發動機性能，對某柴油機進行不同負荷、不同EGR閥開度的臺架試驗，研究廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）技術對發動機性能的影響。

結果表明：不同負荷下，EGR閥開度增大，NOx排放減少，碳煙排放增加；發動機負荷越大，爆壓越大；EGR閥開度增大，發動機爆壓減小；發動機負荷對燃油消耗率的影響較大，低負荷下，隨EGR閥開度增大，燃油消耗率降低；中負荷下，EGR閥開度對燃油消耗率影響不大；高負荷下，隨EGR閥開度增大，燃油消耗率增大。為實現發動機燃油經濟性及排放性能之間的平衡，發動機中、低負荷下可適當增大EGR閥開度，高負荷下應適當減小EGR閥開度。

關鍵詞：EGR閥開度；燃油經濟性；NOx排放；爆壓

中圖分類號：TK422文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）06-0089-04

引用格式：王睿，程曉章，管金彪.EGR閥開度對柴油發動機性能的影響［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（6）：89-92.

WANG Rui，CHENG Xiaozhang，GUAN Jinbiao.The influence of EGR valve opening on a diesel engine performance［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：89-92.

0 引言

傳統柴油機具有熱效率高、轉矩大、維護成本低等優勢，是載貨汽車的優選動力來源。但柴油機壓燃的燃燒方式使過量空氣系數較大，NOx排放高于汽油機^[1-2]。為了滿足國六重型柴油機排放控制要求，柴油機通常采用廢氣再循環（exhaust gas recirculation，EGR）技術減少燃燒過程中的NOx排放，采用柴油機氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）-柴油顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）-選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）后處理技術路線減少CO、HC等污染物排放^[3-4]。

EGR技術主要有內部EGR和外部EGR兩種方式，在實際應用中，外部EGR技術以更高的控制精度和更好的排放性能成為主要技術方式^[5-7]。外部EGR技術是指從排氣系統引出一部分廢氣，在進氣管與新鮮混合氣混合后再次進入氣缸燃燒，由于廢氣的主要成分是CO2，比熱容相對空氣較高，可提高缸內工質比熱容，吸收部分熱量，降低燃燒溫度和排氣溫度，抑制爆震，提高燃油經濟性。同時，廢氣中含氧量較低，減少了NOx生成^[8-10]。

通常采用EGR率評價進入的廢氣量，EGR率為再循環排氣體積與吸入氣缸空氣體積和再循環排氣體積和的比^[11-12]，可通過調節EGR閥開度實現對EGR率的調整。大量研究表明EGR率影響發動機燃燒和排放。王成剛^[13]采用FIRE軟件模擬分析發現，隨著EGR率增大，排放中的NOx大幅減少，碳煙排放略有升高。唐盛世等^[14]在不同EGR率下對碳煙、CO、HC及顆粒物（particulate matter，PM）的排放特性進行試驗研究，發現EGR率低于15%時，隨著EGR率增大，排放中碳煙、CO、HC及PM的質量分數略微增加，NOx排放大幅減少；EGR率高于15%時，隨著EGR率增大，排放中碳煙、CO、HC及PM的質量分數急劇升高。譚丕強等^[15]對高壓縮比下某增壓直噴汽油機不同EGR率的燃燒和排放特性進行試驗研究，發現隨著EGR率增大，點火提前角增大，燃燒持續期延長，缸內最大壓力和最大放熱率減小，HC比排放增加，CO比排放先減小后增加，NOx排放大幅降低。本文中以某柴油機為例，通過臺架試驗分析不同負荷下EGR閥開度對發動機性能的影響。

1 試驗設計

某H25-106E60高壓共軌柴油機，采用外部EGR技術，后處理技術為DOC-DPF-SCR-氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC）。發動機主要技術參數如表1所示。

發動機臺架能夠模擬車輛在不同工況下的工作狀態，本試驗測試設備名稱及精度如表2所示。電力測功機實現對目標工況的精確控制，AVL油耗儀精確測量有效燃油消耗率be，AMAI60尾氣檢測分析系統對車輛行駛中排放的CO、NOx、總碳氫化合物（total hydro carbons，THC）等進行直接取樣分析，415SE煙度計檢測尾氣中的碳煙排放，CVS排氣分析設備對車輛行駛循環測試中排放的CO、NOx、THC進行稀釋采樣與氣流分析，燃油壓力控制系統穩定柴油供給壓力。

試驗環境溫度為25 ℃，進氣溫度為22.35 ℃，發動機轉速為1 949 r/min，對應低、中、高三種負荷工況，轉矩分別設為115、312、438 N·m，EGR閥開度為10%～40%。若EGR閥開度小于10%，對閥門的控制精度要求太高；若EGR閥開度過大，導致所受壓力較大。通過臺架試驗，分析不同負荷、不同EGR閥開度對發動機排放、爆發壓力及燃油消耗率的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 發動機排放

不同負荷下，EGR閥開度對發動機排放的影響如圖1所示。

由圖1可知：不同負荷下，隨著EGR閥開度增大，NOx排放減小，FSN煙度增大。原因為隨著EGR閥開度增大，引入進氣管的廢氣越來越多，破壞了生成NOx的高溫富氧環境；燃燒室氧氣體積分數減小，溫度下降導致HC燃燒不完全，FSN煙度增大。發動機在低、中負荷下使用EGR技術，發動機排放較低。

2.2 發動機爆壓

不同負荷下，EGR閥開度對發動機爆壓的影響如圖2所示。

由圖2可知：爆壓隨著發動機負荷增大而增大；隨著EGR閥開度增大，爆壓逐漸減小。原因為發動機負荷增大，氣缸內可燃混合氣增加，導致爆壓升高；隨著EGR閥開度增大，燃燒室氧氣體積分數和燃燒溫度降低，抑制了爆震現象，爆壓逐漸減小。為滿足發動機動力要求，高負荷下應減小EGR閥開度；中低負荷下，可適當增大EGR閥開度，減小爆壓，以減輕氣缸、活塞環等部件的磨損。

2.3 燃油消耗率

不同負荷下，EGR閥開度對發動機燃油消耗率be的影響如圖3所示。

由圖3可知：隨著EGR閥開度增大，低負荷下燃油消耗率逐漸降低；中負荷下燃油消耗率變化趨勢不明顯；高負荷下燃油消耗率逐漸升高；當EGR閥開度大于30%時，高負荷工況的燃油消耗率明顯高于中負荷工況。原因為中、低負荷下，隨著EGR閥開度增大，泵氣損失逐漸降低，燃油消耗率減小，燃油經濟性提高；高負荷下，隨著EGR閥開度增大，缸內爆發壓力明顯減小，產生的碳煙越來越多，燃油消耗率增大，燃油經濟性降低。發動機在中低負荷下使用EGR技術有利于提高燃油經濟性，且EGR閥開度可適度增大。

3 結論

1）發動機不同負荷下，采用EGR技術，NOx排放降低，FSN碳煙增加，可通過調整EGR閥開度達到相應平衡。

2）發動機不同負荷下，EGR閥開度增大會降低爆壓；負荷越大，爆壓越大，為提高動力需求，高負荷下宜減小EGR閥開度；中低負荷下，可適當增大EGR閥開度，以減輕對發動機的磨損。

3）隨著EGR閥開度增大，低負荷下燃油消耗率降低，中等負荷下燃油消耗率變化不顯著，高負荷下，燃油消耗率增大。為提高燃油經濟性，中低負荷下可適當增大EGR閥開度，高負荷下應減小EGR閥開度。

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The influence of EGR valve opening on a diesel engine performance

WANG Rui， CHENG Xiaozhang， GUAN Jinbiao

School of Automobile and Transportation Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China

Abstract：In order to improve the diesel engine performance， the bench test of a diesel engine under different loads and EGR valve openings is carried out to study the influence of exhaust gas recirculation technology on the engine performance. The results show that under different loads， the increase of EGR valve opening reduces the NOx emission and increases the carbon emission. The greater the engine load， the greater the peak pressure.The increase of EGR valve opening reduces the engine peak pressure. The engine load has a greater influence on the fuel consumption rate， the fuel consumption rate decreases with the increase of EGR valve opening under low load， the EGR valve has little effect on the fuel consumption rate under medium load， the fuel consumption rate increases with the increase of EGR valve opening under high load. In order to achieve a balance between the fuel economy and emission performance of the engine， the EGR valve opening can be appropriately increased under medium and low loads of the engine， and the EGR opening should be appropriately reduced under high load.

Keywords：EGR valve opening; fuel economy; NOx emission; peak pressure

（責任編輯：胡曉燕）