柴油機(jī)廢氣再循環(huán)閥開度對燃燒特性的影響

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；廢氣再循環(huán)；缸內(nèi)壓力；缸內(nèi)溫度；燃燒放熱率

0前言

汽車尾氣作為有害氣體的重要來源之一，所受到的約束和控制越來越嚴(yán)苛［1］。汽車尾氣中的污染成分主要包括碳?xì)浠衔铩⒌趸铮∟Ox）、CO、CO₂、SO₂、顆粒物以及醛類化合物等［2-3］。其中，NO_x 會形成光化學(xué)煙霧，對人體中樞神經(jīng)產(chǎn)生不良影響。2018年6月28日，GB 17691—2018《 重型柴油車污染物排放限值及測試方法（中國第六階段）》發(fā)布，其對車輛的排放限值提出了更高的要求，在其中的世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（WHSC）工況和世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)（WHTC）工況下，柴油機(jī)的NO_x 排放限值均為460 mg/（kW·h）［4］。柴油機(jī)在富氧燃燒狀態(tài)下工作，與汽油機(jī)相比，其缸內(nèi)混合氣較不均勻，因此其排放污染物中CO 和碳?xì)浠衔镙^汽油機(jī)降幅較大，NO_x 和顆粒物的含量則大幅上升。對于柴油機(jī)而言，NO_x 和顆粒物是減排技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。目前，主流技術(shù)路線可分為優(yōu)化燃燒+選擇性催化還原（SCR）和廢氣再循環(huán)（EGR）+ 柴油機(jī)氧化催化（DOC）/柴油機(jī)顆粒捕集（DPF）/SCR［5］，這2 種技術(shù)路線均可使各項排放指標(biāo)達(dá)到限值要求［6-8］。

EGR 系統(tǒng)在改善柴油機(jī)NO_x 的排放方面效果顯著。然而，隨著EGR 率的增加，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒條件發(fā)生改變，EGR 可能會對柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。YOKOMURA 等［9］開發(fā)并試驗了閉環(huán)EGR 控制系統(tǒng)，將EGR 閥開度作為控制系統(tǒng)的反饋信號來源，通過檢測空氣質(zhì)量流量和發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況來估算發(fā)動機(jī)的過量空氣系數(shù)。閉環(huán)控制對于改善發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況下的NO_x 排放水平以及控制炭煙排放的效果明顯。SERRANO 等［10］通過試驗測試以及理論計算，全局分析了EGR 回路對高速柴油機(jī)瞬態(tài)工況的影響，建立了一維仿真模型并分析了發(fā)動機(jī)的加速工況，通過參數(shù)研究法研究了EGR 中冷器和EGR 回路壓力損失對發(fā)動機(jī)熱效率的影響。WAHLSTR?M 等［11］提出了一種采用比例-積分-微分（PID）優(yōu)化EGR 率的控制方法。彭海勇等［12］在1 臺135 型單缸直噴柴油機(jī)上分別進(jìn)行內(nèi)部、外部EGR 條件下的冷啟動試驗，分析了內(nèi)、外部EGR 對柴油機(jī)冷啟動過程中著火燃燒性能及排放的影響。王忠［13］提出了一種方便測量排氣再循環(huán)量指標(biāo)的方法，分析了EGR 對柴油機(jī)燃燒過程、動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)的影響。樓狄明等［14］對增壓柴油機(jī)EGR 技術(shù)進(jìn)行了試驗研究，分析了不同工況下EGR 率對柴油機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響規(guī)律。現(xiàn)有研究表明，EGR 是一種高效控制柴油機(jī)NOx排放的技術(shù)手段。

研究人員針對EGR 對降低柴油機(jī)NOx 的作用效果方面進(jìn)行了廣泛研究，然而，EGR 在降低柴油機(jī)NOx 排放的同時，也會影響柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒條件，多數(shù)研究尚未探討EGR 閥開度對缸內(nèi)燃燒特性的影響規(guī)律。本文通過精確控制EGR 閥與可變截面渦輪增壓系統(tǒng)（VGT）的開度，對1 臺高壓共軌重型柴油機(jī)進(jìn)行EGR 與VGT 穩(wěn)態(tài)正交試驗，分析了不同工況下缸內(nèi)壓力、溫度和燃燒放熱率隨EGR 閥開度的變化規(guī)律，探究了EGR 閥開度對柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒特性的影響，對優(yōu)化柴油機(jī)排放性能具有指導(dǎo)意義。

1試驗系統(tǒng)與方法

1. 1試驗系統(tǒng)

圖1 為EGR 閥開度對柴油機(jī)燃燒特性影響的試驗系統(tǒng)示意圖。在試驗時，使用PUMA 控制臺作為試驗臺架的主控設(shè)備，對柴油機(jī)進(jìn)行控制。試驗中使用的柴油機(jī)為某型帶有VGT 與EGR 的高壓共軌增壓中冷重型柴油機(jī)，VGT 可通過改變渦輪噴嘴環(huán)截面開度來調(diào)節(jié)通過渦輪的飛起流速，以此適應(yīng)不同發(fā)動機(jī)工況的需求。該柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。試驗時，該柴油機(jī)使用滿足國五標(biāo)準(zhǔn)的0號柴油。為研究發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，使用1 臺DEWE-5000燃燒分析儀對柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒情況進(jìn)行分析。

使用基于總線標(biāo)定協(xié)議（CCP）的ETASINCA 軟件對發(fā)動機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。具體實施步驟為：① 通過接口模塊ES590 向電控單元（ECU）開發(fā)板發(fā)送控制參數(shù)；② 對高壓油泵、噴油器、EGR 閥和節(jié)流閥進(jìn)行控制。本研究對EGR 閥與VGT 的開度、噴油量、噴油提前角，以及軌壓等參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，當(dāng)試驗控制臺給ECU 上電后，ETAS INCA 軟件與ECU 建立通信，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，軟件可實時改變上述參數(shù)，并記錄ECU中的噴油、軌壓，以及EGR 與VGT 開度等參數(shù)，在瞬態(tài)過程中可以很好地表征EGR 閥開度的路徑。

1. 2試驗方法

本研究采用圖1 中的試驗系統(tǒng)進(jìn)行EGR 與VGT 穩(wěn)態(tài)正交試驗。使用ETAS INCA 軟件控制發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的EGR 與VGT 參數(shù)，在歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（ESC）十三工況法穩(wěn)態(tài)工況下改變柴油機(jī)EGR 閥開度及VGT 開度，探究EGR 閥的開度變化對柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒特性的影響。

本研究選取ESC 十三工況法的工況點(diǎn)，對應(yīng)的A、B和C 轉(zhuǎn)速分別為1295 r/min、1590 r/min 和1 885 r/min。在正交試驗中EGR 閥的開度分為5 檔，從全閉到全開，分別為0%、25%、50%、75%和100%。

VGT 的開度分為3 檔，分別為40%、50% 和65%。

2 試驗分析

2. 1 EGR 閥開度對缸內(nèi)壓力的影響

圖2 為A 轉(zhuǎn)速下VGT 開度為50% 時柴油機(jī)各負(fù)荷下缸內(nèi)壓力隨EGR閥開度的變化規(guī)律。如圖2 所示，A 轉(zhuǎn)速下所有工況點(diǎn)的缸內(nèi)壓力均呈雙峰形，第1 個峰值出現(xiàn)在上止點(diǎn)前，第2 個峰值出現(xiàn)在上止點(diǎn)后。在所有工況下，缸內(nèi)壓力均隨著EGR 閥開度的增大逐漸減小，EGR 閥開度高于50% 后缸內(nèi)壓力的變化不大。

圖3為B轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)在不同負(fù)荷下缸內(nèi)壓力隨EGR 閥開度的變化規(guī)律。B 轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)缸內(nèi)壓力隨EGR 閥開度的變化規(guī)律與A 轉(zhuǎn)速時基本一致，EGR 閥開度越大，缸內(nèi)壓力越小，缸壓曲線呈現(xiàn)雙峰特征，VGT 開度變大時缸內(nèi)壓力隨EGR 閥開度的變化更為明顯。中低負(fù)荷時，上止點(diǎn)前的缸壓峰值大于上止點(diǎn)后的缸壓峰值；高負(fù)荷時，上止點(diǎn)前的缸壓峰值小于上止點(diǎn)后的缸壓峰值。其原因是低負(fù)荷時缸內(nèi)噴油量少，燃燒放熱量較低。EGR 閥開度高于50% 后，缸內(nèi)壓力的變化量較小。

圖4為C轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)不同負(fù)荷下缸內(nèi)壓力隨EGR閥開度的變化規(guī)律。C 轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)壓力隨EGR 閥開度的變化規(guī)律與A、B轉(zhuǎn)速時有一定的相似性。在該轉(zhuǎn)速下，低負(fù)荷時EGR 可顯著降低缸內(nèi)壓力，而在高負(fù)荷時該作用不明顯。與A、B轉(zhuǎn)速不同的是，C 轉(zhuǎn)速下所有工況點(diǎn)的缸壓曲線均呈單峰特征。柴油機(jī)負(fù)荷為347 N·m、VGT 開度分別為40%、50% 和65% 時，EGR 閥全開相較于全關(guān)時的缸壓降幅分別為14.27%、26.38% 和27.47%，而柴油機(jī)負(fù)荷為1 386 N·m 時對應(yīng)的缸壓降幅分別為2.37%、5.58% 和5.65%。

試驗表明，EGR 對柴油機(jī)缸內(nèi)壓力的影響是通過減小缸內(nèi)進(jìn)氣量而影響缸內(nèi)空燃比，進(jìn)而降低燃燒質(zhì)量，減小缸內(nèi)壓力。在A、B轉(zhuǎn)速下各工況點(diǎn)出現(xiàn)的雙峰特征中，第1 峰值是由于活塞上行，壓縮缸內(nèi)氣體，形成壓力峰值；而第2峰值是由于缸內(nèi)混合氣燃燒，相較于因此時活塞處于下行階段而導(dǎo)致壓力下降，燃燒產(chǎn)生的壓力更高。隨著負(fù)荷增大及噴油提前角的提前，燃燒始點(diǎn)也會提前，使得第1 峰值逐漸消失。隨著EGR 閥開度的增大，雖然所有工況下2 個壓力峰值都出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，但機(jī)理不同。第1 峰值的下降是由EGR 廢氣回流，造成缸內(nèi)進(jìn)氣量減少；第2 峰值的下降是由于燃燒過程中空燃比下降，使得燃燒不充分。

2. 2 EGR閥開度對缸內(nèi)溫度的影響

圖5為A轉(zhuǎn)速時柴油機(jī)各負(fù)荷下的缸內(nèi)溫度隨EGR閥開度變化的曲線。如圖5所示，不同工況下，隨著EGR閥開度的增大，缸內(nèi)溫度依次降低。中低負(fù)荷時，EGR廢氣回流對柴油機(jī)缸內(nèi)溫度的降低作用更為明顯，而高負(fù)荷下缸內(nèi)溫度降幅較小。VGT開度較大時EGR 對缸內(nèi)溫度的影響較為顯著。在A 轉(zhuǎn)速下，不同負(fù)荷時缸內(nèi)溫度曲線均呈雙峰特征，2 個峰值分別出現(xiàn)在上止點(diǎn)前、后。隨著負(fù)荷的增大，上止點(diǎn)前的峰值越來越不明顯。EGR 影響柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度的原因主要是影響其滯燃期和缸內(nèi)空燃比。在低負(fù)荷時，EGR 的回流廢氣中含有大量的高比熱容氣體，如CO₂和水蒸氣，使等量氣體吸收的熱量增大，缸內(nèi)溫度降低，滯燃期延長，同時廢氣回流也造成了缸內(nèi)氧含量的降低，低負(fù)荷時噴油量較少，此時氧含量并非主要影響因素。滯燃期的延長使得預(yù)混合氣體較多，燃燒開始時放熱率較快，造成低負(fù)荷時缸內(nèi)溫度第2 峰值前段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)有、無EGR 時差別不明顯。在高負(fù)荷時，缸內(nèi)溫度本身較高，因此EGR 回流廢氣中的高比熱容氣體吸熱降溫不是影響柴油機(jī)的主要因素，而此時缸內(nèi)噴油量的增加使得氧含量成為主要影響因素，EGR 廢氣回流造成的缸內(nèi)空燃比降低很大程度上影響了缸內(nèi)燃燒質(zhì)量，因此缸內(nèi)溫度出現(xiàn)了明顯的降幅。

圖6為B轉(zhuǎn)速時不同負(fù)荷下缸內(nèi)溫度隨EGR閥開度的變化曲線。B轉(zhuǎn)速下EGR閥開度對柴油機(jī)缸內(nèi)溫度的影響規(guī)律與A 轉(zhuǎn)速時基本一致。VGT開度較小時，隨著EGR 閥開度的增大，缸內(nèi)溫度的降幅較小；VGT 開度較大時，缸內(nèi)溫度的降幅隨EGR 閥開度的增大而增大。缸內(nèi)溫度曲線呈現(xiàn)雙峰特征，兩峰分別位于上止點(diǎn)前后，且隨著負(fù)荷的增大，缸內(nèi)溫度曲線的雙峰特征越來越不顯著，第1 個峰值有消失的趨勢。

圖7為C轉(zhuǎn)速時低負(fù)荷下不同EGR 閥開度對缸內(nèi)溫度的影響曲線。C 轉(zhuǎn)速下缸內(nèi)溫度隨著EGR 閥開度的增大而減小，VGT 開度越大，隨著EGR 閥開度的增大，缸內(nèi)溫度降幅越明顯，這與A、B 轉(zhuǎn)速下的規(guī)律一致。C 轉(zhuǎn)速時所有負(fù)荷下缸內(nèi)溫度曲線的雙峰特征均不明顯，低負(fù)荷時基本呈現(xiàn)單峰特征。

綜合ESC 十三工況法的工況點(diǎn)試驗結(jié)果可以得出，EGR 回流廢氣會降低柴油機(jī)的缸內(nèi)溫度，EGR 降低柴油機(jī)缸內(nèi)溫度的效果隨著EGR 閥開度的增大而增大。與高負(fù)荷相比，低負(fù)荷時EGR 對柴油機(jī)缸內(nèi)溫度的影響更大；與VGT 開度較大相比，VGT 開度較小時，EGR 對柴油機(jī)缸內(nèi)溫度的影響更小。在A、B 轉(zhuǎn)速的所有負(fù)荷，以及C 轉(zhuǎn)速的中高負(fù)荷下，柴油機(jī)的缸內(nèi)溫度曲線呈現(xiàn)明顯的雙峰現(xiàn)象；在C 轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷下，柴油機(jī)的缸內(nèi)溫度曲線雙峰現(xiàn)象不明顯。

2. 3 EGR 閥開度對燃燒放熱率的影響

圖8為A 轉(zhuǎn)速下VGT 開度為50% 時不同負(fù)荷下EGR 閥開度對燃燒放熱率的影響曲線。如圖8 所示，在A 轉(zhuǎn)速的各工況下EGR 對缸內(nèi)燃燒放熱率的影響規(guī)律一致。中低負(fù)荷時，EGR 對燃燒放熱率的影響不顯著；在高負(fù)荷時EGR 閥對燃燒放熱率的影響趨于明顯。EGR 閥開度對缸內(nèi)燃燒放熱率的影響主要集中在滯燃期后的區(qū)域內(nèi)。中低負(fù)荷時，缸內(nèi)燃燒放熱率呈單峰趨勢；高負(fù)荷時，缸內(nèi)燃燒放熱率明顯呈雙峰趨勢。在低負(fù)荷時EGR 廢氣回流在一定程度上會提高柴油機(jī)的燃燒放熱率，其原因是低負(fù)荷時缸內(nèi)噴油量較少，少量EGR 回流廢氣不會影響缸內(nèi)的富氧環(huán)境，回流廢氣中高比熱容的CO₂和水蒸氣會使滯燃期變長，預(yù)混氣體增加，使得燃燒放熱率升高。EGR閥開度過高時，這種促進(jìn)作用隨著EGR 閥開度的增大而減小。在中高負(fù)荷下EGR 回流廢氣會降低柴油機(jī)的燃燒放熱率。

圖9為B轉(zhuǎn)速下VGT開度為40%時，各負(fù)荷下EGR 閥開度對燃燒放熱率的影響曲線。B 轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)燃燒放熱率受EGR 閥開度的影響與A 轉(zhuǎn)速時基本一致，僅在扭矩為381 N·m、VGT 開度為40%時燃燒放熱率隨著EGR 廢氣的引入而升高，此時EGR 閥全開較全關(guān)時的放熱率增幅為2.62%。

圖10 為C 轉(zhuǎn)速下VGT 開度為65% 時不同負(fù)荷對燃燒放熱率的影響曲線。在C 轉(zhuǎn)速的所有負(fù)荷下，隨著EGR 閥開度的增大，柴油機(jī)燃燒放熱率均下降。在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷下EGR 在一定程度上可提高柴油機(jī)的燃燒放熱率，而在其他工況下均起到抑制作用。低負(fù)荷時缸內(nèi)燃燒放熱率峰值有所提升，這是因為EGR 廢氣回流導(dǎo)致滯燃期延遲，可燃混合氣增加，缸內(nèi)噴油量小，燃燒過程對缸內(nèi)氧含量的敏感性不強(qiáng)，預(yù)混燃燒質(zhì)量較好。高負(fù)荷時缸內(nèi)燃燒放熱率呈現(xiàn)雙峰趨勢，前1 個峰值是預(yù)噴燃燒產(chǎn)生的，后1 個峰值是主噴燃燒形成的。隨著EGR 閥開度的增大，2 個峰值均降低，高負(fù)荷工況對于柴油機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣十分敏感，EGR 降低了缸內(nèi)氧含量是導(dǎo)致放熱率峰值降低的原因。

3結(jié)論

本文以一臺高壓共軌重型柴油機(jī)為試驗樣機(jī)，進(jìn)行了EGR 與VGT 穩(wěn)態(tài)正交試驗，利用燃燒分析儀對ESC 十三工況法工況點(diǎn)（除怠速工況點(diǎn)外）下柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒進(jìn)行了分析，探究了EGR 閥的開度對缸內(nèi)燃燒壓力、溫度以及燃燒放熱率的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

（1） EGR 將排氣重新引入氣缸，增大了缸內(nèi)氣體的比熱容，同時也減少了進(jìn)入氣缸中的新鮮進(jìn)氣量，使得缸內(nèi)燃燒壓力出現(xiàn)下降趨勢。在A、B 轉(zhuǎn)速的各工況點(diǎn)下出現(xiàn)的雙峰現(xiàn)象，隨著EGR 閥開度的增大，2 個壓力峰值均出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。

（2） EGR 回流廢氣會降低柴油機(jī)的缸內(nèi)溫度，EGR 對缸內(nèi)溫度的降低效果隨著EGR 閥開度的增大而增大。與高負(fù)荷相比，低負(fù)荷時EGR 對缸內(nèi)溫度的影響更大；與VGT 開度較大相比，VGT 開度較小時EGR 對缸內(nèi)溫度的影響更小；

（3） A 轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷下EGR 閥對燃燒放熱率的影響較為明顯，低負(fù)荷時EGR 廢氣回流會在一定程度上增大柴油機(jī)的燃燒放熱率，在中高負(fù)荷時EGR 回流廢氣會降低柴油機(jī)的燃燒放熱率。B 轉(zhuǎn)速下燃燒放熱率受EGR 閥開度的影響與A 轉(zhuǎn)速時基本一致。在C 轉(zhuǎn)速的所有負(fù)荷下，燃燒放熱率隨著EGR 閥開度的增大均呈下降趨勢。