旁通式EGR冷却器实现废气温度可控的试验研究

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉 林 5 37005）

为应对2013年即将实施的国4排放法规，中国各大主机厂都已开发了自主的国4系列产品。经统计，目前市场上的国4产品，重型柴油发动机主要采用SCR后处理路线，而中轻型柴油发动机（以轻型为主）则主要采用EGR+DOC（+POC）后处理路线。对于轻型柴油发动机，为满足更低的NOx气体排放要求，国4阶段发动机需求最高EGR率相比国3阶段增加了15%。废气需求量的增加，对EGR系统的冷却能力、可靠性水平都提出了更高要求[1]。

EGR系统由于废气的长时间流通，会带来一系列积碳、结胶等问题，给EGR冷却器、EGR阀造成损害。相关文献显示，EGR冷却器的积碳，主要与废气在冷却器中的温度、废气自身的碳烟浓度以及废气流量有关。基于此，本文主要研究如何通过EGR冷却器，实现对废气温度的一定范围内可控，从而达到改善发动机排放水平，减少EGR系统中积碳的目的[2]。

1 研究对象

1.1 发动机

本文研究的对象，是某款在开发的国4排放的2.5 L柴油发动机，采用高压共轨燃油系统，后处理采用EGR+DOC路线。匹配目标车型为MPV，属M2类车型，根据《GB 18352.3-2005轻型车排放限值》规定，需要进行整车转鼓排放测试，测试工况为NEDC循环。

发动机主要技术参数如表1所示。

表1 柴油机主要技术参数

1.2 旁通式EGR混合器

为实现废气温度在一定范围内可控，试验采用了一种带旁通装置的EGR冷却器，其主体EGR冷却冷却器壳体属常规的管壳结构，分别设有冷却水通道和废气通道A和B。通过通道A的废气可与冷却水发生热交换，通过通道B的废气则直通到进气管。在废气入口处，设置有一个可控的旁通阀装置，当旁通阀开启时，废气可经由通道B旁通。外观结构如图1所示。

图1 旁通式EGR冷却器结构图

2 试验方案设计

2.1 试验概述

发动机实际使用工况较为复杂，除了大负荷高EGR率的工况外，还存在有小负荷低EGR率的工况。为更好地冷却EGR废气，EGR冷却器应具备较高的冷却效率，但这会导致部分工况点存在废气过度冷却的问题。

一般来说，随着冷却后废气温度降低，在相同EGR率下，发动机在燃烧过程中能进入更多的新鲜空气，这样能明显改善发动机各项性能及排放指标。但这个冷却温度有一定范围，低于这个值，发动机性能排放改善不明显，同时会带来EGR系统的结胶问题[3]。因此，通过旁通的方式，在不同的发动机使用工况，有选择性地冷却废气以达到最佳性能排放水平。

2.2 试验工况选取

通过AVL CRUSE软件，输入整车及发动机相关的参数后，将整车实际运行的NEDC循环，转化成发动机的14个特征排放点，如图2所示。图中显示了转速-扭矩分布情况，每个工况对应的数字为其所占的权重比。

图2 NEDC循环特征工况点分布

选取两个不同负荷率的工况点，分别为0.4 MPa/（1 620 r/min）（工况A）和0.08 MPa/（2 330 r/min）（工况B），进行不同EGR率条件下旁通阀的比对试验。

2.3 试验边界设定

依据经验值，设定如下试验边界：

FSN烟度值≤1.5 FSN；

EGR废气冷却后温度：（90~280）℃；

进气总管进气温度：≤80℃。

3 试验验证

3.1 旁通式EGR冷却器对性能的影响

根据选取的工况，进行不同EGR开度下的性能测试。试验结果显示，EGR率增加，烟度、油耗水平逐步恶化。加入旁通功能后，性能变化趋势基本一致。如图3所示。

图3 工况A旁通对性能的影响

将废气旁通后，废气不经冷却直接引入进气管，与新鲜空气混合前的废气温度显著升高，由原来的平均100℃，升高至200℃以上。废气温度升高，会导致实际进入缸内的空气温度升高，缸内实际的进气充量减少，进气不足导致燃烧变差。同时，进气温度升高，会导致燃烧滞燃期变短，油气混合不充分。以上因素，均会导致烟度、油耗变差。当EGR开度处于70%时，烟度恶化超过1.5 FSN的边界。

工况B试验结果趋势类似，但工况B由于负荷率低，空燃比较大，废气温度的上升对发动机性能的影响相对较小，如图4所示。

图4 工况B旁通对性能的影响

3.2 旁通式EGR冷却器对排放的影响

废气经旁通后，气体排放CO、HC值显著降低，NOx排放变化不明显。负荷越小，趋势越明显。

图5 工况A旁通对排放的影响

在工况A，废气旁通前后，NOx气体排放没有明显变化，但HC、CO排放水平经过旁通后，平均降低了10%左右。而在工况B，由于负荷更小，HC、CO的排放水平改善幅度更为明显，平均在20%左右。

柴油发动机小负荷时喷油量较小，喷油器由于结构和控制方式的原因，在小油量的喷射稳定性以及各缸喷射的一致性控制，都存在较大问题，这会引起燃油的雾化较差。小负荷时，缸内燃烧温度较低，会导致大量液态油滴未燃烧就从缸内排出。这一系列影响因素，导致小负荷时CO、HC排放值较大。而通过旁通的方式，加热缸内进气温度，能有效改善这种现象。

4 排放验证试验

4.1 排放点优化

根据以上方法，对14个排放特征点均进行了旁通优化。试验结果显示，在扭矩点2 400 r/min转速以下，负荷50 N·m以下的工况点，采用废气旁通的方式，能有效降低HC、CO的排放量，而性能指标烟度和比油耗恶化程度在可接受范围内。

4.2 排放对比试验

保持各项试验边界条件不变，在试验台架进行稳态NEDC排放测试，对比优化EGR冷却器旁通阀前后的排放结果。采用旁通后，发动机综合排放结果改善。

图6 旁通优化前后排放结果对比

发动机的NOx排放变化不大，CO、HC排放量明显降低。对于乘用车NEDC排放循环，滤纸收集的PM成分，除了一部分Soot和SOF物质外，还含有大量液态HC物质。通过采用旁通的方式，能很大程度上减少这类HC物质的生成。故虽然采用旁通的方式，发动机的Soot排放量会略有升高，但液态HC的减少，对PM改善更为显著。

4 结束语

通过旁通式EGR冷却器将废气旁通后，发动机性能指标如烟度、油耗存在一定恶化，但负荷较小时，这种恶化影响在可接受范围；当废气旁通后，发动机气体排放指标，如CO、HC等，得到改善，负荷越小，这种改善现象越明显；通过废气旁通阀，根据实际工况，将EGR废气温度控制在适宜温度范围，能有效改善发动机的排放水平。

[1]U Krüger，S Edwards，E Pantow and R Lutz，R Dreisbach and M Glensvig.High Performance Cooling and EGR Systems as a Contribution to Meeting Future Emission Standards[J].SAE Paper，2008（1）：1199.

[2]Ho Teng，Gerhard Regner.Particulate Fouling in EGR Coolers[J].SAE Paperx，2009（1）：2877.

[3]李爱娟，李舜酩，魏民祥，等.车用柴油机冷EGR系统的设计与试验[J].南京航空航天大学学报，2010，42（5）：650-655.

[4]周龙保，等.内燃机学：第2版[M].北京：机械工业出版社，2006.