EGR柴油机瞬态性能优化研究

高官龙， 李盛成， 刘忠长， 田径， 韩恒， 于凯波

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130022)



EGR柴油机瞬态性能优化研究

高官龙， 李盛成， 刘忠长， 田径， 韩恒， 于凯波

(吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室， 吉林 长春 130022)

以降低瞬态过程烟度和NOx排放为目标，在一台高压共轨电控重型柴油机上进行了EGR对柴油机恒转速增扭矩5 s典型瞬态过程燃烧和排放性能影响的优化研究。结果表明：瞬态过程中固定EGR阀开度造成EGR率“超调”、烟度剧增；与“全程轨压”策略相比，“分段轨压”有利于改善小负荷工况的燃烧热氛围，提高瞬态起始负荷并耦合“分段轨压”可以有效降低瞬态过程烟度峰值；EGR阀的开闭对瞬态性能影响最大，瞬态过程1.5 s关阀、4 s开阀的策略可以实现较好的烟度和NOx排放折中，消光烟度峰值为9.2%，NOx峰值稍有增加但增幅不大。

增压柴油机； 瞬态工况； 喷油压力； 废气再循环； 烟度； 氮氧化物

车用柴油机大部分运行时间处于瞬态工况下，增压柴油机瞬态工况下进气严重滞后于喷油，会导致柴油机性能劣变[1]。与稳态工况相比，瞬态工况下存在噪声激增、排放及燃油经济性恶化等问题[2]，特别是引入EGR系统后，若将稳态性能优化时所采用的EGR阀开度直接运用于瞬态工况，更是加剧了排放及燃油经济性的恶化程度[3]。为此，如何解决EGR柴油机瞬态过程的性能恶化问题已成为内燃机性能开发领域的研究重点。

为应对柴油机瞬态性能劣变问题，国内外柴油机研究机构更偏向于通过喷油参数柔性调制与EGR阀耦合控制等常用稳态性能优化策略来解决。比如，将实现低温燃烧模式的高喷油压力和多次喷射方式[3-6]直接运用于瞬态工况，理论上有助于避开NOx和炭烟生成区域。这主要得益于高喷油压力会提高燃油油束动量，促进发动机瞬态过程燃油和空气的混合，降低柴油机尾气中的颗粒物排放。此外，EGR阀动态响应差导致原机瞬态过程缸内油气混合状态较稳态工况明显偏离等因素，促使对柴油机瞬态性能的研究领域也侧重在EGR系统设计和控制方面，比如在EGR低压回路或低高压双回路实现对EGR率宽范围阈值可控[7-9]前提下，借助尾气中氧气质量分数作为EGR阀反馈控制参数[10]或构建EGR阀PID模块控制[11-12]等，均在一定程度上有效抑制了EGR超调现象及颗粒物峰值排放恶化问题。从而不难看出当下对柴油机瞬态性能优化研究主要集中于较为单一的优化方式探索，尚缺乏科学的系统性瞬态性能优化路径分析。为此，本研究主要针对EGR导致瞬态性能严重劣变这一特征，在一台增压中冷高压共轨重型柴油机上从EGR阀控制、喷油参数、瞬态工况特征等多个角度探讨典型恒转速增扭矩瞬态过程性能优化的可行性，为制定EGR瞬态性能优化路径提供理论依据。

1 试验测控系统及研究方法

增压中冷高压共轨电控重型柴油机样机的技术参数见表1。试验台架装置及测控系统见图1。研究采用毫秒级A/D数据采集卡及相应的高速传感器构建了实时(10 ms)参数测量系统，可以实现发动机转速、扭矩、进排气温度及压力、消光式烟度和尾气排放的实时测量和记录；共轨平台下发动机工况控制最终信号为油门电压，瞬态工况点控制借助单片机实现，具备了高响应速度和高精度优点，配合电涡流测功机可实现典型瞬态工况的重复再现。

此外，本研究采用高—低回路EGR循环方式，回流废气从涡轮机之前引出，废气流经单向阀后再进入EGR中冷器，最终引入压气机前。利用步进电机控制EGR阀开度，并根据稳态工况EGR率优化结果利用单片机查询转速和负荷MAP可以实时控制EGR阀的最优开度(EGR阀全开60步，单步执行时间为20 ms)。

表1 试验用柴油机主要参数

图1 瞬态试验台架和测控平台示意

试验过程中柴油机的转速稳定在1 650 r/min，负荷在5 s时间内从0%，10%或20%线性地上升到满负荷。试验中采用体积浓度的方法计算EGR率：

式中：(CO2)atm为环境中CO2体积分数；(CO2)exh为排气管中CO2体积分数；(CO2)int为进气管中CO2体积分数。CO2浓度由MEXA-7200DEGR排放分析仪进行检测，并且能够同时对尾气中的CO，THC，NOx等进行实时测量。

2 试验结果及分析

试验首先研究瞬态过程中固定EGR阀开度对柴油机性能的影响(见图2)。以典型的恒转速增扭矩瞬态过程(1 650 r/min、负荷在0～5 s时间内从0%线性增至100%)入手，固定EGR阀开度恒定在1 650 r/min，50%负荷时达到5%EGR率时所对应的开度。

图2 瞬态工况下EGR率的突变

从图2中可以看出，EGR阀开度固定时，瞬态过程中EGR率和稳态工况相比明显升高(最大差值为2.6%)。EGR率的“超调”加重了瞬态过程中进气量不足的现象，造成消光烟度峰值急剧升高(峰值达到31.4%)。为了抑制烟度，试验依次研究了喷油压力和EGR阀开度对瞬态过程的影响。

2.1 喷油压力策略对瞬态性能的影响

为了描述瞬态性能的变化趋势，本研究均将瞬态过程开始时间(0 s)设定为第0个工作循环，5 s内共经历69个工作循环。

2.1.1 “全程轨压”策略对瞬态性能的影响

在恒转速增扭矩的瞬态工况下，进气中引入EGR加剧了烟度恶化。为了改善加EGR以后的瞬态性能，首先研究“全程轨压”策略对加EGR以后的瞬态性能的影响。“全程轨压”策略指以原机轨压MAP为基础，分别将轨压增加10 MPa和20 MPa，受限于最高轨压(160 MPa)，轨压的最大增量设置为20 MPa。

图3示出“全程轨压”策略对瞬态过程排放和进气量的影响。从图3可以看出，瞬态过程中随轨压增加NOx排放升高，而消光烟度变化较小。采取“全程轨压”策略有利于促进燃油与空气的混合，改善缸内燃烧过程，增加缸内NOx的生成。但从图3c可以看出，提高轨压对于瞬态过程进气量响应几乎无影响。又由于EGR的引入，缸内氧浓度降低，这对炭烟的生成起到主要促进作用。

图4示出“全程轨压”策略对瞬态过程燃烧性能的影响。可以看出，在瞬态过程的前期，“全程轨压”策略造成缸压峰值增加，缸压峰值对应的曲轴转角和燃烧重心提前，燃烧持续期缩短；瞬态过程的中后期，“全程轨压”策略对燃烧性能的影响减弱。推测其原因：瞬态工况前期(小负荷阶段)，由于进气响应延迟，缸内工质密度较低，进气气流运动相对较弱，此时增加喷油压力又引起油束贯穿距离增加，极有可能造成燃油“湿壁”现象。此外，进气气流运动与喷油压力的不匹配还会加剧瞬态工况热力状态的延迟，给瞬态过程中后期带来不利影响，抵消增加轨压对燃烧过程的改善效果。

图3 “全程轨压”策略对瞬态过程排放和进气量的影响

图4 “全程轨压”策略对燃烧性能的影响

2.1.2 起始负荷对瞬态性能的影响

通过研究发现，“全程轨压”策略对0%—100%负荷瞬态工况烟度的改善较小。考虑到瞬态过程小负荷阶段增加喷油压力可能造成燃油“湿壁”，加剧缸内热力状态延迟，试验继续研究提高瞬态起始负荷对加EGR以后瞬态性能的影响。具体的策略为：采取和前文相同的EGR阀开度(1 650 r/min，50%负荷时达到5%EGR率时所对应的开度)和瞬态时间(5 s)，分别探究0%—100%，10%—100%和20%—100%瞬态过程下的性能变化规律。

图5示出不同起始负荷对瞬态过程烟度和进气量的影响。从图5a可以看出，提高瞬态过程的起始负荷能够有效降低柴油机瞬态过程中的烟度峰值，20%—100%瞬态工况下的消光烟度峰值为20.5%，与0%—100%过程相比降幅达34.7%。烟度降低主要受益于进气量的增加，如图5b所示，瞬态起始负荷为20%时的进气量相比0%负荷时增加89 kg/h。此外，较高的起始负荷下具有更好的缸内燃烧热氛围，有利于缓解瞬态工况热力状态的延迟。

图5 起始负荷对瞬态过程烟度和进气量的影响

2.1.3 “分段轨压”策略对瞬态性能的影响

虽然提高瞬态过程的起始负荷能够减小烟度，但是受限于柴油机实际使用过程，起始负荷不能太高。因此，为了进一步优化柴油机进气加EGR后的瞬态性能，本试验采取“分段轨压”策略(见图6)，即在小负荷时保持原机轨压，当达到某一设定负荷时(45%负荷)，在原机的基础上增加轨压(增加20 MPa)。

试验中采取的“分段轨压”策略见表2，在20%—100%负荷瞬态工况下，保持EGR阀开度恒定，分别以20%，25%，35%和45%负荷为轨压增加的拐点负荷，将原机轨压增加20 MPa。

图6 “分段轨压”策略示意

策略1234轨压增加拐点负荷/%20253545拐点负荷的扭矩/N·m280350490630

图7示出“分段轨压”策略对瞬态过程烟度的影响。为了更加直观地比较瞬态过程烟度的差别，本研究定义累计烟度比例的概念：以20%—100%原机瞬态过程的累计烟度为1，“分段轨压”策略下的累计烟度与其比值就是该策略下的累计烟度比例。累计烟度的比例越小(小于1)，则表明该策略对瞬态过程烟度的优化能力越强。瞬态过程中累计烟度的计算方法为

式中：t1为瞬态加载开始时刻；t2为瞬态加载结束时刻；N为瞬时烟度值。

从图7可以看出，“分段轨压”对消光烟度峰值的影响较小(略有降低)，但“分段轨压”策略对烟度的生成历程影响较为明显。如图7b所示，490 N·m之后增加喷油压力(策略3)对累计烟度(76.7%)的优化效果最好。由图7a可见，“分段轨压”策略对瞬态过程中、大负荷烟度的改善程度增加，这印证了保持原机轨压更有利于改善小负荷工况的燃烧热氛围，间接证明“全程轨压”的局限性。

图7 “分段轨压”对烟度的影响

图8示出“分段轨压”策略对燃烧性能的影响。由图8可见，采取“分段轨压”策略后缸压峰值显著增加，燃烧重心明显提前。其原因是：随着喷油压力的增加，喷油持续期减小，油气混合更加均匀且混合速率加快，燃烧更加集中，促进了燃料的快速、充分燃烧。

图8 “分段轨压”策略对燃烧性能的影响

2.2 EGR策略对瞬态性能的影响

2.2.1 EGR阀关闭时刻对瞬态性能的影响

增加起始负荷和采取“分段轨压”策略都能降低柴油机瞬态过程中的烟度，但是由于瞬态过程固定EGR阀开度，不可避免地引起EGR率的“超调”，烟度峰值仍然较大。因此，试验继续研究瞬态过程中EGR阀关闭时刻对性能的影响。仍然在20%—100%负荷瞬态工况下，计瞬态过程开始时刻为0 s，分别设置EGR阀关闭时刻为0 s，0.5 s，1 s，1.5 s和2 s。

图9示出EGR阀关闭时刻对瞬态过程排放性能的影响。可以看出，关闭EGR阀后NOx排放大幅增加，而烟度大幅减小。选取1.5 s为最优的关阀时刻时，消光烟度峰值为8.9%，与20%—100%负荷原机瞬态过程相比，降幅为56.6%。结合图10可以发现，随着EGR阀的关闭，EGR率迅速减小至0，进气量相比原机明显增加。采取关阀措施可以避免EGR率的“超调”并在一定程度上缓解加EGR后引起的进气量减少，因此可以有效抑制烟度。

图9 EGR阀关闭时刻对瞬态排放性能的影响

图10 EGR阀关闭时刻对进气量和EGR率的影响

在前文研究的基础上，试验又将EGR阀关闭时刻和“分段轨压”策略相结合，进一步研究降低烟度的可能性。

图11示出20%—100%瞬态过程中，1.5 s关闭EGR阀结合“分段轨压”(策略3)对烟度的影响。如图所示，使用“分段轨压”策略后瞬态过程中烟度峰值进一步降低至6.8%。EGR阀的关闭在一定程度上增加了进气量，进气与供油的匹配性更优，燃烧状况改善更大。

图11 EGR阀关闭时刻结合“分段轨压”策略对 消光烟度的影响

2.2.2 EGR阀开启时刻对瞬态性能的影响

通过结合EGR阀关闭策略和“分段轨压”策略能满足对烟度的要求，但NOx排放增加较大。试验为达到烟度和NOx排放的折中，以最优EGR阀关闭时刻(1.5 s)和“分段轨压”策略(策略3)为基础，继续研究EGR阀的开启时刻对瞬态排放性能的影响。其中，分别设置EGR阀的打开时刻为瞬态开始后的2.5 s，3 s，3.5 s和4 s，再次打开时EGR阀的开度与关闭之前相同。

图12示出EGR阀开启时刻对瞬态排放性能的影响。从图12a可以看出，EGR阀再次开启会引起烟度增加，且开启时刻越早，烟度增幅越大；结合图12b，再次开启EGR阀可以明显改善NOx排放。数据表明，4 s时开启EGR阀可以得到最优的烟度和NOx排放折中，此时，消光烟度峰值比原机(固定阀开度)降低了55.1%(从20.5%降低至9.2%)，而NOx排放在出现短暂的峰值后连续降低，NOx峰值仅比原机增加17%(从559×10-6升至657×10-6)。EGR阀再次打开的时刻较晚有两个好处：一方面，进气滞后得到较大缓解，EGR的引入对进气量影响较小，所以烟度变化较小，消光烟度峰值相比1.5 s关阀而不开阀时仅增加了2.4%；另一方面，瞬态过程后期缸内燃烧温度达到较高值，EGR的热效应和稀释效应起主导作用，可以有效抑制NOx生成。

图12 EGR阀开启时刻对瞬态排放性能的影响

3 结论

a) 瞬态过程中固定EGR阀开度会引起EGR率“超调”现象，造成烟度严重恶化；

b) “全程轨压”策略对进气加EGR后的瞬态性能改善程度很小，在小负荷时过高的喷油压力还会引起燃油“湿壁”现象；

c) 适当提高瞬态起始负荷，并结合使用“分段轨压”策略，可以较好地避开瞬态过程小负荷阶段热力状态延迟问题，优化烟度性能；

d) EGR阀的开闭对瞬态性能影响明显，1.5 s关闭EGR阀，并结合“分段轨压”策略可以使烟度峰值降低至6.8%，但NOx排放增幅较大；进一步设置4 s时开启EGR阀可以得到最优的烟度和NOx排放折中，此时，烟度峰值为9.2%，NOx峰值仅比原机(固定EGR阀开度)增加17%。

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[编辑： 袁晓燕]

Optimization of Transient Performance for Diesel Engine with EGR

GAO Guanlong, LI Shengcheng, LIU Zhongchang, TIAN Jing, HAN Heng, YU Kaibo

(State Key Laboratory of Automobile Simulation and Control of Jilin University, Changchun 130022, China)

In order to reduce the NOxand smoke emissions during the transient process, the influences of EGR on combustion and emission were studied though the test of 5 s torque increase at constant speed on a high pressure common rail electronically-controlled heavy duty diesel engine. The results show that the EGR rate will overshoot so that the soot emission drastically increases if the EGR opening keeps constant during the transient process. Compared with the full-stage rail pressure strategy, the multi-stage fuel injection strategy helps to form the better thermo-atmosphere, which can reduce the peak soot emission effectively combined with higher initial loads. In addition, the opening and closing behavior of EGR valve have a great influence on engine transient performance. The 1.5 s opening and 4.0 s closing strategy can realize the compromise between soot and NOxemissions, while the peak smoke opacity is 9.2% and the peak NOxemission has little increase.

turbocharged diesel engine; transient process; injection pressure; exhaust gas recirculation(EGR); smoke; nitrogen oxides

2017-03-03；

2017-03-29

吉林省科技发展计划项目(20150520113JH)

高官龙(1991—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机公害与控制；ggld1991@163.com。

李盛成(1965—)，男，主要研究方向为内燃机公害与控制；lisc@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.008

TK421.5

B

1001-2222(2017)03-0042-07