基于WLTC工况的柴油机高低压EGR分配策略的试验研究

0 引言

随着我国经济的飞速发展，环境污染问题越来越突出，也越来越受到重视。2016年，国家环保部发布了轻型汽车国六排放法规[1]，相比于国五法规，以M1类车为例，氮氧化物(NOx)排放限值从国五的180 g/km降低到了80 g/km，降幅达56%(图1)。越来越严格的排放法规一方面对柴油机如何在保持经济性的同时降低NOx和颗粒物排放提出了更严苛的要求，同时也成为柴油机技术不断革新的有效驱动力。

图1 轻型车NOx排放法规限值

柴油机排气净化技术主要分为机内净化技术和机外净化技术，机内净化技术主要有：电控高压燃油喷射技术、涡轮增压技术、废气再循环(EGR)技术等，机外净化技术主要有：颗粒物过滤技术、氧化催化转换技术、氮氧化物还原催化技术等[2]。

EGR技术是公认的降低柴油机NOx排放的有效技术。根据在增压柴油机上取气位置的不同，EGR可以分为高压和低压2种形式。其中高压EGR废气取自涡轮前，引入到进气歧管，而低压EGR则是废气取自柴油颗粒过滤器(DPF)后，引入到压气机前。

相对于传统的高压EGR系统，低压EGR系统主要有以下几点优势：

(1)低压EGR的废气引入在压气机前，要经过中冷器及很长的管路，所以低压EGR的气体温度更低。

(2)排气废气经过了DPF的过滤，EGR废气变得更清洁。

(3)在相同的增压压力下，可变截面涡轮增压器(VGT)开度更小，使得运行工况点向增压器压气机的高效率区域转移，更高的增压器效率使泵气损失更低[3]。

本文对1台2.0 L的高压共轨柴油机，研究了其性能和随着高低压EGR率及其不同分配比例对排放的影响。另外，针对1个匹配车型，运用试验设计(DOE)的方法分析了各个工况的最佳EGR控制策略。

1 试验方案与研究方法

试验样机为1台2.0 L的高压共轨柴油机，发动机的主要技术参数见表1。图2是高低压EGR系统示意图。表2列出了试验用到的主要测量设备。

表1 发动机主要技术参数

表2 主要测量设备

图2 高低压EGR系统示意图

EGR率主要通过排气分析仪测量CO2的浓度计算得到[4]，试验时总共布置3个CO2浓度测点：一个在增压器涡轮出口，氧化催化器(DOC)之前，测量排气中的CO2浓度；一个在进气歧管上，测量进气总的CO2浓度；还有一个在增压中冷之后，节气门之前，测量低压EGR部分的CO2浓度。高压EGR率由总EGR率和低压EGR率相减得到，计算如下：

(1)

(2)

HPEGR%=(EGR%-LPEGR%)×100%

(3)

文中以低压EGR的比例来描述高低压EGR分配的关系。低压比例100%表示纯低压EGR工作，低压比例为0表示纯高压EGR工作，低压比例60%表示高低压EGR同时工作，且低压EGR占比60%，高压EGR占比40%。

2 试验结果与分析

针对1台欧6排放标准的皮卡车，根据车辆的道路阻力、整备质量、速比等信息，把整车WLTC循环工况换算成了发动机工况，选择有代表性的3个工况点进行试验研究。轻型车WLTC循环见图3。图4是换算成的发动机工况点。表3示出了选择的3个工况点，表4是整车的主要技术参数。

表3 稳态试验工况点

表4 整车主要技术参数

图3 轻型车WLTC循环

图4 WLTC循环对应发动机工况点

为了评价低压EGR相对于高压EGR的不同性能，对所选的3个工况点进行EGR扫描试验，也就是试验时保持其他燃烧参数不变，通过改变新鲜空气的需求量改变EGR率，从EGR率为0慢慢增大，直到边界条件到达了极限。

从图5中可以看出，在相同的NOx排放水平下，使用低压EGR比高压EGR的油耗和烟度都要低，与仅用低压EGR和仅用高压EGR相比，油耗降低约2%，烟度降低约38%。低压EGR的废气经过了低压EGR冷却器和中冷器，相对于高压EGR而言，EGR出气温度更低，进气歧管的温度基本接近中冷后的温度，由于进气歧管温度低，低压EGR改善了过量空气系数，因此，低压EGR系统更低的缸内燃烧温度导致了更低的NOx排放水平。但是，另一方面，从整车的角度考虑，由于低速低负荷时排气流量小，低压EGR的管路又要长于高压EGR，会导致瞬态响应差，空气量的实际值跟不上需求值，会导致动态排放变差。

图5 1 500 r/min BMEP 0.3 MPa工况点下高低压EGR不同分配比例的影响

图6是在转速1 800 r/min BMEP 0.8 MPa工况下不同高低压EGR分配比例的试验结果。结果显示：随着低压EGR比例的提高，油耗和烟度都有不同程度的改善，仅使用低压EGR和仅使用高压EGR相比，在NOx排放同样为1.0 g/kWh时，油耗降低4.5%，烟度降低50%。

图6 1 800 r/min BMEP 0.8 MPa工况下高低压EGR不同分配比例的影响

图7是在转速2 200 r/min BMEP 1.6 MPa工况下不同高低压EGR分配比例的试验结果。结果显示：在该工况点，低压EGR比例30%和60%时的比油耗接近且最低，仅使用低压EGR和低压EGR比例60%时烟度结果接近且最低。

图7 2 200r/min BMEP 1.6 MPa高低压EGR不同分配比例的影响

结合图5、图6以及图7可以看出，不同的工况需要使用不同的高低压EGR分配策略，才能使油耗和排放达到最优。低速低负荷时，虽然从稳态试验结果看，低压EGR能降低油耗和烟度，但是由于低速响应的问题，需要结合整车匹配进行综合考虑，中速中负荷使用低压EGR可以大幅度地改善油耗和降低烟度，高速高负荷时，高低压EGR结合使用能更大程度地降低油耗和排放。

在相同的NOx排放水平下，对3个稳态试验工况点进行高低压EGR分配比例的优化标定，结果如图8所示。优化后，在1 500 r/min， BMEP 0.3 MPa， 1 800 r/min、BMEP 0.8 MPa和2 200 r/min， BMEP 1.6 MPa这三个工况点低压EGR比例分别为25%、90%和82%。

图8 相同NOx排放下不同工况高低压EGR分配比例扫描

随着转速和负荷的增加，提高低压EGR的比例可以改善油耗和降低排放。使用低压EGR由于进气歧管温度低，要达到相同的NOx排放水平，所需的EGR率可以更低。如果使用高压EGR，由于进气歧管温度相对较高，从而使进气密度下降。另一方面，由于更高的EGR率需要更大的涡前压力，也就是需要增大增压器VGT的开度，增加了泵气损失，随着转速和负荷的增加，泵气损失更大，导致发动机效率降低。所以，在高速高负荷时使用低压EGR更有优势。

为了进一步优化整个轻型车排放区域的高低压EGR分配策略，使用全局DOE的方法对发动机参数以及高低压EGR的分配进行了优化，优化目标是在NOx和PM排放达到工程目标的前提下，最大程度地改善油耗。全局DOE优化的区域如图9所示，基本覆盖了整个WLTC循环工况。

图9 全局DOE优化区域

考虑到瞬态EGR控制是轻型车发动机标定过程中的其中一个关键因素，结合WLTC的循环工况，最终的高低压EGR分配比例结果如图10所示。从图中可以看到，低速低负荷区域，以高压EGR为主，中速中负荷区域以低压EGR为主，低压EGR的比例在80%～90%左右，高速高负荷区域还是以低压EGR为主，但是比例有所降低，在70%左右。整个发动机区域的优化结果也显示了高低压EGR系统相对于传统的高压EGR系统具有更好的燃油经济性和更好的排放潜能。相比仅采用高压EGR的系统，低压EGR由于更低的进气歧管温度和泵气损失，使其高速高负荷的优势更加明显。

3 结论

通过本文对高低压EGR发动机的试验研究，可以总结出如下结论：

(1)在相同的NOx排放水平下，使用低压EGR能改善油耗和降低烟度。

(2)低速低负荷时，由于低压EGR的管路较高压EGR长，瞬态响应没有高压EGR快，所以低速低负荷使用高压EGR更佳。

图10 高低压EGR分配比例优化结果

(3)随着转速和负荷的增大，更低的进气歧管温度和泵气损失使低压EGR更具优势。

(4)中等负荷区域以低压EGR为主，高压EGR为辅，高低压EGR结合使用的策略使发动机在保持低排放的前提下获得更好的燃油经济性水平。

[1]GB 18352.6-2016，轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)[S].

[2]童澄教. 内燃机排放与净化[M]. 上海交通大学出版社, 1994.

[3]Nam K, Yu J, Cho S. Improvement of fuel economy and transient control in a passenger diesel engine using LP(Low Pressure)-EGR[J]. SAE Technical Papers, 2011-01-0400.

[4]张文强，郑尊清，尧命发，等．高/低压EGR对两级增压柴油机性能和排放影响的试验研究[J].内燃机工程, 2014 ,35(1)：1-7.