废气平衡阀开度对柴油机性能及排放影响规律研究

冯伟超 翁志勇 魏冲 王众 赵海峰

摘  要：主要介绍了非对称增压器的基本原理，柴油发动机排放的主要成分、生成机理。通过调整废气平衡阀开度进行油耗、氮氧化物（NOx）、碳烟试验，并对试验结果进行分析，探索废气平衡阀不同开度对柴油发动机油耗、氮氧化物、碳烟生成的影响规律。

关键词：非对称增压器;废气平衡阀;碳烟;NOx;燃油消耗率

中图分类号：U470.30    文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2019）03-0008-05

Abstract： The principles of asymmetrical supercharger， the main components of diesel engine emission and the formation mechanism. Fuel consumption， nitrogen oxide and soot emission tests were carried out by adjusting the opening of the exhaust gas balance valve，，and the test results were analyzed to explore the influence of different opening of the exhaust gas balance valve on fuel consumption， NOx and soot generation of diesel engine.

Key Words： asymmetrical turbocharger; exhaust balance valve; soot; nitrogen oxide; fuel consumption ratio

目前重型柴油机普遍采用涡轮增压技术以增加动力性和燃油经济性，柴油机燃烧以高温富氧扩散燃烧为主，但是机内混合气又非常不均匀，形成局部高温缺氧，所以柴油机产生的排气污染物主要为NOx和碳烟[1]。2013年奔驰公司就已经推出满足欧Ⅵ排放法规的柴油机，采用非对称增压器驱动EGR系统。随着中国重型柴油机排放法规不断升级，为同时兼顾油耗和尿素消耗量，本文研究的发动机采用了废气再循环系统（EGR）+选择性催化还原系统（SCR）+微粒补集系統（DPF）来降低NOx和碳烟来满足法规要求。传统的高压回路废气再循环技术在降低柴油机氮氧化物排放的同时增加了泵气损失，导致发动机的燃油经济性变差。可变几何截面（VGT）增压器在国外欧Ⅵ发动机普遍采用，但是该种增压器存在成本高，零部件多，可靠性差等问题。非对称双流道增压器（AWT）在中高工况下的燃油经济性有明显改善，在中低速可以显著提高EGR率，降低氮氧排放，在提高废气利用率、可靠性、成本上有着比较明显的优势[2-3]。

1    非对称增压器原理

非对称增压器的涡轮有一大一小两个流道，两个流道分别与1～3缸和4～6缸相连，如图1所示：

其中，与1～3缸相连接的流道截面积较小，可以明显提高流道内气体压力，保证了EGR系统需要的扫气压差，从而使一部分废气通过EGR管路进入气缸，EGR系统的废气全部取自1～3缸的排气，剩余的排气驱动涡轮，4～6缸的排气全部用来驱动涡轮，驱动压气机压气[5]。在双流道中间设有一个废气平衡阀装置，并由外接气源驱动，通过调压装置调节执行机构上的压力，从而克服弹簧预紧力及排气阻力来调节废气平衡阀的开度，气源压力越大，废气平衡阀打开的角度就越大。当废气平衡阀打开时，可以使1～3缸排气进入4～6缸排气中，通过改变废气平衡阀的开度，可以改变两个流道中气体压力和发动机排气压力，进而改变EGR率、排放和燃油经济性，降低增压器出现超速的风险。

2    试验对象及方法

所选试验对象为一台13L国Ⅵ重型柴油发动机，该机型采用高爆发压力的发动机结构及轻量化设计、低微粒分布式燃烧系统、自主电控共轨系统和气驱尿素喷射系统等创新技术，主要参数见表1：

在不同工况、不同废气平衡阀开度下，分别记录燃油消耗率、NOx浓度、碳烟，其中油耗采用AVL740油耗仪测量，NOx浓度采用HORIBA7500排放分析仪测量，采用AVL415烟度计测量发动机烟度水平。上述设备都经过严格检测，可以保证测量准确性。

3    废气平衡阀开度对性能及排放的影响分析

通过对该发动机性能数据进行分析，在法规要求的排放区内选取5个实际常用的工况点以及1个非排放区域的工况点进行试验，试验工况为不喷射尿素的情况下，法规排放区域工况为1500Nm@1800r/min、1370Nm@1600r/min、860Nm@1400r/min、1250Nm@1200r/min、1070Nm@1000r/min，非法规区域工况点为1000Nm@600r/min，为了保证试验数据可参考性，在各个工况点试验时，除废气平衡阀开度变化外，其他标定参数保持不变，试验边界条件保持一致。

3.1   常用工况下废气平衡阀开度对柴油机油耗的影响试验分析

为了探索废气平衡阀开度对油耗的影响，发动机在各个工况点稳定后分别调整废气平衡阀开度为0%、20%、40%、60%、80%、100%进行试验，通过AVL740油耗仪测量油耗，通过HORIBA7500排放分析仪测量发动机EGR率，压力传感器测量排气压力，对所测的数据进行整理分析得到燃油消耗率曲线和影响油耗的EGR率、排气压力变化曲线，见图2、图3、图4：

从图2中可知燃油消耗率随着废气平衡阀的开度增大而降低。柴油机燃油经济性与机内燃烧水平有很大关系，缸内氧气浓度越高，燃油燃烧的越充分，燃油消耗率也会越低。由图3可知，随着废气平衡阀的开度不断增大，会有越来越多的尾

气由小截面排气流道进入大截面排气流道，导致驱动EGR进气管路压力变低，进入EGR系统的尾气减少，EGR率随之降低，气缸内氧气浓度变大，燃烧变好，燃油消耗率也随之变好。

泵气损失对柴油机油耗也有一定影响，由图4可知，随着废气平衡阀开度不断增大，越来越多的废气进入排气管路，排气压力越来越大，导致发动机泵气损失增加，燃油经济性理论上会变差。但由图4可知，由于废气平衡阀不同开度下排气压力变化很小，所以由于废气平衡阀开度变化所引起的泵气损失影响可以忽略不计，且影响燃油消耗率的因素是多方面的，所以废气平衡阀开度变大导致排气压力的变化并没有改变燃油消耗率整体向下的趋势。

由图2～图4可见，在废气平衡阀开度由0%变化到60%时，燃油消耗率、EGR率、排气压力变化并不明显，原因是该开度并不是废气平衡阀实际开度，实际为作用在废气平衡阀执行机构上外接气源的压力。由于弹簧预紧力的存在，在0%～60%时，外接气源压力不断变大，该压力并不足以是阀门打开，所以开度在0%～60%的时候，阀片实际位置变化很小，对发动机性能及排放造成的影响也很小。

3.2   常用工况下废气平衡阀开度对柴油机排放的影响试验分析

对于柴油机，燃烧污染物主要成分是氮氧化物和碳烟，本试验在保证其他 标定参数不变的前提下分别调整废气平衡阀开度为0%、20%、40%、60%、80%、100%对所测的数据进行整理分析得到NOx、烟度变化曲线，见图5、图6：

由圖5和图6可知，氮氧化物随废气平衡阀的开度增大而增大，烟度随废气平衡阀开度增大而减小。结合图3可知，随着废气平衡阀的开度不断增大，越来越多的尾气由小截面排气流道进入大截面排气流道，会导致进入EGR系统的尾气减少，EGR率随之降低，缸内燃烧温度上升，所以氮氧化物会增多，烟度减少。

3.3   低转速非常用工况废气平衡阀开度对柴油机性能及排放的影响试验分析

为了更全面的对废气放气阀开度对发动机性能及排放的影响进行分析，本次试验特意选取了该发动机一个非常用工况点1000Nm@600r/min进行试验，作为本次研究的参考，试验结果如图7、图8：

由图7和图8可知，燃油消耗率随废气平衡阀开度增大而增大，氮氧化物随平衡阀开度增大而减小。此工况点与常用工况点发动机性能及排放变化趋势相反，由于此工况点发动机转速很低，所以在实际标定时废气放气阀会一直关闭。

4    结论

通过调整废气平衡阀开度，对一台国Ⅵ柴油机进行试验，记录油耗、氮氧化物、碳烟等数据，并对试验结果进行了上述研究分析，结果表明：

1）在该发动机常用工况内油耗随废气平衡阀开度的增加而减小。

2）在该发动机常用工况柴油机氮氧化物排放量随废气平衡阀开度增加而增加。

3）在该发动机常用工况碳烟随废气平衡阀开度增加而减小。

4）在低转速区域某些非常用工况，发动机性能及排放结果与常用工况区域研究结果相反。

参考文献：

[1]尹宝智.电控参数对柴油机颗粒物数量生成的影响规律研究.汽车科技.2016年第2期.

[2]锁国涛.非对称双流道涡轮增压器的试验.内燃机学报.2014，第3期，第32卷.

[3]张全长.废气再循环对柴油机氮氧化物和颗粒排放影响的试验研究.内燃机学报，2012，第4期.

[4]王磊.满足国Ⅵ排放法规的重型车用柴油机非对称增压器开发.汽车技术.APAC19&2017SAECCE论文.

[5]杨海涛.重型柴油机用非对称涡轮增压器的开发.现代车用动力第一期.2018.2.