某车用柴油机EGR系统应用试验研究

殷海红，解永辉，李海庆，周海磊，肖有强

1.潍坊职业学院 机电工程学院，山东 潍坊 261001；2.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；3.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

近年来，空气污染越来越受到重视，NOx是空气污染的重要指标。降低柴油机NOx排放，除增加选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理外，最有效的途径是利用NOx生成的燃烧机理来降低NOx排放。NOx是缸内高温富氧环境下燃油燃烧的产物，废气再循环(exhaust gas rericalation,EGR)系统能够将一部分废气引入进气管，与新鲜空气混合后再进入气缸，降低了混合气体中的氧气含量，从而降低NOx生成，EGR系统是降低柴油机NOx排放的主要部件[1]。

国内外学者对EGR技术的原理和应用[2-6]及EGR系统对柴油机性能的影响和应用[7-10]进行了深入研究。刘辰朋等[11]研究表明：船用低速柴油机在额定工况下，随着EGR率增大，NOx排放逐渐降低，烟度排放逐渐升高；EGR率约为20%时是NOx排放降低速率的转折点，EGR率小于20%时，NOx减排效率更高；燃烧室内高温区域存续时间及峰值随EGR率的增加而降低。付哲等[12]研究表明：随着EGR率增加，滞燃期增大，点火燃烧时的缸内当量比降低，燃油分布更加均匀；采用EGR后缸内平均温度显著降低，缸内高温区域和温度分布差异明显减小，能够有效抑制NOx的生成。楼狄明等[13]研究表明：相同转速下随着负荷增大，EGR阀门开度先增大后减小；中等负荷下可变截面涡轮增压器阀门开度较小；随着转速的升高，阀门开度逐渐增大，NOx及CO排放整体较低；大负荷和高转速工况下，NOx排放显著提升；低速大负荷工况下，CO排放明显升高，中等负荷下排气烟度极低，但低速大负荷工况下烟度迅速升高。刘宁等[14]针对可变喷嘴涡轮增压器(variable nozzle turbocharger，VNT)和EGR技术在国六柴油机上的应用研究了VNT与EGR耦合对柴油机经济性和排放特性的影响规律。秦智超[15]通过对中高转速(4500 r/min)的氢燃料发动机进行计算流体动力学模拟，研究了不同 EGR 率对燃烧性能及排放性能的影响。Jain等[16]研究了低温燃烧时燃油喷射和EGR对NOx和颗粒物(particulate matter,PM)排放的影响。

本文中针对某2级增压车用柴油机EGR应用开展试验研究，研究不同EGR率对发动机经济性和排放性的影响，以及利用EGR旁通提升发动机性能，为EGR系统应用提供参考。

1 试验仪器和设备

试验用柴油机如图1所示。该柴油机采用2级增压系统，将2个不同大小的废气涡轮增压器串联，对空气进行2级压缩，通过高压级的放气阀进行调节，满足柴油机各工况下对进气量的要求，同时为柴油机提供足够的涡前压力，确保能够为柴油机提供高EGR率。该EGR系统为高压EGR系统，废气经过EGR阀，再通过EGR冷却器冷却后引入进气管。

图1 试验用柴油机

柴油机主要技术参数如表1所示，柴油机控制和测试仪器如表2所示。

表1 柴油机主要技术参数

表2 柴油机控制和测试仪器表

2 试验方法

2.1 试验工况

由于柴油机在实际道路运行中主要运行在高速中高负荷工况，因此选取转速为1800 r/min、 75%额定负荷(扭矩为700 N·m)作为特征工况点。

2.2 试验方法

固定选定的工况点，调整EGR开度得到不同的EGR率，EGR率为13%～29%，然后调整电控放气阀开度、提前角、轨压等参数进行试验设计(design of experiments，DoE)。采集DoE数据后，采用外包络线拟合方法进行数据处理，分析随着EGR率的增大，柴油机的性能变化。发动机的性能主要为经济性、排放性和加速性，由于试验用柴油机加速时采用EGR阀关闭的控制策略，因此EGR的应用对加速性影响不大，所以主要研究高EGR率对发动机经济性和排放性的影响。

3 试验分析

3.1 EGR率综合影响分析

EGR率对NOx排放和燃油消耗率的权衡(trade-off)影响如图2所示，EGR率对NOx排放和483烟度的trade-off影响如图3所示，其中气泡大小代表EGR率大小。由图2、3可知：随着EGR率的增加，NOx排放明显降低，483烟度逐渐升高，同时燃油消耗率进一步降低；EGR率小于20%时，483烟度增加缓慢，燃油消耗率降低明显；但当EGR率大于20%时，483烟度迅速增加，燃油消耗率降低的幅度减小。这是因为EGR率较小时，缸内氧气浓度有少量减少，此时发动机的过量空气系数相对较大(在1.70以上)，减少氧气浓度不会对燃油燃烧造成明显影响，但是随着继续氧气浓度减小，过量空气系数明显降低，导致缸内燃烧快速恶化，483烟度排放迅速增加。EGR率小于15%时，即使降低喷油提前角，NOx排放也不能降低到5 g/(kW·h)；高EGR率能够得到更低的NOx排放，同时还可以降低燃油消耗率，所以高EGR系统是超低排放的发动机首选。

图2 EGR率对NOx排放和燃油消耗率trade-off影响曲线 图3 EGR率对NOx排放和483烟度的trade-off影响曲线

3.2 高EGR率对经济性能的影响

EGR率对新鲜进气量和过量空气系数的影响趋势如图4、5所示。由图4、5可知，新鲜进气量和过量空气系数均随 EGR 率的升高而线性降低。因为随着EGR率升高，进入缸内的废气量增加，进入增压器做功的废气量减少，最终导致进入缸内的新鲜进气量减少。

图4 EGR率对新鲜进气量的影响曲线 图5 EGR率对过量空气系数的影响曲线

EGR率对爆发压力的影响趋势如图6所示。由图6可知，爆发压力随EGR率的升高而降低，这是由于随着EGR率的升高，新鲜进气量减少，氧气浓度减少，燃烧平缓。

排气温度和燃油消耗率随EGR率变化趋势如图7、8所示。由图7、8可知：排气温度随着EGR率升高而提高，这是因为EGR率升高，燃烧持续期延长，同时新鲜进气量减少，较高温度的废气增多，进入气缸的混合气温度升高；燃油消耗率随着EGR率的升高而降低，这主要因为该发动机为2级增压，涡端压力很高，EGR率升高可以降低涡端压力，减小泵气损失，提高增压器效率，同时由于进气量充足，氧气浓度很高；而EGR率升高可以适当降低氧气浓度，更有利于燃烧。

燃烧噪声随着EGR率变化如图9所示。由图9可知，燃烧噪声随EGR率的升高而降低，这是因为新鲜进气量减小后，氧气浓度减小，燃烧滞燃期增大，有利于燃油和气体混合，燃烧较平缓，可以有效降低缸内压力，噪声随之降低。

总体来说，随着EGR率的升高，新鲜进气量成线性减小，过量空气系数成线性减小，爆发压力减小，排气温度升高，燃油消耗率减小，燃烧噪声减小。EGR率为13%～16%，各参数变化明显；EGR率为16%～23%，各参数变化平缓；EGR率为23%～29%，除排气温度和噪声变缓外，其它参数变化趋势又增加。由EGR率增大带来的爆发压力减小可以提升发动机的耐久性能，而排气温度增加可以提高后处理转化效率，燃烧噪声的降低可以降低发动机的整体噪声，提升舒适感。所以从经济性各方面来看，EGR率的升高，能够带来更优的性能。

图6 EGR率对过量爆发压力的影响曲线 图7 EGR率对排气温度的影响曲线

图8 EGR率对燃油消耗率的影响曲线 图9 EGR率对燃烧噪声的影响曲线

3.3 高EGR率对排放性能的影响

NOx比排放和483烟度随EGR率的变化趋势如图10、11所示。由图10、11可知：随着 EGR 率升高，NOx降低而烟度升高；EGR率大于23%后，随着EGR率升高，缸内废气量增加，氧气浓度减少，不完全燃烧的碳增加，烟度排放明显增加。随着EGR率的升高，缸内氧浓度减少，打破了高温富氧的环境，NOx生成量减少。

图10 EGR率对NOx比排放的影响曲线 图11 EGR率对483烟度的影响曲线

排放物中HC和CO体积分数随EGR率的变化趋势如图12、13所示。由图12、13可知：EGR率对HC排放的影响较小，最大体积分数变化不超过3×10-6，但随着EGR率的升高，HC排放有降低的趋势；CO排放随EGR率的升高而增大。这主要因为随着EGR率升高，燃烧持续期延长，过量空气系数下降，导致CO排放体积分数增加。

图12 EGR率对HC排放的影响曲线 图13 EGR率对CO排放的影响曲线

总体来说，EGR率在23%以内，NOx、HC、CO和烟度排放可以达到比较好的平衡；EGR率为23%～29%，NOx和HC排放可以进一步降低，但CO和烟度排放呈指数升高。

综上所述，采用EGR系统对NOx排放有很好的抑制作用，可以有效的降低NOx排放，EGR率过大会引起碳烟和CO排放的急骤增加，所以在应用EGR系统时，需平衡NOx排放和烟度、CO排放的需求。

3.4 进气旁通对发动机性能的影响

柴油机低速时的扭矩可以表征发动机扭矩储备能力。增加低速扭矩可以有效提升整车爬坡能力，但低速时，进气量制约扭矩的提升，如何提升柴油机低转速下的进气量是提升扭矩的重点。

中冷后进气压力比涡前排气压力高时， 产生的压差可以使废气流向进气管， 当中冷后进气压力比涡前排气压力低时，产生的压差使中冷后气体流向涡端。外特性工况下中冷后进气压力和涡前排气压力的对比如图14所示。由图14可知，发动机转速在1000 r/min以下时，中冷后压力比涡前排气压力高，在这些工况EGR阀开启后进气会旁通到增压器的涡端，此时EGR阀可作为旁通阀。

图14 中冷后进气压力和涡前排气压力对比曲线(外特性工况)

表3 进气旁通前后性能对比表

图15 外特性对比曲线

本次试验对发动机在转速为700 r/min时的低速工况点进行进气旁通。进气旁通前后性能对比表如表3所示。由表3可知，进气旁通后扭矩可以从552 N·m提升到590 N·m，提高了6.8%，增压器效率增加了2.7%。这主要因为进气旁通后废气量增加，推动涡轮的能量提高，从而提高增压器效率，提高发动机的缸内进气量。这种方法可以解决低速提扭矩进气量不足的问题，提升低速下的扭矩。用同样的方法应用到柴油机转速为800～1000 r/min时，扭矩提升效果如图15所示。由图15可知，旁通后，1000 r/min以下的扭矩比旁通前提升6%～8%。因此进气旁通可以作为提升低速扭矩的方法。

4 结论

在2级增压车用柴油机上，研究高EGR率对发动机各项性能的影响，得到以下结论。

1)EGR率小于15%时，即使调整燃烧参数也无法达到5 g/(kW·h)的NOx排放量，高EGR率能够得到更低的NOx排放，同时能够降低燃油消耗率，故超低排放的发动机，高EGR系统是应用的首选。

2)随着EGR率的升高，燃油消耗率、燃烧噪声降低，发动机经济性和舒适性提升；排气温度升高，有助于提高SCR后处理效率；缸内压力减少可提升发动机可靠性。

3)随着EGR率升高，NOx排放明显降低，但会引起CO和烟度排放升高；EGR率低于23%时CO排放和烟度升高缓慢，高于23%时升高趋势明显。如何更好的应用EGR系统，需要平衡NOx排放和烟度、CO排放的需求。

4)当中冷后进气压力高于涡前排气压力时，EGR阀可作为旁通阀，将进气旁通到增压器涡端。进气旁通后能够提高增压器的效率，从而提高发动机缸内进气量，进而提高低速时的过量空气系数，最终提高低速扭矩，因此，进气旁通可以作为提升低速扭矩的方法。