某非道路柴油机双峰进气凸轮应用研究

陈峙良 李明星

（广西玉柴机器股份有限公司 广西 南宁 530000）

引言

内部废气再循环（Internal Exhaust Gas Recirculation，IEGR），有助于改善油耗和排放。非道路柴油机结构简单，低成本的IEGR 技术在非道路柴油机的排放控制中有着广阔的应用前景。2013 年，胡钟林、边强等在某小型挖掘机柴油机原排气凸轮的基础上增加一个小凸轮，使排气门在进气冲程后期二次开启，实现内部EGR，能够有效地降低NOx排放，但会使发动机的功率和油耗性能有些恶化[1]。2016 年，褚超美等以某六缸增压柴油机为研究对象，将排气门二次开启（Exhaust Valve Re-Opening，EVRO)式IEGR 技术植入柴油机米勒循环工作过程，形成基于柴油机米勒循环的IEGR 方法，能够有效降低压缩终点缸内温度，使IEGR 的NOx减排效能得以充分发挥[2]。2018年，孙旭晨等以某小型非道路电控柴油机为样机，采用双峰排气凸轮实现内部废气再循环，结合电控喷油正时的协同优化，具有实现整机性能优化的潜力[3]。

目前与IEGR 凸轮轴相关的研究，主要集中在双峰排气凸轮上，尚没有进气侧双峰凸轮与增压器在柴油机上匹配等研究方向的公开报道。基于此，本文提出了进气侧双峰凸轮与增压器匹配的新型技术方案，探索第一次开启的凸轮包角和最大预升程相互关系对油耗及EGR 率的直接影响，排气开启角位置和最大预升程角位置对EGR 率及油耗的影响。同时，为解决双峰进气凸轮实现IEGR 会使得排气进入进气道并升高进气道温度，降低进气充量这一问题，对IEGR 凸轮轴方案需要匹配何种增压器[4]，仍然值得探讨。

本文就某六缸非道路柴油发动机，在爆压、排温等条件限制下，为实现排放NOx+HC<4.0 g/（kW·h）及加权燃料消耗量<263 g/kW 等目标要求，采用数值模拟与试验验证相结合的方法[5～6]，对发动机的工作过程进行模拟计算，通过凸轮型线优化设计，调整匹配涡轮增压器，改善缸内EGR。

1 建模及验证

在一台某六缸非道路柴油机上开展发动机工作过程计算和性能参数优化工作，发动机参数如表1所示。本次热力学计算的主要目的是研究探索IEGR技术方案中凸轮轴第一次开启包角及凸轮最大预升程相互关系对油耗及EGR 率的影响趋势，排气开启角位置和最大预升程角位置对油耗及EGR 率的贡献影响程度，新型凸轮轴与增压器的匹配，从而给出试验方案。

表1 试验发动机参数

计算过程详细地考虑了进排气系统的流动特性，发动机计算模型如图1 所示，模型中充分考虑柴油机各缸工作不均匀性，使用了试验采集的缸内压力数据与燃烧分析数据。图2 显示计算模型与试验值拟合比较好，可以用于后续研究。

图1 发动机计算模型

图2 计算结果与试验结果对比

2 仿真计算结果

2.1 包角与预升程对油耗及EGR 率影响趋势

如图3 深橙色所示，进气侧凸轮第一次开启的部分。先进行DOE 设计如图4 所示，在仿真计算中，以增压压力、功率为目标，进气侧凸轮第一次开启包角及最大预升程为自变量，在AVL-BOOST 进行多组case 的计算，将结果导入到MATLAB，以便分析处理结果。

图3 该发动机进气侧凸轮第一次开启设置

图4 DOE 设计

进气侧凸轮第一次开启包角凸轮及凸轮最大预升程高度关系对油耗及EGR 率的影响趋势如图5～6所示，表明包角与预升程对EGR 率的贡献程度是相近的；为取得较好的油耗，在实现相同的EGR 率前提下，宜采用较大的预升程。

图5 双因素对油耗贡献影响趋势

图6 双因素对EGR 率的贡献影响趋势

2.2 排气开启角位置与最大预升程角位置对EGR率及油耗的影响趋势

排气开启段与进气侧第一次开启段是有重叠的。排气开启角位置与最大预升程位置关系对油耗及EGR 率的影响趋势如图7～8 所示。通过对比发现，尽管最大预升程越晚，油耗越好，但EGR 率越来越少。因此，排气开启角EVO 与最大的预升程对EGR 率的影响敏感度大于油耗的敏感度。

图7 双因素对油耗影响趋势

图8 双因素对EGR 率的影响趋势

2.3 IEGR 凸轮轴与增压器匹配

本文通过PID 的控制方法，通过调整增压器的流通能力，实现相同的增压压力，研究结果发现，带IEGR 的时候，涡轮增压器流通能力下降了80%～90%，即需要减小排气质量流量。

另外，研究对比了预升程位置与增压器对EGR率的影响，结果如图9 所示，随着预升程最大位置提前，原始涡轮尺寸的减小，EGR 率呈上升的趋势。

图9 预升程与增压器对EGR 率的影响结果

3 试验方案及认证结果

试验方案如表2 所示，性能/排放认证试验结果判定如表3 所示。

表2 试验方案

如表3 所示，仅仅列出部分判定结果，结合试验验证，表明通过双峰进气凸轮实现内部废气再循环，结合增压器匹配的协同优化，具有实现整机性能优化的潜力。

表3 性能/排放认证试验结果判定 g（/kW·h）

4 结论

1）在实现相同的EGR 率前提下，为取得较好的油耗，宜采用较大的预升程。

2）排气的开启角EVO 与最大的预升程对EGR率的影响敏感度大于油耗的敏感度。

3）随着预升程最大位置提前，原始涡轮尺寸的减小，EGR 率呈上升趋势。

4）通过双峰进气凸轮实现内部废气再循环，结合增压器匹配的协同优化，具有实现整机性能优化的潜力。