不同海拔下基于VNT驱动的EGR对轻型柴油机燃烧与排放的影响*

王 俊，申立中，毕玉华，雷基林

（1. 西南林业大学机械与交通学院，昆明 650224；2. 昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室，昆明 650500）

前言

大众“排放门”事件的发生，使得人们更加关注汽车实际道路排放问题。大量的研究已经表明，实际道路排放是实验室认证循环测试的数倍，特别是氮氧化物（NO）排放，有的车型甚至高达22 倍。为了减少实际行驶的污染物排放，不同国家和地区均增加了实际行驶排放试验。我国轻型车第六阶段排放标准里面还规定了运行在扩展海拔条件下，实际行驶条件的污染物排放必须达到相应的限值。在高原地区，进入缸内的新鲜充量降低，导致运行在这些区域的柴油机动力性、经济性、燃烧和排放等均有不同程度的恶化。在全世界范围内，高原地区分布广泛。随着经济社会的发展，运行在这些地区以柴油机为动力的汽车数量还将进一步攀升。

NO和碳烟是柴油机排放控制的重点。已有的研究表明，在高原地区，排气再循环（EGR）仍旧是降低NO排放的有效技术措施之一。张韦等研究了海拔2 000 m 的高原环境下EGR 中各组分对柴油机性能的影响，结果显示，高原地区EGR 的适用范围变窄，EGR 对碳烟排放更为敏感。郑伟等的研究表明，在大气压力为80 kPa时，即使在小负荷工况，EGR 对烟度的排放影响也很大。刘伟等的仿真表明，高原地区，3 000 r/min不同负荷下EGR 对中小负荷的动力性和经济性影响较小，NO排放随EGR 率的增大迅速减少，而高EGR 率时碳烟排放急剧升高。毕玉华等的研究表明，高原环境下使用EGR 降低了柴油机燃用含氧燃料时的NO排放，但恶化了动力性、增加了一氧化碳（CO）和碳烟排放。虽然高原地区使用EGR 会对柴油机产生诸多不利影响，但其仍然能够有效降低NO排放，加之国六排放法规的实施，迫使人们重新考虑使用该技术来降低NO排放。

在平原地区，大量的研究已经表明，EGR 结合VNT 技术可以在降低NO排放的同时保持较高的空燃比，进而不至于大幅恶化柴油机的动力性、经济性和碳烟排放。高原地区，大气压力下降，导致进入缸内的新鲜充量降低，单独采用EGR 将进一步恶化柴油机的高原运行性能，而配合使用可变喷嘴涡轮增压器（VNT），可以有效缓解高原地区和使用EGR 带来进气流量降低的问题，从而改善运行在高原地区柴油机的性能和排放。文万斌等的仿真表明，高原地区使用EGR 时，通过减小VNT 开度，可以改善燃油经济性；随着EGR 率的升高，NO排放降低，而碳烟排放升高。杨永忠等采用响应曲面法分析了大气压力-VNT-EGR交互作用对柴油机性能和排放的影响，结果显示，在不同工况下，VNT 和EGR 耦合时，NO和烟度呈现不同的变化规律。毕玉华等的研究表明，随VNT 开度和EGR 率的增大，柴油机燃用含氧燃料的动力性、经济性和NO排放降低，烟度排放升高；随着大气压力的升高，动力性、经济性和NO排放升高，而烟度排放降低。综上，高原环境或不同海拔关于EGR 与VNT 联合使用来改善柴油机的燃烧和排放的报道较少。为此，通过高原环境模拟装置研究不同海拔下（0，1 000，1 960 m）采用VNT驱动EGR的方式对某轻型车用柴油机燃烧和排放的影响，为高原环境下车用柴油机降低污染物排放提供参考。

1 试验装置与方法

1.1 试验设备

研究机型为一台轻型车用高速直喷柴油机，该机配备霍尼韦尔公司的VNT 与高压EGR 系统，主要技术参数如表1 所示。试验柴油机不带任何后处理装置。试验仪器主要包括杭州奕科机电技术有限公司的WE31N 水力测功机、EIM0311D 测控系统、FCMA 油耗仪，AVL 李斯特公司的GH13P 预热塞式缸压传感器、365C 角标仪、IndiModul 622 数据采集器、microIFEM 电荷放大器、SESAM i60 FT 傅里叶红外光谱仪、415S G002 烟度计，上海同圆发动机测试设备有限公司的LFE300进气流量计与KT2400发动机进气空调，德国ETAS有限公司的ES590.1接口硬件与IncaCOM v7.1 电控标定软件，德国博世公司带ETK的开发式电子控制单元（ECU）等。

表1 试验用发动机基本参数

1.2 海拔高度的模拟

由于试验地点的海拔高度约为1 960 m，为研究不同海拔下基于VNT 驱动EGR 的方式对该柴油机燃烧和排放的影响，采用高原环境模拟装置分别模拟不同的海拔高度。当模拟的海拔低于当地海拔时，利用KT2400发动机进气空调对柴油机进气端进行加压，排气端通过调节背压阀开度分别模拟海拔0 与1 000 m 时的大气环境。KT2400 发动机进气空调可以调节进气的压力、温度和湿度，能够较为准确地模拟相应海拔高度下的大气环境。图1 为台架的示意图。

图1 台架示意图

1.3 VNT与EGR的控制

试验机型配备是美国霍尼韦尔公司的GT C1446VZ可变喷嘴涡轮增压器和德国皮尔博格公司的IAA2012-03 高压EGR 系统。通过电控标定系统，采用开环控制的方式，按照给定的开度直接修改VNT 喷嘴环开度的标定脉谱（MAP）和EGR 阀开度的标定MAP，得到相应的开度值。对于VNT 喷嘴环开度，0%表示全关，此时涡轮流通截面最小；100%表示全开，此时涡轮流通截面最大。对于EGR 阀开度，0%表示EGR阀全关，100%表示EGR阀全开。

1.4 试验方法

随着海拔的升高，发动机压差（定义为排气歧管压力与进气歧管压力之差）降低，驱动EGR 的能力逐渐减弱。在前期的试验过程中发现，通过单独调节EGR 阀开度，获得的EGR 率较小，甚至在个别工况，由于较大的VNT 喷嘴环开度，发动机压差为负值，无法实现EGR。为了在高原地区获得较高的EGR 率，在试验过程中将EGR 阀置于全开位置，选取发动机压差为正值的VNT 开度范围，通过调节VNT 喷嘴环开度，获得尽可能大的EGR 率。在试验过程中，首先利用高原环境模拟装置调节进排气状态参数，待模拟海拔高度的大气环境稳定之后，然后通过电控标定系统把各个工况点主要的标定参数固定为原机控制MAP 值，即在同一工况不同海拔下，均保持其他标定参数（如预喷正时、预喷油量、主喷正时、喷油压力等）不变，将EGR 阀开度置于全开状态（即100%），只调节VNT 喷嘴环开度，待柴油机工况稳定之后，记录相应的试验数据。利用SESAM i60 FT 傅里叶红外光谱仪分别测量进排气管道中的二氧化碳（CO）浓度，通过计算进气CO浓度与排气CO浓度的比值得到对应的EGR率。

选取具有代表性的最大转矩转速2 200 r/min 和额定功率转速4 000 r/min 的不同负荷（25%、50%、75%和100%）工况，在海拔分别为0、1 000和1 960 m时，试验研究了采用VNT 驱动EGR 的方式对车用柴油机燃烧和排放的影响。通过试验数据的分析表明，同一转速不同负荷工况的性能参数变化趋势基本一致，而在不同转速之间性能参数的变化规律存在差异，因此重点选取最大转矩工况（2 200 r/min 全负荷）和额定功率工况（4 000 r/min 全负荷）加以分析。

2 试验结果与分析

2.1 不同海拔下VNT对进排气参数的影响

2.1.1 不同海拔下VNT对EGR率的影响

将EGR 阀开度置为全开状态时，不同海拔下EGR 率随VNT喷嘴环开度的变化如图2所示。在海拔高度一定时，EGR 率随着VNT 喷嘴环开度的增大而逐渐降低；在VNT 喷嘴环开度一定时，EGR 率也随着海拔的升高而逐渐降低。VNT 喷嘴环开度增大，涡轮流通截面增大，排气阻力减小，排气歧管压力也相应降低，进而使得发动机压差减小，驱动EGR的能力减弱。在VNT 喷嘴环开度一定时，随着海拔的升高，进气流量降低，排气流量也随之减小，流量降低导致排气阻力减小，进而使得发动机压差降低，EGR 率减小。在0、1 000、1 960 m 海拔下，最大转矩工况的EGR 率分别减小20.6%、21.3%、20.6%，平均减小20.8%；额定功率工况的EGR 率分别减小3.4%、3.5%、3.4%，平均减小3.4%。由此可见，不同海拔下，在相同的VNT 喷嘴环开度范围内，EGR率的变化范围也几乎相同。分析认为，不同海拔下VNT 喷嘴环开度变化相同的范围，其驱动EGR 的能力一致，因此EGR 率的变化范围也几乎相同；在额定功率工况，由于进气流量和排气流量较大且均高于最大转矩工况，在相同的EGR 回路下，管道阻力增大，致使再循环排气较为困难，并且VNT 喷嘴环开度也相对较大，因此额定功率工况的EGR 率变化范围较小。

图2 不同海拔下VNT喷嘴环开度对EGR率的影响

2.1.2 不同海拔下VNT对进气流量的影响

将EGR 阀开度置为全开状态时，不同海拔下进气流量随VNT 喷嘴环开度的变化如图3 所示。在VNT喷嘴环开度一定时，随着海拔的升高，进气流量逐渐降低。在海拔高度一定时，在最大转矩工况，进气流量随VNT 喷嘴环开度的增大而升高，在3 个海拔下平均升高15.5%；在额定功率工况，进气流量随VNT 喷嘴环开度的增大而降低，在3 个海拔下平均降低19.2%。海拔升高，大气压力下降，进入缸内的空气流量降低。在VNT 喷嘴环开度过小和过大时，涡轮效率都较低。在最大转矩工况，随着VNT 喷嘴环开度的减小，驱动EGR 的能力增强，排气分流到EGR 系统的流量增多，而分流到涡轮的排气流量减小，并且此时VNT 喷嘴环开度逐渐减小，涡轮效率有所降低，其做功能力也随之减弱，进气流量降低。在全负荷工况下，循环喷油量不变，此时空燃比也随VNT 喷嘴环开度的减小而减小，亦即，EGR 阀全开时，在最大转矩工况，采用减小VNT 喷嘴环开度的方式驱动EGR，空燃比随着EGR 率的升高而减小，如图4（a）所示，在3 个海拔下，空燃比平均减小2.9，平均降幅15.0%。在额定功率工况，随着VNT喷嘴环开度的减小，驱动EGR 的能力增强，同时VNT 喷嘴环开度逐渐过渡到中等开度，此时涡轮效率较高，加之较小的涡轮面积，此时涡轮做功能力较强，进气流量增大，空燃比也随之升高，亦即，在EGR阀全开时，在额定功率工况，采用减小VNT 喷嘴环开度的方式驱动EGR，空燃比随着EGR 率的升高而升高，如图4（b）所示，在3个海拔下，该工况的空燃比平均升高3.9，平均增幅23.5%。由此可见，采用EGR 与VNT 结合的方式，通过合理调节VNT 喷嘴环开度，可以在该工况下同时提高空燃比和EGR率。

图3 不同海拔下VNT喷嘴环开度对进气流量的影响

图4 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对空燃比的影响

2.1.3 不同海拔下VNT驱动EGR对涡后排温的影响

为满足国六排放标准，需同时采用机内净化技术和后处理装置。排气温度是影响后处理效率的关键因素。图5 为不同海拔下基于VNT 驱动的EGR对涡后排温的影响。在相同EGR 率下，涡后排温随着海拔的升高而升高。随着EGR 率的增大，最大转矩工况的涡后排温呈缓慢增大趋势，3 个海拔平均升高21.4 ℃，升幅5.3%；而额定功率工况的涡后排温降低且降幅较大，3 个海拔平均降低111.8 ℃，降幅17.0%。随着海拔的升高，进气流量降低，在相同EGR 率下，缸内含氧量下降，燃烧滞后，后燃现象严重，使得排气温度升高。在最大转矩工况，空燃比随着EGR 率的升高而降低，与海拔升高类似，进气流量的降低致使排气温度升高，由于该工况的空燃比降幅相对较小，含氧量降低对排气温度的影响不显著，因此涡后排温的增幅较小。在额定功率工况，空燃比随着EGR 率增大而增大，由于在该工况EGR 率的变化范围较小，而空燃比的增幅较大，含氧量的大幅增加改善了燃烧状况，进而使得排气温度降幅较大。

图5 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对涡后排温的影响

2.2 不同海拔下VNT驱动EGR对燃烧的影响

2.2.1 对最高缸内压力的影响

不同海拔下基于VNT 驱动的EGR 对最高缸内压力的影响如图6 所示。在相同EGR 率下，最高缸内压力随着海拔的升高而降低。在最大转矩工况，最高缸内压力随着EGR 率的升高而降低，在3 个海拔下平均降低3.9%；在额定功率工况，最高缸内压力随着EGR 率的升高而升高，在3 个海拔下平均升高17.3%。海拔升高，进气流量降低，燃烧恶化，进而使得最高缸内压力下降。在最大转矩工况，随着EGR 率的增大，VNT 喷嘴环开度减小使得进气流量降低（如图3（a）所示），此时缸内氧含量降低，燃烧滞后，因而最高缸内压力逐渐降低；在额定功率工况，随着EGR 率的增大，VNT 喷嘴环开度减小使得进气流量升高（如图3（b）所示），此时缸内氧含量增多，燃烧提前，最高缸内压力升高。

图6 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对最高缸内压力的影响

2.2.2 对最高平均温度的影响

图7 为不同海拔下基于VNT 驱动的EGR 对最高平均温度的影响。最高平均温度随着海拔的升高而升高，随着EGR 率的增大而降低。在3个海拔下，最高平均温度在最大转矩工况平均降低6.7%，在额定功率工况平均降低13.0%。海拔升高使得进气流量降低，滞燃期延长，在该期间内形成的可燃混合气数量增多，预混燃烧阶段的放热量增大，最高平均温度升高。随着EGR 率的升高，缸内再循环的排气增多，排气中的二氧化碳、水等三原子气体增大了燃烧工质的比热容，降低了最高平均温度。

图7 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对最高平均温度的影响

2.2.3 对燃烧始点的影响

不同海拔下基于VNT 驱动的EGR 对燃烧始点的影响如图8 所示。随着海拔的升高，燃烧始点推后。在最大转矩工况，燃烧始点随着EGR 率的增大而推后，在3 个海拔下平均推后6.2%；在额定功率工况，燃烧始点随着EGR 率的增大而提前，在3个海拔下平均提前16.2%。在相同的EGR 率下，海拔升高，进气流量增大，滞燃期缩短，使得燃烧始点提前。在最大转矩工况，随着EGR 率的增大，空燃比减小，缸内氧含量的减小使得滞燃期延长，燃烧始点推后；在额定功率工况，随着EGR 率的增大，空燃比也相应升高，缸内氧含量的增多，使得滞燃期缩短，燃烧始点提前。

图8 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对燃烧始点的影响

2.2.4 对燃烧持续期的影响

图9 为不同海拔下基于VNT 驱动的EGR 对燃烧持续期的影响。随着海拔的升高，燃烧持续期增长。在最大转矩工况，燃烧持续期随着EGR 率的增大而增大，在3 个海拔下平均增大6.4%；在额定功率工况，燃烧持续期随着EGR 率的增大而缩短，在3个海拔下平均缩短1.9%。进气流量随着海拔的升高而降低，进气流量降低导致缸内工质压力减小，加之氧含量的减少，两者均使得燃烧速率减缓，燃烧持续期增长。在最大转矩工况，空燃比随着EGR 率的增大而减小，缸内氧含量的降低使得燃烧速率减缓，燃烧持续期增长；在额定功率工况，空燃比随着EGR率的增大而增大，缸内氧含量的增多使得燃烧速率加快，燃烧持续期缩短。

图9 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对燃烧持续期的影响

2.3 不同海拔下VNT驱动EGR对排放的影响

2.3.1 对NO比排放的影响

不同海拔下基于VNT驱动的EGR对NO比排放的影响如图10 所示。随着海拔的升高，NO比排放逐渐降低；随着EGR 率的增大，不同海拔下的NO比排放也随之减少。在0、1 000、1 960 m 海拔下，最大转矩工况的NO比排放分别降低62.3%、68.0%、73.8%，3 个海拔平均降低68.0%；额定功率工况的NO比排放降低14.1%、22.9%、28.9%，3 个海拔平均降低22.0%。这说明不同海拔下，EGR 仍然能够有效降低NO排放，且NO比排放的降幅随着海拔升高而增大。随着海拔的升高，进气流量降低，一方面，缸内氧含量减少，抑制了NO的生成；另一方面，随着海拔的升高，最高燃烧温度升高，又促进了NO的生成，在全负荷工况，缸内燃烧温度均相对较高，此时富氧环境成为NO生成的主要条件，因而在相同的EGR 率下NO排放随海拔的升高而降低。在最大转矩工况，最高燃烧温度和空燃比均随着EGR 率的升高而降低，高温、富氧的条件进一步减弱，二者均抑制了NO的生成，因此NO排放降幅较大；在额定功率工况，随着EGR 率的升高，最高燃烧温度降低，而空燃比升高，因而NO排放降幅较小。

图10 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对NOx比排放的影响

2.3.2 对CO比排放的影响

图11为不同海拔下基于VNT驱动的EGR 对CO比排放的影响。随着海拔的升高，CO 比排放逐渐升高；随着EGR 率的升高，CO 比排放在最大转矩工况逐渐升高，在额定功率工况逐渐降低。在几乎相同的EGR 变化范围内（由图2 的分析可知），在0、1 000、1 960 m 海拔下，CO 比排放在最大转矩工况分别升高0.14、0.40、0.71 g/（kW·h），3 个海拔平均升高156.8%；在额定功率工况分别降低2.71、3.53、3.95 g/（kW·h），3个海拔平均降低73.0%。由此可见，高原地区CO 比排放对EGR 的变化更为敏感。在相同EGR 率下，海拔的升高使得进气流量减少，缸内的混合气质量进一步下降，燃烧不完全的机率进一步增大，同时氧含量的减少，不利于CO 的氧化，虽然此时缸内燃烧温度随海拔的升高而升高，又有利于CO 的氧化，但在全负荷工况下，局部缺氧对CO 生成的影响更大，因而CO 排放升高。在最大转矩工况，随着EGR 率的升高，空燃比和缸内燃烧温度均逐渐降低，两者均使得CO 排放增多；在额定功率工况，随着EGR 的升高，缸内燃烧温度降低，抑制了CO 的氧化，加之空燃比也随之升高，此时EGR 的引入并不会恶化燃烧，氧含量的增加改善了燃烧过程，因而CO生成较少。

图11 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对CO比排放的影响

2.3.3 对烟度的影响

不同海拔下基于VNT 驱动的EGR 对烟度的影响如图12 所示。随着海拔的升高，烟度逐渐升高；与CO 比排放类似，随着EGR 率的升高，烟度在最大转矩工况逐渐升高，在额定功率工况逐渐降低。在0、1 000、1 960 m 海拔下，烟度在最大转矩工况分别升 高0.22、0.34、0.79 FSN，3 个 海 拔 平 均 升 高734.5%；在额定功率工况分别降低1.07、1.82、2.35 FSN，3 个海拔平均降低30.4%。由此可见，高原地区，EGR对烟度的影响更为显著。此外，结合图10（b）与图11（b）可以看出，在额定功率工况，采用VNT 驱动EGR 的方式，可以同时减小NO比排放、CO 比排放和烟度。随着海拔的升高，一方面，缸内燃烧温度升高，在全负荷工况下，局部缺氧的区域较多，燃烧温度升高使得燃油裂解反应速率加快，促进了这些区域碳烟的生成；另一方面，进气流量降低，缸内氧含量的减少抑制了碳烟的后期氧化，这两方面的原因导致烟度排放呈现上述变化趋势。在最大转矩工况，随着EGR 率升高，空燃比的减少促进了碳烟的生成，缸内燃烧温度的降低也使得碳烟的后期氧化能力减弱，二者均使得烟度排放升高；在额定功率工况，随着EGR 率升高，空燃比的升高改善了燃烧过程，碳烟生成较少，因而烟度排放逐渐降低。

图12 不同海拔下基于VNT驱动的EGR对烟度的影响

3 结论

采用高原环境模拟装置，通过试验研究了在0、1 000 和1 960 m 海拔时，基于VNT 驱动EGR 的方式对某轻型车用高速直喷柴油机燃烧和排放的影响，可以得出以下结论：

（1）不同海拔下，在相同的VNT 喷嘴环开度范围内，EGR 率的变化范围也几乎相同；随着VNT 喷嘴环开度的增大，在3 个海拔下，EGR 率在最大转矩工况平均减小20.8%，在额定功率工况平均减小3.4%。

（2）不同海拔下，随着EGR 率的升高，最大转矩工况的空燃比降低，3 个海拔平均降低15.0%；而额定功率工况的空燃比升高，3 个海拔平均升高23.5%。

（3）不同海拔下，随着EGR 率的升高，涡后排温在最大转矩工况逐渐升高，3 个海拔平均升高5.3%；而在额定功率工况呈现快速下降趋势，3个海拔平均降低17.0%。

（4）不同海拔下，最高平均温度随着EGR 率的升高而降低；在最大转矩工况平均降低6.7%，在额定功率工况平均降低13.0%。随着EGR 率的升高，最大转矩工况的最高缸内压力降低，燃烧始点推后，燃烧持续期延长；而额定功率工况的最高缸内压力升高，燃烧始点提前，燃烧持续期缩短。

（5）EGR 仍然能够有效降低不同海拔下的NO排放；不同海拔下，NO比排放随着EGR 率的增大而降低，且随着海拔的升高，NO比排放降幅增大；在3个海拔下，NO比排放在最大转矩工况平均降低68.0%，在额定功率工况平均降低22%。随着EGR率的升高，最大转矩工况的CO 比排放和烟度升高，平均分别升高156.8%和734.5%；而额定功率工况的CO 比排放和烟度降低，平均分别降低73.0%和30.4%，并且高原地区，EGR 对CO 比排放和烟度的影响更为显著。