高低壓EGR對重型柴油機性能影響的試驗研究

王作峰，仲昆，賈帥，孫婷

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

傳統(tǒng)柴油機排放分配的重點目標是限制NOx和PM排放，其生成條件為在非均質(zhì)壓燃的擴散燃燒過程中缸內(nèi)當量比和溫度不可避免同時穿過炭煙和氮氧化合物生成區(qū)域[5-7]，產(chǎn)生機理分別為缸內(nèi)存在高溫富氧區(qū)域和燃油過濃的高溫缺氧區(qū)域，因此可采用廢氣再循環(huán)技術(shù)(Exhaust Gas Recirculation,EGR)，在提高EGR率的同時降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，從而可有效改善NOx排放[8-9]。另外，目前國六和歐六針對NOx瞬態(tài)測試的排放限值為0.46 g/(kW·h)[10]，美國EPA2021將NOx排放限值設定為0.27 g/(kW·h)，而討論中的未來超低NOx排放限值有可能在此基礎上繼續(xù)下降90%，即實現(xiàn)近零排放的水平[11]。未來排放法規(guī)會對NOx排放限值繼續(xù)加嚴并對排放分配提出極為苛刻的要求，因此研究超低NOx排放的技術(shù)路線勢在必行。但目前催化劑和催化技術(shù)難以在短時間內(nèi)實現(xiàn)重大突破和創(chuàng)新，僅依賴目前后處理技術(shù)無法滿足未來超低排放限值要求[12]。因此，廢氣再循環(huán)技術(shù)聯(lián)合高效SCR的技術(shù)路線是被認為滿足未來超低NOx排放比較可行的方案策略。

目前高壓EGR技術(shù)路線高度依賴于硬件配置，尤其是增壓器的匹配選型，可在部分負荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)較高的EGR率， NOx排放達到較低的水平，但在中低轉(zhuǎn)速排氣歧管壓力較低，存在排氣與進氣歧管壓力為負向壓差的狀態(tài)，高壓EGR的驅(qū)動能力不足，難以在全工況范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的EGR率[13-14]。采取有效措施優(yōu)化EGR系統(tǒng)和提高EGR循環(huán)能力，以實現(xiàn)較高EGR率的全工況覆蓋，具有一定的研究意義。本研究通過在一臺兩級增壓系統(tǒng)的柴油機上增加一套低壓EGR系統(tǒng)，以提高全工況的EGR驅(qū)動能力并實現(xiàn)較高的EGR率，從而改善柴油機排放性能。重點研究高低壓EGR對兩級增壓系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)和排放特性的影響機理，為優(yōu)化EGR系統(tǒng)提供技術(shù)指導，為實現(xiàn)超低NOx排放和清潔、高效燃燒提供理論支持和工程指導。

1 試驗設備與研究方法

試驗發(fā)動機為電控高壓共軌重型柴油機，主要應用于道路牽引車，發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。發(fā)動機原排中的NOx，CO，CO2等排放參數(shù)的監(jiān)控由廢氣分析儀完成，同時原排中煙度值由AVL煙度儀進行監(jiān)控，試驗中采用的主要測量儀器見表2。

表1 柴油機主要參數(shù)

表2 試驗儀器設備

發(fā)動機進排氣系統(tǒng)采用兩級渦輪增壓耦合高、低壓EGR的技術(shù)方案，具體的臺架測點布置、整機布置見圖1。

圖1 柴油發(fā)動機臺架示意

在試驗過程中采用廢氣分析儀采集高低壓EGR混合后的CO2濃度并計算高壓EGR混合后的EGR率(稱為總EGR率)和低壓EGR混合后的EGR率(稱為相對低壓EGR率)。但利用相對低壓EGR率和總EGR率不能直接推算出流經(jīng)高、低壓EGR的流量，因此需要進行一定的轉(zhuǎn)化，具體公式如下：

(1)

(2)

高低壓EGR率的推算公式如下：

(3)

REGRlp=REGR-REGRhp

(4)

式中：CCO2_TurbLp，CCO2_Cooler，CCO2_Intk和CCO2_Air分別為低壓級渦輪后、中間冷卻器后、進氣歧管和大氣中的CO2濃度；REGR，REGRhp，REGRlp和RRelative_EGRlp分別為總EGR率、高壓EGR率、低壓EGR率和相對低壓EGR率。

高低壓EGR的質(zhì)量流量推算公式如下：

如耳鼻咽喉科檢查，如果檢查者技能不熟練，在檢查過程中可能會對標準化病人造成傷害，因此在OSCE中一般不設置耳鼻咽喉科檢查項目。另外，標準化病人一般不能找未成年人，因此兒科項目檢查也較難設置。

(5)

(6)

式中：mEGRlp和mEGRhp為低壓EGR質(zhì)量流量和高壓EGR質(zhì)量流量；新鮮進氣質(zhì)量流量mAir是由進氣質(zhì)量流量計測得。

結(jié)合FTP瞬態(tài)測試循環(huán)點的分布和原機排放分布情況確定研究工況點，具體見表3。

表3 工況點設置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 高低壓EGR對發(fā)動機重要參數(shù)的影響

圖2示出B和D工況EGR分配策略對兩級增壓系統(tǒng)中高低壓級壓氣機效率的影響對比。圖例中：B_HP_EGR_0表示為B工況點，固定高壓EGR閥開度為0，改變低壓EGR閥開度以實現(xiàn)EGR率的變化，其余圖例均采用同一表達方式。

從圖2可知，在僅開低壓EGR時，不同工況點隨著循環(huán)廢氣的引入(低壓EGR閥逐漸開啟、EGR率逐漸升高)，狀態(tài)點基本不變。結(jié)合圖3a可知，低壓EGR對總進氣量基本無影響，但新鮮進氣量和低壓EGR的流量分配會發(fā)生變化，該結(jié)論和陳貴升等[14]相關(guān)研究基本吻合。但高壓EGR的聯(lián)合運行線表現(xiàn)出不同的規(guī)律特征：隨著高壓EGR率的增加，流經(jīng)高低壓級壓氣機的流量逐漸衰減，如圖3b中的新鮮進氣量，進而均表現(xiàn)為折合流量發(fā)生明顯衰減的現(xiàn)象。對于增壓比而言，由于流經(jīng)高低壓級渦輪的廢氣能量不足，嚴重影響渦輪做功能力，進而導致低壓級壓氣機出口側(cè)壓力出現(xiàn)下降，低壓級壓氣機的增壓比明顯下降。但高壓級壓氣機兩側(cè)的壓力均在下降，綜合表現(xiàn)為增壓比呈現(xiàn)略微下降趨勢。從壓氣機的效率角度出發(fā)，可發(fā)現(xiàn)高速低負荷點運用高壓EGR時，低壓級壓氣機運行效率會下降，但高壓級壓氣機運行效率則出現(xiàn)增大的趨勢。但中速高負荷點運用低壓EGR可實現(xiàn)較高的壓氣機效率，這在很大程度上改善了由于循環(huán)廢氣引入對兩級渦輪增壓系統(tǒng)做功能力所產(chǎn)生的不利影響。

圖2 HP_EGR和LP_EGR的增壓器效率對比

圖3 不同EGR實現(xiàn)方式對流量的影響

圖4示出4個工況點在僅開高低壓EGR時增加循環(huán)廢氣量對進排氣參數(shù)和空燃比的影響。在僅開低壓EGR時，由于流經(jīng)兩級渦輪增壓器的流量相同(如圖3a)，同時壓氣機效率基本不變(如圖2)，從而表現(xiàn)出進排氣參數(shù)基本無變化。由于空燃比隨低壓EGR的增加呈現(xiàn)明顯下降趨勢(如圖4d)，導致缸內(nèi)氧密度下降，造成缸內(nèi)燃燒輕微惡化，具體表現(xiàn)為缸內(nèi)最高燃燒壓力出現(xiàn)略微下降趨勢(如圖5)。

圖4 進排氣參數(shù)與空燃比隨EGR率的變化規(guī)律

圖5 缸內(nèi)最高燃燒壓力隨EGR率的變化規(guī)律

而僅開高壓EGR時，隨著EGR率的增加，更多的循環(huán)廢氣經(jīng)冷卻混合后進入發(fā)動機，導致排氣歧管壓力線性下降。隨著EGR率的增加，進氣歧管壓力下降的幅值明顯小于排氣歧管。這是因為進氣歧管壓力受到以下兩點影響：第一點為高壓EGR閥的開啟，導致廢氣經(jīng)高壓EGR系統(tǒng)進入進氣歧管而引起壓力升高；第二點為流經(jīng)高低壓級渦輪的廢氣能量下降，導致壓氣機的增壓能力衰減，從而導致進氣歧管的壓力下降。高速高負荷點由于廢氣能量相對充足，隨著高壓EGR閥的開啟，流經(jīng)高壓級渦輪的廢氣能量仍可維持原有的做功能力，所以相對其他工況點而言，該工況點的進氣歧管壓力、空燃比和缸內(nèi)最高燃燒壓力(如圖5)的降低幅值較小，但中速高負荷點則呈現(xiàn)相反的趨勢。

從圖4c可知，在高速點僅用高壓EGR時可有效減小泵氣損失，改善燃油經(jīng)濟性；中低速區(qū)域由于排氣和進氣壓差較小，高壓EGR驅(qū)動能力難以實現(xiàn)較高的EGR率，在該區(qū)域會選用不同的高低壓EGR分配策略，來滿足超低NOx排放需求。

2.2 高低壓EGR分配策略對排放特性的影響

圖6示出B工況點不同高低壓EGR分配策略對總EGR率、低壓EGR率、新鮮進氣量、缸內(nèi)最高燃燒壓力以及NOx與燃油消耗率和NOx與煙度的Trade_off關(guān)系的影響規(guī)律。

從圖6a中可知，僅用低壓EGR可實現(xiàn)較高的EGR率18.8%，而僅用高壓EGR僅可實現(xiàn)EGR率13.3%。這主要是因為在B工況點,高壓EGR的廢氣能量不足、驅(qū)動壓差小(如圖4c所示)，難以實現(xiàn)較高的循環(huán)廢氣流量。從圖6a中也可發(fā)現(xiàn)，隨著高壓EGR閥的開啟，低壓EGR率呈現(xiàn)下降趨勢，這可以說明當高低壓EGR閥均分配時，高壓EGR閥對總進氣流量的影響要小于對低壓EGR流量的影響。

圖6 B工況點不同EGR分配策略對性能影響規(guī)律

從圖6b中可知，隨著高壓EGR減小，燃油消耗率和煙度有明顯降低趨勢，同時NOx-燃油消耗率和NOx-煙度的Trade-off關(guān)系得到改善。對于燃油消耗率，在將NOx降低到同一水平6 g/(kW·h)時，相較于其他分配策略，僅開低壓EGR擁有較高的燃油經(jīng)濟性優(yōu)勢，最大可降低2.8 g/(kW·h)，降幅為1.5%。這是因為僅開低壓EGR時可擁有較高的新鮮進氣量(如圖6c)，提高了缸內(nèi)氧濃度，燃燒反應速率加快，減小后期燃燒的比重并縮短燃燒持續(xù)期，同時等容加熱比重增加，具體表現(xiàn)為缸內(nèi)最高燃燒壓力比其他分配策略下的最高燃燒壓力要大(如圖6d)，從而表現(xiàn)出較好的燃油經(jīng)濟性。對于高壓EGR參與的分配策略，燃油經(jīng)濟性普遍較差。一方面由于高壓EGR的參與使排氣壓力呈現(xiàn)下降趨勢，同時泵氣損失減小，有益于燃油經(jīng)濟性，但另一方面由于廢氣能量損失嚴重，壓氣機效率下降導致新鮮進氣量出現(xiàn)大幅度衰減，使得缸內(nèi)燃燒惡化，循環(huán)熱效率下降明顯，以上正負效果的疊加使得燃油經(jīng)濟性明顯惡化。僅用低壓EGR對于降低煙度具有優(yōu)勢，在NOx降低到6 g/(kW·h)時，煙度可降低5.2 mg/m3。這主要是因為較大的空燃比有助于增加燃油與空氣的混合接觸時間，局部高溫過濃區(qū)域減少，炭煙生成速度降低。

圖7示出A工況點NOx與煙度的關(guān)系。從圖7可發(fā)現(xiàn)，不同EGR分配策略下NOx與煙度的變化趨勢和B工況點較為接近，同時其他排放參數(shù)和運行狀態(tài)參數(shù)均相似，因此不再贅述。通過以上分析可知，在中速中高負荷點應以低壓EGR為主。當?shù)蛪篍GR可滿足NOx排放目標時，應僅用低壓EGR，如若不能，應以高壓EGR為輔降低原排，從而保證擁有較低NOx排放的同時，擁有較優(yōu)的燃油經(jīng)濟性和煙度。

圖7 A工況點NOx比排放與煙度的關(guān)系

圖8示出C工況點下不同高低壓EGR分配策略對總EGR率、排氣與進氣壓差、NOx與燃油消耗率和煙度Trade_off關(guān)系的影響規(guī)律。從圖8a可知，在高速高負荷點，高壓EGR驅(qū)動壓差均在60～100 kPa范圍內(nèi)，所以在小開度下也可擁有較大的EGR率。隨著高壓EGR閥的開啟，渦前排溫升高，但高壓EGR冷卻器的冷卻能力和冷卻效率有限，導致冷卻器后溫度超過單向閥的限值溫度(180 ℃)，因此在一定程度上限制了高壓EGR的應用。從圖8b可知，不同EGR分配策略對NOx與煙度的Trade_off影響規(guī)律基本一致，結(jié)合圖9進行分析，不同分配策略下相同EGR率對應的過量空氣系數(shù)相同，可以說明進氣歧管的氣體組分保持一致，從而使缸內(nèi)燃燒狀態(tài)保持一致，進而表現(xiàn)為Trade_off曲線基本重合，對燃油消耗率影響的差異較為明顯。在僅用高壓EGR時，隨著NOx比排放的降低，燃油消耗率在逐漸下降，但下降到一定程度呈現(xiàn)上升趨勢。這是因為在高速高負荷點擁有較大的泵氣損失，隨著高壓EGR閥開啟，泵氣損失迅速下降，燃油消耗率明顯改善，但同時由于循環(huán)廢氣量的逐漸增加，導致過量空氣系數(shù)下降，缸內(nèi)燃燒惡化程度逐漸加劇，因此最終會產(chǎn)生兩者的平衡點M，在M點之后泵氣損失的影響占主導地位，在M點之前缸內(nèi)燃燒的影響占主導地位。如實現(xiàn)NOx比排放為4 g/(kW·h)，應采用以高壓EGR為主，低壓EGR為輔的分配策略，同時相較于其他分配策略，燃油消耗率最大可降低1.9%。

圖8 C工況點不同EGR分配策略對性能的影響規(guī)律

圖9 D和C工況點過量空氣系數(shù)

圖10示出D工況點在不同高低壓EGR分配策略下NOx與燃油消耗率和NOx與煙度的Trade_off關(guān)系。從圖中可發(fā)現(xiàn)，在僅用高壓EGR的策略下，隨著高壓EGR閥的開啟，燃油消耗率有明顯的下降趨勢，最大可降低9.3%。這是由于泵氣損失下降帶來的油耗優(yōu)勢大于循環(huán)廢氣的引入帶來燃燒惡化的劣勢，但并未出現(xiàn)類似于C工況點的平衡點M，這主要是因為D工況點在不同的EGR分配策略下?lián)碛休^大過量空氣系數(shù)(如圖9)，在實現(xiàn)相同EGR率(5%)情況下，D工況點的過量空氣系數(shù)為2.8，而C工況點的過量空氣系數(shù)僅為1.8，因此在該點雖然大量廢氣引入氣缸降低缸內(nèi)氧密度，但缸內(nèi)氧含量遠高于燃油理論需求的氧含量，不足以引起缸內(nèi)燃燒狀態(tài)大幅度惡化。由NOx與煙度的Trade-off關(guān)系可知，采用低壓EGR參與的分配策略可實現(xiàn)一定排放優(yōu)勢，但優(yōu)勢表現(xiàn)并不明顯。

圖10 D工況點不同EGR分配策略對排放性能的影響

在高速低負荷點實現(xiàn)NOx比排放量為4 g/(kW·h)時，僅用高壓EGR的分配策略，燃油消耗率最大可降低8%。因此，在高速高負荷點采用以高壓EGR為主的分配策略較為理想。

3 結(jié)論

a) 低壓EGR在不同工況點對高低壓級壓氣機效率、進排氣參數(shù)等基本不產(chǎn)生影響；高壓EGR對高低壓增壓器、進排氣參數(shù)和燃燒特性產(chǎn)生較大影響；

b) 在中速中高負荷點，運用低壓EGR可提供較大的空燃比，提高燃燒反應速率，縮短燃燒持續(xù)期，同時局部高溫過濃區(qū)域減少，從而能明顯改善NOx與燃油消耗率和NOx與煙度的Trade_off關(guān)系；在高速高負荷點，在僅用高壓EGR分配策略下，會出現(xiàn)泵氣損失下降帶來油耗優(yōu)勢與缸內(nèi)燃燒惡化帶來的油耗劣化的平衡點，但在高速低負荷點由于擁有較高的過量空氣系數(shù)，缸內(nèi)燃燒惡化帶來的劣勢并未呈現(xiàn)出來，但均明顯改善NOx與燃油消耗率的此消彼長的關(guān)系；

c) 在高低壓EGR分配策略布局方面，中速中高負荷點應采用以低壓EGR為主的分配策略，高速高負荷點采用以高壓EGR為主、低壓EGR為輔的聯(lián)合分配策略，高速低負荷點采用以高壓EGR為主的分配策略，以實現(xiàn)較低的NOx比排放的同時擁有較好的燃油經(jīng)濟性和較低的煙度，從而保證排放和油耗保持相對合理水平。