EGR对重型柴油机性能影响的试验研究

王玉玲龚志国洪 伟刘 伟王 锐

（1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室；2.中国石油天然气股份有限公司吉林销售分公司）

1 前言

随着经济的发展，重型柴油机的需求量在快速增长，而环境污染的加剧和排放法规的日益严格，使得其燃烧和排放的控制技术受到了新挑战。

废气中含有大量的N2和CO2等惰性气体，当这些废气部分回流到进气管后会稀释新鲜进气，使燃烧反应速率减缓；而且废气中含有的水蒸气和CO2为三原子分子气体，比热容大，可以有效降低气缸内最高燃烧温度。因此，EGR技术成为目前降低柴油机NOx排放的最有效的措施之一[1～3]。本文对重型柴油机应用EGR后对其燃烧和排放的影响效果进行试验研究，并分析EGR耦合喷射参数的折中策略对其影响和EGR冷却温度对柴油机性能及排放的影响。

2 试验装置与试验方案

2.1 试验样机与测试设备

试验样机为1台具有高压共轨喷射系统和废气涡轮增压系统的直列6缸柴油机，其主要技术参数见表1。

表1 柴油机主要技术参数

试验采用HORIBA7100D发动机排放测试系统来测量柴油机的 NOx、CO、CO2和 THC等气体及EGR率；采用AVL439透光式烟度计测量排气烟度；用自制的部分流颗粒物采集装置采集PM；采用FCMM-2型发动机油耗仪记录燃油消耗量，计算出燃油消耗率；采用Kistler公司生产的6125B型缸压传感器测量缸内压力；并使用DS9100型多通道瞬态燃烧分析仪测量燃烧放热率等量。发动机台架及各测试设备连接见图1。

2.2 试验方案

试验采用EGR高压回流方式（涡前-增压后），图2所示为外特性工况下中冷后进气压力和涡前排气压力对比，废气需在两者的压差作用下回流入进气管。由图2可知，在高速时涡前压力高于进气压力，在压差作用下能够实现废气回流入进气管；而在低速时出现涡前压力低于进气压力的情况，废气无法回流。另外，在小负荷和怠速时一般不提倡加EGR。因此试验在8工况基础上选择了以下工况点（表2）进行试验。

表2 试验工况点

3 EGR对柴油机性能的影响

3.1 EGR对柴油机燃油经济性的影响

图3所示为EGR率对柴油机燃油消耗率的影响曲线。从图3可知，随着EGR率的增大，同等负荷下燃油消耗率都有所增加，EGR率由2%增加至10%时，在各工况下燃油消耗率的增加幅度近5%。全负荷相对于中等负荷的燃油消耗率曲线变化幅度稍大，其原因是随着负荷的增大，空燃比降低，引入EGR后会使空燃比进一步降低，缸内缺氧区域增多，并且EGR率越高该情况越严重，更易导致燃烧恶化，因此全负荷的燃油消耗率比中等负荷的变化幅度稍大。

3.2 EGR对排放的影响

影响NOx生成的因素有高温、富氧和反应时间，而对于柴油机最主要的因素是缸内的富氧环境和足够高的燃烧温度[4]。为了研究EGR率对重型柴油机NOx排放的影响，试验测取了转速为2000 r/min，50%、75%和100%3种不同负荷下NOx的生成量随EGR率的变化规律（图4）。由图4可知，同等负荷下NOx的浓度随EGR率的增加会明显下降，特别是在全负荷时效果更加明显，当EGR率上升到10%时NOx下降了约50%。这主要是因为废气的加入使新鲜空气量减少，减少了O2与N2的反应机会。另外，从EGR对燃烧的影响来看，废气中的CO2和H2O的比热容大，降低了缸内工质温度及燃烧反应速率，并降低了缸内压力和放热率 （图5），从而降低了NOx的生成量。随EGR率的增大抑制作用也会增大，所以NOx的生成量也会越来越少。不同负荷之间NOx降低程度不同是因为50%和75%负荷的空燃比大，加入较多的EGR对空燃比的影响并不是很明显，而全负荷时空燃比相对较小，随EGR的增加会明显下降，所以50%和75%负荷的NOx随EGR率的变化曲线比全负荷的平缓。

如图6所示为EGR率对重型柴油机排气烟度的影响曲线，可知在柴油机上采用EGR后，烟度排放升高，在75%和50%负荷时，排放烟度随EGR率的变化不大，主要是因为此时O2充足，废气的增多对燃烧过程的影响不大[4]。而在全负荷工况点排放烟度的增加趋势非常显著，当EGR率由1%增加到10%左右时，烟度值由0.5%增大到了3.3%。原因是全负荷需要浓混合气，新鲜空气相对较少，EGR加入后对空气进行稀释，氧气浓度降低，局部缺氧区域增多，燃油不能充分燃烧，另外促使燃料脱氢碳化的环境进一步加强，EGR加入的越多，其负面作用也更加明显，导致烟度增加而产生黑烟[5]。因此在全负荷点最好是采用小的EGR率，防止由于严重的局部缺氧而导致烟度急剧上升。

如图7所示为转速2000 r/min，负荷为50%、75%和100%负荷工况下的EGR率对HC和CO排放的影响。由图7a可知，各负荷工况下HC比排放随EGR率的增大均没有明显变化，在10%EGR率范围内最大HC比排放变化量不超过0.05 g/（kW·h）。

图7b中各负荷工况下CO比排放也都随着EGR率的增加而上升。在75%和50%负荷时CO增加幅度不大；但在全负荷时，CO上升很快，当EGR率到10%时，增加了大约3倍，其原因是全负荷时燃油比小负荷时多，加入废气后氧气浓度稀薄，燃油进入到燃烧室时不能够完全氧化成CO2，致使CO的量上升。

4 EGR耦合喷射参数对排放和经济性的折中影响

为了避免在100%负荷时产生过多的碳烟以及不影响发动机的动力性能，一般应控制加入EGR的量或者不加，所以本节只研究了转速为2000 r/min，75%和50%负荷下的EGR耦合喷射压力和喷射定时对柴油机排放和经济性的影响。图8、图9所示分别为两种工况下的EGR与喷射参数耦合前、后对（NOx+HC）比排放与消光烟度、燃油消耗率的折中影响。图中的折线为单纯调整不同喷射压力和喷射定时得到的曲线，所调参数值见表 3（以150（10～-3）为例；油角为曲轴转角，下同）；分散点为喷射参数耦合EGR后得到的数据，所调参数值见表4。

表3 无EGR耦合喷射参数调整值（以150（10～-3）为例）

表4 EGR耦合喷射压力和喷射定时参数调整值

由图8可知，不加EGR时，烟度的排放和（NOx+HC）排放呈此消彼长的趋势。为了同时降低（NOx+HC）和烟度排放，试验加入了EGR耦合调整。加入EGR后的数据都集中在折线图的左下角，这表明EGR耦合喷射参数策略可以同时使碳烟和（NOx+HC）都降低，采用这种策略优化了原机的排放性能，烟度和（NOx+HC）排放得到了一定范围的控制。

由图9可知，无EGR耦合时，随（NOx+HC）比排放和值的减小，燃油消耗率增加，两者也为此消彼长的趋势；而EGR耦合策略的分散点大部分集中在左下角。由此可得出结论:EGR耦合喷射参数策略可使燃油消耗率和（NOx+HC）比排放同时达到降低的目的，即在降低NOx和HC排放的同时，优化了原机的燃油经济性。

这种EGR耦合喷射参数的策略之所以能同时改善原机的排放性和经济性，主要是因为相同（NOx+HC）下，原机不加入EGR时为了抑制NOx的生成，喷射压力和喷射定时都会有所降低和推迟，而加入EGR后，废气可抑制NOx生成，因此允许适当提高喷射压力和提前喷射定时以兼顾PM排放和燃油经济性。喷射压力越高，燃料喷雾粒度越细，喷油速率也越高，柴油机的烟度与颗粒物排放指标也越好；适当提前喷射定时，使更多的燃油在压缩上止点左右燃烧，做功能力增强，比油耗降低[6～7]。因此，EGR耦合策略能获得较好的 （NOx+HC）、PM和燃油经济性三者之间的折中关系。

表5所列为EGR耦合喷射参数前、后8工况优化结果对比，可知EGR耦合策略较无EGR策略各类排放物的加权比排放值和比油耗均明显降低，表明EGR耦合喷射参数策略能够同时降低排放和燃油消耗，使发动机获得更好的排放性和经济性。而且EGR耦合策略的NOx与HC加权比排放值仅为3.5 g/（kW·h），PM 加权比排放值仅为 0.104 g/（kW·h），均远低于 EPA Tier3 标准（BS（HC+NOx）-4.0 g/（kW·h），BSPM-0.2 g/（kW·h））， 因此本研究达到了预期的优化排放和经济性目标。

表5 EGR耦合喷射参数前、后8工况优化结果对比g/（kW·h）

5 EGR冷却温度的影响研究

对于NOx和碳烟这两种柴油机主要排放污染物，温度是影响其在缸内形成的一个关键因素。进一步考察了EGR冷却温度对发动机性能和排放的影响，在试验过程中将原机机内冷却系统更换为外接冷却系统。图10为两套冷却系统的EGR冷却后温度和EGR率的对比，可知采用外接冷却系统后EGR的温度明显降低，而且在EGR阀开度不变的情况下使发动机进气中的EGR率得到提升。

图11所示为机内冷却和外接冷却两种EGR冷却方式下的NOx和消光烟度的排放变化曲线，可知在外接冷却方式下EGR温度降低后，NOx排放比机内冷却EGR时明显降低，但消光烟度有所增加。主要是因为EGR温度降低，会降低缸内燃烧温度，使NOx的生成量降低[5]，但是燃烧温度的降低会使燃烧恶化，而导致烟度有所增加。

表6所列为EGR温度降低前、后8工况试验测试数据。通过对比可以看出EGR温度降低后PM和加权燃油消耗率虽有所恶化，但恶化幅度较小；CO排放稍有降低，HC和NOx比排放值明显降低，降幅达10%以上。进一步降低EGR温度，并且耦合喷射压力和喷油定时的联合调整将会使样机获得更好的使用性能。

表6 EGR温度降低后8工况试验测试数据 g/（kW·h）

6 结束语

a.EGR能有效改善柴油机NOx的排放水平，但经济性会有所下降，碳烟排放增加，也会给HC和CO排放带来不同程度的负面影响。

b.采用联合调整EGR和喷射参数的折中策略改善了消光烟度和（NOx+HC）的排放，同时也降低了燃油消耗以及PM和CO的排放。

c. 进一步提高EGR冷却器的冷却能力，降低EGR温度，将会使柴油机获得更好的使用性能。

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2 韩林沛，刘洪涛，孙博，等.EGR对车用柴油机性能影响的试验研究.车用发动机，2012，1：51～55.

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